Совсем недавно казалось, что использование бактериофагов в качестве средства против инфекционных болезней стало неоправданным. Антибиотики были эффективнее, поэтому необходимости в более сложных методах, связанных с бактериофагами не возникло. Но на наших глазах ситуация меняется. С одной стороны, среди болезнетворных бактерий возникает всё больше форм, устойчивых к антибиотикам. С другой, бактериофаги теперь можно значительно усовершенствовать благодаря новым генетическим технологиям. Яркий пример современного применения бактериофагов содержится в недавней публикации журнала Nature.
Бактериофаги (коротко – фаги) – это название, данное вирусам, использующим для своей жизнедеятельности не эукариотические организмы (например, клетки табака или человека), а прокариоты: бактерии и археи.
Первый бактериофаг, поражающий стафилококков, был открыт в 1915 году, меньше чем через 20 лет после открытия первого вируса – вируса табачной мозаики. Открытие было сделано аналогичным образом: был обнаружен инфекционный агент, проходящий через поры специального фильтра, не пропускающего бактерии.
Сразу после открытия фагов – вирусов, от которых гибнут бактерии – возникла логичная идея использовать их для лечения бактериальных инфекций. Однако за прошедшие сто лет попытки такого применения были немногочисленными, а успехи незначительными. Одна из причин этого состоит в том, что фаги проиграли конкуренцию открытым позже антибиотикам. Антибиотики оказались дешевле, проще в использовании, универсальнее и предсказуемее. Примечательно, что одним из мест, где исследования фагов не прекращались, был Советский Союз и, в частности, Институт имени Георгия Элиавы в Тбилиси. Георгий Элиава был одним из первооткрывателей бактериофагов. Некоторое время он работал в Париже в Институте Пастера. Вместе с женой он был расстрелян в 1937 году как «враг народа».
Снова вспомнили о фагах как о потенциальном антибактериальном средстве, когда устойчивость бактерий к антибиотикам стала серьезной проблемой. Результаты первых современных клинических испытаний появились в 2009 году. В одном исследовании смесью из нескольких бактериофагов пытались лечить инфицированные трофические язвы на ногах. Подход оказался неэффективен, но была показана его безопасность. В другом исследовании, в котором уже была обнаружена эффективность, бактериофагов применяли для лечения хронической ушной инфекции. Кроме того, эффективность бактериофагов против различных бактериальных инфекций была показана в экспериментах на животных.
Уже после того, как были открыты фаги, расшифровка структуры ДНК и последующее появление доступного секвенирования привели к расцвету генной инженерии, и теперь фаги можно модифицировать, придавая им желаемые свойства. С помощью генной инженерии можно улучшить распознавание фагами бактерий, а также можно ввести в геном фага ген, кодирующий белок, разрушающий биопленки – образуемые бактериями слои, в которых они становятся труднодоступны для антибиотиков.
Наконец, можно заставить фаг сменить лизогенное поведение на литическое. Как и многим другим паразитам, бактериофагам не всегда выгодно убивать своих хозяев. В некоторых случаях фаги действительно вскоре после инфицирования вызывают гибель клетки. При этом после попадания генетического материала фага в бактерию происходит синтез необходимых белков и сборка новых вирусных частиц, затем происходит лизис бактериальной клеточной мембраны, бактериальная клетка разрушается, и свежесобранные вирусные частицы отправляются заражать новые бактерии. Такой жизненный цикл вируса называется литическим. Однако часто после попадания генетического материала фага в бактерию больше ничего не происходит, и только некоторое время спустя, при наступлении благоприятных условий, может происходить (а может и нет) сборка новых частиц и лизис бактерии. Такой жизненный цикл вируса называется лизогенным. В природе вирус может сам, руководствуясь внешними условиями, переключаться между двумя стратегиями. Для нужд антибактериальной терапии подходит только литический цикл. Оказалось, что методами генной терапии можно заставить фаг всегда выбирать именно его.
Несколько лет назад была предпринята первая попытка персонализированного применения бактериофагов. 68-летний пациент-диабетик, принявший участие в этом эксперименте, страдал от панкреонекроза, осложнившегося внутрибольничной инфекцией, вызванной устойчивой к антибиотикам Acinetobacter baumannii. Состояние пациента непрерывно ухудшалось на протяжении четырех месяцев, а антибиотики не помогали. Тогда врачи приняли решение прибегнуть к терапии бактериофагами. В нескольких лабораториях из лабораторных коллекций были отобраны фаги, эффективные против бактерий, полученных прямо от пациента. Всего таких фагов нашлось девять, их вводили пациенту внутривенно и подкожно в абсцессы на протяжении восьми недель. После этого состояние пациента стало улучшаться, и бактериальная инфекция полностью прошла. Пациент был выписан домой и вернулся к работе.
И вот недавно была предпринята еще одна похожая попытка. В 2017 году пятнадцатилетней девочке, больной муковисцидозом, была проведена пересадка легких. Однако ее жизнь оказалась под угрозой из-за заражения нечувствительной к антибиотикам Mycobacterium abscessus. Антибиотики не помогали, прогноз был неутешительным и были применены бактериофаги. В коллекции, насчитывающей 15 тысяч фагов, нашлись три, эффективно заражающих M. abscessus. Сложность заключалась в том, что два из них относились к так называемым умеренным фагам, предпочитающим лизогенный жизненный цикл и не наносящим большого вреда бактериям. С помощью генной инженерии их, однако, удалось превратить в литические фаги, и коктейль из трех фагов стали вводить пациентке внутривенно дважды в сутки. Трое суток спустя ее состояние начало улучшаться, и через шесть недель она была почти здорова. Следы инфекции всё еще остаются, и пациентке до сих пор делают инъекции фагов. При этом она ведет обычный образ жизни и негативных эффектов от лечения не обнаружено.
Хотя бактериофаги по-прежнему гораздо сложнее (и, разумеется, дороже) в получении и использовании, чем антибиотики, они могут оказаться перспективным оружием против устойчивых к антибиотикам бактерий, которые с каждым днем представляют собой все большую проблему. Особенно эффективными могут быть фаги, генетически модифицированные с учетом этой задачи.
