Снайперы для патогенов

Биологам удалось детально изучить процесс инфекции бактерии E. Сoli бактериофагом Т4. Вирус Т4 состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков — 6 длинноватых и 6 маленьких. Длинноватые отростки находят бактерию E.Coli, а недлинные крепко прикрепляются к клеточке. Основание при всем этом передаёт импульс в ствол, который сокращается, как мускул, выдавливая из себя вирусную ДНК.

Бактериофаг прокалывает клеточную мембрану бактерии особым «стержнем», который выдвигается по мере того, как основание изменяет свою форму, и через отверстие нанометровых размеров вирусная ДНК поступает в бактерию. E. Coli инфицируется и погибает. Познание принципа работы иньектора бактериофага поможет в будущих способах доставки фармацевтических средств. Иллюстрация: Purdue University and Seyet LLC

Стандартная терапия фактически при хоть какой бактериальной инфекции — лекарства, другими словами хим ядовитые вещества для микробов. Всем понятно, что лекарства имеют серьёзные недочеты: совместно с патогенными микробами они убивают полезную микрофлору и оказывают побочные эффекты на самые различные органы. Дополнительное неудобство заключается в необходимости строго следовать схеме приёма. Если принимать лечущее средство нерегулярно либо закончить приём очень рано, то можно невольно выработать у «своего» микроорганизма устойчивость к антибиотику. Безупречное бактерицидное средство должно действовать лишь на определенный патогенный организм (тот, который вызывает болезнь), не иметь побочных эффектов и не добиваться строго соблюдения схемы приёма. Самое необычное, что такие средства издавна известны учёным. Это бактериофаги — вирусы, которые поражают бактерии.

Лечебные воды реки Ганг

Ещё в 1896 году английский бактериолог Эрнест Ханкин (Ernest Hanbury Hankin, 1865–1939) сказал, что воды рек Ганг и Джамна в Индии владеют значимой бактерицидной активностью, которая сохраняется после прохождения через фарфоровые фильтры с порами очень малого размера, но устраняется при кипячении. Ханкин представил, что некоторая субстанция в этой воде несет ответственность за предупреждение распространения эпидемий холеры, которые могут быть вызваны употреблением воды из этих рек.

В 1915 году английский бактериолог Фредерик Творт (Frederick William Twort, 1877–1950) нашел вирусы, которые уничтожали микробов. А в сентябре 1917 года учёный из Института Пастера (Institut Pasteur) Феликс Д’Эрель (Félix Hubert d’Hérelle, 1873–1949) представил Французской академии (Académie des Sciences) доклад, в каком сказал о том, что нашел «невидимого микроба», поражающего дизентерийную палочку. Учёный именовал своё детище «бактериофагом», другими словами «поедателем бактерий». Скоро после чего Д’Эрель обрисовал случай удачного исцеления дизентерии при помощи собственного «поедателя». Микробиология тогда была в моде и переживала собственный «золотой век», мысль терапевтического внедрения бактериофагов была явна.

Исследованием бактериофагов сразу с исследователями из Института Пастера занимался и грузинский микробиолог Жора Элиава. В 1920-е годы в Тбилиси он открыл институт, который занялся исследовательскими работами фагов с целью их терапевтического внедрения и стал мировым фаворитом в этой области. В 1940-е годы лекарственная компания Eli Lilly занималась коммерциализацией фаговой терапии в США, но бизнесмены и докторы утратили к ней энтузиазм после распространения лекарств.

Тест на резистентность бактерии Vibrio cholerae к бактериофагу IV и полимиксину. Центры по контролю и профилактике болезней изучают случаи эпидемий холеры и учят работников лабораторий способам идентификации возбудителя. Фото: CDC

Орудие немассового поражения

Представьте для себя, что для ликвидирования группы террористов выжигают целое селение совместно с мирными жителями. Приблизительно так же действуют и лекарства. Их можно сопоставить с орудием массового поражения — без разбора уничтожают всё: чужих, собственных, культурные ценности, зверюшек в лесу… Лекарства убивают патогенные бактерии, а заодно полезную микрофлору кишечного тракта и слизистых оболочек, обеспечивая тем прибыльные условия существования для новых патогенных микробов. Большая часть лекарств имеет побочные эффекты: от их внедрения мучаются почки, печень, внутреннее ухо и другие органы. Не считая того, глобализация и обширное применение лекарств привели к тому, что распространились штаммы микробов, устойчивые к лекарствам. Умные террористы научились прятаться от анти-террористических операций, пока выжигают селение с «мирными» жителями.

