Как се използват фагите в медицината? Бактериофаги - "дрозофили" на молекулярната биология
Фаговите препарати се използват за лечение и профилактика на инфекциозни заболявания, както и в диагностиката - за определяне на фаговата чувствителност и фаготипизиране при идентифициране на микроорганизми. Действието на фагите се основава на тяхната строга специфичност. Терапевтичният и профилактичен ефект на фагите се определя от литичната активност на самия фаг, както и от имунизиращото свойство на унищожените компоненти (антигени), намиращи се във фаголизатите. микробни клетки, особено при многократна употреба. При получаване на фагови препарати се използват доказани производствени щамове на фаги и съответно типични култури от микроорганизми. Бактериална култура в течна хранителна среда, която е в логаритмична фаза на размножаване, се заразява с маточна суспензия на фага.
Фаголизираната култура (обикновено на следващия ден) се филтрира през бактериални филтри и към филтрата, съдържащ фага, се добавя разтвор на хинозол като консервант.
Готовият фагов препарат е бистра течностжълтеникав цвят. За по-дълго съхранение някои фаги се предлагат в суха форма (на таблетки). При лечение и профилактика чревни инфекциифагите се използват едновременно с разтвор на натриев бикарбонат, тъй като киселото съдържание на стомаха разрушава фага. Фагът не се задържа дълго в тялото (5-7 дни), така че се препоръчва повторното му използване.
Произвежда се в Съветския съюз следните лекарства, използвани за лечение и профилактика на заболявания: коремен тиф, салмонела, дизентерия, колифаги, стафилококови и стрептококови. Понастоящем фагите се използват за лечение и профилактика в комбинация с антибиотици. Това приложение има повече ефективно действиеза резистентни на антибиотици форми на бактерии.
Диагностичните бактериофаги се използват широко за идентифициране на бактерии, изолирани от пациент или от заразени обекти на околната среда. С помощта на бактериофагите, поради тяхната висока специфичност, е възможно да се определят видовете бактерии и с по-голяма точност отделните видове изолирани бактерии. Понастоящем са разработени фагодиагностика и фаготипизиране на бактерии от рода Salmonella, Vibrio и стафилококи. Фаговото типизиране помага да се установи източникът на инфекция, да се проучат епидемиологичните връзки и да се разграничат спорадичните случаи на заболяване от епидемичните.
Фагодиагностиката и фаготипизирането се основават на принципа на съвместно култивиране на изолиран микроорганизъм със съответния вид или тип фаги. За положителен резултат се счита наличието на добре изразен лизис на тестовата култура с видовия фаг, а след това и с един от типичните фаги.
38. Практическо приложение на бактериофагите. Фагодиагностика, фаготипизиране, фаготерапия. Методи за титруване на бактериофаги.
Практическо приложение на бактериофагите.Строгата специфичност на бактериофагите им позволява да се използват за фаготипизиране и диференциране на бактериални култури, както и за индикация на техните външна среда, например в резервоари.
Методът на фагово типизиране на бактериите се използва широко в микробиологичната практика. Тя позволява не само да се определи видовата идентичност на изследваната култура, но и нейният фаготип (фаговар). Това се дължи на факта, че бактериите от същия вид имат рецептори, които адсорбират строго специфични фаги, които след това причиняват техния лизис. Използването на комплекти от такива типоспецифични фаги позволява фаготипизиране на изследваните култури с цел епидемиологичен анализ на инфекциозни заболявания: установяване на източника на инфекцията и пътищата на нейното предаване.
В допълнение, чрез наличието на фаги във външната среда (резервоари) може да се съди за съдържанието на съответните бактерии в тях, които представляват опасност за човешкото здраве. Този методиндикацията за патогенни бактерии също се използва в епидемиологичната практика. Ефективността му се повишава, когато се проведе реакция за повишаване на фаговия титър, която се основава на способността на специфични фагови линии да се възпроизвеждат върху строго определени бактериални култури. Когато такъв фаг се въведе в тестовия материал, съдържащ желания патоген, неговият титър се повишава. Широкото използване на реакцията на повишаване на титъра на фагите се усложнява от трудността за получаване на индикаторни набори от фаги и други причини.
Използването на фаги за терапевтични и профилактични цели е относително рядко. Това се дължи на голям брой отрицателни резултати, които се обясняват със следните причини:
1) строгата специфичност на фагите, които лизират само онези клетки от бактериалната популация, които са снабдени с подходящи рецептори, в резултат на което фагорезистентните индивиди, присъстващи във всяка популация, напълно запазват своята жизнеспособност;
2) широкото използване на по-ефективни етиотропни лекарства - антибиотици, които нямат специфичността на бактериофагите.
