Лекарственные средства на основе бактериофагов (ч. 1)

Преферанская Нина Германовна
Доцент кафедры фармакологии фармацевтического факультета Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, к.фарм.н.

Это увеличивает риск возврата человечества к далекому прошлому, когда были широко распространены неизлечимые инфекции и свирепствовали пандемии, т.к. не было эффективных противомикробных химиотерапевтических средств. Обнаруженная возможность полностью секвенировать (лат. sequentum — последовательность) микробные геномы и определить молекулярно–генетические основы их вирулентности и патогенности открывает новые пути борьбы с инфекционными заболеваниями. Одним из них является возможность терапевтического использования таких лекарств, как бактериофаги (греч. baktêria — палочка, phagos — пожиратель).

Бактериофаги — это крошечные вирусы, пожирающие бактериальные клетки, были открыты в 1915 г. Название "бактериофаг" ввел франко–канадский микробиолог, сотрудник Института Пастера в Париже Феликс д’Эрель, который использовал суффикс "фаг" не в его прямом смысле, а как составную часть слова, соответствующую по значению словам "поедающий" или "пожирающий". Д’Эрель охарактеризовал бактериофаги как вирусы, которые размножаются в бактериях и уничтожают их. Он разработал подробности борьбы с инфекциями различными фагами разнообразных бактерий–хозяев в разных условиях окружающей среды. В своих работах он всегда объединял природные феномены и лабораторные данные для лучшего понимания иммунитета и естественного избавления от инфекционных заболеваний.

Бактериофаги — это специфические субмикроскопические агенты, являющиеся внутриклеточными паразитами определенных патогенных бактерий, которые их атакуют и убивают. В странах Ближнего Востока и в Индии фаговая терапия и санитарные мероприятия были главными средствами в арсенале борьбы с крупными вспышками инфекционных заболеваний. Много внимания уделялось изучению фагов, активных против дизентерийной, брюшнотифозной, дифтерийной палочек, стафилококков и стрептококков, чтобы использовать их для профилактики и лечения тех инфекционных заболеваний, которые они вызывают. Специфические проблемы включают инфекции, вызванные псевдомонадами, которые трудно поддаются лечению, а также Clostridium difficile, вызывающие серьезные диареи и псевдомембранозный колит.

В ответ на большие потребности в высококачественных фаговых препаратах в Париже создается компания по их производству, в Грузии организовывается Международный институт бактериофагов. В тот период времени фаговая терапия получила широкое применение, однако с открытием антибиотиков в 1940-х гг. о ней стали забывать и мало использовать.

В XXI в., благодаря новейшим современным методам исследования (электронная микроскопия, меченые атомы), ученые определили структуру фагов, их химический состав, изучили особенности их размножения. Разные фаги отличаются друг от друга не только по форме, величине и сложности своей организации, но и по химическому составу. Фаговая частица оказалась сложноорганизованной и содержит основные химические соединения, свойственные всем живым организмам, — нуклеиновые кислоты и белок. Важно отметить, что фаги, как и другие вирусы, содержат только один тип нуклеиновой кислоты — дезоксирибонуклеиновую (ДНК) или рибонуклеиновую (РНК). Этим свойством вирусы отличаются от микроорганизмов, которые содержат в клетках оба типа нуклеиновых кислот. Нуклеиновая кислота находится в головке, внутри этой головки обнаружено также небольшое количество белка (около 3%). Они не обладают собственным обменом веществ и являются абсолютными паразитами, живущими полностью за счет клетки–хозяина.

Подобно другим живым существам, фаги способны изменять свои свойства. При попадании в клетку фаги вызывают каталитически протекающие процессы образования активного фага, способного разрушить микробную клетку. Фаговая частица является продуктом жизнедеятельности микробной клетки, поэтому некоторые ученые рассматривают фаги как фермент эндогенного происхождения. Размножение фага в клетке происходит приблизительно так же, как образование активного фермента из его неактивного предшественника — профермента. Но теорию, что фаги — это ферменты, чаще считают ошибочной. Большинство ученых приходят к единому мнению, что фаги — это особые мельчайшие формы живых существ.

С самого начала одним из главных направлений практического применения фагов была идентификация бактерий путем процесса, называемого "фаготипирование" — идентификация штаммов микробов с помощью определения спектра чувствительности к специфическому набору фагов. Эта методика обладает преимуществом ввиду высокой специфичности многих фагов в отношении их хозяев и по–прежнему широко используется во всем мире. Были сообщения о многочисленных успехах ее применения при ряде заболеваний, включая дизентерию, брюшной тиф, лихорадку, холеру, пиогенные инфекции и инфекции мочевых путей. Фаги непосредственно наносили на место поражения, давали внутрь либо применяли в виде аэрозолей или клизм. Их также вводили в виде инъекций: подкожно, внутримышечно, интрадуоденально, внутрибрюшинно, внутрь легких, в сонную артерию и перикард. Каждый фаговый препарат специфичен, его можно успешно применять для идентификации и для очистки от микробной культуры.

