Фаги практическое использование в медицине. Биотехнология и генная инженерия. Список и описание бактериофагов

Бактериофагами являются специфические вирусы, избирательно атакующие и поражающие микробы . Размножаясь внутри клетки, они разрушают бактерии. При этом патогенная микрофлора уничтожается, а полезная – сохраняется.

Использование этих вирусов было предложено еще в начале века для лечения инфекционных заболеваний. Однако интерес к ним во многих странах мира был утрачен после появления антибиотиков. Сегодня интерес к данным вирусам возвращается.

Вконтакте

Особенности строения и среда обитания

Что такое бактериофаги? Это большая группа вирусов, размером в 100 раз меньше клеток бактерий. Структура фагов при многократном увеличении поражает многообразием.

Какие бывают бактериофаги

Рассмотрим виды микробов и назначение, в зависимости от их типа.

Существует девятнадцать семейств вирусов, различающихся по типу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), а также по форме и строению генома.

Бактериофаги в медицине классифицируются в соответствии со скоростью влияния на патогенной бактерии:

Умеренные бактериофаги медленно и частично разрушают болезнетворные микроорганизмы, вызывая в них необратимые изменения, передающиеся следующему поколению микробов. Это так называемый лизогенный эффект.
Вирулентные молекулы вируса , попав в клетки микроба, активно и быстро размножаются. Они приводят к гибели бактерии почти мгновенно (литический эффект).
Умеренный вид микробов применяют как альтернативу для лечения бактериальных инфекций. Они имеют определенные преимущества:
Удобная форма . Препарат производится для перорального приема как раствор или в виде таблетки.

В отличие от антибиотиков, бактериофаги не имеют побочных действий, они реже вызывают аллергическую реакцию, не имеют вторичных негативных эффектов.

Отсутствует резистентность микробов. Бактериям адаптироваться к вирусам сложнее, а при комплексном воздействии это почти невозможно.

Но есть и свои минусы:

курс терапии более длительный;
определенные трудности с выбором правильной группы препаратов;
геном бактерии переносится от одного микроба к другому.

В медицине, с учетом специфичности описываемых вирусов, предпочитают применять комплексные и поливалентные бактериофаги, которые содержат несколько разновидностей этих микробов.

Список и описание бактериофагов :

Дизфак, поливалентный дизентерийный. Он вызывает гибель шигелл Флекснера и Зонне.
Брюшнотифозный убивает возбудителей брюшного тифа, сальмонелл.
Клебсиеллезный поливалентный. Представляет собой комплексное средство, уничтожающее клебсиеллы пневмонии, озена, риносклеромы.
Клебсиелл пневмонии, клебсифаг – отличный помощник в борьбе с урогенитальной, дыхательной, пищеварительной систем, хирургических инфекций, генерализованных септических патологий.
Колипротеофаг, колипротейный. Предназначается для лечения пиелонефритов, циститов, колитов и других болезней, спровоцированных протеем и кишечными палочками.
Колифаг, коли. Эффективно действует в терапии инфекций кожи и внутренних органов, спровоцированной энтеропатогенной кишечной палочкой Е. Coli.
Протеофаг , протейный губительно действует на специфические протейные микробы вульгарис и мирабилис, являющиеся возбудителями гнойных воспалений патологий кишечника.
Стрептококковы , стрептофаг быстро нейтрализует стафилококки, выделяемые при любых гнойных инфекциях.
Синегнойный. Рекомендуется для терапии воспалений, который провоцирует синегнойная палочка. Лизирует бактерии псевдомонас аэругиноза.
Комплексный пиобактериофаг. Является смесью фаголизатов стрептококков, энтерококков, стафилококков, псевдоманус аэругиноза, эшерихий коли, клебсиелл окситока и пневмонии.
Сектафаг, поливалетный пиобактериофаг. Пагубно действует на эшерихии коли.
Интенси. Комплексный препарат, лизирующий шигиллы, сальмонеллы, энерококки, стафилококки, псевдоманис протей и аэрунина.

Только врач после обследования и выявления инфекции должен назначать медикаменты. Самостоятельное их применение может быть неэффективным потому, что нельзя определить чувствительность к фагам без специального исследования.

Схема лечения разрабатывается индивидуально для каждого клиента. Чаще всего прибегают к медикаментам для терапии кишечного дисбактериоза. Курс лечения может составлять около пяти дней, но в некоторых случаях – до 15 дней. Повторяют курсы для большей эффективности 2-3 раза.

Пример курса терапии стафилококковой инфекции:

ребенку до полугода – по 5 мл;
от полугода до одного года – по 10 мл;
ребенку от одного года до трех лет – 15 мл;
от 3-х лет до 8-20 мл;
ребенку после восьми лет – 30мл.;
грудничкам дают фаги перорально, каплями в нос, в форме клизмы.

Бактериофаги размножаются внутри бактерий, этим убивая их. В то время как лекарства в процессе лечения расходуются и их количество уменьшается, то количество фагов может, наоборот, возрастать.

При исчезновении пищи фагов - вредных бактерий, исчезают и сами фаги.

Препараты бактериофагов применяют при лечении заболеваний у детей:

ушные инфекции;
инфекции мочеполовых органов;
инфекции органов дыхания;
хирургические инфекции;
инфекции желудочно-кишечного тракта;
инфекции глаз и др.

Чтобы вырастить бактериофаги, на питательную среду, которая засеяна определенной культурой бактерий, наносится материал с бактериофагами. В местах их попадания формируется зона разрушенных бактерий, представляющая собой пустое пятно. Данный материал бактериологичной иглой забирается. Его переносят в содержащую бактериальную молодую культуру, суспензию. Эти действия выполняют до 10 раз, чтобы полученная бактериофага была чистой.

На основе бактериофагов выпускают препараты в виде свечей, аэрозолей, таблеток, растворов и других форм. В названии медикаментов используют группу бактерий, для борьбы с которыми они предназначается.

Сравнение с антибиотиками

В отличие от антибиотиков, все виды бактериофагов препаратов не влияют отрицательно на организм человека.