Понастоящем препаратите от бактериофаг се използват за лечение на дизентерия, салмонелоза и гнойни инфекции, причинени от устойчиви на антибиотици бактерии. Във всеки случай чувствителността на изолираните патогени към това лекарствобактериофаг.
Салмонелните фаги се използват за профилактика на едноименното заболяване в детските групи.
29 www.Bsmu.H15.Ru
CM. ЗАХАРЕНКО, д-р, доцент, Военен медицинска академиятях. CM. Киров, Санкт Петербург
Бактериофагите са уникални микроорганизми, на базата на които е създадена група от терапевтични и профилактични лекарства със специални свойства и характеристики. Основните им действия са естествени физиологични механизмивзаимодействията между фагите и бактериите позволяват да се предвиди безкрайно разнообразие от самите бактериофаги и възможните начини за тяхното използване. С разширяването на колекциите от бактериофаги несъмнено ще се появят нови целеви патогени и ще се разшири обхватът от заболявания, за които фагите могат да се използват както като монотерапия, така и като част от комплексни схеми на лечение.
Да, използвай поливалентен пиобактериофагСекстафагът при лечението на инфектирана панкреатична некроза (Пермска държавна медицинска академия на името на академик Е. А. Вагнер) направи възможно по-бързото възстановяване на основните параметри на хомеостазата и функцията на органите и системите при пациентите. Имаше и значително намаление на броя следоперативни усложненияи смъртни случаи: в групата на пациентите, получаващи стандартна терапия, смъртността е 100%, докато в групата, получаваща BF, е 16,6%.
Поради безвредността и реактогенността на BF лекарствата е възможно използването им в педиатричната практика, включително при новородени. Интересен е опитът на регионалното детско училище в Нижни Новгород клинична болница, където в периода на усложняване на епидемиологичната обстановка, наред с обичайните противоепидемични мерки, са използвани както БФ - Интести-бактериофаг, така и БФ Pseucfomonas aeruginosa. 11-кратно намаление на честотата на нозокомиалните инфекции с етиология на псевдомонас показва висока ефективностприлагане на BF. BF лекарствата могат да се предписват както за лечение на дисбиоза и нарушения на храносмилателната система, така и за предотвратяване на колонизация на лигавиците стомашно-чревния тракт опортюнистични бактерии. Многокомпонентните BF препарати са идеални за незабавно облекчаване на първите признаци на стомашно-чревно неразположение.
Към днешна дата предприятието е планирало цяла поредица приоритетни областиразработване и производство на терапевтични и профилактични бактериофаги, които корелират с нововъзникващите световни тенденции. Създават се и се въвеждат нови лекарства: разработени са BF срещу назъбвания и ентеробактерии и се работи за създаване на фагово лекарство срещу Helicobacter pylori.
Само един производител на тези лекарства - NPO Microgen, според доклада на заместник-началника на отдела за наука и иновационно развитие Алла Лобастова, произвежда повече от 2 милиона опаковки годишно. За съжаление, идеите на много лекари за бактериофагите далеч не са обективни. Малко хора знаят, че бактериофагите, активни срещу един и същ патоген, могат да принадлежат към различни семейства, да имат различни жизнени цикли и т.н. Например, бактериофагите P. aeruginosa принадлежат към семействата Myoviridae, Podoviridae, Siphoviridae и имат литичен жизнен цикъл или умерен. Различните щамове на един и същи патоген могат да имат различна чувствителност към бактериофагите. Повечето специалисти знаят (чували са, някой е използвал) за съществуването на течни и таблетни лекарствени форми на терапевтични и профилактични лекарства на бактериофаги. Обхватът им обаче е значително по-широк, което може да се счита за абсолютно предимство, особено в комбинация с разнообразни начини на приложение (перорално приложение, клизми, апликации, иригация на рани и лигавици, приложение в раневи кухини и др.). Очевидните предимства на бактериофагите традиционно включват специфичен ефект върху доста ограничена популация от бактерии, ограничено във времето съществуване (до изчезването на целевата популация от микроорганизми) и липсата на такива странични ефекти, като токсични и алергични реакции, дисбиотични реакции и др. Тези лекарства могат да се използват в голямо разнообразие от възрастови групи и по време на бременност. Самите бактериофаги не са значими алергени. Случаите на непоносимост към бактериофагните лекарства са свързани предимно с реакция към компонентите хранителна среда. Всички големи производители на тази група лекарства се стремят към максимално качество на използваните компоненти, което намалява вероятността от подобни реакции. В контекста на нарастващата антибиотична резистентност, някои автори предлагат бактериофагите да се разглеждат като най-добрата алтернативаантибиотици. Терапевтичните и профилактичните лекарства на бактериофагите са коктейл от специално