С практической целью бактериофаги можно использовать. Применение бактериофагов в медицине

Бактериофа ги или фа ги (от др. греч. φᾰγω «пожираю») - вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис. Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты(ДНК или, реже, РНК). Общая численность бактериофагов в природе примерно равна общей численности бактерий (1030 – 1032 частиц). Бактериофаги активно участвуют в круговороте химических веществ и энергии, оказывают заметное влияние на эволюцию микробов и бактерий Структура типичного миовируса бактериофага.

Строение бактериофагов 1 - головка, 2 - хвост, 3 - нуклеиновая кислота, 4 - капсид, 5 - «воротничок» , 6 - белковый чехол хвоста, 7 - фибрилла хвоста, 8 - шипы, 9 - базальная пластинка

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток. Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2- 4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал - одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой - капсидом, сохраняющим геном вне клетки. Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные. Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку - продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

Систематика бактериофагов Большое количество выделенных и изученных бактериофагов определяет необходимость их систематизации. Этим занимается Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). В настоящее время, согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов, бактериофаги разделяют в зависимости от типа нуклеиновой кислоты и морфологии. На данный момент выделяют девятнадцать семейств. Из них только два РНКсодержащих и только пять семейств имеют оболочку. Из семейств ДНКсодержащих вирусов только два семейства имеют одноцепочечные геномы. У девяти ДНК-содержащих семейств геном представлен кольцевой ДНК, а у других девяти - линейной. Девять семейств специфичны только для бактерий, остальные девять только для архей, а (Tectiviridae) инфицирует как бактерий, так и архей

Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла. Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки. Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние и. РНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс - созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц

Жизненный цикл Умеренные и вирулентные бактериофаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой имеют одинаковый цикл. Адсорбция бактериофага на фагоспецифических рецепторах клетки. Инъекция фаговой нуклеиновой кислоты в клетку хозяина. Совместная репликация фаговой и бактериальной нуклеиновой кислоты. Деление клетки. Далее бактериофаг может развиваться по двум моделям: лизогенный либо литический путь. Умеренные бактериофаги после деления находятся в состоянии профаза (лизогенный путь) Вирулентные бактериофаги развиваются по литической модели: Нуклеиновая кислота фага направляет синтез ферментов фага, используя для этого белоксинтезирующий аппарат бактерии. Фаг тем или иным способом инактивирует ДНК и РНК хозяина, а ферменты фага совсем расщепляют её; РНК фага «подчиняет» себе клеточный аппарат синтеза белка. Нуклеиновая кислота фага реплицируется и направляет синтез новых белков оболочки. Образуются новые частицы фага в результате спонтанной самосборки белковой оболочки (капсид) вокруг фаговой нуклеиновой кислоты; под контролем РНК фага синтезируется лизоцим. Лизис клетки: клетка лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200- 1000 новых фагов; фаги инфицируют другие бактерии.

Применение В медицине Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. Например, применяются бактериофаги: стрептококковый, стафилококковый, клебсиеллёзный, дизентерийныйиполив алентный, пиобактериофаг, коли, протейный и колипротейный и другие. В России зарегистрировано и применяется 13 медицинских препаратов на основе фагов. В настоящее время их применяют для лечения бактериальных инфекций, которые не чувствительны к традиционному лечению антибиотиками, особенно в республике Грузия. Обычно, применение бактериофагов сопровождается большим, чем антибиотики, успехом там, где присутствуют биологические мембраны, покрытые полисахаридами, через которые антибиотики обычно не проникают. В настоящее время терапевтическое применение бактериофагов не получило одобрения на Западе, хотя и применяются фаги для уничтожения бактерий, вызывающих пищевые отравления, таких, как листерии. В многолетнем опыте в объёме крупного города и сельской местности доказана необычайно высокая лечебная и профилактическая эффективность дизентерийного бактериофага (П. М. Лернер, 2010). В России терапевтические фаговые препараты делают давно, фагами лечили ещё до антибиотиков. В последние годы фаги широко использовали после наводнений в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию.

