Что такое бактериофаги и для чего они нужны

Бактериофаги –– самые многочисленные обитатели Земли. Предполагается, что на планете их в 10 раз больше, чем бактерий. И ученые уже придумали, как использовать эту несметную армию в интересах человечества.

В этой статье мы постараемся доступным языком рассказать, что такое бактериофаги, как они устроены и работают, в чём их принципиальное отличие от антибиотиков и стоит ли покупать гигиенические средства на их основе (к примеру, «Фагодент» — гель для гигиены полости рта).

Бактериофаги: что это такое

Бактериофаги (или просто фаги) –– это вирусы, точечно поражающие бактерии. В природе обитают везде, где есть бактерии. Фаги можно выделить из почвы, водоемов, кишечника или ротовой полости человека и животных.

Как и все вирусы, бактериофаги видоспецифичны в отношении поражаемых ими организмов. То есть каждый вид фага заражает только один вид бактерий или даже один его штамм.

Как открыли фаги

Термин «бактериофаг» (пожиратель бактерий) ввел в научный мир бактериолог Феликс Д’Эрелль в 1917 году.

Он изучал больных дизентерий и заметил, что фильтраты фекалий выздоравливающих пациентов разрушают колонии болезнетворных бактерий, вызывающих дизентерию. Д’Эрелль понял, что открыл нечто, «пожирающее бактерии».

Фаги активно изучали в первой половине XX века. Затем наступила эра антибиотиков и о вирусах бактерий забыли. А сейчас вновь вспомнили, так как осознали, что антибиотики не могут закрыть все потребности человечества в борьбе с болезнетворными микроорганизмами.

Как устроены и живут фаги

У вирусов бактерий бывает разное строение. Но большинство принадлежит к типу «хвостатых фагов», похожих на инопланетного робота.

У таких фагов есть головка (капсид). Стенки головки образованы белковыми молекулами, а внутри находится генетический материал вируса –– ДНК или РНК.

Капсид соединен с полой трубкой. Вокруг трубки обернут способный к сокращению чехол.  Противоположный от головки конец трубки прикреплен к базальной пластинке с шипами и нитями, при помощи которых фаг распознает подходящую для себя жертву и прикрепляется к ее поверхности.

Бактериофаги бывают вирулентными и умеренными. Отличаются друг от друга жизненными циклами: литическим, лизогенным и хроническим.

Начало инфицирования бактериальной клетки при всех циклах одинаково:

1. фаг распознает клетку, которую способен атаковать;
2. прикрепляется к ее поверхности;
3. разрушает клеточную стенку и мембрану бактерии в месте посадки;
4. вводит в клетку свои гены.

Дальше начинаются различия:

• Литический цикл характерен для вирулентных фагов, которые сразу после инфицирования заставляют бактерию производить большое количество копий вируса. Через некоторое время бактериальная клетка разрушается, и новые фаги выходят наружу.
• Умеренные фаги инициируют лизогенный цикл, при котором гены вируса встраиваются в ДНК бактерии и реплицируются вместе с ней. Бактериальная клетка сохраняет жизнеспособность и даже возможность делиться. Но ее потомки получают ДНК, заражённую фагом. В какой-то момент, например, при изменении условий внешней среды, фаг переключает свой цикл на литический ­и убивает бактерию, высвобождая новые бактериофаги.
• Некоторые фаги инфицируют клетки хронически. Так же, как при лизогенном цикле, они встраивают свои гены в ДНК бактерии и живут вместе с ней. Но на литический цикл они не переключаются никогда. Вместо этого постепенно синтезируют небольшое количество новых вирусов, которые осторожно покидают бактерию, не приводя к разрыву ее клеточной стенки и гибели.

Сегодня бактериофаги пробуют применять в разных областях: биотехнологии, экологии, животноводстве, бытовой химии и средствах гигиены (например, «Фагогин» для гигиены интимных зон или гель «Фагодент» для устранения бактерий в полости рта). Но самое пристальное внимание ученых связано с медицинским использованием бактериальных вирусов.

Как используют бактериофаги в медицине

В природе постоянно увеличивается число видов патогенных бактерий, устойчивых к антибиотикам. И это заставляет ученых искать новые методы борьбы с заболеваниями, вызванными размножением болезнетворных микроорганизмов.