Бактериофаги, прибыльно отличающиеся от лекарств, можно сопоставить с группой снайперов, которые знают каждого террориста в лицо и прицельно «отстреливают» только их. Бактериофаги узко специфичны: каждый штамм поражает только несколько штаммов микробов. Для всех других микробов и для многоклеточных организмов бактериофаги безобидны. Они плодятся в клеточках «жертвы», потому довольно ввести фага в организм один раз заместо постоянного приёма по схеме, как с антибиотиками. Когда все бактерии данного патогенного штамма будут уничтожены, бактериофагам будет негде плодиться, и они «вымрут». Прямо Терминатор: всех, кого нужно, убил, а позже на всякий случай самоликвидировался — вроде бы чего не вышло.

Красноармейские вирусы

Тривиальные плюсы фагов, исходя из убеждений лекарственного бизнеса и медицинской практики, оказались их недочетами. Узенькая специфика бактериофагов просит, чтоб возбудитель заболевания был точно известен: только тогда можно избрать «эффективного» фага. Означает, до начала терапии нужно идентифицировать патогенный микроорганизм: издержать время, лабораторные материалы, человеко-часы биолога. Выходит очень много мороки для участкового терапевта, к которому пришёл пациент с обычной ангиной. Лекарства еще удобнее: вероятнее всего выписанный наобум антибиотик убьёт возбудителя заболевания. Если вдруг не убьёт, можно выписать 2-ой, 3-ий.

Не считая того, высочайшая специфика предполагает наличие большого «арсенала» фагов — приблизительно того же различного, как «зоопарк» патогенных бактерий. На практике используют «коктейли», содержащие различных бактериофагов. А для «антибиотикотерапии» практически хоть какой бактериальной инфекции может подойти не один, так другой антибиотик из сельской аптеки. Бактериофаги — практически живы организмы, их нельзя «синтезировать» тоннами в хим реакторе, можно только «разводить» в лаборатории. Не считая того, бактериофаги относятся к вирусам: само это слово нередко стращает пациента. Для лекарственных компаний в работе с бактериофагами есть свои трудности: вирусы — объекты на границе живого и неживого, нет чёткой законодательной базы для их патентования и регистрации в качестве фармацевтических средств.

Стекляная модель бактериофага phiX174. Группа учёных из южноамериканского Института био энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) ещё в 2003 году собрала живой вирус phiX174, синтезировав шаг за шагом его ДНК — 5 386 нуклеотидных пар. Синтезированный вирус вёл себя точно так же, как и его природные собратья. Фото: J. Palmersheim; модель бактериофага: Holly Wichman, University of Idaho; основание: A. Johnston

Потому бактериофаги были увлекательны ученым на Западе, которые ориентируются на возможное применение собственных результатов, только до того времени, пока не открыли лекарства. Обширное распространение хим лекарств отвлекло внимание от наилучшего, но наименее «удобного» класса средств. До сего времени ни в какой стране Запада не разрешено применение фагов в качестве лекарства. При всем этом учёные продолжали интенсивно учить бактериофагов и использовать как комфортную модель для базовых исследовательских работ в молекулярной генетике.

В СССР науку финансировали без оглядки на незамедлительную прибыль, потому тут фаговой терапии подфартило больше: исследования в Институте бактериофагии, микробиологии и вирусологии им. Элиавы АН Грузии и в других центрах длилось, а в 1940-е годы фаговая терапия обширно применялась, а именно, в Красноватой Армии. Публикации об успехах фаговой терапии выходили на российском и грузинском языках и были недосягаемы для научного мира за «железным занавесом». Если что-то и становилось доступно, то оставалось без внимания, потому что репутация русской биологии была очень подмочена во времена официального непризнания генетики и клеточной теории — базовых общебиологических учений. Но и в СССР лекарства теснили фагов. На данный момент фаговую терапию предлагает Центр фаговой терапии на базе Института им. Элавы.