В биологии Бактериофаги применяются в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция). Фаговые векторы обычно создают на базе умеренного бактериофага λ, содержащего двухцепочечную линейную молекулу ДНК. Левое и правое плечи фага имеют все гены, необходимые для литического цикла (репликации, размножения). Средняя часть генома бактериофага λ (содержит гены, контролирующие лизогению, то есть его интеграцию в ДНК бактериальной клетки) не существенна для его размножения и составляет примерно 25 тысяч пар нуклеотидов. Данная часть может быть заменена на чужеродный фрагмент ДНК. Такие модифицированные фаги проходят литический цикл, но лизогения не происходит. Векторы на основе бактериофага λ используют для клонирования фрагментов ДНК эукариот (то есть более крупных генов) размером до 23 тысяч пар нуклеотидов (т. п. н.). Причём, фаги без вставок - менее 38 т. п. н. или, напротив, со слишком большими вставками - более 52 т. п. н. не развиваются и не поражают бактерии. Поскольку размножение бактериофага возможно только в живых клетках, бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий. Данное направление имеет большие перспективы, поскольку, одним из основных вопросов при разных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур. С помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий была показана возможность изучения этапов взаимодействия фаг-микробная клетка

А также в ветеринарии для: профилактики и лечения бактериальных заболеваний птиц и животных; лечения гнойно-воспалительных заболеваний слизистых глаз, полости рта; профилактики гнойно-воспалительных осложнений при ожогах, ранениях, операционных вмешательствах; в генной инженерии: для трансдукции - естественной передачи генов между бактериями; как векторы, переносящие участки ДНК; с помощью фагов можно конструировать направленные изменения в геноме хозяйской ДНК; в пищевой промышленности: в массовом порядке фагосодержащими средствами уже обрабатывают готовые к употреблению продукты из мяса и домашней птицы; бактериофаги применяют в производстве продуктов питания из мяса, мяса птицы, сыров, растительной продукции, и пр. ;

в сельском хозяйстве: распыление фагопрепаратов для защиты растений и урожая от гниения и бактериальных заболеваний; для защиты скота и птицы от инфекций и бактериальных заболеваний; для экологической безопасности: антибактериальная обработка семян и растений; очистка помещений пищеперерабатывающих предприятий; санитарная обработка рабочего пространства и оборудования; профилактика помещений больниц; проведение экологических мероприятий

Таким образом, на сегодняшний день бактериофаги пользуются большой популярностью в жизни человека и животных. На предприятиях намечен целый ряд приоритетных направлений разработки и производства лечебнопрофилактических бактериофагов, которые коррелируют с вновь зарождающимися общемировыми тенденциями. Создаются и внедряются новые препараты, для лечения многих заболеваний . Изучением и применением бактериофагов занимаются бактериологи, вирусологи, биохимики, генетики, биофизики, молекулярные биологи, экспериментальные онкологи, специалисты по генной инженерии и биотехнологии

Бактериофаги известны своей уникальной особенностью избирательно поражать бактерии: каждый вид бактериофагов активен только в отношении определенного вида бактерий и нейтрален по отношению к другим. Медицине известно более пяти тысяч видов этих «пожирателей бактерий», которые, проникая в патогенную клетку, разрушают ее изнутри, но при этом не нарушают микрофлору организма в целом.

Принцип действия

Принцип действия бактериофаговых препаратов заключается в том, что при введении или поверхностном применении фагов они разыскивают и проникают во вредоносную бактерию, нарушая её структуру изнутри.

Размножение фагов внутри бактерии приводит к её полному разрушению. В результате такого процесса, длительность которого занимает от 15 до 45 минут, образуется примерно от 70 до 200 новых фаговых частиц.

Преимущество фагов при использовании в том, что они продолжают размножаться и проникать в клетки до тех пор, пока там присутствует инфекция

Виды и среда обитания

Несмотря на очень маленький размер фаговых частиц (до 0,2 миллимикронов) их строение имеет более сложную структуру, чем у вирусов других групп. Генная информация бактериофагов заключается в ДНК, находящейся внутри головки фага. Бактериофаги имеют разнообразную морфологическую структуру.

Бактериофаги разной формы

В естественной среде бактериофаги встречаются практически везде, где есть бактериальная клетка.

В медицине существует разделение фаговых препаратов по группам, включающих фаги по наименованию болезнетворных бактерий, на которые они воздействуют:

• стрептококковая;
• стафилококковая;
• дизентирийная;
• колийная;
• псевдомонадная;
• клебсиелезная;
• протейная;
• и другие.