Фаговая терапия –– возможность уничтожать болезнетворные бактерии без антибиотиков, к которым те уже успели приспособиться.

Теоретически у терапии фагами есть много преимуществ перед лечением антибиотиками:

1. Бактериофаги уничтожают один, строго определенный, штамм патогенных бактерией и не вредят остальному микробиому организма человека. Антибиотики широкого спектра действия убивают все бактерии без разбора, в том числе и полезные.
2. В медицине применяют литические бактериофаги, которые быстро уничтожают бактериальные клетки. Антибиотики часто работают бактериостатически, то есть приостанавливают размножение бактерий, но не уничтожают их. Такая приостановка размножения помогает болезнетворным микроорганизмам выработать устойчивость к препаратам.
3. На лекарства с бактериофагами почти никогда не бывает аллергии.
4. Фаги способны уничтожать те бактерии, которые выработали устойчивость к антибиотикам. При этом лечение фагами подходит и для мототерапии, и для усиления обычного антибактериального подхода.
5. Создавать новые препараты на основе фагов легче, чем искать новые классы антибиотиков.

Однако несмотря на все эти преимущества, фаговая терапия не введена в официальные клинические рекомендации лечения инфекционных заболеваний и в последнее время новые фаговые препараты не регистрируются. Так происходит потому, что эффективность фаговой терапии в основном продемонстрирована в лабораторных условиях и на единичных клинических случаях.

Так в 2017 году фагами удалось вылечить пациента с тяжелой системной инфекцией, которому не помогали антибиотики. В 2019 году фаги помогли женщине с некротизирующей легочной инфекцией.

Но чтобы метод лечения был официально признан медицинским сообществом, он должен показать свою эффективность и безопасность в многочисленных клинических испытаниях с участием большого количества добровольцев.

Клинических испытаний лечения бактериофагами проведено немного. И те, что выполнены, не показывают хороших результатов.

Так одно клиническое исследование изучало влияние фаговой терапии на лечение диареи, вызванной E. coli. И не выявило различий в скорости выздоровления между добровольцами, которых лечили фагами, и теми, кто принимал «пустышку» (плацебо).

В другом испытании фагами пытались лечить раны от ожогов. Оказалось, что группа плацебо, которая не получала бактериофагов, выздоравливала быстрее тех добровольцев, кто проходил фаговую терапию.

Обзор клинических испытаний, проведенный российскими специалистами в 2019 году, не нашел убедительных клинических доказательств эффективности фаготерапии.

Низкая эффективность фаготерапии в клинических испытаниях связана с недостатками бактериофагов, которые являются продолжением их достоинстве.

Фаги избирательны. Они не поражают все бактериальные клетки подряд, а действуют прицельно ­–– каждый бактериофаг специализируется на одном виде микроорганизмов или даже на одном их штамме.

Избирательность позволяет избежать побочных эффектов антибиотиков, которые связаны с уничтожением ими полезной микрофлоры. Но в то же время ограничивает применение фагов в клинике, так как требует точного определения патогенов пациента и подбора тех фагов, которые опасны именно для этих патогенных агентов.

Кроме того, способность фагов инфицировать клетки, зависит от физиологического состояния бактерий. Бактериофаг может быть способен уничтожить клетку данного вида. Но ее состояние в момент применения фаготерапии не позволяет ему это сделать.

Другие недостатки фагов связаны с их чувствительностью к внешним условиям. Бактериофаги погибают в некоторых жидкостях организма, например, желудочном соке. Плохо переносят транспортировку. Нуждаются в особых условиях хранения.

Сегодня терапию фагами считают перспективным, но пока не адаптированным для широкого клинического применения методом лечения.

Другие области применения фагов

Бактериофаги применяют для:

• дезинфекции продуктов питания и оборудования пищевых производств, больниц и ветеринарных клиник;
• для производства гигиенических средств для слизистых (можно найти в свободной продаже на Озоне — https://www.ozon.ru/category/fagodent-gel);
• как замену антибиотиков в животноводстве, птицеводстве, фермах по разведению рыбы;
• для подавления болезней овощных, фруктовых, декоративных растительных культур.

В целом бактериофаги представляют собой относительно дешевые и простые в производстве структуры контроля над патогенными бактериями в медицине, сельском хозяйстве, ветеринарии, пищевой промышленности. Но для их более широкого внедрения требуются дополнительные исследования.