Каждый вид избирательно влияет на микроорганизмы, поэтому они не только не вредят микрофлоре, но и применяются при лечении дисбактериоза. Однако эти лекарства используют гораздо реже, чем антибиотики по нескольким причинам:

Бактериофаги не проникают в кровь. Их применяют только при наличии возможности легко доставить препарат к месту воздействия. Например, прополоскать горло, нанести непосредственно на рану, выпить при кишечной инфекции.
Для применения бактериофагов важно быть уверенным в диагнозе. Исключением являются комбинированные препараты с бактериофагами против различных возбудителей. Эффективность этих препаратов меньше, а цена больше.

Благодаря своему разрушающему (литическому) действию на бактерии фаги могут быть использованы с лечебно - профилактической целью при различных заболеваниях (дизентерия, холера, различные гнойно-воспалительные заболевания и т. д.). Наборы стандартных фагов, в том числе международные, используются для фаготипирования возбудителей ряда болезней (холеры, брюшного тифа, сальмонеллезов, дифтерии, стафилококковых и других заболеваний). Бактериофаги применяются также в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция). Как правило, таким больным назначаются антибиотики. Но в связи с тем, что постоянно мутирующие бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам, их эффективность за последние годы ослабла. Внимание исследователей привлекли бактериофаги - вирусы, пожирающие бактерии. В отличие от антибиотиков, которые уничтожают как вредную, так и здоровую микрофлору организма, бактериофаги избирательны, под их воздействие попадают только патогенные бактерии. Как действуют бактериофаги в организме? Они проникают только в определенные клетки и взаимодействуют с их ДНК, создавая лизогенный или литический эффект. Воздействуя на микробы при литическом типе, бактериофаги уничтожают их, что позволяет им быстро размножаться. Лизогенный тип представляет собой проникновение генома фага в геном бактерии, их синтез и дальнейший переход из одного поколения в другое. Информация о бактериофагах появилась больше века назад при использовании их для лечения стафилококка. В настоящее время они широко используются для профилактики и лечения кишечных, стафилококковых, стрептококковых, тифозных и многих других инфекций. Современная медицина ищет методы, при которых используются не живые бактериофаги, а ферменты, воздействующие на патогенные бактерии лизированием. Их применение может быть в виде назального или орального спрея, зубной пасты, продуктов питания, пищевых добавок. Эффективность применения бактериофагов состоит в отсутствии противопоказаний и осложнений, сочетаемости с другими лекарствами, активном воздействии на антибиотико-устойчивые микробы. Благодаря этим свойствам, бактериофаги оценены как препараты будущего для успешной борьбы с инфекциями.

Важнейшими достоинствами фаготерапии являются высокая чувствительность патогенной микрофлоры к бактериофагу, возможность первоначального применения небольших доз бактериофага, сочетаемость со всеми видами традиционной антибактериальной терапии, отсутствие противопоказаний к фагопрофилактике и фаготерапии. Установлено, что в природе не существуют микроорганизмы, абсолютно устойчивые к бактериофагу. Важно, что размножение бактериофага возможно лишь в присутствии чувствительных к нему бактерий. После гибели последней микробной клетки в очаге инфекционного поражения он прекращает свою активную деятельность и бесследно выводится из организма.

В связи с наблюдаемым снижением терапевтического действия антибиотиков препараты бактериофагов используются в клинической практике как альтернатива антибиотикам и в сочетании с последними. Препараты бактериофагов не уступают антибактериальным препаратам по эффективности, стимулируют местные факторы специфического и неспецифического иммунитета и не вызывают при этом побочных токсических и аллергических реакций. Бактериофаги назначают внутрь, а также используют для орошения ран, для введения в дренированные полости - брюшную, плевральную, полости пазух носа, среднего уха, абсцессов, ран, матки, мочевого пузыря. При пероральном и аэрозольном применении, а также при нанесении на поверхность слизистых оболочек бактериофаги проникают в кровь и лимфу и выводятся через почки, санируя мочевыводящие пути.

В настоящее время возобновился интерес к фаготерапии в хирургии, урологии, офтальмологии, травматологии.

Лечебно-профилактические препараты бактериофагов составлены из поликлональных вирулентных бактериофагов широкого диапазона действия, активных и в отношении бактерий, устойчивых к антибиотикам. Их выпускают в жидком виде, в таблетках с кислотоустойчивым покрытием, в виде свечей, мазей, линиментов.

Препараты бактериофагов представляют собой стерильный фильтрат бактериальных фаголизатов, их назначают внутрь, местно для орошения ран и слизистых, введения в полости матки, мочевого пузыря, уха, придаточных пазух, а также в дренированные полости - брюшную, плевральную, а также в полости абсцессов после удаления экссудата.

Бактериофаги способны быстро проникать в кровь и лимфу и выводятся через почки с мочой. Как показано в наших исследованиях, после приема 30 мл бактериофага уже через 2 часа фаговые частицы обнаруживаются в моче, а максимальная концентрация их в моче достигается через 6-8 часов после приема.

Активность лечебно - профилактических бактериофагов в отношении возбудителей гнойно-септических и энтеральных заболевании достаточно высока - от 72 % до 90%, в том числе и в отношении штаммов госпитального происхождения, характеризующихся множественной устойчивостью к антибиотикам. Соответствие препаратов бактериофагов современной атиологической структуре возбудителей достигается их постоянной адаптацией к циркулирующим штаммам за счет обновления фаговых рас и производственных бактериальных штампов. Эта особенность выгодно отличает фаги от других антимикробных препаратов - антибиотиков, эубиотиков или вакцин, где производственные штаммы или штаммы-продуценты, или синтезированное вещество не подлежат каким-либо модификациям. Такая пластичность бактериофаговых препаратов обеспечивает продолжение первичной фагоустойчивости возбудителей.