Практическое применение и назначение

Применение бактериофагов является не только действенным методом лечения многих инфекционных заболеваний, вызванных бактериальными возбудителями, но также относится к надежным профилактическим методам.

Лечебно-профилак тические препараты с бактериофагами эффективно используются для лечения:

• заболеваний, вызванных гемолитической кишечной палочкой, стафилококком, стрептококком, энтерококком, синегнойной палочкой, протеем и т.д.;
• дисбактериоза у детей и взрослых;
• ЛОР заболеваний;
• профилактика бактериальных осложнений при гриппе и ОРЗ;
• пиодермия кожных покровов, укусы насекомых и животных, раневые инфекции;
• гнойно-воспалите льные заболевания полости рта и околозубных тканей;
• бактериальные заболевания мочеполовой системы.

Наибольшую эффективность фаговые препараты показывают при профилактическом использовании и раннем выявлении возбудителя данного заболевания.

Разнообразие препаратов и их особенности

Лечебно-профилактические препараты с содержанием бактериофагов выпускаются в виде растворов и гелей. Найти такие препараты можно в аптеках или проверенных интернет-магазинах http://vitabio.ru/ . Ниже приведены примеры и описание некоторых из них.

Гели с бактериофагами: Отофаг, Фагодент, Фагодерм, Фагогин

Фагогин – препарат с бактериофагами, выпускающийся в форме геля предназначенный для интимной гигиены. В составе препарата насчитывается около 40 разновидностей бактериофагов, каждый из которых направлен на борьбу с конкретным видом микробов. Фагогин является эффективным антибактериальным средством местного назначения для профилактики и лечения инфекций половых органов.
Отофаг – гель, для профилактики и лечения отитов, ларингитов, ангин, ринитов и других инфекционных заболеваний ЛОР-органов. Отофаг эффективное средство для профилактики бактериальных осложнений при гриппе и ОРЗ. Отофаг также применяется как антисептическое средство при хирургических вмешательствах.
Фагодент – новейшая разработка с содержанием живых бактериофагов для гигиены и антибактериальной обработки полости рта. Выпускаемый в форме геля с дозатором, препарат способен нейтрализовать патогенную флору и очаг воспалительного процесса. Фагодент применяется при лечении гнойно-воспалительных процессов слизистой рта и дёсен, возвращает свежее дыхание и восстанавливает микрофлору полости рта.
Фагодерм – препарат для профилактики и лечения заболеваний поверхностных и глубоких слоёв кожи и её повреждений. Природный препарат Фагодерм эффективно справляется с вредоносными бактериями и обеспечивает комплексное оздоровление кожных покровов. Подходит для применения у разных возрастных групп за счёт содержания природных компонентов.

Чем бактериофаги лучше антибиотиков?

Целенаправленное уничтожение микробов даёт фагам неоспоримое преимущество перед антибиотиками, которые вместе с бактериями уничтожают всю полезную микрофлору. Такое лечение приводит к нарушению работы всей системы желудочно-кишечного тракта, дисбактериозу и другим заболеваниям, что исключено при лечении бактериофагами.
Другие преимущества бактериофагов:

• способны уничтожить бактерии, которые имеют стойкий иммунитет к антибиотикам;
• отсутствие побочных эффектов;
• совместимы с приёмом всех лекарственных препаратов;
• не вызывают привыкания;
• используются как профилактические средства;
• не снижают иммунитет организма;
• подходят для применения всех возрастных групп.

Несмотря на то, что у препаратов с бактериофагами противопоказания отсутствуют, встречаются случаи, когда препараты, содержащие фаги, не эффективны, тогда лечение заболевания продолжается традиционными методами.

По мнению учёных и специалистов, фаготерапия является большим революционным открытием в борьбе со многими инфекционными заболеваниями, где медицина ранее была бессильна. Являясь естественными средствами по борьбе с инфекциями, бактериофаги идеально взаимодействуют с человеческим организмом, не принося вреда.

В связи с возрастающей устойчивостью патогенных микробов к антибиотикам, и ввиду того что альтернативные методы лечения инфекционных заболеваний завоёвывают все большую популярность, исследования бактериофагов будут только набирать обороты, что приведёт к новым открытиям и победам над многими заболеваниями.

Бактериофаги, применение в медицине.

Бактериофаги. Применение в медицинской практике.

Бактериофаги - это вирусы бактерий способные специфически проникать в бактериальные клетки, репродуцировать их и вызывать лизис.

Они встречаются везде, где есть бактерии - в почве, воде, кишечном тракте человека. Фагом присущи все биологические особенности, которые свойственны вирусам.

Морфология фагов:

Фаги различаются по форме - нитевидные, сферические, кубические, фаги, имеющие головку и хвостик (напоминают сперматозоид).

По размерам - мелкие, среднего размера и крупные.

Наиболее сложно устроены крупные фаги, состоящие из головки и хвостика. Головка имеет форму икосаэдра. Головка с помощью воротника и зонтика связана с отростком. Внутри отростка есть полый цилиндрический стержень, который сообщается с головкой, с наружи отросток имеет белковый чехол способный к сокращению, хвостовой отросток заканчивается шестиугольной базальной пластиной с короткими шипами, от которых отходят нитевидные структуры фибриллы. В пластинке и шипах содержится лизоцим. Отросток имеет 6 ворсинок, которые обеспечивают плотное прикрепление фага к бактериальной клетка. Могут встречаться фаги с несокращающимся чехлом, фаги с короткими отростками, фаги с аналогом отростка, фаги без отростка.

Химический состав:

Резистентность фагов: фаги переносят температуру 50-60°С. Выдерживают замораживание, гибнут при температуре 70С°. На них не действуют такие яды как цианид, фторид, а также хлороформ и фенол. Фаги хорошо сохраняются в запаянных ампулах, но они могут разрушаться при кипячении, действии кислот, при УФ - облучении.

Механизм взаимодействия фагов с микробной клеткой:

По взаимодействию различают вирулентные и умеренные фаги.

Вирулентные фаги - они проникают в бактериальную клетку, репродуцируются и вызывают лизис бактерий.

Для фагов с отростком и сокращающимся чехлом имеется ряд особенностей:

Эти фаги адсорбируются на поверхности бактериальной клетки с помощью фибрилл отростка при наличии соответствующих рецепторов. Затем происходит активация фермента АТФ-азы, что приводит к сокращению чехла хвостатого отростка и внедрению полого стержня в клетку. В процессе прокалывания стенок клетки участвует фермент - лизоцим.

ДНК фага проходит через полый стержень отростка и впрыскивается в клетку. Капсид и отросток остаются на поверхности клетки. Затем происходит репродукция белка и нуклеиновой кислоты фага внутри клетки. Следующая стадия заключается в сборке и формирование зрелых частиц фага. Заключительная стадия: лизис клетки и выход зрелых частиц фага из нее. Лизис может проходить как изнутри - происходит разрыв клеточной стенки и выход зрелых фагов во внешнею среду и извне - фаги проделывают в клеточной стенки множество отверстий, через которые вытекает содержимое клетки, при таком лизисе фаг не размножается.

Умеренные фаги - лизируют не все клетки в популяции, с частью клеток вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому клетки. В этом случае геном фага называется - профаг.

Профаг становится частью хромосомы клетки и при её размножении реплицируется синхронно с геномом клетки, не вызывая её лизис и передается потомству.

Явление симбиоза микробной клетки с профагом называется - лизогенией.

А культура бактерий содержащих профаг -лизогенной, это название отражает способность профага самопроизвольно или под действием факторов окружающей среды переходить в цитоплазму и вести себя как вирулентный фаг лизирующий бактерии. При переходе в вирулентную форму умеренный фаг может захватывать часть хромосомы бактериальной клетки и при лизисе перенести в другую.

По спектру действия фаги подразделяются:

1.Поливалентные - лизируют родственные бактерии (сальмонеллезный фаг лизирует только сальмонеллы).

2.Видовые (монофаги) - лизируют бактерии только одного вида.

3.Типоспецифические - избирательно лизируют отдельные варианты бактерий внутри вида (патог. Стафилококк - 33 набора).

Практическое применение:

Препараты фагов применяют для лечения и профилактике инфекций и их диагностики. Действие фагов основано на их строгой специфичности, для получения препарата фага используют производственные штаммы и соответствующие культуры бактерий.

Формы выпуска: жидкие, сухие, в виде таблеток, аэрозолей, свечи. Вводятся в организм парентерально, энтерально и местно. Используют с лечебно - профилактической целью при различных заболеваниях (дизентерии, холеры, различные гнойно - воспалительные заболевания).

