Бактериофаги вместо антибиотиков

Снайперы для патогенов
Сергей Авилов, Телеграф «Вокруг Света»

Стандартная терапия практически при любой бактериальной инфекции – антибиотики, то есть химические яды для бактерий. Всем известно, что антибиотики имеют серьёзные недостатки: вместе с патогенными микроорганизмами они убивают полезную микрофлору и оказывают побочные эффекты на самые разные органы. Дополнительное неудобство заключается в необходимости строго следовать схеме приёма. Если принимать лекарство нерегулярно или прекратить приём слишком рано, то можно невольно выработать у «своего» микроба устойчивость к антибиотику. Идеальное антибактериальное средство должно действовать только на определенный патогенный организм (тот, который вызывает болезнь), не иметь побочных эффектов и не требовать строго соблюдения схемы приёма. Самое удивительное, что такие средства давно известны учёным. Это бактериофаги – вирусы, которые поражают бактерии.

Целебные воды реки Ганг

Ещё в 1896 году британский бактериолог Эрнест Ханкин (Ernest Hanbury Hankin, 1865–1939) сообщил, что воды рек Ганг и Джамна в Индии обладают значительной антибактериальной активностью, которая сохраняется после прохождения через фарфоровые фильтры с порами очень малого размера, но устраняется при кипячении. Ханкин предположил, что некая субстанция в этой воде ответственна за предупреждение распространения эпидемий холеры, которые могут быть вызваны употреблением воды из этих рек.

В 1915 году британский бактериолог Фредерик Творт (Frederick William Twort, 1877–1950) обнаружил вирусы, которые уничтожали бактерий. А в сентябре 1917 года учёный из Института Пастера (Institut Pasteur) Феликс Д'Эрель (Felix Hubert d’Herelle, 1873–1949) представил Французской академии наук (Academie des Sciences) доклад, в котором сообщил о том, что обнаружил «невидимого микроба», поражающего дизентерийную палочку. Учёный назвал своё детище «бактериофагом», то есть «поедателем бактерий». Вскоре после этого Д'Эрель описал случай успешного лечения дизентерии с помощью своего «поедателя». Микробиология тогда была в моде и переживала свой «золотой век», идея терапевтического применения бактериофагов была очевидна.

Изучением бактериофагов одновременно с исследователями из Института Пастера занимался и грузинский микробиолог Георгий Элиава. В 1920-е годы в Тбилиси он открыл институт, который занялся исследованиями фагов с целью их терапевтического применения и стал мировым лидером в этой области. В 1940-е годы фармацевтическая компания Eli Lilly занималась коммерциализацией фаговой терапии в США, однако бизнесмены и врачи потеряли к ней интерес после распространения антибиотиков.

Оружие немассового поражения

Представьте себе, что для уничтожения группы террористов выжигают целое селение вместе с мирными жителями. Примерно так же действуют и антибиотики. Их можно сравнить с оружием массового поражения – без разбора уничтожают всё: чужих, своих, культурные ценности, зверюшек в лесу… Антибиотики убивают патогенные бактерии, а заодно полезную микрофлору кишечника и слизистых оболочек, обеспечивая тем самым выгодные условия существования для новых патогенных микроорганизмов. Большинство антибиотиков имеет побочные эффекты: от их применения страдают почки, печень, внутреннее ухо и другие органы. Кроме того, глобализация и широкое применение антибиотиков привели к тому, что распространились штаммы бактерий, устойчивые к антибиотикам. Умные террористы научились скрываться от антитеррористических операций, пока выжигают селение с «мирными» жителями.

Бактериофаги, выгодно отличающиеся от антибиотиков, можно сравнить с группой снайперов, которые знают каждого террориста в лицо и прицельно «отстреливают» только их. Бактериофаги узко специфичны: каждый штамм поражает только несколько штаммов бактерий. Для всех остальных бактерий и для многоклеточных организмов бактериофаги безвредны. Они размножаются в клетках «жертвы», поэтому достаточно ввести фага в организм один раз вместо регулярного приёма по схеме, как с антибиотиками. Когда все бактерии данного патогенного штамма будут уничтожены, бактериофагам будет негде размножаться, и они «вымрут». Прямо Терминатор: всех, кого надо, убил, а потом на всякий случай самоликвидировался – как бы чего не вышло.

Хорошо изученный бактериофаг Т4 паразитирует на кишечной палочке – бактерии Escherichia coli. Вирус Т4 состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков, шести длинных и шести коротких. Длинные отростки находят бактерию E.coli, а короткие прочно прикрепляются к клетке. Основание при этом передаёт импульс в ствол, который сокращается, как мускул, выдавливая из себя вирусную ДНК. Бактериофаг прокалывает клеточную мембрану бактерии специальным «стержнем», который выдвигается по мере того, как основание изменяет свою форму, и через отверстие нанометровых размеров вирусная ДНК поступает в бактерию. Знание механизма работы иньектора бактериофага поможет в будущих методах доставки лекарств. Иллюстрация: Purdue University and Seyet LLC

Красноармейские вирусы

Очевидные достоинства фагов с точки зрения фармацевтического бизнеса и клинической практики оказались недостатками. Узкая специфичность бактериофагов требует, чтобы возбудитель болезни был точно известен: только тогда можно выбрать «эффективного» фага. Значит, до начала терапии необходимо идентифицировать патогенный микроб: потратить время, лабораторные материалы, человеко-часы микробиолога. Получается слишком много мороки для участкового терапевта, к которому пришёл пациент с обыкновенной ангиной. Антибиотики гораздо удобнее: скорее всего выписанный наугад антибиотик убьёт возбудителя болезни. Если вдруг не убьёт, можно выписать второй, третий.

