Враг моего врага
Если зайти в любую произвольно выбранную аптеку, то среди богатейшего выбора различных препаратов (как откровенных «фуфломицинов», так и вполне «порядочных» лекарственных средств), можно встретить группу, отношение к которой среди врачебного сообщества весьма неоднозначно.
Это бактериофаги.
Действительно, эти препараты довольно широко назначаются педиатрами в качестве замены антибиотикам. Эффект, как принято думать, не хуже, а вредных побочек, считай, что и нет.
Тем не менее, в большинстве случаев, такие назначения заканчиваются ничем – организм выздоравливает не столько вследствие назначения бактериофага, сколько благодаря своим собственным защитным силам. А меж тем, ещё в начале ХХ века в руках врачей были бактериофаги против дизентерии, брюшного тифа, гангрены и даже чумы, которые действительно работали. Да и сейчас интерес к этой группе препаратов переживает ренессанс, особенно в связи с появлением полирезистентных штаммов бактерий.
В этой заметке мы попробуем разобраться, что такое фаготерапия и почему этот метод работает только в опытных руках, а место ширпотреба от мира бактериофагов там же, где и прочих БАДов и гомеопатических средств.
Итак, начнём как обычно с истории вопроса.
Впервые о фагах человечество узнало в самом начале ХХ века. А точнее в 1917 году, когда франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрелль (Рис. 1), сообщил о новом феномене – спонтанной гибели бактерий-возбудителей дизентерии на питательной среде.
Справедливости ради, стоит отметить, что он был не первым, кто обратил внимание, на то, что, в некоторых случаях, «чистая» культура на подобранной питательной среде, вдруг ни с того ни с сего начинает «болеть»: на поверхности бактериального слоя появляются очаги просветления, свободные от микроорганизмов (Рис. 2). Такие очаги или бляшки могут захватывать всю поверхность бактериального газона и приводить к гибели культуры.
В 1915 году о феномене «стекловидного перерождения колоний стафилококков» сообщил английский микробиолог Фредерик Туорт.
А в 1897 году с похожей проблемой, но уже у сибиреязвенных бактерий, столкнулся русский микробиолог Н.Ф. Гамалея.
Но ни Туорт, ни Гамалея не стали докапываться до первопричины и списали всё на попадание в питательную среду некого бактерицидного вещества. На дворе стоял «Золотой век» микробиологии и вокруг была масса более интересных вопросов, требующих разрешения, нежели какое-то очередное бактерицидное вещество.
А вот д’Эрелль решил выяснить, кто же является невидимым убийцей микробов, и взялся за работу.
Ни в один самый сильный микроскоп разглядеть загадочного злоумышленника не удалось. Более того, он проходил через поры тончайших бактериальных фильтров, что наводило на мысли о его химической природе. И всё-таки д’Эрелль был убеждён что имеет дело с некой невидимой частицей, «корпускулом», который поражает бактерий в чашке Петри, подобно тому как бактерии приводят к эпидемиям.
К тому моменту в науке уже устоялось представление о вирусах как о причине инфекционных болезней у растений и животных. Отчего такое невозможно и среди бактерий?
Свои предположения д’Эрелль строил на том, что каждая бляшка на поверхности культуры является результатом заражения одной бактерии одним фагом. И по числу бляшек можно установить количество фагов в исследуемом субстрате. Но если фаги вызывают такой выраженный эффект на поверхности питательной среды, нельзя ли рассчитывать, что подобные свойства они проявят внутри живого организма?
Первыми, на ком д’Эрелль провел такой эксперимент, стали куры, заражённые куриной холерой. Эффект был потрясающим.
Пришла пора испытать метод на человеке. В том же году в парижском госпитале Неккер с помощью бактериофагов был вылечен ребёнок с тяжёлой формой дизентерии. Стало понятно, что в руках у врачей, впервые в истории, оказалось средство, способное помочь людям побороть инфекционные болезни. Началась короткая эра фаготерапии.
В короткие сроки были открыты и получены образцы фагов от огромного количества инфекционных болезней людей и животных.
Оказалось, что бактериофаги имеют широчайшее распространение как в природных микробных сообществах, так и в живых организмах. И если существует какая-либо бактерия, можно смело искать бактериофаг, который будет на ней паразитировать. В 20-40-х годах был настоящий бум бактериофаговых препаратов. Их применяли в качестве лечебных средств при эпидемических болезнях, гнойно-септических осложнениях и раневых инфекциях с неизменным успехом.
Правда, в ряде случаев, не смотря на правильно подобранный фаг и адекватную дозу, пациент всё равно умирал. Более того, если происходила ошибка, и фаг оказывался не тем что нужно, его замена на «правильный» не давала никакого эффекта, а каждый последующий курс терапии (если человек болел разными инфекциями на обозримом отрезке времени) был всё менее и менее эффективным.
