Одна из важных проблем здравоохранения — устойчивость бактерий к антибиотикам. Инфекции, связанные с устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами, ежегодно приводят к 5 миллионам смертей. Поэтому ученые вновь обращаются к фаготерапии. Этот метод основан на использовании бактериофагов — вирусов, которые избирательно заражают и уничтожают бактерии.
Современные исследования показывают, что фаги можно использовать для лечения тяжелых инфекций, в том числе вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Один из наиболее известных случаев связан с инфекцией Acinetobacter baumannii с высокой лекарственной устойчивостью. Для лечения пациента врачи подобрали схему из нескольких фагов, которые применяли в течение нескольких недель. После фаготерапии состояние пациента значительно улучшилось. В другом случае фаги использовали для лечения ребенка с тяжелой инфекцией Pseudomonas aeruginosa, которая угрожала потерей конечности. Сопоставив результаты ПЦР, анализа активности генов и клинические данные, ученые установили причину воспалительной реакции: интенсивное разрушение бактерий под действием фагов.
Развитие геномики и молекулярной диагностики помогает решить одну из главных проблем фаготерапии — необходимость точно подобрать фаг к конкретной бактерии. Генетически модифицированные фаги уже применялись для борьбы с инфекциями, вызванными Mycobacterium abscessus, которые иначе не поддаются лечению. Кроме того, ученые исследуют отдельные компоненты фагов как основу для новых терапевтических препаратов.
Накопленные данные указывают на высокий профиль безопасности фаготерапии. Фаги принципиально отличаются от антибиотиков. Они размножаются там, где присутствуют чувствительные к ним бактерии. Благодаря высокой специфичности фаги меньше влияют на другие микроорганизмы, чем антибиотики широкого спектра действия. Кроме того, фаги можно сочетать с антибиотиками и использовать как средства доставки лекарственных, диагностических и генно-инженерных компонентов.
Условия для эффективной фаготерапии
Для фаготерапии подходят фаги, которые безопасны для пациента, не вносят нежелательный генетический материал и эффективно уничтожают бактерии-мишени. Фаги с необходимыми свойствами можно отбирать в лаборатории или создавать с помощью генной инженерии.
Типичный фаг содержит генетический материал в капсиде и имеет «хвост», с помощью которого распознает бактерию и прикрепляется к ее поверхности. Затем фаг вводит свой генетический материал в клетку и использует ее системы для образования новых вирусных частиц. После их сборки фаговые белки разрушают мембрану и клеточную стенку бактерии, вызывая ее лизис и высвобождение новых фагов.
При активном росте бактерий фаг размножается внутри клетки и вызывает ее лизис — разрушение с высвобождением новых фаговых частиц. Однако при стрессе и замедлении роста бактерий этот процесс может приостанавливаться. Такое состояние характерно для хронических инфекций мочевыводящих путей и инфекций, связанных с наличием медицинских устройств и биопленок.
Некоторые антибиотики, включая карбапенемы, могут поддерживать состояние бактерий, при котором фаги не способны завершить литический цикл. При этом в лабораторных условиях фаги и антибиотики могут демонстрировать выраженный совместный антибактериальный эффект. Поэтому результаты исследований in vitro не всегда отражают эффективность такой комбинации в организме. Эти особенности необходимо учитывать при выборе фагов и схем фаготерапии.
Связывание фагов с рецепторами бактерий
Бактерии могут защищаться от фагов, изменяя поверхностные структуры, к которым прикрепляются фаги. У разных групп бактерий фаги распознают разные рецепторы — компоненты клеточной стенки, липополисахариды, мембранные белки, пили и жгутики. Многие фаги также вырабатывают ферменты, которые расщепляют защитную экзополисахаридную капсулу бактерий.
Изменение или снижение экспрессии рецепторов уменьшает восприимчивость бактерий к фагам, но может одновременно уменьшать их вирулентность — нарушать способность к прикреплению и перемещению. В свою очередь, фаги могут адаптироваться к изменениям бактериальной поверхности и распознавать новые варианты рецепторов.
Учитывая взаимную адаптацию бактерий и фагов, особую проблему представляют разнообразные и быстро изменяющиеся бактериальные популяции, в том числе в биопленках и при хронических инфекциях. Поэтому при фаготерапии необходимо проводить многократный и периодический отбор проб — до, во время и после введения фагов. Это позволяет отслеживать развитие устойчивости и корректировать терапию.
Клинический опыт применения фаготерапии
Клинические данные об эффективности фаготерапии пока противоречивы. Результаты во многом зависят от правильного подбора фагов, их активности и дозы.
- При хроническом отите, вызванном aeruginosa, местная фаготерапия показала выраженную эффективность — исследование завершили досрочно.
- При острой бактериальной диарее у детей пероральный прием фагов против coli не принес пользы, однако инфекцию E. coli подтвердили только у 60% участников.
- В исследовании PhagoBurn фаги показали микробиологическую эффективность у пациентов, бактерии которых были чувствительны к препарату.
- При инфекциях мочевыводящих путей положительного эффекта не было — фаговый препарат не действовал на всех значимых возбудителей, а его доза была относительно низкой.
- Среди 20 пациентов с трудноизлечимой инфекцией, вызванной нетуберкулезными микобактериями, более чем у половины отмечалось улучшение, вплоть до полного излечения.
- В когорте из 100 пациентов, получавших фаготерапию по различным показаниям, клиническое улучшение составило 77%, а полное устранение возбудителя — более 60%. Более благоприятные результаты наблюдались при сочетании фагов с антибиотиками.
