Ученые нашли новый способ борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями

Джесс Крейг
26 декабря 2022 г. · 12 минут чтения
Ученые обращаются к неожиданному союзнику в борьбе с лекарственно-устойчивыми бактериями: к особому типу вируса, обнаруженному в наших самых загрязненных местах.
Мартин Джорджес, лаборант лаборатории доктора Лилиан Мусила
Мартин Джорджес, техник-лаборант в лаборатории доктора Лилиан Мусила в Кенийском медицинском исследовательском институте, пипетирует бактериофаги в чашку Петри, содержащую бактерии. Фото Джесс Крейг

«Менее всего мы могли предположить, что лекарство от смертельных болезней прячется в городских канализациях», – говорит Лилиан Мусила, главный научный сотрудник Департамента новых инфекционных заболеваний.

Ранним октябрьским утром Лилиан Мусила, Мартин Джордж и Мозес Гачоя погрузили багаж с лабораторными халатами, медицинскими перчатками и пластиковыми холодильниками в белоснежную Тойоту и отправились на городские окраины. Впереди их ждали очистные сооружения, сточные воды и загрязненные реки африканских трущоб.

Большинство людей, как правило, сторонятся подобных мест, так как они неразрывно связаны с болезнетворными бактериями и вирусами. Но для Мусилы, исследователя инфекционных заболеваний, как ни парадоксально, эти места являются источником бактериофагов, или так называемых «пожирателей» бактериальных клеток.
«Идея в том, что враг моего врага — мой друг», — объясняет Мусила.

Антибиотики стали краеугольным камнем современной медицины, начиная с 1940-х годов. Благодаря им человеческая продолжительность жизни увеличилась на 23 года. Но время не стоит на месте. Сегодня многие виды болезнетворных бактерий выработали устойчивость к противомикробным препаратам (УПП). Всемирная организация здравоохранения считает УПП одной из основных угроз здоровью человечества. По результатам исследований, в 2019 году УПП стало причиной более 1 миллиона смертей.

Фаг Т4

Фаг Т4
Один из самых изученных вирусов, бактериофаг, поражающий энтеробактерии, в том числе Escherichia coli. Имеет геномную ДНК порядка 169-170 тысяч пар нуклеотидов, упакованную в икосаэдрическую головку. Вирион также имеет ствол, основание ствола и стволовые отростки — шесть длинных и шесть коротких.

Сегодня мир нуждается в новых антибиотиках, те что были разработаны в 1980-х годах уже не так эффективны, как прежде.

Хотя фаготерапия является достаточно молодой областью исследований, она эффективно использовалась в бывшем Советском Союзе. Результаты клинических испытаний, проведенных в США и Европе показывают, что бактериофаги безопасно для организма справляются с рядом инфекций, которые не под силам многим известным антибиотикам.

Когда восемь лет назад Мусила узнала, какую опасность для мира представляет УПП, она начала активно изучать УПП у госпитализированных пациентов Кении. Мусила и ее коллеги обнаружили, что около 60 процентов задокументированных инфекций обладали устойчивостью к нескольким типам антибиотиков – к самым дешевым и легкодоступным.

«Я подумала, что мы не можем просто сидеть и ждать. Мы должны найти хоть какое-то решение», – говорит Мусила. Она посетила конференцию, где узнала о новых исследованиях фагов, и, вернувшись в свою лабораторию, в 2016 году начала охоту на бактериофаги.

Преимущества бактериофагов

В Найробийской городской водопроводно-канализационной компании техник в лаборатории Мусилы по имени Жорж, и стажёр по имени Гачоя надев свои синие лабораторные халаты и одноразовые перчатки осторожно подошли к краю глубокого цементного пруда, в котором бурлили бурые клокочущие нечистоты. В грязной воде бактерии усердно трудятся, расщепляя твердые отходы, а бактериофаги активно заражают эти бактерии, размножаются, а затем вырываются из них, чтобы найти следующую жертву.

На глазах у Мусилы Жорж погрузил в ил желтый пластиковый контейнер, а затем с помощью веревки вытащил его, ещё раз упаковал и положил в холодильник. Другие образцы они собрали на заводе, который находился рядом с неочищенными сточными водами. Третья попытка пришлась на Киберу, где Жорж вошел в неглубокий ручей со сточными водами.

Вернувшись в лабораторию, Жорж и Гачоя объединили все образцы и пропустили добычу через крошечный фильтр, отсеяв все, кроме микроскопических фагов, которые меньше самых мельчайших вирусов и бактерий. Они культивировали и размножали фаги, кормя их бактериями — в данном случае лекарственно-устойчивыми Klebsiella pneumonia и Pseudomonas aeruginosa – самыми распространенными патогенами.

На следующий день исследователи поместили маленькие капли жидкости, содержащей фаги, на бактерии, растущие в чашках Петри. Фаги, которые убивают бактерии, оставляют на поверхности чашки небольшое круглое пятно — это признак того, что бактерии, которые там росли, мертвы. Затем команда работала над изоляцией и очисткой этих фагов-убийц. Всего через несколько дней, после секвенирования фаговых геномов, команда узнала, сколько новых фагов они обнаружили, после чего они заморозили новые вирусы при температуре -80 градусов по Цельсию, чтобы позднее воспользоваться ими в новых исследованиях.

В отличии от традиционных фармацевтических исследований опыты с бактериофагами являются достаточно недорогим экспресс методом в борьбе с вирусами. Необходимы только базовое лабораторное оборудование и определенные навыки. В то время как для открытия нового антибиотика требуется от 10 до 15 лет и не менее миллиарда долларов.