подбрани комбинации (комплекс от поликлонални силно вирулентни бактериални вируси, специално подбрани срещу най-често срещаните групи патогени бактериални инфекции) въз основа на фаговите колекции на производителя. Клонове на FSUE NPO Microgen в Уфа, Перм и Нижни Новгород– модерни центрове за производство на такива лекарства. Възможност за създаване по поръчка патогенни микроорганизмитерапевтичните и профилактичните лекарства на бактериофагите е друго важно предимство на тази група лекарства. Нарастващата устойчивост на бактериите към антимикробни лекарства и честата полиетиология на съвременните инфекциозни заболявания изискват комбинирана антибиотична терапия (две, три, а понякога и повече). антимикробни средства). За да изберете ефективен режим на антибиотична терапия, в допълнение към действителната чувствителност на бактерията към лекарството, е необходимо да се вземе предвид достатъчно голям бройфактори. Фаготерапията също има някои предимства в това отношение. От една страна, използването на комбинация от бактериофаги не е придружено от тяхното взаимодействие помежду си и не води до промени в моделите на тяхното използване. В рамките на съществуващия набор от терапевтични бактериофаги има редица добре доказани комбинации - колипротеен бактериофаг, поливалентен пиобактериофаг, интести-бактериофаг. От друга страна, бактериите нямат общи механизмирезистентност към антибиотици и фаги; следователно те могат да се използват както когато патогенът е резистентен към едно от лекарствата, така и в комбинация от „антибиотик + бактериофаг“. Тази комбинация е особено ефективна за унищожаване на микробни биофилми. Експериментът убедително показва това комбинирана употребажелезни антагонисти и бактериофаг могат да нарушат образуването на биофилми от Klebsiella pneumoniae. В същото време има както значително намаляване на размера на микробната популация, така и намаляване на броя на „младите“ клетки. Още един важна характеристикаДействието на бактериофагите е такова явление като индукция на апоптоза. Някои щамове на Е. coli имат гени, които причиняват клетъчна смърт след въвеждането на бактериофаг Т4 в него. По този начин, в отговор на експресията на късните гени на фаг Т4, генът lit (кодира протеаза, която разрушава фактора на удължаване EF-Tu, необходим за синтеза на протеини), блокира синтеза на всички клетъчни протеини. Генът prrC кодира нуклеаза, която разцепва лизиновата тРНК. Нуклеазата се активира от stp генния продукт на фаг Т4. В клетките, заразени с Т4 фаг, rex гените (принадлежащи към генома на фага и експресирани в лизогенни клетки) причиняват образуването на йонни канали, което води до загуба на жизненоважни йони от клетките и впоследствие до смърт. Самият Т4 фаг може да предотврати клетъчната смърт, като затвори каналите със своите протеини, продукти на rII гените. Ако бактериите развият резистентност към антибиотик, е необходимо да се търсят нови възможности за модифициране на активната молекула или фундаментално нови вещества. За съжаление, за последните годиниСкоростта на въвеждане на нови антибиотици се забави значително. Ситуацията с бактериофагите е коренно различна. Колекциите на големите производители включват десетки готови щамове бактериофаги и непрекъснато се допълват с нови активни фаги. Благодарение на постоянния мониторинг на чувствителността на изолираните патогени към бактериофагите, производителите коригират съставите на фагите, доставяни в регионите. Благодарение на адаптираните бактериофаги е възможно да се премахнат огнища на нозокомиални инфекции, причинени от резистентни на антибиотици щамове. 
При устнобактериофагите бързо достигат до местата на инфекция: когато се приемат перорално от пациенти с гнойно-възпалителни заболявания, в рамките на един час фагите навлизат в кръвта, след 1-1,5 часа се откриват от бронхопулмонален ексудат и от повърхността на рани от изгаряне, след 2 часа - от урината, а също и от цереброспиналната течност на пациенти с черепно-мозъчни травми.
По този начин бактериофагите са уникални микроорганизми, на базата на които е създадена група от терапевтични и профилактични лекарства със специални свойства и характеристики. Основните естествени физиологични механизми на взаимодействие между фагите и бактериите позволяват да се предвиди безкрайно разнообразие както от самите бактериофаги, така и от възможните начини за тяхното използване. С разширяването на колекциите от бактериофаги несъмнено ще се появят нови целеви патогени и ще се разшири обхватът от заболявания, за които фагите могат да се използват както като монотерапия, така и като част от комплексни схеми на лечение. Съвременният поглед върху бъдещата съдба на фаготерапията трябва да се основава както на високата специфичност на тяхното действие, така и на необходимостта от стриктно спазване на всички правила на фаготерапията. Контрастирането на бактериофагите с каквито и да е средства за етиотропна терапия е погрешно.
