Полезные вирусы: как бактериофаги помогают людям

В 1970-е годы ученые впервые создали моноклональные антитела. Так называется антитело, которое производится одним клоном иммунных клеток и взаимодействует только с одним определенным антигеном. Вскоре стало понятно, что это открывает массу возможностей для лечения различных заболеваний. Например, моноклональные антитела можно использовать, чтобы заблокировать молекулы, необходимые для поддержания жизнедеятельности раковых клеток или мешающие иммунитету атаковать злокачественную опухоль.

Так появились таргетная и иммунотерапия — сегодня эти виды лечения помогают существенно продлевать жизнь многих пациентов с онкологическими заболеваниями на поздних стадиях. И это лишь один из примеров.

«Генераторы» антител

При чем тут бактериофаги? Оказывается, с их помощью можно быстро «напечатать» много антител. В 1985 году биолог из США Джордж Смит разработал метод фаговых дисплеев, за что получил в 2018 году Нобелевскую премию вместе с коллегой Грегори Уинтером. В ДНК бактериофага можно добавить определенный ген, в результате будет синтезироваться соответствующий белок, и он окажется в оболочке вируса.

Существуют методы, которые помогают легко выделить бактериофаги с нужным белком и получить чистую культуру — уже созданы целые фаговые библиотеки. А дальше можно заразить вирусом культуру бактерий, и они начнут синтезировать нужное антитело. Фактически, бактериофаги, это микроскопическая фабрика по производству лекарства.

Фаговые вакцины

Фаги можно использовать не только для лечения инфекционных заболеваний, но и для их профилактики. О том, что из вирусов бактерий можно сделать вакцины, ученые впервые заговорили еще в конце прошлого века. Людям такие прививки пока не делают, но вовсю идут исследования. Причем придумано уже три разных способа изготавливать фаговые вакцины.

Во-первых, можно воспользоваться вышеупомянутым методом фаговых дисплеев. В ДНК бактериофага вставляют ген другого вируса, кодирующий белок, на который реагирует иммунная система. Соответствующий белок-антиген присутствует в фаговой оболочке. Организм человека воспринимает его как возбудителя заболевания, вырабатывается иммунитет, при этом сам фаг не причиняет никакого вреда.

Во-вторых, в бактериофаг можно загрузить ДНК, которую он доставит в клетки человека, и уже в них будет синтезироваться антиген, а затем на него отреагирует иммунная система. Это так называемая ДНК-вакцина. Фаг играет роль эффективной и безопасной системы доставки. Третий вариант — гибридная фаговая вакцина, в которой сочетаются два предыдущих подхода. За счет этого усиливается иммунный ответ.

Бактериофаги в ветеринарии

Сельскохозяйственных животных часто содержат в большом количестве в закрытых помещениях, поэтому среди них легко распространяются инфекции, многие из которых опасны и для человека. Традиционно эту проблему решают с помощью антибиотиков. Часто можно услышать, что неправильное применение антибактериальных препаратов у людей способствует развитию антибиотикорезистентности — когда бактерии становятся устойчивыми к лечению.

Но объемы антибиотиков в медицине и рядом не стояли с теми, что используются в сельском хозяйстве, и это куда более серьезная проблема. Антибактериальные препараты в животноводческих хозяйствах применяют не только для лечения инфекций, но и просто для профилактики: чтобы животные не заразились, быстрее росли и набирали массу. Это очень способствует появлению устойчивых бактерий — потом эти микроорганизмы добираются и до людей. Уже сейчас бактерии, устойчивые к лекарственным препаратам, ежегодно уносят 70 тысяч жизней по всему миру. Ученые считают, что к 2050 году этот показатель увеличится до 10 миллионов.

Многие исследования показывают, что фаги могут стать в ветеринарии такой же безопасной альтернативой антибиотикам, как и в медицине. Например, они помогают в борьбе с сальмонеллезом, инфекциями, вызываемыми патогенными кишечными палочками, кампилобактериозом, некротическим энтеритом (клостридиозом).

С помощью бактериофагов можно бороться с инфекциями не только у сельскохозяйственных животных, но и у домашних питомцев — они постоянно контактируют с человеком и тоже могут переносить опасных возбудителей. Находят вирусы бактерий применение и в аквакультурах — для борьбы с инфекционными заболеваниями у рыб.

Преимущества фагов в ветеринарии те же, что и в медицине. Важнее всего то, что они помогают по крайней мере отчасти решить проблему антибиотикорезистентности, действуют специфически только на один вид бактерий и поэтому не нарушают, в отличие от антибиотиков, микрофлору животных. А если микроорганизмы выработают устойчивость к фагу — можно быстро вывести новый.

Фаги — защитники растений

Растения страдают от инфекционных заболеваний так же, как и животные с людьми. Нередко под удар попадают сельскохозяйственные культуры. Ученые насчитывают более 200 видов бактерий, поражающих представителей флоры. Для защиты растений от инфекций антибиотики применяют с 1980-х годов. И пусть не в таком объеме, как в случае с сельскохозяйственными животными, но всё же и здесь есть проблема антибиотикорезистентности. Кроме того, использование антибактериальных препаратов и других химикатов в агрокультурах небезопасно для окружающей среды и самого человека.

Ведь антибиотики и пестициды остаются в почве, попадают в водоемы, а затем в организм животных и человека. Население земли растет, сельское хозяйство набирает обороты, поэтому в будущем проблема будет только усугубляться. Сегодня бактериофаги уже применяются для защиты растений от инфекций, и исследования показывают, что это эффективно и безопасно.