К середине 40-х годов интерес к фагам как к терапевтическим средствам стал снижаться и к моменту появления антибиотиков и сульфаниламидных препаратов был, скорее, номинальным. Правда, не везде. Так, в СССР и Польше были организованы отдельные научно-исследовательские институты, которые исправно выделяли новые бактериофаги и создавали на их основе новые препараты.
Так или иначе, но на территории США и Европы, ставка была сделана на получение новых антибактериальных препаратов, и интерес к фаготерапии возродился только после появления устойчивых к ним бактерий.
Но в чём же секрет этих микроскопических убийц бактерий, и почему после триумфальной демонстрации своих способностей они так быстро сдали завоёванные позиции?
Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, следует понять, что представляет собой «сферический бактериофаг в вакууме», и как он ведёт себя, оказавшись в бактериальной клетке.
В простейшем варианте бактериофаг – это белковая оболочка, в которую «упакован» генетический материал (одно- или двуцепочечная молекула ДНК или РНК). Сам геном, располагается в т.н. головке – более широкой части бактериофага, где кроме неё ещё содержится фермент транскриптаза. Более узкая часть фага называется хвостом и содержит в себе АТФазу (фермент, который обеспечит энергией фаг, когда тот найдёт подходящую бактерию) и небольшой запас АТФ (Рис. 3).
Тут-то мы и подходим к первой сложности фаготерапии.
Дело в том, что большинство бактериофагов адаптировано к определённой группе бактерий. Часто бывает так, что конкретный вид бактериофага может поражать конкретные штаммы бактерии (такие фаги называют моновалентными). Дело в том, что на поверхности бактериальной клетки расположены вещества (липополисахариды, тейхоевые кислоты и др.), выступающие в качестве участка, который распознает и к которому может прикрепиться бактериофаг. Справедливости ради стоит отметить, что есть бактериофаги, которые не столь привередливы в выборе жертв и способны паразитировать на многих неродственных группах бактерий (такие фаги называют поливалентными).
Если фаг сумел распознать специфичную для себя молекулу на поверхности бактериальной клетки, он прикрепляется к ней с помощью хвоста, и в дело вступает «припрятанная» там АТФаза. Она расщепляет молекулы АТФ, в результате чего высвобождается энергия, хвост сжимается как пружина авторучки, и содержимое головки оказывается внутри бактерии. И тут начинается самое интересное (рис. 4 — 5).
Оказавшись в клетке, геном фага может повести себя двумя способами:
— наклепать своих копий и белковых частиц капсида. Собраться в полноценный вирион и, разрушив клетку, отправиться на поиски следующей жертвы.
-Или, наоборот, тихо и спокойно превратиться в плазмиду (маленькую внехромосомную кольцевую молекулу ДНК или РНК), а то и вовсе встроиться в геном бактерии.
На этом основании всех фагов разделили на две принципиальные группы: те, которые могут вызывать гибель и разрушение бактерии (вирулентные), и те, которые не оказывают видимого эффекта на жизнедеятельность своих жертв (умеренные). И, соответственно, жизненные циклы стали называть литическими (с убийством бактерии) и лизогенные (без). Более того, эти две формы – могут свободно переходить друг в друга (Рис. 6). В чём же секрет?
А секрет на самом деле прост. Он скрывается в принципе реализации наследственной информации у фагов. Последовательность генов в нити ДНК (или РНК, в данном случае это неважно) бактериофага, можно разделить на три группы:
— ранние,
— средние (или умеренно-ранние),
— поздние гены.
Транскрипции каждой следующей группы запускаются продуктами предыдущей (Рис. 7). Так, проникнув в клетку, ранние гены транскрибируются с помощью собственной транскриптазы фага или аналогичного белка бактериальной клетки, средние активируются продуктами транскрипции генов ранней группы, а поздние – продуктами средней. Такой процесс получил название каскадного.
Так, у умеренных фагов в последовательности генов есть те, продукты которых «закрывают» последовательности, отвечающие за вирулентность. И у вирулентных наоборот те, которые перекрывают последовательности, отвечающие за «умеренность». В этом, кстати, кроется ответ на вопрос: почему, если внести в культуру умеренный фаг, а потом вирулентный, то разрушения клеток не произойдёт. Белки, блокирующие гены вирулентности, просто блокируют любые новые генетические последовательности, для которых специфичны.
Но самое забавное происходит в случае, если, оказавшись в клетке, нить ДНК (а вот тут уже принципиально), замыкается в кольцо (Рис. 8). В этом случае, считывание нуклеотидной последовательности будет происходить сразу В ОБЕ стороны. И вопрос о том, как поведёт себя такой фаг – это исключительно вопрос случая. Те гены, которые окажутся раньше к точке начала транскрипции, и определят судьбу фага и заражённой им бактерии.