Бактериофагите или фагите (от други гръцки φᾰγω „поглъщам“) са вируси, които селективно заразяват бактериалните клетки. Най-често бактериофагите се размножават вътре в бактериите и причиняват техния лизис. По правило бактериофагът се състои от протеинова обвивка и едно- или двуверижен генетичен материал нуклеинова киселина(ДНК или по-рядко РНК). Общият брой на бактериофагите в природата е приблизително равен на общия брой на бактериите (1030 – 1032 частици). Бактериофагите активно участват в кръвообращението химикалии енергия, имат забележим ефект върху еволюцията на микробите и бактериите. Структурата на типичния бактериофаг миовирус.
Структура на бактериофагите 1 - глава, 2 - опашка, 3 - нуклеинова киселина, 4 - капсид, 5 - "яка", 6 - протеинова обвивка на опашката, 7 - фибрил на опашката, 8 - шипове, 9 - базална плоча
Бактериофагите се различават по химическа структура, тип нуклеинова киселина, морфология и характер на взаимодействие с бактерии. По размер бактериални вирусистотици и хиляди пъти по-малки от микробните клетки. Типичната фагова частица (вирион) се състои от глава и опашка. Дължината на опашката обикновено е 2-4 пъти диаметъра на главата. Главата съдържа генетичен материал - едноверижна или двуверижна РНК или ДНК с ензима транскриптаза в неактивно състояние, заобиколен от белтъчна или липопротеинова обвивка - капсид, който съхранява генома извън клетката. Нуклеиновата киселина и капсидът заедно образуват нуклеокапсид. Бактериофагите могат да имат икосаедричен капсид, събран от множество копия на един или два специфични протеина. Обикновено ъглите са направени от пентамери на протеин, а опората на всяка страна е направена от хексамери на същия или подобен протеин. Освен това фагите могат да бъдат сферични, лимоновидни или плеоморфни по форма. Опашката или придатъкът е протеинова тръба - продължение на протеиновата обвивка на главата; в основата на опашката има АТФ-аза, която регенерира енергия за инжектиране на генетичен материал. Има и бактериофаги с къс процес, без процес и нишковидни.
Таксономия на бактериофагите Голямо количествоБроят на изолираните и изследвани бактериофаги определя необходимостта от тяхното систематизиране. Това се прави от Международния комитет по таксономия на вирусите (ICTV). В момента, според Международна класификацияи номенклатурата на вирусите, бактериофагите се разделят в зависимост от вида на нуклеиновата киселина и морфологията. Към момента се отличават деветнадесет семейства. От тях само две са РНК-съдържащи и само пет семейства са обвити. От семействата на ДНК вируси само две семейства имат едноверижни геноми. Девет семейства, съдържащи ДНК, имат кръгъл ДНК геном, докато другите девет имат линейна ДНК. Девет семейства са специфични само за бактерии, останалите девет са специфични само за археи и (Tectiviridae) заразява както бактериите, така и археите
Взаимодействие на бактериофаг с бактериални клетки Въз основа на естеството на взаимодействието на бактериофаг с бактериална клетка се разграничават вирулентни и умерени фаги. Вирулентните фаги могат да увеличат броя си само чрез литичния цикъл. Процесът на взаимодействие на вирулентен бактериофаг с клетка се състои от няколко етапа: адсорбция на бактериофага върху клетката, проникване в клетката, биосинтеза на фаговите компоненти и тяхното сглобяване, излизане на бактериофагите от клетката. Първоначално бактериофагите се прикрепят към фагоспецифични рецептори на повърхността на бактериалната клетка. Опашката на фага, с помощта на ензими, разположени в нейния край (главно лизозим), локално разтваря клетъчната мембрана, свива се и съдържащата се в главата ДНК се инжектира в клетката, докато протеинова обвивкабактериофагът остава отвън. Инжектираната ДНК предизвиква пълно преструктуриране на клетъчния метаболизъм: синтезът на бактериална ДНК, РНК и протеини спира. ДНК на бактериофага започва да се транскрибира с помощта на собствен ензим транскриптаза, който се активира след навлизане в бактериалната клетка. Първо се синтезират ранните, а след това късните. РНК, които навлизат в рибозомите на клетката гостоприемник, където се синтезират ранни (ДНК полимерази, нуклеази) и късни (капсидни и опашни протеини, ензими лизозим, АТФаза и транскриптаза) бактериофагни протеини. Репликацията на ДНК на бактериофага се осъществява по полуконсервативен механизъм и се осъществява с участието на собствени ДНК полимерази. След синтеза на късните протеини и завършване на репликацията на ДНК, окончателен процес- съзряване на фагови частици или комбинацията на фагова ДНК с обвивния протеин и образуването на зрели инфекциозни фагови частици
