Не антибиотиком единым: «киллеры» бактерий – бактериофаги
До сравнительно недавнего времени бактерии и вирусы считались исключительно «врагами» для человека. Однако научные открытия доказывают, что даже представителям микромира можно найти полезное применение. Каким образом? Об одном из таких примеров — наша статья.
Середина прошлого века была ознаменована серьёзным открытием в медицине: появились первые антибиотики и зазвучали оптимистичные прогнозы о скорой и окончательной победе человечества над большинством инфекций. Однако на тот период эта мечта оказалась несбыточной, поскольку медики столкнулись с неприятным сюрпризом: мутации и изменение морфологических и функциональных свойств позволили бактериям приобрести устойчивость (резистентность) к самым мощным антибиотикам.
Со временем проблема медленно, но неуклонно усугублялась. В современном мире существует реальная угроза развития таких микроорганизмов, которые будут обладать высокой резистентностью ко всем разработанным на сегодняшний день антибактериальным препаратам. Вот тут на помощь, по мнению учёных, и могут прийти бактериофаги – «пожиратели бактерий», которые мутируют с той же скоростью, что и бактерии.
Кто открыл бактериофаги?
У бактерий, как и у других живых существ, есть естественные враги — вирусы, которые стоят «на страже» эволюционного баланса, отслеживают состояние бактерий, и при их активном размножении начинают так же быстро увеличиваться в количестве.
Первые сведения о бактерицидном действии неизвестной субстанции появились в конце 19 века, когда британский бактериолог Эрнест Ханкин заметил, что люди, купающиеся в «святых водах» Ганга и Джамны (Индия) чудесным образом исцеляются от холеры. Спустя десятилетия в 1915 году его соотечественник Фредерик Творт обнаружил вирусы, уничтожающие бактерии. Через два года после него французский учёный Феликс д’Эрель сообщил, что открыл «невидимый микроб», поражающий дизентерийную палочку. Им же впервые был применён термин «бактериофаг» («поедатель бактерий»), которым мы пользуемся по сей день.
В это же время вдали от Франции, в Трапезунде (Турция), грузинский врач Георгий Элиава обнаружил бактерицидное действие воды в реке Кура и, благодаря публикации д’ Эреля, сделал вывод, что причина этого явления — бактериофаг. В 1920 году он открыл в Тбилиси научно-исследовательский институт, специалисты которого приступили к изучению фагов с целью их терапевтического применения. История применения бактериофагов в медицине на протяжении полувека была бы более богатой, если бы не стремительное распространение антибиотиков на Западе, которое привело в середине прошлого века к потере интереса к фагам у большинства фармацевтических компаний.
Однако грузинский НИИ бактериофагов не прекратил свою деятельность и превратился в единственный в мире центр для исследования фагов. В последние десятилетия интерес к теме бактериофагов разгорелся вновь, что, вероятно, можно объяснить развитием лекарственной устойчивости у бактерий к большинству антибиотиков.
Механизм действия бактериофагов
У каждой бактерии есть определённый вирус-фаг, который способен её разрушить. Посредством жгутиков фаги протыкают стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивают свой генетический материал внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл: вначале переключаются механизмы жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножается его геном, развивается ДНК вируса. В итоге бактериальная клетка разрушается и множество фагов устремляется наружу.
Бактериофаги отличаются специфичностью: поражая определённую бактерию, для всех остальных микроорганизмов они безвредны.
Лечение бактериофагами
Благодаря уникальным свойствам избирательного уничтожения болезнетворных бактерий, фаги стали применять для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.
Против каких болезней врачи используют бактериофаги сегодня?
Наиболее широко применяется стафилококковый, стрептококковый, холерный бактериофаги, эффективные в терапии как острых, так и хронических форм заболевания, а также бактерионосительства. Кроме того, существуют фаги для лечения брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллезов. Бактериофаги оказываются единственным эффективным средством в тех случаях, когда вышеуказанные инфекции вызываются не традиционными, а устойчивыми к антибиотикам штаммами.