Преимущества бактериофаговых препаратов

К преимуществам бактериофаговых препаратов относятся узкая специфичность действия, не вызывающая, в отличие от антибиотиков, угнетения нормальной микрофлоры. Доказано стимулирующее действие стафилококкового бактериофага на бифидобактерии - важнейший компонент микробиоценоза кишечника. Использование бактериофагов для лечения инфекционных заболеваний стимулирует факторы специфического и неспецифического иммунитета, что особенно эффективно для лечения хронических воспалительных заболеваний на фоне иммунодепрессивных состояний, бактерионосительства.

Экспериментальными работами и длительными клиническими наблюдениями доказана невозможность передачи плазмид устойчивости к антибиотикам и токсигенности лечебно-профилактическими препаратами бактериофагов, потому что они являются поликлональными комплексами вирулентных бактериофагов.

В России, в странах СНГ, Польше, Франции, Испании бактериофаги широко используются в медицине и ветеринарии. Накоплен большой опыт использования бактериофагов в лечении кишечных инфекций: показана высокая клиническая эффективность фаготерапии острой и хронической дизентерии, сальмонеллезов, сопровождающихся санацией носителей. Доказана высокая эпидемиологическая эффективность профилактического применения дизентерийного, брюшнотифозного и сальмонеллезного бактериофагов, В контролируемых эпидемиологических опытах, проводившихся в дошкольных учреждениях и на промышленных предприятиях, установлено снижение уровня заболеваемости в 3 - 6 раз. Использование бактериофагов выявило хорошие результаты при лечении заболеваний, вызванных условно - патогенными бактериями, дисбактериозов, гнойных поражений кожи, ЛОР - органов, опорно-двигательного аппарата, мочеполовой системы, систем органов кровообращения и дыхания, в том числе у новорожденных и детей первого года жизни.

Важным условием, обеспечивающим результативность лечения фаговыми препаратами, является определенная фагочувствительность возбудителя.

Нагляден продолжительный опыт фаготерапии в НИИ урологии; в результате адаптации в НПО "Биофаг" коммерческих бактериофагов к госпитальным штаммам, циркулирующим в урологической клинике, фагочувствительность штаммов повысилась на 15 % и находилась на уровне и выше чувствительности к самым современным зарубежным антибиотикам. На фоне длительного использования бактериофагов в стационаре среди госпитальных штаммов не наблюдалось формирования фагоустойчивости, в то время как резистентность к антибиотикам уменьшалась. Клиническая эффективность фаготерапии наблюдалась в 92 % случаев, зачастую превосходя результаты антибиотикотерапии. Отсутствие противопоказаний и осложнений при применении препаратов бактериофагов, возможность их использования в сочетании с другими лекарственными препаратами, в том числе и с антибиотиками, активность в отношении антибиотико - резистентных штаммов и адаптация бактериофагов к современным возбудителям - все это позволяет оценить препараты бактериофагов как высокоэффективное и перспективное средство экстренной терапии гнойно - септических и энтеральных инфекций. Однако фаги, эти "природные санитары", могут быть использованы не только для лечения, но и для профилактики инфекционных заболеваний. Их можно назначать беременным, кормящим матерям и детям любого возраста, включая недоношенных. Основным условием их успешного применения является проверка выделенной культуры на чувствительность к соответствующему фагу. Отмечена удивительная закономерность: в отличие от антибиотиков, чувствительность клинических штаммов микроорганизмов к бактериофагам стабильна и имеет тенденцию к росту, что можно объяснить обогащением лечебных препаратов новыми расами фагов. Помимо медицинского применения, бактериофаги широко используются в ветеринарии; особенно эффективен стафилококковый бактериофаг при лечении маститов у коров. Препараты бактериофага назначают внутрь при заболеваниях внутренних органов либо местно, непосредственно на очаг поражения. Действие фага проявляется уже через 2-4 часа после его введения (что особенно важно в условиях реанимации). Бактериофаги проникают в кровь, лимфу и выводятся через почки, санируя мочевыводящие пути.

Таким образом, бактериофаги используют:

В ветеринарии для:

профилактики и лечения бактериальных заболеваний птиц и животных;

лечения гнойно-воспалительных заболеваний слизистых глаз, полости рта;

профилактики гнойно-воспалительных осложнений при ожогах, ранениях, операционных вмешательствах;

В генной инженерии:

для трансдукции - естественной передачи генов между бактериями;

как векторы, переносящие участки ДНК;

с помощью фагов можно конструировать направленные изменения в геноме хозяйской ДНК;

В пищевой промышленности:

в массовом порядке фагосодержащими средствами уже обрабатывают готовые к употреблению продукты из мяса и домашней птицы;

бактериофаги применяют в производстве продуктов питания из мяса, мяса птицы, сыров, растительной продукции, и пр.;

Бактериофа́ги (фаги) (от φᾰγω — «пожираю») — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис. Бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала нуклеиновой кислоты. Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространенную в биосфере и, предположительно, наиболее эволюционно древнюю группу вирусов. В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т. д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги. Бактериофаги выполняют важную роль в контроле численности микробных популяций, в автолизе стареющих клеток, в переносе бактериальных генов. Бактериофаги представляют собой один из основных подвижных генетических элементов. Посредством трансдукции они привносят в бактериальный геном новые гены. Было подсчитано, что за 1 секунду могут быть инфицированы 1024 бактерий. Это означает, что постоянный перенос генетического материала распределяется между бактериями, обитающими в сходных условиях.

Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце, локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остается снаружи. Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги. Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определенных условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации.

Применение бактериофагов в медицине

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. Например, применяются бактериофаги: стрептококковый, стафилококковый, клебсиеллёзный, дизентерийный поливалентный, пиобактериофаг, коли, протейный и колипротейный и другие. Бактериофаги применяются также в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция). Фаговые векторы обычно создают на базе умеренного бактериофага λ, содержащего ДНК. Размножение бактериофага возможно только в живых клетках. Бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий. Данное направление имеет большие перспективы, поскольку, одним из основных вопросов при разных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур. С помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий была показана возможность изучения этапов взаимодействия бактериофагов и микроорганизмов.