Жизнен цикъл Умерени и вирулентни бактериофаги на начални етапивзаимодействията с бактериална клетка имат същия цикъл. Адсорбция на бактериофаг върху фагоспецифични клетъчни рецептори. Инжектиране на фагова нуклеинова киселина в клетка гостоприемник. Ко-репликация на фаг и бактериална нуклеинова киселина. Клетъчно делене. Освен това бактериофагът може да се развие по два модела: лизогенен или литичен път. Умерените бактериофаги след разделяне са в състояние на профаза (лизогенен път) Вирулентните бактериофаги се развиват според литичния модел: Нуклеиновата киселина на фага ръководи синтеза на фаговите ензими, използвайки протеиновия синтезиращ апарат на бактерията. Фагът по един или друг начин инактивира ДНК и РНК на гостоприемника, а ензимите на фага напълно го разграждат; РНК на фага "подчинява" клетъчния апарат за синтез на протеини. Нуклеиновата киселина на фага репликира и насочва синтеза на нови протеини на обвивката. Нови фагови частици се образуват в резултат на спонтанно самосглобяване на протеиновата обвивка (капсиди) около нуклеиновата киселина на фага; Лизозимът се синтезира под контрола на фагова РНК. Клетъчен лизис: клетката се разрушава под въздействието на лизозим; отделят се около 200-1000 нови фаги; фагите заразяват други бактерии.
Приложение В медицината Една от областите на използване на бактериофагите е антибактериална терапия, алтернатива на приема на антибиотици. Например се използват бактериофаги: стрептококови, стафилококови, клебсиелни, дизентерийни и полиалентни, пиобактериофаги, коли, протей и колипротей и др. В Русия са регистрирани и използвани 13 медицински продукта на базата на фаги. В момента те се използват за лечение на бактериални инфекции, които не са чувствителни към традиционно лечениеантибиотици, особено в Република Грузия. Обикновено използването на бактериофаги е придружено с по-голям успех от антибиотиците, където има биологични мембрани, покрити с полизахариди, през които антибиотиците обикновено не проникват. В момента терапевтична употребаБактериофагите не са получили одобрение на Запад, въпреки че фагите се използват за унищожаване на бактерии, причиняващи хранително отравяне, като листерия. С дългогодишен опит в размер на голям гради селските райони е доказана необичайно висока терапевтична и превантивна ефективност дизентериен бактериофаг(P. M. Lerner, 2010). В Русия терапевтичните препарати от фаги са били правени дълго време, те са били лекувани с фаги дори преди антибиотиците. През последните години фагите се използват широко след наводнения в Кримск и Хабаровск за предотвратяване на дизентерия.
В биологията бактериофагите се използват в генно инженерствоКато вектори, които пренасят ДНК участъци, е възможен и естествен генен трансфер между бактерии чрез определени фаги (трансдукция). Фаговите вектори обикновено се създават на базата на умерения бактериофаг λ, съдържащ двуверижна линейна ДНК молекула. Ляво и десни раменефагите имат всички гени, необходими за литичния цикъл (репликация, репродукция). Средна частГеномът на бактериофага λ (съдържа гени, които контролират лизогенията, т.е. интегрирането му в ДНК на бактериалната клетка) не е от съществено значение за неговото възпроизвеждане и е приблизително 25 хиляди нуклеотидни двойки. Тази част може да бъде заменена с чужд ДНК фрагмент. Такива модифицирани фаги претърпяват литичен цикъл, но не настъпва лизогения. Векторите на бактериофаг λ се използват за клониране на еукариотни ДНК фрагменти (т.е. по-големи гени) до 23 хиляди нуклеотидни двойки (kb). Освен това фагите без вмъквания са по-малки от 38 kb. или, напротив, с твърде големи вложки - повече от 52 kb. не развиват и не заразяват бактерии. Тъй като възпроизвеждането на бактериофаги е възможно само в живи клетки, бактериофагите могат да се използват за определяне на жизнеспособността на бактериите. Тази посокаима големи перспективи, тъй като един от основните въпроси в различните биотехнологични процеси е определянето на жизнеспособността на използваните култури. С помощта на метода за електрооптичен анализ на клетъчни суспензии беше показана възможността за изследване на етапите на взаимодействие фаг-микробна клетка
А също и във ветеринарната медицина за: профилактика и лечение бактериални заболяванияптици и животни; лечение на гнойно-възпалителни заболявания на лигавиците на очите и устната кухина; предотвратяване на гнойно-възпалителни усложнения при изгаряния, рани, хирургични интервенции; в генното инженерство: за трансдукция - естествен трансфер на гени между бактерии; като вектори, пренасящи ДНК секции; с помощта на фаги е възможно да се проектират целеви промени в генома на ДНК на гостоприемника; в хранително-вкусовата промишленост: готовите за консумация месни и птичи продукти вече се обработват масово с фагосъдържащи агенти; бактериофагите се използват при производството на хранителни продукти от месо, птици, сирене, растителни продукти и др.;