Использование бактериофагов не ограничивается лишь медицинской сферой. К примеру, с 2007 года в Соединённых Штатах после серии исследований фаги были признаны безвредной добавкой и стали использоваться в качестве консерванта при производстве сыров и других скоропортящихся продуктов.
Открытые вопросы
Бактериофаги не всесильны: как оказалось, бактерии могут быть устойчивы не только к антибиотикам, но и к фагам. В связи с этим применяются методы определения чувствительности бактерий, полученных от пациента, к имеющимся в арсенале доктора бактериофагам.
Другой изучаемой сегодня проблемой является роль бактериофагов в приобретении бактериями генов устойчивости к антибиотикам.
В качестве заключения
Для оценки преимуществ и широких возможностей фаготерапии, несправедливо отвергнутой в определённую эпоху большинством исследователей, потребовалось достаточно много времени. Однако забытый метод переживает в настоящее время второе рождение и имеет все шансы стать эффективным оружием в борьбе человека с миром болезнетворных микроорганизмов. Это позволит фаготерапии развиваться и завоёвывать новые горизонты в современной медицине.
Источник
Научная электронная библиотека
Перетрухина А. Т., Блинова Е. И.,
Глава 8. БАКТЕРИОФАГИ
Бактериофаг — ультрамикроскопический, внутриклеточный паразит — вирус, лизирующий бактерии и актиномицеты.
Впервые явление бактериофагии наблюдал в 1898 г. Н.Ф. Гамалея, позднее — Туорт в 1915 г. и Эррелль в 1917 г.
Бактериофаг обладает всеми основными свойствами, присущими вирусам, а именно:
1) имеет элементарные частицы величиною в пределах от 20 до 200 нм;
2) содержит в своем составе нуклеиновую кислоту и белок;
3) не растет на искусственных питательных средах, размножаясь только внутри клеток микробов;
4) обладает высокой специфичностью в отношении поражаемой клетки;
5) имеет антигенную обособленность от клетки хозяина.
Бактериофагу присуща наследственность, изменчивость, приспособляемость и другие свойства вирусов. Корпускулы бактериофагов имеют форму сперматозоидов или головастиков и состоят из сферической, цилиндрической или многогранной головки и короткого или длинного прямого или изогнутого отростка.
Фаговая частица состоит из белковой оболочки и внутреннего содержимого, в основном представляющего собой фибриллы дезоксирибонуклеиновой кислоты. В отростке фаговой корпускулы имеется центрально расположенный стерженек белковой природы. На конце отросток имеет утолщение в виде пластинки, от которого отходят белковые нити диаметром не более 2 миллимикронов.
В настоящее время описаны бактериофаги различных аэробных и анаэробных патогенных и сапрофитных бактерий (кокков, палочек, вибрионов, бацилл, микобактерий) и актиномицетов.
Бактериофаг вступает в определенное взаимодействие с микробной клеткой. Это взаимодействие, называемое литическим циклом, включает следующие этапы:
1) адсорбция фаговых частиц на поверхности бактерий;
2) внедрение активного фагового материала внутрь клетки;
3) внутриклеточное размножение бактериофага;
4) разрыв клеточной оболочки и выход новообразованного бактериофага во внешнюю среду.
Распространение бактериофага
Бактериофаги широко распространены в природе. Почти везде, где условия обитания благоприятны для размножения бактерий и актиномицетов, удается обнаружить паразитирующие в их клетках бактериофаги. Их можно выделить из открытых полостей организма человека и животных, различных водоемов, сточных вод, из влажной, унавоженной почвы, из соответствующих культур бактерий и актиномицетов. Много бактериофагов находится в выделениях больных людей и животных, особенно в период выздоровления от инфекционных заболеваний. Так, бактериофаги против возбудителей брюшного тифа, паратифов А и Б, дизентерии, холеры можно выделить из испражнений, против гноеродных кокков — из гнойного отделяемого ран и воспалительных очагов, против туберкулезной палочки — из мокроты и т.д.