Фагодиагностика: принцип диагностики основан на совместном культивировании тест - культур с известными и неизвестными фагами, положительным считается результат при наличии лизиса бактериальной клетки. Лизис может наблюдаться на жидких и плотных питательных средах. На жидких питательных средах, проявляется просветления бактериальной суспензии, а на плотных формируются участки отсутствия роста.

Фаготипирование: определение типового варианта вида с помощью набора типовых фагов. Выпускаются брюшнотифозные фаги, фаги для диагностики холеры, сальмонеллезные фаги, дизентерийные фаги. Фаготипирование необходимо при проведении эпидемиологического анализа заболевания и с целью установления источника и путей передачи. По обнаружению фага судят о содержании соответствующих микроорганизмов.

№ 10-2013

Фотография, сделанная с помощью электронного микроскопа,
показывает процесс закрепления бактериофагов (колифагов T1) на поверхности бактерии E. coli .

В конце ХХ века стало ясно, что бактерии безусловно доминируют в биосфере Земли, составляя более 90% ее биомассы. У каждого вида имеется множество специализированных типов вирусов. По предварительным оценкам, число видов бактериофагов составляет около 10 15 . Чтобы понять масштаб этой цифры, можно сказать, что если каждый человек на Земле будет каждый день открывать по одному новому бактериофагу, то на описание всех их понадобится 30 лет.

Таким образом, бактериофаги – самые малоизученные существа в нашей биосфере. Большинство известных сегодня бактериофагов принадлежит к отряду Caudovirales – хвостатые вирусы. Их частицы имеют размер от 50 до 200 нм. Хвост разной длины и формы обеспечивает присоединение вируса к поверхности бактерии-хозяина, головка (капсид) служит хранилищем для генома. Геномная ДНК кодирует структурные белки, формирующие «тело» бактериофага, и белки, которые обеспечивают размножение фага внутри клетки в процессе инфекции.

Можно сказать, что бактериофаг – это природный высокотехнологичный нанообъект. Например, хвосты фагов представляют собой «молекулярный шприц», который протыкает стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл. Его дальнейшие этапы состоят из переключения механизмов жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножение его генома, построение множества копий вирусных оболочек, упаковки в них ДНК вируса и, наконец, разрушение (лизис) хозяйской клетки.

Бактериофаг – это не живое существо, а молекулярный наномеханизм, созданный природой.
Хвост бактериофага – шприц, который протыкает стенку бактерии и впрыскивает вирусную ДНК,
которая хранится в головке (капсиде), внутрь клетки .

Помимо постоянного эволюционного соревнования механизмов защиты у бактерий и нападения у вирусов, причиной сложившегося равновесия можно считать и то, что бактериофаги специализировались по своему инфекционному действию. Если имеется крупная колония бактерий, где своих жертв найдут и следующие поколения фагов, то уничтожение бактерий литическими (убивающими, дословно – растворяющими) фагами идет быстро и непрерывно.

Если потенциальных жертв маловато или внешние условия не слишком подходят для эффективного размножения фагов, то преимущество получают фаги с лизогенным циклом развития. В этом случае после внедрения внутрь бактерии ДНК фага не сразу запускает механизм инфекции, а до поры до времени существует внутри клетки в пассивном состоянии, зачастую внедряясь в бактериальный геном.

В таком состоянии профага вирус может существовать долго, проходя вместе с хромосомой бактерии циклы деления клетки. И лишь когда бактерия попадает в благоприятную для размножения среду, активируется литический цикл инфекции. При этом, когда ДНК фага освобождается из бактериальной хромосомы, часто захватываются и соседние участки бактериального генома, а их содержимое в дальнейшем может перенестись в следующую бактерию, которую заразит бактериофаг. Этот процесс (трансдукция генов) считается важнейшим средством переноса информации между прокариотами – организмами без клеточных ядер.

Как действует бактериофаг

Все эти молекулярные тонкости не были известны во втором десятилетии ХХ века, когда были открыты «невидимые инфекционные агенты, уничтожающие бактерий». Но и без электронного микроскопа, с помощью которого в конце 1940-х впервые удалось получить изображения бактериофагов, было понятно, что они способны уничтожать бактерии, в том числе и болезнетворные. Это свойство было незамедлительно востребовано медициной.