«Фагодерм»

В компании НПЦ «МикроМир» разработан комбинированный фаговый препарат «Фагодерм »(), предназначенный для профилактики и лечения гнойно-воспалительных осложнений в хирургии и раневых инфекций, вызванных патогеными штаммами.

Препарат выпускается в гелевой и лиофильно-высушенной формах. Гелевый препарат применяется в виде аппликаций на пораженный участок кожи, слизистой, подкожной клетчатки 1-2 раза в день до выздоровления. Можно наносить препарат на перевязочный материал. Не желательно применять препарат совместно с мазевыми препаратами.

Лиофильно-высушенный препарат готовится непосредственно перед употреблением: во флакон с лиофильно-высушенным препаратом вносится 1 мл стерильного физиологического раствора, содержимое флакона тщательно взбалтывается; приготовленный прозрачный раствор добавляют в 50 мл стерильного физиологического раствора, который используют для промываний, дренажей и аппликаций.

Препарат не имеет противопоказаний и побочных эффектов. Хранить при температуре +4ºС.

Препарат применяется для профилактики и лечения следующих заболеваний кожи и слизистых:

Гнойно-воспалительные осложнения при косметических манипуляциях и операциях;
Стафило-стрептодермия;
Фурункулез;
Акне;
Угри;
Гнойно-воспалительные осложнения при экземе и других поражениях кожи;
Раневые инфекции;
Для заживления трещин, эррозий;
Аллергические дерматиты;
Укусы насекомых и животных;
Расчесы;
Термические ожоги;
Стафилококковый сикоз.

Препарат с бактериофагами устраняет зуд кожи. При обработке подмышечных областей и ног препарат устраняет неприятный запах на длительное время. «Фагодерм» является эффективным профилактическим средством в личной гигиене (обработка рук, мочеполовых органов, ректальной области при геморрое).

№ 10-2013

Фотография, сделанная с помощью электронного микроскопа,
показывает процесс закрепления бактериофагов (колифагов T1) на поверхности бактерии E. coli .

В конце ХХ века стало ясно, что бактерии безусловно доминируют в биосфере Земли, составляя более 90% ее биомассы. У каждого вида имеется множество специализированных типов вирусов. По предварительным оценкам, число видов бактериофагов составляет около 10 15 . Чтобы понять масштаб этой цифры, можно сказать, что если каждый человек на Земле будет каждый день открывать по одному новому бактериофагу, то на описание всех их понадобится 30 лет.

Таким образом, бактериофаги – самые малоизученные существа в нашей биосфере. Большинство известных сегодня бактериофагов принадлежит к отряду Caudovirales – хвостатые вирусы. Их частицы имеют размер от 50 до 200 нм. Хвост разной длины и формы обеспечивает присоединение вируса к поверхности бактерии-хозяина, головка (капсид) служит хранилищем для генома. Геномная ДНК кодирует структурные белки, формирующие «тело» бактериофага, и белки, которые обеспечивают размножение фага внутри клетки в процессе инфекции.

Можно сказать, что бактериофаг – это природный высокотехнологичный нанообъект. Например, хвосты фагов представляют собой «молекулярный шприц», который протыкает стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл. Его дальнейшие этапы состоят из переключения механизмов жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножение его генома, построение множества копий вирусных оболочек, упаковки в них ДНК вируса и, наконец, разрушение (лизис) хозяйской клетки.

Бактериофаг – это не живое существо, а молекулярный наномеханизм, созданный природой.
Хвост бактериофага – шприц, который протыкает стенку бактерии и впрыскивает вирусную ДНК,
которая хранится в головке (капсиде), внутрь клетки .

Помимо постоянного эволюционного соревнования механизмов защиты у бактерий и нападения у вирусов, причиной сложившегося равновесия можно считать и то, что бактериофаги специализировались по своему инфекционному действию. Если имеется крупная колония бактерий, где своих жертв найдут и следующие поколения фагов, то уничтожение бактерий литическими (убивающими, дословно – растворяющими) фагами идет быстро и непрерывно.

Если потенциальных жертв маловато или внешние условия не слишком подходят для эффективного размножения фагов, то преимущество получают фаги с лизогенным циклом развития. В этом случае после внедрения внутрь бактерии ДНК фага не сразу запускает механизм инфекции, а до поры до времени существует внутри клетки в пассивном состоянии, зачастую внедряясь в бактериальный геном.

В таком состоянии профага вирус может существовать долго, проходя вместе с хромосомой бактерии циклы деления клетки. И лишь когда бактерия попадает в благоприятную для размножения среду, активируется литический цикл инфекции. При этом, когда ДНК фага освобождается из бактериальной хромосомы, часто захватываются и соседние участки бактериального генома, а их содержимое в дальнейшем может перенестись в следующую бактерию, которую заразит бактериофаг. Этот процесс (трансдукция генов) считается важнейшим средством переноса информации между прокариотами – организмами без клеточных ядер.

Как действует бактериофаг

Все эти молекулярные тонкости не были известны во втором десятилетии ХХ века, когда были открыты «невидимые инфекционные агенты, уничтожающие бактерий». Но и без электронного микроскопа, с помощью которого в конце 1940-х впервые удалось получить изображения бактериофагов, было понятно, что они способны уничтожать бактерии, в том числе и болезнетворные. Это свойство было незамедлительно востребовано медициной.

Первые попытки лечения фагами дизентерии, раневых инфекций, холеры, тифа и даже чумы были проведены достаточно аккуратно, и успех выглядел вполне убедительно. Но после начала массового выпуска и использования фаговых препаратов эйфория сменилась разочарованием. О том, что такое бактериофаги, как производить, очищать и применять их лекарственные формы, было известно еще очень мало. Достаточно сказать, что по результатам предпринятой в США в конце 1920-х годов проверки во многих промышленных фагопрепаратах собственно бактериофагов вообще не оказалось.