Большую роль в распространении и сохранении бактериофагов в природе играют так называемые лизогенные бактерии и актиномицеты, постоянно выделяющие бактериофаги во внешнюю среду.
Для выделения бактериофага исследуемый материал (воду, испражнения, гноя, почву и др.) засевают в жидкую питательную среду, наиболее благоприятную для развития тех микроорганизмов, против которых ищут бактериофаг. Среду оставляют в термостате на 18-20 часов. Иногда производят предварительное обогащение среды чистой культурой соответствующего микроба, заведомо нелизогенного, т.е. не выделяющего бактериофаг. Помутневшую питательную среду пропускают через бумажный, а затем через бактериальный фильтр, асбестовые пластины, керамические свечи. Полученный фильтрат испытывают на присутствие бактериофага путем засева совместно с соответствующей микробной культурой на плотные (методом стекающей капли — проба Отто) или жидкие питательные среды. При наличии бактериофага после 18-часовой инкубации на поверхности агара, обнаруживается сплошной налет культуры, а па месте растекающейся, капли, в зависимости от содержания частиц бактериофага в фильтрате, бактериальный рост полностью отсутствует или наблюдаются округлые «стерильные пятна» — колонии бактериофага. На жидкой питательной среде присутствие бактериофага обусловливает просветление
культуры.
Для выделения чистой культуры бактериофага материал из развившегося отдельного стерильного пятна переносят бактериологической иглой в суспензию молодой микробной культуры.
Для гарантии чистоты бактериофага операцию выделения из изолированного стерильного пятна последовательно повторяют 5-10 раз. Материал из последнего стерильного пятна снова засевают вместе с фагочувствительными микробами на жидкую питательную среду. После 6-18-часовой инкубации культуру фильтруют, проделывают несколько пассажей для увеличения количества бактериофаговых корпускул и получают чистую культуру бактериофага.
Выделенный из внешней среды, бактериофаг, культивируемый в лабораторных условиях на соответствующей культуре бактерий, называется маточным штаммом соответствующего бактериофага.
Практическое значение бактериофага
В настоящее время выпускаются и применяются следующие виды бактериофагов: коли жидкий, коли-протейный жидкий и протейный жидкий бактериофаги, бактериофаг брюшнотифозный поливалентный (жидкий и сухой), диагностический брюшнотифозный бактериофаг, дизентерийный поливалентный лечебный (сухой) и диагностический бактериофаг, холерный бактериофаг, стафилококковые антифагин и диагностические типовые бактериофаги и стрептококковый жидкий бактериофаг
Бактериофаг широко применяется для диагностики, профилактики и лечения ряда инфекционных заболеваний бактериальной этиологии — дизентерии, брюшного тифа, холеры, чумы, геморрагической септицемии, стафилококковых, стрептококковых и анаэробных инфекций и др. В связи с его высокой специфичностью он применяется также как диагностический препарат для идентификации бактериальных культур в медицинской, ветеринарной, технической микробиологии и фитопатологии.
Метод фаготипажа, основанный на исключительной специфичности определенных штаммов бактериофага, позволил распределить на фаготипы ряд штаммов бактерий, которые неотличимы друг от друга по другим признакам. Фаготипаж с успехом применяется при идентификации бактерий брюшного тифа, сальмонелл, стафилококков и ряда других бактерий. Этот метод дает возможность эпидемиологу точно проследить за цепочкой заразных заболеваний и определить источник инфекции (бациллоноситель, больной). Известное диагностическое значение для клиники имеет выделение бактериофага из испражнений больного при некоторых кишечных инфекциях, в особенности при дизентерии.
Важное значение имеет бактериофаг для быстрого обнаружения очень небольших количеств патогенных бактерий во внешней среде путем определения нарастания титра специфического бактериофага.