V селско стопанство: пръскане с фагови препарати за защита на растенията и културите от гниещи и бактериални заболявания; за защита на добитъка и птиците от инфекции и бактериални заболявания; за екологична безопасност: антибактериално третиране на семена и растения; почистване на помещения на хранително-вкусови предприятия; хигиенизиране на работното пространство и оборудването; профилактика на болнични помещения; извършване на екологични дейности
По този начин днес бактериофагите са много популярни в живота на хората и животните. Предприятията са очертали редица приоритетни области за разработване и производство на терапевтични и профилактични бактериофаги, които корелират с нововъзникващите световни тенденции. Създават се и се въвеждат нови лекарства за лечение на много заболявания. Изследването и използването на бактериофагите се извършва от бактериолози, вирусолози, биохимици, генетици, биофизици, молекулярни биолози, експериментални онколози, специалисти по генно инженерство и биотехнологии
№ 10-2013
Снимка, направена с електронен микроскоп
показва процеса на прикрепване на бактериофаги (T1 колифаги) към повърхността на бактерията E. coli.
В края на ХХ век стана ясно, че бактериите несъмнено доминират в биосферата на Земята, представлявайки повече от 90% от нейната биомаса. Всеки вид има много специализирани видовевируси. По предварителни оценки броят на видовете бактериофаг е около 10 15 . За да разберем мащаба на тази цифра, можем да кажем, че ако всеки човек на Земята открива по един нов бактериофаг всеки ден, ще са необходими 30 години, за да се опишат всичките.
По този начин бактериофагите са най-малко проучените същества в нашата биосфера. Повечето от известните днес бактериофаги принадлежат към разред Caudovirales - опашати вируси. Техните частици са с размери от 50 до 200 nm. Опашка различни дължинии формата осигурява прикрепването на вируса към повърхността на бактерията гостоприемник, главата (капсид) служи като хранилище за генома. Геномната ДНК кодира структурни протеини, които образуват "тялото" на бактериофага, и протеини, които осигуряват възпроизвеждането на фага вътре в клетката по време на инфекция.
Можем да кажем, че бактериофагът е естествен високотехнологичен нанообект. Например, фаговите опашки са „молекулярна спринцовка“, която пробива стената на бактерия и, свивайки се, инжектира своята ДНК в клетката. От този момент започва инфекциозен цикъл. По-нататъшните му етапи се състоят в превключване на механизмите на жизнената активност на бактерията към обслужване на бактериофага, умножаване на неговия геном, изграждане на много копия на вирусни черупки, опаковане на вирусна ДНК в тях и накрая унищожаване (лизис) на клетката гостоприемник.
Бактериофагът не е живо същество, а молекулярен наномеханизъм, създаден от природата.
Опашката на бактериофага е спринцовка, която пробива стената на бактерията и инжектира вирусна ДНК,
който се съхранява в главата (капсид), вътре в клетката.
В допълнение към постоянната еволюционна конкуренция между защитните механизми при бактериите и атаката при вирусите, причината за настоящия баланс може да се счита за факта, че бактериофагите са се специализирали в своето инфекциозно действие. Ако има голяма колония от бактерии, където следващите поколения фаги ще намерят своите жертви, тогава унищожаването на бактериите от литични (убиващи, буквално разтварящи) фаги става бързо и непрекъснато.
Ако няма достатъчно потенциални жертви или външни условияне са много подходящи за ефективно възпроизвеждане на фаги, тогава фагите с лизогенен цикъл на развитие имат предимство. В този случай, след проникване в бактерията, ДНК на фага не задейства незабавно механизма на инфекция, но за момента съществува вътре в клетката в пасивно състояние, често се въвежда в бактериалния геном.
В това състояние на профаг вирусът може да съществува дълго време, преминавайки през цикли на клетъчно делене заедно с бактериалната хромозома. И само когато бактерията попадне в среда, благоприятна за размножаване, се активира литичният цикъл на инфекцията. Освен това, когато ДНК на фага се освобождава от бактериална хромозома, съседните участъци от бактериалния геном често се улавят и тяхното съдържание може впоследствие да бъде прехвърлено към следващата бактерия, която бактериофагът инфектира. Този процес (генна трансдукция) се разглежда най-важното средствопренос на информация между прокариоти - организми без клетъчни ядра.