Проблема с антибиотиками

Вторую половину ХХ века в медицине можно назвать «эрой антибиотиков». Однако еще первооткрыватель пенициллина Александр Флеминг в своей нобелевской лекции предупреждал, что устойчивость микробов к пенициллину возникает довольно быстро. До поры до времени антибиотикоустойчивость компенсировалась разработкой новых типов противомикробных лекарств. Но с 1990-х годов стало ясно, что человечество проигрывает «гонку вооружений» против микробов.

Виновато прежде всего бесконтрольное применение антибиотиков не только в лечебных, но и в профилактических целях, причем не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и быту. В результате устойчивость к этим препаратам начала вырабатываться не только у болезнетворных бактерий, но и у самых обычных микроорганизмов, живущих в почве и воде, делая из них «условных патогенов».

Такие бактерии комфортно существуют в медицинских учреждениях, заселяя сантехнику, мебель, медицинскую аппаратуру, порой даже дезинфицирующие растворы. У людей с ослабленным иммунитетом, каких в больницах большинство, они вызывают тяжелейшие осложнения.

Неудивительно, что медицинское сообщество бьет тревогу. В прошедшем, 2012 году гендиректор ВОЗ Маргарет Чен выступила с заявлением, предсказывающим конец эры антибиотиков и беззащитность человечества перед инфекционными заболеваниями. Впрочем, практические возможности комбинаторной химии – основы фармакологической науки – далеко не исчерпаны. Другое дело, что разработка противомикробных средств – очень дорогой процесс, не приносящий таких прибылей, как многие другие лекарства. Так что страшилки о «супербактериях» – это скорее предостережение, побуждающее людей к поискам альтернативных решений.

Бактериофаги и иммунитет

Поскольку бактериофагов в природе несметное количество и они постоянно попадают в организм человека с водой, воздухом и пищей, то иммунитет их просто игнорирует. Существует даже гипотеза о симбиозе бактериофагов в кишечнике, регулирующем кишечную микрофлору. Добиться какой-то иммунной реакции можно лишь при длительном введении в организм больших доз фагов.

Но таким образом можно добиться аллергии на почти любые вещества. И наконец, очень важно, что бактериофаги недороги. Разработка и производство препарата, состоящего из точно подобранных бактериофагов с полностью расшифрованными геномами, культивированных по современным биотехнологическим стандартам на определенных штаммах бактерий в химически чистых средах и прошедших высокую очистку, на порядки дешевле, чем современных сложных антибиотиков.

Это позволяет быстро приспосабливать фаготерапевтические препараты к меняющимся наборам патогенных бактерий и применять бактериофаги в ветеринарии, где дорогие лекарства экономически не оправданы.

На медицинской службе

Вполне логичным выглядит возрождение интереса к использованию бактериофагов – естественных врагов бактерий – для лечения инфекций. Действительно, за десятилетия «эры антибиотиков» бактериофаги активно служили науке, но не медицине, а фундаментальной молекулярной биологии. Достаточно упомянуть расшифровку «триплетов» генетического кода и процесса рекомбинации ДНК. Сейчас о бактериофагах известно достаточно, чтобы обоснованно выбирать фаги, подходящие для терапевтических целей.

Достоинств у бактериофагов как потенциальных лекарств множество. Прежде всего – это их несметное количество. Хотя изменять генетический аппарат бактериофага тоже намного проще, чем у бактерии, и тем более – у высших организмов, в этом нет необходимости. Всегда можно подобрать что-то подходящее в природе. Речь идет скорее о селекции, закреплении востребованных свойств и размножении нужных бактериофагов.

Это можно сравнить с выведением пород собак – ездовых, сторожевых, охотничьих, гончих, бойцовых, декоративных… Все они при этом остаются собаками, но оптимизированы под определенный вид действий, нужных человеку. Во-вторых, бактериофаги строго специфичны, то есть они уничтожают только определенный вид микробов, не угнетая при этом нормальную микрофлору человека.

В-третьих, когда бактериофаг находит бактерию, которую должен уничтожить, он в процессе своего жизненного цикла начинает размножаться. Таким образом, не столь острым становится вопрос дозировки. В-четвертых, бактериофаги не вызывают побочных эффектов. Все случаи аллергических реакций при использовании терапевтических бактериофагов были вызваны либо примесями, от которых препарат был недостаточно очищен, либо токсинами, выделяющимися при массовой гибели бактерий. Последнее явление, «эффект Герксхаймера», нередко наблюдается и при применении антибиотиков.

Две стороны медали

К сожалению, недостатков у медицинских бактериофагов тоже немало. Самая главная проблема проистекает из достоинства – высокой специфичности фагов. Каждый бактериофаг инфицирует строго определенный тип бактерий, даже не таксономический вид, а ряд более узких разновидностей, штаммов. Условно говоря, как если бы сторожевая собака начинала лаять только на одетых в черные плащи громил двухметрового роста, а на лезущего в дом подростка в шортах никак не реагировала.

Поэтому для нынешних фаговых препаратов нередки случаи неэффективного применения. Препарат, сделанный против определенного набора штаммов и прекрасно лечащий стрептококковую ангину в Смоленске, может оказаться бессильным против по всем признакам такой же ангины в Кемерове. Болезнь та же, вызывается тем же микробом, а штаммы стрептококка в разных регионах оказываются различными.

Для максимально эффективного применения бактериофага необходима точная диагностика патогенного микроба, вплоть до штамма. Самый распространенный сейчас метод диагностики – культуральный посев – занимает много времени и требуемой точности не дает. Быстрые методы – типирование с помощью полимеразной цепной реакции или масс-спектрометрии – внедряются медленно из-за дороговизны аппаратуры и более высоких требований к квалификации лаборантов. В идеале подбор фагов-компонентов лекарственного препарата можно было бы делать против инфекции каждого конкретного пациента, но это дорого и на практике неприемлемо.

Другой важный недостаток фагов – их биологическая природа. Кроме того, что бактериофаги для поддержания инфекционности требуют особых условий хранения и транспортировки, такой метод лечения открывает простор для множества спекуляций на тему «посторонней ДНК в человеке». И хотя известно, что бактериофаг в принципе не может заразить человеческую клетку и внедрить в нее свою ДНК, поменять общественное мнение непросто.