Бактериофаг применяется и для борьбы с бактериальными вредителями различных технических брожений и в производстве ферментов, продуцируемых бактериальными культурами. В то же время бактериофаг, заражая культуры микробов, является опасным вредителем денных производственных штаммов микроорганизмов (вакцинных, возбудителей молочнокислого, ацетонобутилового и некоторых других брожений, продуцентов антибиотиков), вызывая серьезные нарушения технологического процесса.
Бактериофаг — один из наиболее мощных факторов изменчивости бактерий и актиномицетов. Он играет определенную роль в самоочищении воды и почвы.
Технология производства и контроль бактериофагов
В производственных условиях для изготовления препарата бактериофага применяются только апробированные штаммы бактериофагов и культуры соответствующих микробов, обладающих типичными морфологическими, биохимическими и серологическими свойствами. Штаммы бактериофагов должны быть музейными и рабочими. На производстве они часто называются маточными бактериофагами. Музейные производственные штаммы бактериофагов ежегодно обновляются путем выделения новых или пассажами имеющихся штаммов бактериофага через организм больного, а также адаптацией к свежевыделенным, резистентным к данному бактериофагу культурам. Маточный бактериофаг должен размножаться и пассироваться только на соответствующей культуре в жидкой питательной среде, например, брюшнотифозный бактериофаг пассируется на культуре брюшнотифозной палочки в бульоне Мартена.
Рабочий маточный бактериофаг готовится из очередной серии музейного штамма бактериофага, отдельно на каждом из производственных штаммов микробов.
Препарат бактериофага представляет собой фильтрат бульонной культуры соответствующих микробов, лизированных фагом. Он содержит большое количество размножившихся фагов, обладающих специфическими лизирующими свойствами.
Получение бактериофага в настоящее время осуществляется в специальных аппаратах — реакторах, емкостью от 250 до 1000 л, с применением аэрации как фактора, стимулирующего развитие микроорганизмов. Для производства бактериофага берется его рабочая маточная раса и соответствующие культуры микробов. В реактор наливается жидкая питательная среда, например, бульон Мартена или Хоттингера для изготовления брюшнотифозного и дизентерийного бактериофагов с рН 7,4-7,6 и стерилизуется при температуре 110 °С в течение 40 минут. После стерилизации среда охлаждается до 39 °С и засеивается соответствующей микробной культурой и маточным бактериофагом одновременно. Для засева употребляются 18-часовые агаровые культуры, которые прибавляются из расчета 50 млн. микробных тел на 1 мл среды. Бактериофаг добавляется в количестве не более 0,3 % по отношению к объему питательной среды. Среду с засеянными в ней культурой и бактериофагом оставляют при температуре 37 °С на 6-18 часов. Бактериофаги активно размножаются внутри бактериальных клеток, увеличиваясь в количестве и вызывая их лизис, что внешне проявляется полным просветлением среды. К полученному лизату добавляется в качестве консерванта хинозол (0,01 %) или фенол (0,25 %) и не позже чем через 2 часа после этого содержимое реактора фильтруется через бактериальные фильтры (асбестовые пластины, свечи Шамбеолена или свечи ГИКИ соответствующей пористости) для удаления оставшихся микробных клеток.
Полученный препарат-бактериофаг должен иметь вид, совершенно прозрачной жидкости желтого цвета большей или меньшей интенсивности. Он проходит контроль на стерильность, безвредность и литическую активность, т.е. вирулентность.
Стерильность бактериофага проверяют обычным способом.
Безвредность препарата проверяют путем введения животным, например, брюшнотифозный и дизентерийный бактериофаги вводят подкожно трем мышам по 1 мл, либо внутривенно одному кролику 5 мл. Наблюдение за животными ведется в течение 3-4 суток; если препарат безвреден, они должны оставаться бодрыми
и здоровыми.
Литическая активность бактериофага, его вирулентность определяются методом титрования на жидкой и плотной питательной среде.