Кроме того, высокая специфичность подразумевает наличие огромного «арсенала» фагов – примерно такого же разнообразного, как «зоопарк» патогенных микробов. На практике применяют «коктейли», содержащие разных бактериофагов. А для антибиотикотерапии почти любой бактериальной инфекции может подойти не один, так другой антибиотик из сельской аптеки. Бактериофаги – почти живые организмы, их нельзя «синтезировать» тоннами в химическом реакторе, можно только «разводить» в лаборатории. Кроме того, бактериофаги относятся к вирусам: само это слово часто пугает пациента. Для фармацевтических компаний в работе с бактериофагами есть свои сложности: вирусы – объекты на границе живого и неживого, нет чёткой законодательной базы для их патентования и регистрации в качестве лекарств.

Поэтому бактериофаги были интересны ученым на Западе, которые ориентируются на потенциальное применение своих результатов, лишь до тех пор, пока не открыли антибиотики. Широкое распространение химических антибиотиков отвлекло внимание от лучшего, но менее «удобного» класса средств. До сих пор ни в одной стране Запада не разрешено применение фагов в качестве лекарства. При этом учёные продолжали активно изучать бактериофагов и использовать как удобную модель для фундаментальных исследований в молекулярной генетике.

В СССР науку финансировали без оглядки на немедленную прибыль, поэтому здесь фаговой терапии повезло больше: исследования в Институте бактериофагии, микробиологии и вирусологии им. Элиавы АН Грузии и в других центрах продолжались, а в 1940-е годы фаговая терапия широко применялась, в частности, в Красной Армии. Публикации об успехах фаговой терапии выходили на русском и грузинском языках и были недоступны для научного мира за «железным занавесом». Если что-то и становилось доступно, то оставалось без внимания, так как репутация советской биологии была сильно подмочена во времена официального непризнания генетики и клеточной теории – фундаментальных общебиологических учений. Однако и в СССР антибиотики вытесняли фагов. Сейчас фаговую терапию предлагает Центр фаговой терапии на базе Института им. Элавы.

Второе пришествие бактериофагов

В последние годы ситуация в мире стала меняться. Всё больше данных о вреде антибиотиков; всё больше штаммов, которые устойчивы ко многим антибиотикам; всё более «привередливы» и состоятельны пациенты: не хотят дешевой и доступной терапии и отдают предпочтение безвредной и эффективной. В наши дни слово «химиотерапия» пугает общественность уже больше, чем слово «вирус».

С другой стороны, прогресс в молекулярной биологии и биотехнологии упростил манипуляции с фагами и их «разведение», а конец холодной войны сделал достижения советских учёных (особенно грузинских) доступными для западных коллег. При обычных случаях инфекций нет смысла «возиться» с бактериофаговой терапией – работает и стандартная терапия антибиотиками. Однако всё чаще встречаются инфекции, вызванные штаммами, которые устойчивы к антибиотикам. В таких случаях фаги оказываются единственным эффективным средством.

В 2006 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) признало бактериофагов безопасными в качестве добавки, которая предотвращает размножение нежелательных бактерий на сырах, а в 2007 году их признали и для других продуктов, так что сейчас фаги служат безвредным консервантом.

В ближайшее время ожидаются и более серьёзные применения фагов: итальянские учёные Розанна Каппарелли (Rosanna Capparelli), Марианна Парлато (Marianna Parlato), Джорджа Боррьелло (Giorgia Borriello) и их коллеги из Неаполитанского университета им. Федерико II (Universit? degli Studi di Napoli Federico II) открыли бактериофаг, названный ими MSa, который уничтожает штаммы стафилококка, устойчивые к антибиотику метициллину – главному оружию в борьбе со стафилококковой инфекцией. Стафилококк золотистый поражает многие органы и системы и может приводить к смерти при отсутствии эффективного лечения. В настоящее время от 40% до 60% случаев инфекций вызваны штаммами, которые устойчивы к метициллину. Именно в таких случаях фаговая терапия может быть незаменимой. Пока получены обнадеживающие результаты на лабораторных мышах: MSa предотвращает смерть и полностью уничтожает бактерию золотистого стафилококка в организме.

Сиднейская компания Special Phage Holdings разработала методику лечения с помощью бактериофагов инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми ко многим антибиотикам (так называемые multidrug resistant), которые являются главной проблемой в современной терапии инфекционных болезней. Методика успешно проходит клинические испытания. И компания рассчитывает первой захватить новый сектор фармацевтического рынка в Австралии.

Кроме применения фагов просто в качестве «убийц» бактерий, рассматриваются и другие варианты. Так, недавно было предложено использовать бактериофаги в роли троянского коня. Учёным давно известно, что фаги (как и все вирусы) имеют специальные молекулярные механизмы для введения в клетку-жертву своей генетической информации (носитель – цепочка ДНК или РНК). Теперь учёные додумались использовать этот механизм для введения в бактериальные клетки традиционного антибиотика. Такие «наноинъекции» обеспечивают эффективную доставку антибиотика именно внутрь бактерии-возбудителя болезни, а не по всему организму, как это происходит при обыкновенном введении.

Чтобы оценить преимущества и возможности терапии с помощью бактериофагов, несправедливо отвергнутой большинством учёных, потребовалось немало времени. Но сегодня забытый метод переживает второе рождение и имеет все шансы стать весьма эффективным оружием в борьбе человека с враждебным микромиром.

Портал «Вечная молодость» http://www.vechnayamolodost.ru
07.10.2008