Первые попытки лечения фагами дизентерии, раневых инфекций, холеры, тифа и даже чумы были проведены достаточно аккуратно, и успех выглядел вполне убедительно. Но после начала массового выпуска и использования фаговых препаратов эйфория сменилась разочарованием. О том, что такое бактериофаги, как производить, очищать и применять их лекарственные формы, было известно еще очень мало. Достаточно сказать, что по результатам предпринятой в США в конце 1920-х годов проверки во многих промышленных фагопрепаратах собственно бактериофагов вообще не оказалось.

Проблема с антибиотиками

Вторую половину ХХ века в медицине можно назвать «эрой антибиотиков». Однако еще первооткрыватель пенициллина Александр Флеминг в своей нобелевской лекции предупреждал, что устойчивость микробов к пенициллину возникает довольно быстро. До поры до времени антибиотикоустойчивость компенсировалась разработкой новых типов противомикробных лекарств. Но с 1990-х годов стало ясно, что человечество проигрывает «гонку вооружений» против микробов.

Виновато прежде всего бесконтрольное применение антибиотиков не только в лечебных, но и в профилактических целях, причем не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и быту. В результате устойчивость к этим препаратам начала вырабатываться не только у болезнетворных бактерий, но и у самых обычных микроорганизмов, живущих в почве и воде, делая из них «условных патогенов».

Такие бактерии комфортно существуют в медицинских учреждениях, заселяя сантехнику, мебель, медицинскую аппаратуру, порой даже дезинфицирующие растворы. У людей с ослабленным иммунитетом, каких в больницах большинство, они вызывают тяжелейшие осложнения.

Неудивительно, что медицинское сообщество бьет тревогу. В прошедшем, 2012 году гендиректор ВОЗ Маргарет Чен выступила с заявлением, предсказывающим конец эры антибиотиков и беззащитность человечества перед инфекционными заболеваниями. Впрочем, практические возможности комбинаторной химии – основы фармакологической науки – далеко не исчерпаны. Другое дело, что разработка противомикробных средств – очень дорогой процесс, не приносящий таких прибылей, как многие другие лекарства. Так что страшилки о «супербактериях» – это скорее предостережение, побуждающее людей к поискам альтернативных решений.

Бактериофаги и иммунитет

Поскольку бактериофагов в природе несметное количество и они постоянно попадают в организм человека с водой, воздухом и пищей, то иммунитет их просто игнорирует. Существует даже гипотеза о симбиозе бактериофагов в кишечнике, регулирующем кишечную микрофлору. Добиться какой-то иммунной реакции можно лишь при длительном введении в организм больших доз фагов.

Но таким образом можно добиться аллергии на почти любые вещества. И наконец, очень важно, что бактериофаги недороги. Разработка и производство препарата, состоящего из точно подобранных бактериофагов с полностью расшифрованными геномами, культивированных по современным биотехнологическим стандартам на определенных штаммах бактерий в химически чистых средах и прошедших высокую очистку, на порядки дешевле, чем современных сложных антибиотиков.

Это позволяет быстро приспосабливать фаготерапевтические препараты к меняющимся наборам патогенных бактерий и применять бактериофаги в ветеринарии, где дорогие лекарства экономически не оправданы.

На медицинской службе

Вполне логичным выглядит возрождение интереса к использованию бактериофагов – естественных врагов бактерий – для лечения инфекций. Действительно, за десятилетия «эры антибиотиков» бактериофаги активно служили науке, но не медицине, а фундаментальной молекулярной биологии. Достаточно упомянуть расшифровку «триплетов» генетического кода и процесса рекомбинации ДНК. Сейчас о бактериофагах известно достаточно, чтобы обоснованно выбирать фаги, подходящие для терапевтических целей.

Достоинств у бактериофагов как потенциальных лекарств множество. Прежде всего – это их несметное количество. Хотя изменять генетический аппарат бактериофага тоже намного проще, чем у бактерии, и тем более – у высших организмов, в этом нет необходимости. Всегда можно подобрать что-то подходящее в природе. Речь идет скорее о селекции, закреплении востребованных свойств и размножении нужных бактериофагов.