Удалось доказать, что белок оболочки фага отличается от белка оболочки отростка и от белка базальной пластинки и ее нитевидных образований, что говорит о сложности структуры фаговой частицы. Адсорбция фага на клетке — реакция весьма специфичная. Фаги, имеющие отростки, прикрепляются к микробной стенке свободным концом отростка. Нитевидные фаги, а также фаги, не имеющие отростков, адсорбируются не на микробной стенке, а на нитевидных структурах, окружающих стенку. На конце фагового отростка имеется особый фермент типа лизоцима. После адсорбции фага под влиянием этого фермента происходит растворение стенки микробной клетки и содержимое головки фага, а именно нуклеиновая кислота перекачивается в микробную клетку. Этим завершается второй этап процесса размножения фага.

Другие структуры фаговой частицы, такие как оболочка головки, отросток и его субструктуры, внутрь инфицированной фагом клетки не попадают. Их роль заключается в обеспечении сохранности фаговой частицы, находящейся вне клетки, и в содействии проникновению фаговой нуклеиновой кислоты в клетку. После проникновения нуклеиновой кислоты фага в клетку начинается сложный процесс внутриклеточного размножения фага. Под влиянием нуклеиновой кислоты фага резко изменяется весь обмен микробной клетки. Основные процессы, протекающие в инфицированной клетке, направлены на образование новых фаговых частиц.

Инъецированная ДНК (РНК) подавляет синтезирующие механизмы клетки, заставляя ее синтезировать нуклеиновые кислоты и белки бактериофага. Из образовавшихся в разных частях клетки в разное время фаговая нуклеиновая кислота и белок формируют новые фаговые частицы. Вначале формируются отдельно головки и отростки, которые затем объединяются в зрелые фаговые частицы. К этому времени внутри клетки образуется особый литический фермент, который вызывает лизис клетки изнутри. Клетка распадается, и новые зрелые частицы фага выходят наружу. Количество новых фаговых частиц, образуемых одной клеткой при фаговой инфекции, называют выходом фага или его урожайностью. Выход фага зависит от свойств данного фага и не зависит от клетки-хозяина и ее размеров. Одни фаги отличаются очень низким выходом (5–50 частиц на клетку), у других выход значительно выше (от 1000 до 2500). Особенно высоким выходом отличаются мелкие РНК-фаги (свыше 20 000 частиц на клетку).

Если большое количество бактериальных клеток смешать с небольшим количеством фаговых частиц, то процесс размножения фагов проходит в несколько циклов. Вначале инфицируется часть клеток. Первое потомство фага инфицирует оставшиеся клетки и происходит второй цикл, за ним может следовать третий и т.д., пока не будут лизированы все чувствительные к данному фагу клетки. Среди фагов встречаются такие, размножение которых возможно лишь при наличии в среде определенных кофакторов. Одни из этих веществ, как уже указывалось, необходимы для адсорбции фага; другие – для внутриклеточного размножения фага.

Несомненно, что абсолютное большинство фагов вызывают при размножении лизис клетки и ее гибель. Размножаясь, фаги самостоятельно регулируют свою численность (увеличивая или уменьшая ее), поскольку размножаются только до тех пор, пока имеются чувствительные бактерии, а затем постепенно элиминируются из организма.

Все фаги обладают антигенными свойствами. По антигенным свойствам фаг резко отличается от чувствительных к нему микроорганизмов. Важнейшей особенностью является размножение фага, это может происходить только в живых клетках, находящихся в стадии роста. В мертвых клетках, а также в продуктах клеточного обмена размножение фага не происходит. По характеру взаимодействия с микробной клеткой различают вирулентные и умеренные бактериофаги. Время с момента инфицирования клетки фагом до лизиса клетки называется латентным или скрытым периодом. Продолжительность этого периода различна для разных типов фага, зависит от окружающей температуры, состава среды и других факторов. Латентный период для фагов, специфичных одному виду бактерий, равен от 15 до 40 мин., а для других он может достигать 5 часов и более. У актинофагов латентный период может быть еще продолжительнее. При низкой температуре латентный период значительно увеличивается.

По признаку специфичности выделяют моновалентные, которые лизируют культуры только одного вида бактерий, их называют "монофаги". Для обозначения фагов, которые "пожирают" актиномицеты, применяется термин "актинофаги", микобактерии — "микофаги", кишечную палочку — "колифаги" и т.д. Наиболее высокой специфичностью отличаются типовые бактериофаги, способные вызывать лизис только определенных типов бактериальной культуры внутри данного вида бактерий. Поливалентные бактериофаги пожирают культуру одного семейства или рода бактерий и обозначаются как "полифаги".

В нашей стране основными производителями бактериофагов являются НПО "Микроген", "Иммунопрепарат" (г. Уфа) и ООО НПЦ "МикроМир".

В отношении бактериофагов описано мало побочных эффектов. Фаговая терапия имеет ряд преимуществ:

• высокая специфичность;
• предотвращение осложнения заболеваний;
• стимулирующее влияние на гуморальное и клеточное звено иммунитета;
• применение как для лечения, так и для профилактики заболеваний, не подавляя нормальную микрофлору.