Определение вирулентности методом Аппельмана проводится по следующей схеме: набирается ряд пробирок, содержащих по 4,5 мл мясо-пептонного бульона; в первую из них добавляется бактериофаг в количестве 0,5 мл, тщательно перемешивается другой пипеткой и в количестве 0,5 мл переносится в следующую пробирку, из второй — 0,5 мл в третью и т.д. В серии пробирок бактериофаг разводится 1:10; 1:100; 1:1000 и т.д. Во все пробирки, включая и контрольную, содержащую только 4,5 мл бульона, вносят по 250 млн микробных тел суточной культуры соответствующих бактерий, затем ставят их на 18-20 часов в термостат, после чего учитывают результат. Степень лизиса отмечается плюсами следующим образом: четыре плюса (++++) — абсолютная прозрачность среды, равная стерильному бульону; три плюса (+++) — почти полная прозрачность, лишь незначительно отличающаяся от стерильного бульона; два плюса (++) —
муть, значительная по сравнению со стерильным бульоном, но незначительная по сравнению с контрольной пробиркой; один плюс (+) —
явная муть, но все же более слабая, чем в контрольной пробирке, минус (-) — муть, как в контрольной пробирке.
Определение вирулентности на плотной питательной среде методом Отто заключается в следующем: на определенные сегменты агаровых пластинок в бактериологических чашках, хорошо подсушенных в термостате и предварительно засеянных сплошным газоном соответствующей культуры, наносится по одной капле исследуемого бактериофага определенного разведения, соответствующего разведению в аппельмановском ряду. Капли подсушиваются и чашки помещаются в термостат на 18-20 часов. Результат учитывается по степени лизиса и обозначается плюсами: четыре плюса (++++) — полный лизис; на месте закапывания бактериофага культура не растет; три плюса (+++) — лизис с наличием единичных колоний культуры; два плюса (++) — лизис в виде сливных участков с островками роста культуры; один плюс (+) — лизис в виде отдельных стерильных пятен на сплошном газоне культуры; минус (-) — сплошной рост культуры, не обнаруживается ни одного стерильного пятна.
За титр бактериофага при определении методом Аппельмана принимают то наибольшее разведение его, которое вызывает полное растворение соответствующих микробов. Бактериофаги выпускают, с определенными титрами, не ниже установленных, по инструкции. Так, титр брюшнотифозного бактериофага со всеми штаммами, входящими в титрование, должен быть не ниже 10-7 для штаммов, находящихся в Vi-форме, и не ниже 10-6 для штаммов, находящихся в 0-форме.
После проведения контролей бактериофаг разливается во флаконы нейтрального стекла (по 25, 50 и 100 мл), которые должны быть укупорены резиновой пробкой соответствующего размера и залиты смолкой.
Условия хранения бактериофага такие же, как и других препаратов.
Срок годности брюшнотифозного, холерного; гангренозного, стафилококкового и стрептококкового бактериофагов — один год, а дизентерийного — два года.
Помимо жидких препаратов бактериофага могут изготавливаться также сухие. Для получения их, действующее начало жидкого фаголизата осаждается сернокислым аммонием. Выпавший осадок отделяется от жидкой части, к сырой массе добавляется в качестве стабилизатора глюконат кальция (9 %), смесь тщательно растирается, замораживается при — 30 °С и высушивается под вакуумом.
Выпускается сухой фаг в виде таблеток, которые содержат стабилизированную субстанцию фаголизата, обычно применяемую таблеточную смесь (глюкозу, глюконат кальция, тальк, стеарин) и покрыты защитной кислотоустойчивой оболочкой из ацетилцеллюлозы. Одна таблетка cyxогo бактериофага соответствует 20-25 мл жидкого.
В отношении стерильности и безвредности к сухим бактериофагам предъявляются те же требования, что и к жидким. Титр сухих бактериофагов устанавливается в соответствии с их лизирующей активностью, по отношению к разным видам и типам микробов.
Применяются они в тех же случаях, что и жидкие бактериофаги. Срок годности сухих фагов — 1 год.
Источник