Как действа бактериофагът?
Всички тези молекулярни тънкости не бяха известни през второто десетилетие на ХХ век, когато „невидимите инфекциозни агенти, унищожавайки бактериите." Но дори и без електронен микроскоп, с помощта на който в края на 40-те години за първи път беше възможно да се получат изображения на бактериофаги, беше ясно, че те са способни да унищожават бактерии, включително патогенни. Този имот веднага беше търсен от медицината.
Първите опити за лечение на дизентерия, инфекции на рани, холера, тиф и дори чума с фаги бяха извършени доста внимателно и успехът изглеждаше доста убедителен. Но след началото на масовото производство и използването на фагови препарати, еуфорията отстъпи място на разочарованието. Какво представляват бактериофагите, как се произвеждат, пречистват и използват лекарствени форми, все още се знаеше много малко. Достатъчно е да се каже, че според резултатите от тест, проведен в Съединените щати в края на 20-те години на миналия век, много индустриални фагови препарати изобщо не съдържат бактериофаги.
Проблемът с антибиотиците
Втората половина на ХХ век в медицината може да се нарече „ера на антибиотиците“. Но дори откривателят на пеницилина Александър Флеминг предупреждава в своята Нобелова лекция, че резистентността на микробите към пеницилина възниква доста бързо. Засега антибиотичната резистентност се компенсира от разработването на нови видове антимикробни лекарства. Но от 90-те години на миналия век стана ясно, че човечеството губи „надпреварата във въоръжаването“ срещу микробите.
Виновен преди всичко неконтролирана употребаантибиотици не само за медицински цели, но и за за превантивни цели, не само в медицината, но и в селското стопанство, хранително-вкусовата промишленост и бита. В резултат на това започна да се развива резистентност към тези лекарства не само в патогенните бактерии, но и в най-често срещаните микроорганизми, живеещи в почвата и водата, което ги прави „условни патогени“.
Такива бактерии съществуват удобно в лечебни заведения, колонизирайки водопроводни инсталации, мебели, медицинско оборудване и понякога дори дезинфекционни разтвори. При хората с отслабена имунна система, които са мнозинството в болниците, те причиняват тежки усложнения.
Не е изненада, че медицинската общност бие тревога. Миналата година, през 2012 г., генералният директор на СЗО Маргарет Чан направи изявление, в което предрича края на ерата на антибиотиците и уязвимостта на човечеството към инфекциозни заболявания. обаче практически възможностикомбинаторната химия - основите на фармакологичната наука - далеч не са изчерпани. Друго нещо е, че разработването на антимикробни агенти е много скъп процес, който не носи такива печалби като много други лекарства. Така че историите на ужасите за „супермикробите“ са по-скоро предупреждение, което насърчава хората да търсят алтернативни решения.
Бактериофаги и имунитет
Тъй като в природата има безброй бактериофаги и те постоянно навлизат в човешкото тяло с вода, въздух и храна, имунната система просто ги игнорира. Има дори хипотеза за симбиозата на бактериофагите в червата, регулиращи чревна микрофлора. Постигнете малко имунна реакцияе възможно само при продължително въвеждане на големи дози фаги в тялото.
Но по този начин можете да постигнете алергии към почти всяко вещество. И накрая, много важно е бактериофагите да не са скъпи. Разработването и производството на лекарство, състоящо се от прецизно подбрани бактериофаги с напълно дешифрирани геноми, култивирани по съвременни биотехнологични стандарти върху определени щамове бактерии в химически чиста среда и високо пречистени, е с порядъци по-евтино от съвременните комплексни антибиотици.
Това позволява терапията с фаги да бъде бързо адаптирана към променящите се комплекти. патогенни бактериии използват бактериофаги във ветеринарната медицина, където скъпи лекарстване са икономически оправдани.
На медицинско обслужване
Изглежда съвсем логично да видим възраждане на интереса към използването на бактериофаги – естествените врагове на бактериите – за лечение на инфекции. Наистина, през десетилетията на "антибиотичната ера" бактериофагите активно служеха на науката, но не на медицината, а на фундаменталната молекулярна биология. Достатъчно е да споменем декодирането на „тройките“ генетичен коди процеса на рекомбинация на ДНК. Вече се знае достатъчно за бактериофагите, за да се информира изборът на фаги, подходящи за терапевтични цели.
Бактериофагите имат много предимства като потенциални лекарства. На първо място, има безброй от тях. Въпреки че промяната на генетичния апарат на бактериофага също е много по-лесна от тази на бактерията и още повече в висши организми, това не е необходимо. Винаги можете да намерите нещо подходящо в природата. Става въпрос запо-скоро става въпрос за селекция, консолидиране на търсените свойства и възпроизвеждане на необходимите бактериофаги.