Из биологической природы и довольно большого, по сравнению с низкомолекулярными лекарствами (теми же антибиотиками), размера вытекает третье ограничение – проблема доставки бактериофага в организм. Если микробная инфекция развивается там, куда бактериофаг можно приложить напрямую в виде капель, спрея или клизмы, – на коже, открытых ранах, ожогах, слизистых оболочках носоглотки, ушей, глаз, толстого кишечника – то проблем не возникает.

Но если заражение происходит во внутренних органах, ситуация сложнее. Случаи успешного излечения инфекций почек или селезенки при обычном пероральном приеме препарата бактериофага известны. Но сам механизм проникновения относительно крупных (100 нм) фаговых частиц из желудка в кровоток и во внутренние органы изучен плохо и сильно разнится от пациента к пациенту. Бактериофаги бессильны и против тех микробов, которые развиваются внутри клеток, например возбудителей туберкулеза и проказы. Через стенку человеческой клетки бактериофаг пробраться не может.

Нужно отметить, что противопоставлять применение бактериофагов и антибиотиков в медицинских целях не следует. При совместном их действии наблюдается взаимное усиление противобактериального эффекта. Это позволяет, например, снизить дозы антибиотиков до значений, не вызывающих выраженных побочных эффектов. Соответственно, и механизм выработки у бактерий устойчивости к обоим компонентам комбинированного лекарства почти невозможен.

Расширение арсенала противомикробных препаратов дает больше степеней свободы в выборе методики лечения. Таким образом, научно обоснованное развитие концепции применения бактериофагов в противомикробной терапии – перспективное направление. Бактериофаги служат не столько альтернативой, сколько дополнением и усилением в борьбе с инфекциями.

Впервые, предположение, что бактериофаги являются вирусами сделал. Д.Эррель. В дальнейшем открыты вирусы грибков и тд, называть стали фаги.

Морфология фага.

Размеры - 20 - 200нм. Большинство фагов имеют форму головастиков. Наиболее сложно устроенные фаги состоят из многогранной головки, в которой располагается нуклеиновая кислота, шейка и отростки. На конце отростка располагается базальная пластинка, с отходящими от нее нитями и зубцами. Эти нити и зубцы служат для прикрепления фага к оболочке бактерии. У наиболее сложноорганизованных фагов в дистальной части отростка, содержится фермент - лизоцим . Этот фермент способствует растворению оболочки бактерий при проникновении фаговой НК в цитоплазму. У многих фагов отросток окружен чехлом, который у некоторых фагов может сокращаться.

Различают 5 морфологических групп

Бактериофаги с длинным отростком и сокращающимся чехлом
Фаги с длинным отростком, но не сокращающимся чехлом
Фаги с коротким отростком
Фаги с аналогом отростка
Нитевидные фаги

Химический состав.

Фаги состоят из нуклеиновой кислоты и белков. Большинство из них содержит 2хнитевую ДНК, замкнутую в кольцо. Некоторые фаги содержат одну нить ДНК или РНК.

Оболочка фагов - капсид , состоит из упорядоченных белковых субъединиц - капсомеров.

У наиболее сложноорганизованных фагов в дистальной части отростка, содержится фермент - лизоцим . Этот фермент способствует растворению оболочки бактерий при проникновении фаговой НК в цитоплазму.

Фаги хорошо переносят замораживание, нагревание до 70, высушивание. Чувствительны к кислотам, УФ и кипячению. Фаги инфицируют строго определенные бактерии, взаимодействую со специфическими рецепторами клеток.

По специфичности взаимодействия -

Полифаги - взаимодействующие с несколькими родственными видами бактерий

Монофаги - видовые фаги - взаимодействуют с одним видом бактерий

Типовые фаги - взаимодействуют с отдельными вариантами бактерий внутри вида.

По действию типовых фагов вид можно разделить на фаговый ряд . Взаимодействие фагов с бактериями может протекать по продуктивному, апродуктивному и интегративному типу.

Продуктивный тип - образуется фаговое потомство, а клетка лизируется

При апродуктивном - клетка продолжает существовать, процесс взаимодействия обрывается на начальной стадии

Интегративный тип - геном фага интегрирует в хромосому бактерий и сосуществует с ним.

В зависимости от типов взаимодействия различают вирулентные и умеренные фаги.

Вирулентные взаимодействуют с бактериями по продуктивному типу. В начале происходит абсорбция фага на оболочке бактерий, за счет взаимодействия специфических рецепторов. Имеет место проникновение или пенетрация вирусной нуклеиновой кислоты в цитоплазму бактерий. Под действием Лизоцима в оболочке бактерии образуется небольшое отверстие, чехол у фага сокращается и НК впрыскивается. Оболочка фага за пределами бактерии. Далее осуществляется синтез ранних белков. Они обеспечивают синтез фаговых структурных белков, репликацию фаговой нуклеиновой кислоты и репрессию деятельности бактериальной хромосом.

После этого происходит синтез структурных компонентов фагов и репликация нуклеиновой кислоты. Из этих элементов происходит сборка нового поколения фаговых частиц. Сборка носит название морфогенез, новых частиц, которых в одной бактерии может образовываться 10-100. Далее лизис бактерии и выход нового поколения фагов во внешнюю среду.

Умеренные бактериофаги взаимодействуют либо по продуктивному, либо по интегративному типу. Продуктивный цикл идет аналогично. При интегративном взаимодействии - ДНК умеренного фага после попадания в цитоплазму встраивается в хромосому в определенном участке, причем при делении клетки реплицируется синхронно с бактериальной ДНК и вот эти структуры передаются дочерним клеткам. Такая встроенная ДНК фага - профаг , а бактерия, содержащая профаг, называется лизогенной, а явление - лизогения.

Спонтанно, или под влиянием ряда внешних факторов профаг может вырезаться из хромосомы, т.е. переходить в свободное состояние, проявлять свойства вирулентного фага, что будет приводить к образованию нового поколения бактериальных тел - индукция профага .