2-ое пришествие бактериофагов

В последние годы ситуация в мире стала изменяться. Всё больше данных о вреде лекарств; всё больше штаммов, которые устойчивы ко многим лекарствам; всё более «привередливы» и безбедны пациенты: не желают дешевенькой и доступной терапии и отдают предпочтение безобидной и действенной. В наши деньки слово «химиотерапия» стращает общественность уже больше, чем слово «вирус».

С другой стороны, прогресс в молекулярной биологии и биотехнологии упростил манипуляции с фагами и их «разведение», а конец прохладной войны сделал заслуги русских учёных (в особенности грузинских) доступными для западных коллег. При обыденных случаях зараз нет смысла «возиться» с бактериофаговой терапией — работает и стандартная терапия антибиотиками. Но всё почаще встречаются инфекции, вызванные штаммами, которые устойчивы к лекарствам. В таких случаях фаги оказываются единственным действенным средством.

Изображение бактериофага phi29, способного поразить сенную палочку (Bacillus subtilis), получено при помощи криоэлектронной микроскопии. Иллюстрация: NERSC/LBNL

В 2006 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) признало бактериофагов неопасными в качестве добавки, которая предутверждает размножение ненужных микробов на сырах, а в 2007 году их признали и для других товаров, так что на данный момент фаги служат безобидным консервантом.

В последнее время ожидаются и поболее серьёзные внедрения фагов: итальянские учёные Розанна Каппарелли (Rosanna Capparelli), Марианна Парлато (Marianna Parlato), Джорджа Боррьелло (Giorgia Borriello) и их коллеги из Неаполитанского института им. Федерико II (Università degli Studi di Napoli Federico II) открыли бактериофаг, нареченный ими MSa, который уничтожает штаммы стафилококка, устойчивые к антибиотику метициллину — главному оружию в борьбе со стафилококковой заразой. Стафилококк золотистый поражает многие органы и системы и может приводить к погибели при отсутствии действенного исцеления. В текущее время от 40% до 60% случаев зараз вызваны штаммами, которые устойчивы к метициллину. Конкретно в таких случаях фаговая терапия может быть неподменной. Пока получены обнадеживающие результаты на лабораторных мышах: MSa предутверждает погибель и стопроцентно уничтожает бактерию золотистого стафилококка в организме.

Сиднейская компания Special Phage Holdings разработала методику исцеления при помощи бактериофагов зараз, вызванных микробами, устойчивыми ко многим лекарствам (так именуемые multidrug resistant), которые являются главной неувязкой в современной терапии заразных заболеваний. Методика удачно проходит клинические тесты. И компания рассчитывает первой захватить новый сектор лекарственного рынка в Австралии.

Не считая внедрения фагов просто в качестве «убийц» микробов, рассматриваются и другие варианты. Так, не так давно было предложено использовать бактериофаги в роли троянского жеребца. Учёным издавна понятно, что фаги (как и все вирусы) имеют особые молекулярные механизмы для введения в клетку-жертву собственной генетической инфы (носитель — цепочка ДНК либо РНК). Сейчас учёные додумались использовать этот механизм для введения в бактериальные клеточки обычного антибиотика. Такие «наноинъекции» обеспечивают эффективную доставку антибиотика конкретно вовнутрь бактерии-возбудителя заболевания, а не по всему организму, как это происходит при обычном внедрении.

Чтоб оценить достоинства и способности терапии при помощи бактериофагов, несправедливо отвергнутой большинством учёных, потребовалось много времени. Но сейчас позабытый способ переживает 2-ое рождение и имеет все шансы стать очень действенным орудием в борьбе человека с агрессивным микромиром.

Сергей Авилов