Это можно сравнить с выведением пород собак – ездовых, сторожевых, охотничьих, гончих, бойцовых, декоративных… Все они при этом остаются собаками, но оптимизированы под определенный вид действий, нужных человеку. Во-вторых, бактериофаги строго специфичны, то есть они уничтожают только определенный вид микробов, не угнетая при этом нормальную микрофлору человека.

В-третьих, когда бактериофаг находит бактерию, которую должен уничтожить, он в процессе своего жизненного цикла начинает размножаться. Таким образом, не столь острым становится вопрос дозировки. В-четвертых, бактериофаги не вызывают побочных эффектов. Все случаи аллергических реакций при использовании терапевтических бактериофагов были вызваны либо примесями, от которых препарат был недостаточно очищен, либо токсинами, выделяющимися при массовой гибели бактерий. Последнее явление, «эффект Герксхаймера», нередко наблюдается и при применении антибиотиков.

Две стороны медали

К сожалению, недостатков у медицинских бактериофагов тоже немало. Самая главная проблема проистекает из достоинства – высокой специфичности фагов. Каждый бактериофаг инфицирует строго определенный тип бактерий, даже не таксономический вид, а ряд более узких разновидностей, штаммов. Условно говоря, как если бы сторожевая собака начинала лаять только на одетых в черные плащи громил двухметрового роста, а на лезущего в дом подростка в шортах никак не реагировала.

Поэтому для нынешних фаговых препаратов нередки случаи неэффективного применения. Препарат, сделанный против определенного набора штаммов и прекрасно лечащий стрептококковую ангину в Смоленске, может оказаться бессильным против по всем признакам такой же ангины в Кемерове. Болезнь та же, вызывается тем же микробом, а штаммы стрептококка в разных регионах оказываются различными.

Для максимально эффективного применения бактериофага необходима точная диагностика патогенного микроба, вплоть до штамма. Самый распространенный сейчас метод диагностики – культуральный посев – занимает много времени и требуемой точности не дает. Быстрые методы – типирование с помощью полимеразной цепной реакции или масс-спектрометрии – внедряются медленно из-за дороговизны аппаратуры и более высоких требований к квалификации лаборантов. В идеале подбор фагов-компонентов лекарственного препарата можно было бы делать против инфекции каждого конкретного пациента, но это дорого и на практике неприемлемо.

Другой важный недостаток фагов – их биологическая природа. Кроме того, что бактериофаги для поддержания инфекционности требуют особых условий хранения и транспортировки, такой метод лечения открывает простор для множества спекуляций на тему «посторонней ДНК в человеке». И хотя известно, что бактериофаг в принципе не может заразить человеческую клетку и внедрить в нее свою ДНК, поменять общественное мнение непросто.

Из биологической природы и довольно большого, по сравнению с низкомолекулярными лекарствами (теми же антибиотиками), размера вытекает третье ограничение – проблема доставки бактериофага в организм. Если микробная инфекция развивается там, куда бактериофаг можно приложить напрямую в виде капель, спрея или клизмы, – на коже, открытых ранах, ожогах, слизистых оболочках носоглотки, ушей, глаз, толстого кишечника – то проблем не возникает.

Но если заражение происходит во внутренних органах, ситуация сложнее. Случаи успешного излечения инфекций почек или селезенки при обычном пероральном приеме препарата бактериофага известны. Но сам механизм проникновения относительно крупных (100 нм) фаговых частиц из желудка в кровоток и во внутренние органы изучен плохо и сильно разнится от пациента к пациенту. Бактериофаги бессильны и против тех микробов, которые развиваются внутри клеток, например возбудителей туберкулеза и проказы. Через стенку человеческой клетки бактериофаг пробраться не может.

Нужно отметить, что противопоставлять применение бактериофагов и антибиотиков в медицинских целях не следует. При совместном их действии наблюдается взаимное усиление противобактериального эффекта. Это позволяет, например, снизить дозы антибиотиков до значений, не вызывающих выраженных побочных эффектов. Соответственно, и механизм выработки у бактерий устойчивости к обоим компонентам комбинированного лекарства почти невозможен.

Расширение арсенала противомикробных препаратов дает больше степеней свободы в выборе методики лечения. Таким образом, научно обоснованное развитие концепции применения бактериофагов в противомикробной терапии – перспективное направление. Бактериофаги служат не столько альтернативой, сколько дополнением и усилением в борьбе с инфекциями.