Това може да се сравни с отглеждането на породи кучета - впрегатни кучета, кучета пазачи, ловни кучета, хрътки, бойни кучета, декоративни кучета... Всички те си остават кучета, но са оптимизирани за определен типдействия, необходими на човек. Второ, бактериофагите са строго специфични, тоест те унищожават само определен вид микроби, без да инхибират нормална микрофлорачовек.
Трето, когато бактериофаг открие бактерия, която трябва да унищожи, той е в процес на жизнен цикълзапочва да се размножава. По този начин въпросът за дозировката става по-малко остър. Четвърто, бактериофагите не предизвикват странични ефекти. Всички случаи на алергични реакции при използване на терапевтични бактериофаги са причинени или от примеси, от които лекарството не е достатъчно пречистено, или от токсини, освободени по време на масовата смърт на бактерии. Последният феномен, „ефектът на Херксхаймер“, често се наблюдава при употребата на антибиотици.
Двете страни на монетата
За съжаление, медицинските бактериофаги имат и много недостатъци. Най-много основен проблемпроизтича от предимството на високата специфичност на фагите. Всеки бактериофаг заразява строго определен вид бактерии, дори не таксономичен вид, а редица по-тесни разновидности, щамове. Относително казано, сякаш куче пазачтя започна да лае само на двуметрови бандити, облечени в черни дъждобрани, и не реагира по никакъв начин на тийнейджър с шорти, който се катери в къщата.
Следователно случаите на неефективна употреба не са необичайни за настоящите фагови препарати. Лекарство, направено срещу определен набор от щамове и перфектно лекуващо стрептококово възпалено гърло в Смоленск, може да бъде безсилно срещу всички признаци на същото възпалено гърло в Кемерово. Заболяването е едно и също, причинява се от един и същи микроб, а щамовете на стрептококите в различните региони са различни.
За най-ефективното използване на бактериофага е необходимо точна диагнозапатогенен микроб, до щама. Най-често срещаният диагностичен метод сега, културната култура, отнема много време и не осигурява необходимата точност. Бързи методи- типизиране чрез полимеразна верижна реакция или масспектрометрия - се прилагат бавно поради високата цена на оборудването и по-високите изисквания към квалификацията на лаборантите. В идеалния случай изборът на фагови компоненти лекарствен продуктможе да се направи срещу инфекцията на всеки отделен пациент, но това е скъпо и неприемливо на практика.
Друг важен недостатък на фагите е тяхната биологична природа. В допълнение към факта, че бактериофагите изискват специални условия за съхранение и транспортиране, за да поддържат инфекциозност, този метод на лечение отваря поле за много спекулации по темата „чуждо ДНК в хората“. И въпреки че е известно, че бактериофагът по принцип не може да зарази човешка клетка и да въведе своята ДНК в нея, не е лесно да се промени общественото мнение.
от биологична природаи доста голям размер в сравнение с нискомолекулните лекарства (същите антибиотици), възниква трето ограничение - проблемът с доставянето на бактериофага в тялото. Ако се развие микробна инфекция, където бактериофагът може да се приложи директно под формата на капки, спрей или клизма - върху кожата, отворени рани, изгаряния, лигавици на носоглътката, ушите, очите, дебелото черво - тогава няма проблеми.
Но ако инфекцията настъпи във вътрешните органи, ситуацията е по-сложна. Случаи успешно лечениеинфекции на бъбреците или далака са известни при рутинно перорално приложение на лекарството бактериофаг. Но самият механизъм на проникване на относително големи (100 nm) фагови частици от стомаха в кръвния поток и вътрешни органие слабо проучен и варира значително от пациент на пациент. Бактериофагите също са безсилни срещу онези микроби, които се развиват вътре в клетките, например причинителите на туберкулоза и проказа. Бактериофагът не може да проникне през стената на човешка клетка.
Трябва да се отбележи, че противопоставянето на употребата на бактериофаги и антибиотици в медицински целине трябва. При съвместното им действие се наблюдава взаимно усилване на антибактериалния ефект. Това позволява например да се намали дозата на антибиотиците до стойности, които не причиняват значителни странични ефекти. Съответно, механизмът за развитие на резистентност към двата компонента в бактериите комбинирано лекарствопочти невъзможно.
Разширяване на Арсенал антимикробни средствадава повече степенисвобода при избора на методи на лечение. По този начин научно обоснованото развитие на концепцията за използване на бактериофаги в антимикробната терапия е обещаваща посока. Бактериофагите служат не толкова като алтернатива, колкото като допълнение и усилвател в борбата с инфекциите.