Фаговый биоконтроль

Чтобы бороться с возбудителями опасных инфекций с помощью бактериофагов, не обязательно вводить их в уже зараженный организм. Фаги присутствуют повсеместно, их примерно в 10 раз больше, чем бактерий, и они везде хорошо справляются со своей задачей. В профилактических целях бактериофагами можно обрабатывать пищевые продукты, поверхности, оборудование, помещения.

Многим городским жителям в развитых странах кажется, что инфекционные болезни, распространяющиеся через пищу, уже давно ушли в прошлое. Продукты на полках супермаркетов обработаны и безопасны. Но эксперты Всемирной организации здравоохранения делятся неутешительной статистикой: загрязненные пищевые продукты ежегодно вызывают заболевания более чем у 600 миллионов человек.

Исследования показали, что обработка пищевых продуктов бактериофагами имеет множество преимуществ. Среди них уже упомянутые эффективность и безопасность в борьбе с бактериальными инфекциями, а также более низкая стоимость по сравнению с другими методами. В 2006 году американское Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило первый препарат на основе бактериофагов для применения в пищевой промышленности. С тех пор было одобрено еще более десятка таких препаратов, и продолжаются испытания новых. Это направление в обеспечении пищевой и экологической безопасности называется фаговым биоконтролем.

Для уничтожения патогенных бактерий в растениях, окружающей среде и пищевых продуктах можно использовать только вирулентные бактериофаги – после заражения они сразу же активируют «фабрику» по производству новых вирусных частиц и уничтожают микроорганизм. В идеале вирус должен делать свою работу быстро, генерировать многочисленное потомство и легко распространяться в окружающей среде. Умеренные фаги, которые оставляют бактерии в живых и длительно существуют в них в виде профага, не подходят.

Применение фаговых эндолизинов

Инфекция в бактериальной клетке, вызванная бактериофагом, состоит из нескольких этапов, и на каждом из них происходят различные биохимические процессы. Когда фаг встречается с соответствующей ему бактерией, он прикрепляется к рецептору – определенной молекуле на поверхности микроорганизма. Попав внутрь клетки, вирус активирует синтез белков, необходимых для копирования его ДНК, сборки новых вирусных частиц. На последней стадии литической инфекции синтезируются ферменты-эндолизины. Они расщепляют соединения в составе клеточной стенки, бактерия буквально «лопается», и из нее выходят новые вирусные частицы.

Эндолизины можно использовать как естественные биоконсерванты в пищевой промышленности. Исследования показали, что они работают ничуть не хуже, чем целые фаги. Генная инженерия позволяет повысить эффективность этих ферментов. Многие бактерии способны образовывать биопленки. Они вырабатывают слизь и находятся в ней, как внутри желе. Так микроорганизмы защищают себя от антибиотиков, бактериофагов, других опасностей. Эндолизины, усиленные методами генной инженерии, растворяют биопленки, и за счет этого достигается эффективная дезинфекция поверхностей.

Фагодиагностика

Выявить болезнетворные бактерии в пищевых продуктах можно разными способами, но не все методы одинаково хороши. Можно посеять материал на специальную питательную среду, а потом изучить культуру микроорганизмов. Этот метод до сих пор считается золотым стандартом, но он довольно трудоемкий, занимает много времени и не всегда точен. Другой способ — ПЦР, полимеразная цепная реакция. ДНК бактерии многократно копируют, после чего ее можно изучить на предмет идентификации бактерии. Но и тут есть проблема: невозможно разобраться, принадлежит ли этот генетический материал живым или погибшим микроорганизмам.

Существует классический способ типирования бактерий с помощью наборов диагностичиских фагов. А сейчас все большую популярность набирает обнаружение патогенных бактерий с помощью фагов. Ведь можно подобрать вирус, специфически заражающий только определенный вид микроорганизмов. Если ввести в него ген флуоресцентного (светящегося) белка, то после того, как фаг заразит своих хозяев и размножится, этот белок легко обнаружить.

Есть и другие способы — например, добавить фаги и посмотреть, образуются ли на бактериальном газоне характерные полупрозрачные бляшки — места, где находятся зараженные и разрушенные микроорганизмы. Преимущества фаговой диагностики в том, что она точная, быстрая и недорогая. Бактериофаги заражают только живые бактерии, поэтому в случае положительного результата анализа сомнений не остается.

Перечисленные способы применения бактериофагов весьма перспективны: вероятно, со временем они будут находить все более широкое применение. И все же — более привычная сфера использования бактериофагов в нашей стране — медицина. Эксперты НПО «Микроген» (входит в холдинг «Нацимбио» Госкопрорации Ростех) изучают и выпускают лекарственные препараты для борьбы с бактериальными инфекциями на основе бактериофагов уже много десятков лет. О том, как фаги применяют, например, для борьбы с супербактериями, читайте в других материалах блога госкорпорации Ростех.  

Ростех

63 статей

Ростех — российская государственная корпорация, созданная в конце 2007 года для содействия в разработке, производстве и экспорте высокотехнологичной промышленной продукции гражданского и военного назначения. В её составе более 700 организаций, из которых сформировано 14 холдинговых компаний. 11 из них — в оборонно-промышленном комплексе, 3 — в гражданских отраслях промышленности, а также более 80 организаций прямого управления.

Показать больше