Бактериофаг: характеристика и особенности применения

Спустя сто лет со дня открытия бактериофага, мы имеем довольно много знаний о структуре фаговой частицы, о классификациях бактериофагов, особенностях и специфичности взаимодействия бактериофагов с бактериальными клетками. Научились использовать невидимых врагов бактерий в разных сферах жизни человека (в медицине для диагностики, лечения, профилактики бактериальных инфекций, в клинической микробиологии для идентификации бактерий в процессе фаготипирования, в санитарной микробиологии для определения санитарно-показательных микроорганизмов в окружающей среде, в генной инженерии как вектор для целенаправленного внесения генетического материала в бактериальную клетку). И в настоящее время интерес к этим мельчайшим существам не угасает, и даже возрастает в связи с появлением устойчивых к антибактериальным препаратам штаммов бактерий.

Цель исследования: описать особенности бактериофагов, дать сравнительную характеристику фаготерапии и антибиотикотерапии, провести анализ осведомленности студентов о бактериофагах.

Материалы и методы. Проведен обзор тематических литературных источников по характеристике бактериофагов. Исследовали уровень знаний студентов относительно бактериофагов. Применяли аналитический и статистический методы.

Результаты. Известно, что в структуре фаговой частицы обнаруживается генетический материал, представленный молекулами ДНК или РНК, а также белковая оболочка – капсид. По строению капсида бактериофаги подразделяются на несколько групп. По классификации Д. Бредли бактериофаги разделены на 6 морфологических групп (А–F): с сокращающимся отростком, с длинным несокращающимся отростком, с коротким несокращающимся отростком, без отростка с капсомером, без отростка и капсомера, нитевидные (рис. 1). Причем только фаги группы Е являются РНК содержащими [2].

Рис. 1. Классификация бактериофагов по Д. Бредли.

По способности взаимодействовать с бактериальными клетками бактериофаги могут быть разделены на три основные группы. Литические бактериофаги способны связываться со специфическими рецепторами на поверхности бактериальной клетки, вводить в нее свой генетический материал, и вызывать лизис бактериальной клетки при выходе из нее нового фагового потомства. Умеренные бактериофаги, вводя свой генетический материал в бактериальную клетку, способны внедрять его в хромосому бактерии в форме «профага», обеспечивая лизогенный цикл и наделяя бактерию новыми свойствами, которые она передает дочерним клеткам по наследству. При повреждении ДНК бактерии или изменении условий запускается литический цикл. Хронические фаги (морфологическая группа F) способны подавлять деление бактерий и используют их для размножения, не вызывая разрушение бактериальных клеток [3].

Бактериофаги проявляют устойчивость к физическим и химическим факторам в широком диапазоне. Они способны выдерживать изменения pH среды от 5,0 до 8,0, проявляют резистентность к ряду дезинфектантов и жирорастворителей, хорошо сохраняются при низких температурах, но не выдерживают нагревания до 65–70 °С, а также инактивируются при действии ультрафиолетового облучения. Эти особенности бактериофагов позволяют им проявлять активность и в окружающей среде и в организме человека.

В России и странах СНГ создаются препараты бактериофагов и применяются для профилактики и лечения гнойно-воспалительных заболеваний глаз, носа, ушей, ротовой полости, горла, легких (конъюнктивит, ринит, отит, стоматит, ангина, пневмонии); абсцедирования при хирургических вмешательствах; инфекций желудочно-кишечного тракта (дизентерия, сальмонеллез, эшерихиоз); инфекций мочеполовых путей бактериальной природы. Бактериофаги могут быть применены перорально, в виде клизм, орошений, аппликаций, введения в полость ран, в том числе при дренировании брюшной, плевральной полостей [4]. Основное требование к препаратам бактериофагов – это наличие литического цикла. Кроме того, в некоторых случаях препараты бактериофагов по эффективности превосходят антибактериальные, это важно для лечения инфекций, вызываемых антибиотикорезистентными штаммами бактерий.

Мы провели сравнительный анализ характеристик препаратов бактериофагов и антибиотиков [5]. Результат представлен в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика эффективности бактериофагов и антибиотиков

Однако, в некоторых случаях препараты бактериофагов могут терять свою эффективность. Это может быть связано с нарушениями технологии производства и хранения препаратов, с низкой концентрацией фаговых частиц, нейтрализацией бактериофагов антителами человека (особенно при системном внутривенном введении), а также с формированием резистентности бактерий к бактериофагам.

На данный момент известно четыре основных механизма резистентности [6]. Они заключаются:

• а)    в утрате бактериями рецепторов к бактериофагам;

• б)    в поражении бактерии другими бактериофагами, которые не дают новым возможности размножаться в клетке;

• в)    в кодировании бактериями (или их мобильными генетическими элементами) рестрикционно-модификационных систем, которые разрушают нуклеиновые кислоты, не содержащие особых метильных меток, присущих бактериям;

• г)    в функционировании основы бактериального иммунитета – системы CRISPR. Работа данной системы заключается в том, что небольшой участок фаговой ДНК встраивается в

бактериальный геном в специальный локус (локус CRISPR), способный содержать много спейсеров, на основе которых синтезируются комплементарные РНК, которые в комплексе с белками опознают и обезвреживают фаговые ДНК с комплементарной последовательностью нуклеотидов [6].

В опросе по выявлению знаний о свойствах бактериофагов приняли участие 53 студента 2 курса специальности «Лечебное дело» Медицинского института ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва».

Установлено, что большинство (84,9%) студентов знают, что бактериофаги – это вирусы, вызывающие гибель бактерий, и поэтому они могут быть использованы для профилактики и терапии гнойно-воспалительных заболеваний бактериальной природы (94,3%). Также 86,8% опрошенных имеют представление о строении фаговой частицы. Среди студентов 90,6% имеют четкое представление, что бактериофаг в отличие от вируса макроорганизма является патогенным только для бактерий. Однако, почти две трети студентов (60,4%) затруднились ответить на вопрос о том, как именно бактериофаги проявляют свою активность. При этом 64,2% опрошенных знают, что для фаготерапии должны применяться только вирулентные бактериофаги, которые, размножаясь в бактериальных клетках, вызывают их лизис. Среди участников опроса только 47,2% испытуемых усвоили, что бактериофаги обладают строгой специфичностью к бактериям по сравнению с антибиотиками. 54,7% опрошенных студентов убеждены, что опасность фаготерапии заключается в негативном влиянии на нормальную микробиоту человека. Менее половины (43,4%) опрошенных имеет представление о том, что большое количество бактериофагов может быть выделено из объектов окружающей среды, а 28,3% студентов считают, что бактериофаги получают искусственным путем.

Таким образом, выявлено, что в целом у студентов сформировано представление о строении бактериофагов, об их губительном действии на бактерии, но при этом имеются некоторые пробелы в знаниях о том, как конкретно происходит взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками, о строгой специфичности бактериофагов и отсутствии влияния фаговых препаратов на нормальную микробиоту. В связи с этим, студентам рекомендовано уделить большее внимание изучению этапов взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой.

Выводы.

• 1.    Бактериофаги – это естественные враги бактерий, в связи с активно формирующейся антибиотикорезистентностью интерес к ним как к средствам для профилактики и терапии возрастает.

• 2.    Сравнительный анализ бактериофагов и антибиотиков выявил высокую специфичность бактериофагов по сравнению с антибиотиками, низкую токсичность и минимальное негативное действие на нормальную микробиоту.

• 3.    Проанализирован уровень знаний студентов о бактериофагах. Даны рекомендации по коррекции знаний особенностей взаимодействия бактериофагов с бактериальными клетками.