Во многих развивающихся странах отсутствует постоянный доступ к основным антибиотикам, не говоря уже о более современных лекарствах или комбинированных антибиотиках, которые эффективны против некоторых устойчивых микробов. В 2019 году исследователи из Малави сообщили, что только 48,5 процентов основных лекарств есть в наличии в государственных медицинских учреждениях, а стоимость одного курса лечения лекарственными препаратами превышает среднюю дневную заработную плату малавийцев. Поэтому все надежды на фаговую терапию – она может быть разработана в странах, в наибольшей степени затронутых УПП, без финансовых и технических барьеров, связанных с традиционными фармацевтическими исследованиями.

Кроме того, неофициальные данные свидетельствуют о том, что фаги, обнаруженные в том же районе, что и бактерии, которых они заражают, более эффективны, чем фаги, живущие в другой местности. Мусила вместе со своей командой протестировали фаги из России на группе бактерий родом из Кении — в результате российские фаги оказались неэффективными для зарубежных гостей. Айви Мутай, ученый в Институте исследований приматов в Найроби протестировала фаги из Джорджии в борьбе против штаммов кенийских бактерий и обнаружила, что они менее эффективны, чем местные фаги.

Фаги заражают бактерии, связываясь с одним или несколькими рецепторами на поверхности клетки. Эта особенность описывается как конструкция «замок-ключ». В сточных водах бактерии эволюционируют, чтобы избежать фагов, которые, в свою очередь, адаптируются, чтобы не терять способность заражать бактерии. По этой причине, фаги эффективны в борьбе только против местных штаммов бактерий. «Это значит, что кенийцы должны использовать исключительно местные фаги в борьбе с инфекциями в Кении», — считает Матай.

Клинические испытания фаготерапии

За шесть лет Мусила идентифицировала более 150 фагов, которые могут нацеливаться и убивать так называемые патогены «ESKAPE» (аббревиатура от Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae и другие бактерии), вызывающие устойчивые к лекарственным препаратам инфекции, которые приводят к летальному исходу.

Мутай также заинтересована в выявлении фагов, способных предотвратить распространенные бактериальные заболевания сельскохозяйственных культур, а также фагов способных дезинфицировать медицинское оборудование и поверхности в больницах, которые часто являются источником устойчивых к лекарствам патогенов.

В Международном научно-исследовательском институте животноводства в Кении, Анджела Макуми разработала лечение фагами, предотвращающее заражение сальмонеллой домашней птицы, к слову, на разработку этого лечения потребовалось всего два года.

Доцент Университета Макерере и председатель PhageTeam Uganda Джеска Накавума, разрабатывает фаги, которые способны справиться со смертельными штаммами кишечной палочки, содержащиеся в сырых овощах, а также с бактериями под названием Aeromonas hydrophilia. В ДРК и на Гаити исследователи занимаются поиском фагов, которые способны справиться с бактериями, которые вызывают холеру.

На сегодняшний день, Кения и многие развивающиеся страны не имеют регулирующей инфраструктуры для использования фаготерапии в экстренных случаях. Вместо этого Мусила делится многообещающими фагами-кандидатами с Исследовательским институтом армии США Уолтера Рида, который финансирует ее текущую работу и проводит более сложные испытания фагов, прежде чем они будут рассмотрены для использования человеком.

Будущее фагов

Несмотря на то, что есть успешные примеры эрадикации бактериофагами микробов с множественной лекарственной устойчивостью у больных пациентов, в фаготерапии многое остается неизвестным. По своей природе бактериофаги размножаются внутри бактериальных клеток, убивая их, но неизвестно, как быстро это происходит после того как они попали в организм пациента. Поэтому трудно установить их дозировку для разных случаев. При приеме антибиотиков врачи знают точную дозу и время, необходимое для распада препарата в организме. К счастью, в ходе исследований было установлено, что даже высокие дозы бактериофагов являются безопасными.

Одно из преимуществ бактериофагов заключается в том, что они убивают только определенные бактерии, и не затрагивают полезные бактерии. Антибиотики же, напротив, без разбора убивают многие жизненноважные бактерии.

Оборотная сторона состоит в том, что исследователям необходимо разработать огромные коллекции фагов против каждого типа бактерий, вызывающих заболевания у людей. Хэтфулл вместе с командой исследователей работают над разделением геномов фагов, чтобы понять, как они могут создавать более мощные фаги, которые могут воздействовать на более широкий спектр бактерий.

Также непонятно как долго фаги будут сохранять свою эффективность, учитывая, что бактерии со временем могут вырабатывать устойчивость к фагам. Жорж и Гачоя наблюдали, как бактерии всего за одну ночь приобретали эту устойчивость.

В настоящее время пациентам вводят смесь из четырех или пяти различных фагов для предотвращения резистентности. Хэтфулл говорит, что его команда не часто замечает устойчивость к фагам со стороны бактерий.

Благодаря доступности исследований бактериофагов по мере того, как бактерии будут вырабатывать устойчивость к ним, ученые могут открывать все новые и новые фаги. Сточные воды, кишащие микробами, являются нескончаемым источником бактериофагов, которые, в отличие от антибиотиков, находятся в постоянно эволюционируют, чтобы продолжать равноправную борьбу с бактериями.

Используемая литература

  1. Устойчивость к противомикробным препаратам
  2. Глобальное бремя устойчивости бактерий к противомикробным препаратам doi: 10.1016/S0140- 6736(21)02724-0
  3. Обзор топической фаготерапии хронически инфицированных ран и подготовки к рандомизированному адаптивному клиническому испытанию по оценке топической фаготерапии при хронически инфицированных диабетических язвах стопы doi: 10.3390/antibiotics9070377
  4. Фаготерапия микобактериальных инфекций doi: 10.1093/cid/ciac453

Читайте также: