Зараза против заразы

По мере того как бактерии приобретают все большую устойчивость к антибиотикам, микробиологи со всего мира включаются в поиск альтернативных подходов к подавлению болезнетворных микробов. Одним из основных средств в арсенале медицины будущего могут стать природные враги бактерий — бактериофаги.

О перспективе использования вирусов против бактерий «Ъ-Науке» рассказал старший преподаватель Сколковского института науки и технологий Артем Исаев. За исследование систем защиты бактерий от вирусов и изучение механизмов обхода этой защиты 5 февраля исследователя наградили премией президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых.

Из интервью вы узнаете, как работает и в каком направлении будет развиваться фаготерапия, какие фаги давно продаются в аптеках, почему лучшее место для поиска новых медицинских фагов — канализация и могут ли «хорошие вирусы» повернуться против человека и перейти на сторону бактерий.

— Что можно вылечить фаготерапией?

— Фаготерапия — это убийство болезнетворных бактерий особыми вирусами, которые называются бактериофагами. Соответственно, вылечить можно бактериальную инфекцию.

— То есть это ровно те заболевания, которые лечат антибиотиками?

— Да, и как раз растущая устойчивость бактерий к антибиотикам толкает нас быстрее развивать фаготерапию.

— Если мы возьмем издаваемый ВОЗ рейтинг самых опасных бактерий, их все теоретически можно убивать фагами?

— Да. Это не значит, что фаги против них уже готовы или их можно найти быстро, но принципиальных ограничений нет. Кстати, в рейтинге опасных бактерий последние годы все больше учитывается устойчивость к антибиотикам, а не только агрессивность и патогенность бактерий.

На первое место ВОЗ сейчас ставит именно Klebsiella pneumoniae и кишечную палочку (Escherichia coli), которые в норме входят в микрофлору человека. Еще недавно эти бактерии не воспринимались как какие-то страшные патогены. Но в последние годы они сильно вооружились генами устойчивости к антибиотикам и стали довольно смертоносными. И на фаги возлагают большие надежды.

— Зачем фагам убивать бактерии, если они живут за их счет?

— Дело в том, что фаги используют две разные стратегии. Умеренные фаги заражают бактерию и с этого момента играют на ее стороне. Они живут внутри бактерии и защищают ее от других фагов. Им выгодно поддерживать популяцию «своей» бактерии. А так называемые литические фаги убивают бактерию, но в процессе создают множество своих копий, которые отправляются на поиски новых бактерий. Очевидно, в фаготерапии используются именно они.

— Откуда мы знаем, что любая бактерия подвержена фагам?

— Практически нет бактерий, у которых отсутствуют профаги — это те самые умеренные фаги, которые встраиваются в геном. Отсюда вывод, что почти все бактерии уязвимы к заражению фагами. Единственное исключение — это бактерии, которые живут внутри других клеток, например микоплазма. У таких бактерий тоже есть фаги, но их известно очень мало, потому что этим фагам нужно преодолеть сразу два барьера — оболочку клетки-хозяина и потом оболочку заразившей его бактерии.

— Но нас ведь интересуют литические фаги?

— Механизм их проникновения в клетку все равно общий. В ходе эволюции из умеренных фагов часто получаются литические. И наоборот.

— Если бактерии так хорошо приспосабливаются к антибиотикам, то они и к фагам приспособятся?

— Приспособятся, но тут есть странная корреляция. Бывает, что, приобретая устойчивость к антибиотикам, бактерии становятся более чувствительны к фагам. Бывает и наоборот, но обычно устойчивые к антибиотикам штаммы чувствительны к фагам. Недавно было показано, что фаги даже помогают антибиотикам проникнуть внутрь бактерии, так как делают в ней «дырки».

— А к чему патогены быстрее приспосабливаются? И как они это делают?

— Бактерии приспосабливаются двумя способами. Во-первых, может произойти мутация, изменяющая рецептор на поверхности клетки, по которому ее узнавал фаг. Мутация случается один раз на 100 тыс.—1 млн клеток, и когда мы испытываем некоторые фаги в лаборатории, то видно, что это гарантированно происходит. За один день. Со многими антибиотиками тоже так. Чтобы не дать бактериям шанса приспособиться, нужно атаковать один патоген несколькими фагами, нацеленными на разные рецепторы.

Во-вторых, горизонтальный перенос генов. Мы привыкли, что гены наследуются детьми от родителей, но в мире бактерий и фагов этот механизм играет меньшую роль, чем приобретение новых генов. Геном любой бактерии — это такая мешанина из фрагментов, которые притащили разные мобильные элементы. У каких-то особей могут оказаться гены устойчивости, которые начнут распространяться в популяции при воздействии лекарства. Поскольку гены устойчивости к антибиотику и к фагу переносят мобильные элементы одних и тех же типов, думаю, тут тоже можно ожидать похожей скорости адаптации.

— Что за мобильные элементы?

— Это участки ДНК, способные перемещаться между клетками. Например, небольшие кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Их передача происходит, если клетка лопается и ее ДНК подхватывает другая клетка, но намного чаще — с использованием специальных механизмов трансфера, например конъюгации, то есть создания мостика для обмена ДНК между клетками.