Отбор фагов для терапии и прогнозирование эффективности лечения
Большинство фагов, потенциально пригодных для терапии, можно выделить из природных источников — воды, почвы и сточных вод. Их способность заражать бактерии и преодолевать бактериальную защиту можно усиливать с помощью направленной эволюции или генной инженерии.
Из-за высокой специфичности фагов перед лечением необходимо проверить их активность против бактерии конкретного пациента. Если фаг не подавляет ее рост в лабораторных условиях, маловероятно, что он окажется эффективным в организме.
Комбинации фагов и антибиотиков
Спектр действия фаготерапии можно расширить с помощью фаговых коктейлей, генной инженерии или сочетания фагов с антибиотиками. Однако преимущество коктейлей из нескольких фагов перед одним фагом пока экспериментально не доказано: их эффективность могут снижать конкуренция между фагами за внутриклеточные ресурсы, адаптация бактерий и усиление иммунного ответа организма.
Перспективным подходом считается совместное применение нескольких синергичных фагов и антибиотиков, создающих для бактерий невыгодные условия выживания. Оптимальная фаготерапия должна затруднять развитие устойчивости бактерий. Для защиты от фагов бактериям приходится приобретать несколько изменений одновременно, но это может снижать их вирулентность, устойчивость к антибиотикам и способность переносить неблагоприятные условия, такие как окислительный стресс и дефицит питательных веществ. Этот подход может быть особенно полезен при биопленочных инфекциях и недостаточной концентрации антибиотиков в пораженных тканях.
Взаимодействие фагов с организмом человека и иммунные реакции
Взаимодействие фагов с организмом человека затрагивает как врожденные, так и адаптивные иммунные пути. Фаги могут регулировать воспаление, влиять на состав микробиома и вызывать гуморальные и клеточные реакции, определяющие терапевтический эффект.
У людей слабовыраженные воспалительные и иммунные реакции служат естественной и необходимой защитной мерой в ответ на присутствие потенциально патогенных организмов. Кроме того, клетки млекопитающих могут поглощать фаги для поддержания нормального гомеостаза. При проведении фаготерапии следует учитывать как провоспалительные, так и противовоспалительные эффекты.
Провоспалительные реакции
Фаготерапия может влиять на врожденный и адаптивный иммунитет и усиливать провоспалительный ответ. Фаги могут связываться с рецепторами на поверхности макрофагов, что активирует их и запускает выработку провоспалительных цитокинов и активных форм кислорода. А разрушение бактерий под действием фагов приводит к образованию продуктов их распада — эндотоксина и нуклеиновых кислот, которые дополнительно стимулируют иммунную систему и поэтому могут способствовать устранению инфекции.
После введения фаги способны размножаться в организме в течение нескольких дней. Этот процесс иногда сопровождается воспалительной реакцией на продукты разрушения бактерий — вероятно, наиболее значимым воспалительным эффектом очищенных фаговых препаратов. Аллергические и анафилактические реакции на встречающиеся в природе фаги считаются маловероятными. Возникновение подобных реакций требует тщательного анализа состава препарата и, в особенности, сопутствующих лекарственных средств.
Противовоспалительные эффекты
Некоторые фаги снижают активность провоспалительных генов и усиливают активность противовоспалительных, причем такой эффект обнаружен как в лабораторных экспериментах, так и в организме.
Однако иммунный ответ зависит от конкретного фага и условий инфекции:
- Нитевидные фаги Pf, заражающие aeruginosa, запускают противовирусный ответ, который препятствует уничтожению бактерий макрофагами и связан с неблагоприятным исходом легочных инфекций и замедлением заживления ран.
- Различные фаги, специфичные к coli, по-разному влияют на экспрессию IL-6, IL-10 и TNF в клетках аденокарциномы толстой кишки человека.
- Фаги, заражающие aeruginosa, стимулируют выраженную экспрессию провоспалительных молекул IL-6 и TNF в клеточных линиях альвеолярного эпителия и моноцитах человека, но не в моделях, имитирующих микроокружение легочной ткани.
Адаптивные иммунные реакции
После внутривенного введения фагов организм может вырабатывать антитела против них, однако влияние такого иммунного ответа на эффективность лечения пока неясно. У мышей после фаготерапии не наблюдалось снижения титра фагов или изменений исхода инфекции по сравнению с контрольными мышами. У людей случаи успешной терапии были зафиксированы даже при наличии антифаговых антител.
Антитела могут иметь большее значение при длительном внутривенном лечении фагами, тогда как при коротких курсах их влияние, вероятно, ограничено. Иммунный ответ также зависит от конкретного фага, состава препарата и особенностей иммунной системы пациента.
Классический путь активации комплемента может подавлять активность некоторых фагов. Кроме того, существует возможность модификации фагов для снижения скорости их удаления из организма, вызванного системой комплемента.
Фаги для лечения внутриклеточных бактериальных инфекций
Фаги могут проникать в клетки млекопитающих, включая макрофаги, дендритные и эпителиальные клетки. Это не только может усиливать презентацию антигенов, но и открывает возможность использовать фаги для доставки терапевтических молекул и воздействия на внутриклеточные бактерии.
Однако эффективность фагов против бактерий внутри клеток трудно предсказать без экспериментальной проверки. Наиболее перспективным считается совместное действие фагов и антибиотиков. Кроме того, активация нейтрофилов, действующая синергично с фагами и антибиотиками, может способствовать уничтожению как чувствительных к фагам бактерий, так и устойчивых к ним штаммов.
Источник
Phage therapy: from basic biology to clinical application