Лизогенезация бактерий лежит в основе фаговой(лизогенной) конверсии. Под этим понимают изменение признаков или свойств у лизогенных бактерий, по сравнению с нелизогенными того же вида. Изменяться могут разные свойства - морфологические, антигенные и тд.

Умеренные фаги могут быть дефектными - не способными образовывать фаговое потомство не в естественных условиях и в индукции.

Вирион - полноценная вирусная частица, состоящая из НК и белковой оболочки

Практическое применение фагов -

Применение в диагностике. В отношение ряда вида бактерий монофаги, используются в реакция фаголизабельности, как один из критериев идентификации культуры бактерии, типовые фаги применяют для фаготипирования, для внутривидовой дифференциации бактерий. Проводятся с эпидимиологоическими целями, для установления источника инфекции и путей устранения
Для лечения и профилактики ряда бактериальных инфекций - брюшной тип, стафилококковы и стрептококковые инфекции(таблетки с кислотоустойчивым покрытием)
Умеренные бактериофаги применяют в генной инженерии в качестве вектора, способных вносить генетический материал в живую клетку.

Генетика бактерий

Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самовоспроизведению - репликонов. Репликонами является бактериальные хромосомы и плазмиды. Бактериальная хромосома формирует нуклеоид, замкнутым кольцом не связанным с белками и несет гаплоидный набор генов.

Плазмиды представляет собой также замкнутое кольцо молекулы ДНК, но гораздо меньших размеров чем хромосома. Наличии плазмид в цитоплазме бактерий не обязательно, но они придают преимущество в окружающей среде. Крупные плазмиды редуцируются с хромосомой и количество их в клетке небольшое. А число мелких плазмид может достигать нескольких десятков. Некоторые плазмиды способны обратимо встраиваться в бактериальную хромосому в определенном ее участке и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными. Некоторые плазмиды способны передаваться от одной бактерии к другой при непосредственном контакте - коньюгативные плазмиды. Они содержат гены, ответственные за образование F-пилей, формирующих коньюгативный мостик, для передачи генетического материалы.

Основные типы плазмидов-

F - интегративная коньгативная плазмида. Половой фактор, определяет способность бактерий быть донорами при коньюгации

R - плазмиды. Резистентная. Содержит гены, детерминирующие синтез факторов, разрушающих антибактериальные препараты. Бактерии, обладающие такими плазмидами не чувствительны ко многим препаратам. Поэтому формируются устойчивые к препаратам фактор.

Токс плазмиды - детерминирующие факторы патогенности -

Ent - плазмиды - содержит ген за выработку энтеротоксинов.

Hly - разрушают эритроцит.

Подвижные генетические элементы. К ним относятся вставочные - инсерционные элементы . Общепринятое обозначение - Is. Это участки ДНК, способные перемещаться как внутри репликона, так и между ними. Они содержат только гены, необходимые для их собственного перемещения.

Транспозоны - более крупные структуры, обладающие темиже свойствами, что и Is, го помимо они содержат структурные гены, определяющие синтез биологических веществ, например токсинов. Подвижные генетические элементы могут вызывать инактивацию гена, повреждение генетического материала, слияние репликонов и распространение генов в популяции бактерий.

Изменчивость у бактерий.

Все виды изменчивости подразделяют на 2 группы - ненаследственная(фенотипическая, модификационная) и наследственная(генотипическая).

Модификации - фенотипчиеские не наследуемые изменения признаков или свойств. Модификации не затрагивают генотипа, а поэтому не передаются по наследству. Они являются адаптивными реакциями, на изменение каких то конкретных условий внешней среды. Как правило утрачиваются в первом поколении, после прекращения действия фактора.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип организма, а поэтому способна передаваться потомкам. Генотипическая изменчивость подразделяется на мутации и рекомбинации.

Мутации - стойкие, наследуемые изменения признаков или свойств организма. Основа мутаций - качественное или количественное изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Мутации могут изменять практически любые свойства.

По происхождению мутации - спонтанные и индуцируемые.

Спонтанные мутации происходит в естественных условиях существования организма, а индцированные возникают в результате направленного действия мутагенного фактора. ПО характеру изменений в первичной структуре ДНК у бактерий различают генные или точковые мутации и хромосомные аберрации.

Генные мутации происходят внутри одного гена и минимально захватывают один нуклеотид. Этот тип мутаций может быть следствием замены одно нуклеотида на другой, выпадения нуклеотида или вставления лишнего.

Хромосомные - могут затрагивать несколько хромосом.

Может быть делеция - потеря участка хромосомы, дупликация - удвоения участка хромосомы. Поворот участка хромосомы на 180 градусов - инверсия.

Любая мутация возникает под действием определенного мутагенного фактора. По своей природе мутагены - физические, химические и биологические. Ионизирующая радиация, рентгеновские лучи, УФ лучи. К химическим мутагенам - аналоги азотистых оснований, саму азотистую кислоту, и даже некоторые лекарственные средства, цитостатики. К биологическим - некоторые вирусы и трансфазоны

Рекомбинация - обмен участками хромосом

Трансдукция - перенос генетического материала с помощью бактериофага

Репарация генетического материала - восстановление возникших в результате мутаций повреждений.

Существует несколько видов репарации

Фотореактивация - этот процесс обеспечивается специальным ферментом, который активируется в присутствии видимого света. Этот фермент перемещается по цепочке ДНК и восстанавливает повреждения. Объединяет тимеры, которые образуются при действии УФ. Более значимы результаты темновой репарации. Она не зависит от света и обеспечивается несколькими ферментами - вначале нуклеазы вырезают поврежденный участок цепи ДНК, затем ДНК полимераза, на матрице сохранившейся комплементарно цепи синтезирует заплату, а лигазы вшивают заплатку на поврежденное место.

Репарации подвергаются генные мутации, а хромосомные как правило нет

Генетические рекомбинации у бактерий. Характеризуются проникновением генетического материала от бактерии донора в бактерию реципиента с формированием дочернего генома, содержащим генов обеих исходных особей.