1. В медицине:

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. Например, применяются бактериофаги: стрептококковый,стафилококковый, клебсиеллёзный, дизентерийный поливалентный, пиобактериофаг, коли, протейный и колипротейный и другие.

Бактериофаги применяются также в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция).

2. В биологии

Бактериофаги M13, фаг Т4, T7 и фаг л используют для изучения белок-белковых, белок-пептидных и ДНК-белковых взаимодействий методом фагового дисплея.

Поскольку размножение бактериофага возможно только в живых клетках, бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий. Данное направление имеет большие перспективы, поскольку, одним из основных вопросов при разных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур.

ПРЕИМУЩЕСТВА БАКТЕРИОФАГОВ ПЕРЕД АНТИБИОТИКАМИ:

• · высокоэффективные биологические препараты антибактериального действия для профилактики и лечения острых кишечных инфекций и гнойно-воспалительных заболеваний, лечения дисбактериозов;
• · при применении не нарушают нормального биоценоза человека (в отличии от антибиотиков, после которых всегда надо лечить дисбактериоз - Прим. автора);
• · незаменимы при устойчивости возбудителей к антибиотикам;
• · могут применяться в комплексной терапии с другими лекарственными средствами;
• · необходимы при лечении дисбактериозов в комплексе с препаратами, нормализующими микрофлору кишечника;
• · рекомендованы взрослым и детям;
• · изготавливаются с применением природного сырья.

К преимуществам бактериофаговых препаратов относятся узкая специфичность действия, не вызывающая, в отличие от антибиотиков, угнетения нормальной микрофлоры. Доказано стимулирующее действие стафилококкового бактериофага на бифидобактерии -- важнейший компонент микробиоценоза кишечника. Использование бактериофагов для лечения инфекционных заболеваний стимулирует факторы специфического и неспецифического иммунитета, что особенно эффективно для лечения хронических воспалительных заболеваний на фоне иммунодепрессивных состояний, бактерионосительства.

И антибиотики, и бактериофаги действуют непосредственно на микробы, только антибиотики губят не только патогенную, но и нормальную микрофлору, нарушая естественный баланс, в то время как бактериофаги действуют только на патогенные микроорганизмы. Встречая чувствительную микробную клетку, фаг проникает внутрь нее, переключает механизм ее действия на воспроизводство себе подобных, которые, разрывая оболочку клетки, в десятикратном количестве атакуют другие микробы. Лизис приобретает спонтанный характер, и освобождение от нежелательных микробов происходит в считанные часы. Следует упомянуть также комплексные препараты, представляющие собой набор фагов сразу к нескольким возбудителям: это пиобактериофаг для лечения гнойно-септических заболеваний и интестибактериофаг против кишечных инфекций.

Основными производителями бактериофагов у нас в стране являются НПО "Иммунопрепарат" (Уфа), предприятие по производству бактерийных препаратов (Нижний Новгород), МП "Биофон" (Саратов), НПО "Биомед" (Пермь).

Клиническая практика показала эффективность использования бактериофагов при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта, а также при воспалительных заболеваниях пазух носа, ротовой полости, верхних дыхательных путей, мочеполовой системы, холециститах и др., вызванных бактериями, чувствительными к фагу. Однако фаги, эти "природные санитары", могут быть использованы не только для лечения, но и для профилактики инфекционных заболеваний. Они не токсичны, не имеют противопоказаний к применению, могут быть использованы в сочетании с любыми другими лекарственными препаратами. Их можно назначать беременным, кормящим матерям и детям любого возраста, включая недоношенных.

Основным условием их успешного применения является проверка выделенной культуры на чувствительность к соответствующему фагу. Отмечена удивительная закономерность: в отличие от антибиотиков, чувствительность клинических штаммов микроорганизмов к бактериофагам стабильна и имеет тенденцию к росту, что можно объяснить обогащением лечебных препаратов новыми расами фагов.

Препараты бактериофага назначают внутрь при заболеваниях внутренних органов либо местно, непосредственно на очаг поражения. Действие фага проявляется уже через 2-4 часа после его введения (что особенно важно в условиях реанимации). Бактериофаги проникают в кровь, лимфу и выводятся через почки, санируя мочевыводящие пути. В 20-е годы фаги активно использовались при лечении различных заболеваний.