Кроме специфики строения генома есть и другие факторы, снижающие эффективность фаготерапии.
Например, бактерии в результате случайных мутаций или давления отбора фагами могут менять структуру тех веществ, которые выступают в качестве рецепторов.
Но и это ещё не всё.
Любой инфекционный процесс – это сложное взаимодействие микро- и макроорганизма, участником которого, к тому же, становится ещё и бактериофаг. А он – как ни крути – вирус. Пусть и вирус бактерий, но в его состав его капсида входят белки, которые обладают свойствами антигенов, т.е. способны стимулировать иммунный ответ. Таким образом, после попадания в организм фагов, иммунная система начинает вырабатывать против них специфические антитела, в результате чего при следующем столкновении с ними, часть фагов будет связана и инактивирована антителами. И такой иммунный ответ, будет серьёзно снижать эффективность от фаготерапии.
Таким образом, в настоящее время фаготерапия представляет собой по-настоящему персонализированную медицину. Для того чтобы помочь заболевшему человеку, необходимо выделить и идиентифицировать возбудителя, который стал причиной. Подобрать к нему наиболее специфичный бактериофаг, который при этом будет обладать наименьшими антигенными свойствами.
К счастью, уже сейчас есть методики, которые позволяют проделывать такие манипуляции за адекватные отрезки времени, и в ближайшее время можно ждать возвращения бактериофагов, как минимум в отделения интенсивной терапии, где вопрос полирезистентной флоры строит наиболее остро. Те же фаги, которые свободно продаются в аптеках не показывают своей эффективности, а непредсказуемость их поведения в бактериальной клетке и потенциальный иммунный ответ делают их скорее вредными, чем эффективными средствами лечения (рис. 9).
Список использованной литературы:
1. Атлас по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии/Под ред. А.С. Быкова, А.А. Воробьёва, В.В. Зверева; Е.П. Пашков, А.В. Караулов, С.А. Быков, М.Я. Корн. – 2-е изд. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2008
2. Бокуть С.Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации генеической информации: учеб. пособие / С.Б. Бокуть, Н.В. Герасимович, А.А, Милютин. – Мн.: Выш. Шк., 2005
3. К. Вилли, В. Детье. Биология (Биологические процессы и законы) / Пер. с англ. Н.М. Баевской, Ю.И. Лашкевмича и Н.В. Обручевой – М.: Мир, 1975
4. Зенгбуш П. Молекулярная биология: Пер. снем./Под ред. и с предисл. В.А. Энгельгарда. – М.: Мир, 1982
5. Кашкин П.Н. Микробиология/ изд. 3-е, перераб. – Л.: Медгиз, 1953
6. Кемп П., Арме К. Введение в биологию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988
7. Кребс Дж. Гены по Льюину / Дж. Кребс, Э. Гольдштейн, С. Килпатрик ; пер. 10-ого англ. изд. – 3-е изд. – М.: Лаборатория знаний, 2020
8. Молекулярная биология клетки: в 3-х томах. Т. I. / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. – М.- Ижевск: НИЦ «Регуляторная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013
9. Ушкабаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Введение в молекулярную циттологию и гистологию: Учебное пособие для студентов медицинских ВУЗов/ Н.Н. Мушкабаров, С.Л. Кузнецов. – 3-е изд., испр. и доп. – М.:ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2016
10. Позднев О.К. Медицинская микробиология / Под ред В.И. Покровского. -3-е изд., стереотип. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005
11. Попов В.В. Геномика с молекулярно-егентическими основами. Изд. 2-е. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012
12. Пяткин К.Д. Микробиология – М.: Медицина, 1965
13. Рис, Дж., Урри, Л., Кейн, М., Вассерман, С., Минорски, П., Джексон, Р. Биология Campbell в трёх томах, том 1. Химия жизни. Клетка. Генетика. Пер. с англ. – СПб.: «Диалектика». 2021
14. Сингер М., Берг. П. Гены и геномы: в 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. – М.: Мир, 1998
15. А.А. Слюсарев. Биология с общей генетикой – М.: Медицина, 1970
16. Сойфер В.Н. Молекулярные механизмы мутагенеза – М.: Наука, 1969
17. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: в 3-х т. Т. 1: Пер. с англ./ Под ред. Р. Сопера – 3-е изд., — М.: Мир, 2001
18. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию; Учебник для ВУЗов. – 4-е изд, перераб. и доп. / Ю.С. Ченцов. – Стереотипное издание. Перепечатка с издания 2005 г. – М.: Альянс, 2015
#Биология@inbioreactor
#Медицина@inbioreactor
#Микробиология@inbioreactor
#Нам_пишут@inbioreactor
#Заметка@inbioreactor
Текст: #Липилин@inbioreactor
Редактура: #vasiliskats@inbioreactor
#Наука #Научпоп