Включение фрагмента ДНК донора в рецепиента происходит кроссинговером

Три типа передачи -

Трансформация - процесс, при котором происходит передача фрагмента изолированной ДНК донора. Зависит от компетентности рецепиента и состояния донорской ДНК. Компетентность - способность поглощать ДНК. Она зависит от присутствия в клеточной мембране реципиента особых белков и формируется в определенные периоды роста бактерии. Донорская ДНК обязательно должна быть двухцепочечной и не очень большой по размеру. Донорская ДНК проникает через оболочку бактерий, причем одна из цепочек разрушается, другая встраивается в ДНК реципиента.
Трансдукция - осуществляется с помощью бактериофагов. Общая трансдукция и специфическая трансдукция.

Общая - происходит при участии вирулентных факторов. В процессе сборки фагов частиц в головку фага по ошибке может включаться не фаговая ДНК, а кусочек хромосомы бактерий. Такие фаги - дефектные фаги.

Специфическая - она осуществляется умеренными фагами. При вырезании, вырезание его строго осуществляется по границе.Встраиваются между определёнными генами и переносят их.

Коньюгация - передача генетического материала от бактерии донора рецепиенту, при их непосредственном контакте. Необходимым условием - наличие в клетке донора коньгативного плазмида. При коньюгации за счет пилей образуется коньюгационный мостик, по которому генетический материал передается от донора к пациенту.

Генодиагностика

Комплекс методов, позволяющих выявить геном микроорганизма или его фрагмента в исследуемом материале. Первым был предложен метод гибридизации НК. Основан на использовании принципа комплиментарности. Этот метод позволяет выявить в генетическом материале наличие маркерных фрагментов ДНК возбудителя с помощью молекулярных зондов. Молекулярные зонды представляют собой короткие цепочки ДНК, комплементарные маркерному участку. В состав зонда вводится метка - флюорозром, радиоактивный изотоп, фермент. Исследуемый материал подвергается специальнйо обработке, позволяющей разрушить микрооргнаизмы, высвободить ДНК и разделить ее на одноцепочечные фрагменты. После этого материал фиксируется. Затем выявляется активность метки. Этот метод не отличается высокой чувствительностью. Можно выявить возбудителя лишь при достаточно большом его количестве. 10 в 4 микроорганизмов. Он достаточно сложен технически и требует большого количества зондов. Широкого распространения в практике он не нашел. Был разработан новый метод - полимеразная цепная реакция - ПЦР.

Этот метод основан на способности ДНК и вирусных РНК к репликации, т.е. к саморепродукции. Суть у пациента - является многократное копирование - амплификация in vitro фрагмента ДНК, являющего маркерного для данного микроорганищма. Так как процесс проходит при достаточно высоких температурах 70-90, то метод стал возможен после выделения из термофильных бактерий термостабильной ДНК-полимеразы. Механизм амплификации таков, что копирование цепочек ДНК начинается не в любой точке, а только в определенных стартовых блоках для создания которых используют так называемые праймеры. Праймеры представляют собой полинуклеотидные последовательности, комплиментарные концевым последовательностям копируемого фрагмента искомой ДНК, причем праймеры не только инициируют амплификацию, но и ограничивают. Сейчас существует несколько вариантов ПЦР характерны 3 этапа -

Денатурация ДНК(разделение на 1 цепочечные фрагменты)
Присоединение праймера.
Комплиментарное достраивание цепей ДНК до 2хцепочечных

Этот цикл длится 1,5-2 минуты. В результате количество молекул ДНК удваивает 20-40 раз. В результате 10 в 8 степени копий. После амплификации производят электрофорез и выделяются в виде полосок. Она проводится в специальном приборе, который называется амплификатор.

Достоинства ПЦР

Дает прямые указания на присутствие возбудителя в исследуемом материале, без выделения чистой культуры.
Очень высокая чувствительность. Теоретически можно обнаружить 1го.
Материал для исследования может быть сразу дизенфицировать после забора.
100% специфичность
Быстрота получения результатов. Полный анализ - 4-5 часов. Экспресс метод.

Достаточно широко используется для диагностики инфекционных заболеваний, возбудителями которых являются не культивируемые или трудно культивируемые организмы. Хламидии, микоплазмы, многие вирусы - гепатита, герпеса. Разработаны тест системы для определения сибирской язвы, туберкулеза.

Рестрикционный анализ - с помощью ферментов молекула ДНК разделяется по определенным последовательностям нуклеоидов и фрагменты анализируются поп составу. Таким образом можно найти уникальные участки.

Биотехнология и генная инженерия

Биотехнология это наука, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов использует эти биопроцессы, а также сами биологические объекты для промышленно производства продуктов необходимых для человека, для воспроизведения биоэффектов, не проявляющихся в неестественных условиях. В качестве биологических объектов чаще всего используются одноклеточные микроорганизмы, а также клетки, животных и растений. Клетки очень быстро воспроизводятся, что позволяет за короткое время нарастить биомассу продуцента. В настоящее время биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, экономичнее и технологически доступнее чем другие виды сырья.

Биотехнология использует сами клетки как источник целевого продукта а также крупные молекулы, синтезируемые клеткой, ферменты токсины, антитела и первичные и вторичные метаболиты - аминокислоты, витамины,гормоны. Технология получения продуктов микробного и клеточного синтеза сводится к нескольким типовым стадиям - выбор или создание продуктивного штаба. Подбор оптимальной питательной среды, культивирование. Выделение целевого продукта, его очистка, стандартизация, придание лекарственной формы. Генетическая инженерия сводится к созданию необходимый для человека целевой продукции. Полученный целевой ген сшивают с вектором, а вектором может быть плазмиды и встраивают его в клетку реципиента. Реципиент - бактерия - кишечная палочка, дрожжи. Синтезируемые рекомбинантами целевые продукты, выделяют очищают и используют в практике.

Первыми, были созданы инсулин и человеческий интерферон. Эритропоэтин, гормон роста, монокланальные антитела. Вакцина против гепатита Б.