Те же гены устойчивости к антибиотикам — бактерии их не сами изобрели, а подхватили у мобильных элементов. Так вот, сами фаги — это тоже мобильные элементы, и иногда провести четкую границу между фагом и мобильным фрагментом ДНК, который живет внутри генома бактерии, невозможно. Фаги тоже осуществляют перенос генов между бактериями.

— Даже разными видами бактерий?

— Бывает и так. Более того, они как агенты переноса ДНК могут послужить посредниками между бактериями, которые обитают в разных средах и никак между собой не пересекаются.

— А друг с другом фаги обмениваются?

— Да, причем еще быстрее. За счет этого они приспосабливаются к защитным механизмам бактерий, а встраиваясь в геном бактерий, могут менять их поведение. Вообще, многие штаммы бактерий, которые вызывают заболевания человека, патогенны не сами по себе: это фаг встроился в бактерию и начал производить токсин, толкая бактерию на колонизацию новой ниши. Бактерия стала более агрессивной и заодно размножила фаг. Например, холерный токсин — это фаговый белок. А у кишечной палочки встречается патогенный вариант фага, с которым она начинает производить шигатоксин и вызывает инфекцию с летальностью 50%, которая не лечится антибиотиками.

— Где искать фагов?

— Искать надо в сточной канаве, в которой живут и размножаются бактерии, от которых мы хотим лечить. Потому что у самого пациента может не быть фагов против возбудителя, например, его кишечной инфекции, но где-то в популяции бактерий фаг есть. Мы непременно найдем фагов и в экзотических местах, но толку от этого мало, потому что они не будут убивать интересующие нас штаммы бактерий.

Самая высокая концентрация фагов — на станциях водоочистки, где собираются городские канализационные стоки. Или конкретно в сточных водах больниц. Но и просто в речной воде мы их тоже найдем, потому что когда-то это была сточная вода.

— То есть здесь нет проблемы, как с антибиотиками, что потенциал обычной лужи исчерпан?

— Нет. Во-первых, пока мало искали. Во-вторых, искали фагов против конкретных штаммов: достаточно заменить одну химическую группу на поверхности клетки кишечной палочки, и будут попадаться новые фаги. Когда я был студентом, казалось, что эта бактерия изучена вдоль и поперек, но недавно в Швейцарии Александр Хармс создал коллекцию из 120 новых видов фагов кишечной палочки и обнаружил новые их группы.

И третий фактор — огромная скорость эволюции. Для фага даже сложно ввести понятие вида. Если в двух лабораториях поинкубировать одного и того же фага, через неделю это будут два разных фага. Практически невозможно из внешних источников выделить одинаковые фаги. Поэтому они будут все время появляться. И бактерии все время будут тоже мутировать, чтобы приобрести устойчивость к фагам, а те будут пытаться обойти их иммунные стратегии. Это как раз то, что мы изучаем в лаборатории, и об этих исследованиях мне удалось лично рассказать Владимиру Путину 5 февраля после вручения премии.

— Раз бактерии и фаги так быстро эволюционируют, значит, условную фаговую таблетку надо каждый год делать заново, как прививки против гриппа?

— Обновлять точно нужно. Раз в год — это похоже на правду, но пока слишком мало данных, чтобы сказать наверняка.

— Фаговое лекарство можно сделать буквально в виде таблетки?

— Фагов можно приспособить под самые разные формы: аэрозоль, мазь, внутривенную инъекцию. Они такие маленькие, что с точки зрения упаковки сравнимы с антибиотиками, хотя фаги более уязвимы — все-таки это не просто молекула, а составленный из частей биоробот (белковая капсула, содержащая внутри генетический материал — чаще всего ДНК). И если речь идет про кишечную инфекцию, то да, может быть и таблетка, но фагов нужно защитить капсулой от агрессивной среды желудка, иначе по пути в кишечник от них ничего не останется.

— Говорят, фаготерапия — это ультрасовременное, персонализированное, дорогостоящее лечение. При этом фагов чуть ли не в аптеке без рецепта отпускают. Или это неправда?

— И то и другое правда. С одной стороны, в России есть медицинские организации, которые отбирают актуальные штаммы патогенных бактерий, на которых обновляются виды фагов, и целыми заводами производятся смеси фагов (коктейли) — их можно купить в аптеке. Моей знакомой зубной врач прописал фагов после удаления зуба. Их зарегистрировали как лекарство еще в СССР. В Красной армии фагов применяли в Великую отечественную для предотвращения нагноения ран.

Первооткрыватель фагов французский ученый Феликс д’Эрелль вылечил первых пациентов еще в 1917 году, и первое время это направление бурно развивалось по всему миру, но вскоре начался век антибиотиков, и на Западе о бактериофагах забыли: антибиотики проще в производстве и менее требовательны в плане диагностики заболевания. Д’Эрелль проработал какое-то время в СССР с грузинским микробиологом Георгием Элиавой — основанный ими институт до сих пор работает. Поэтому в каком-то смысле Россия — технологический лидер в фаготерапии, но все не так просто.

Дело в том, что клинических исследований этих зарегистрированных препаратов из аптеки по современным стандартам никогда не проводилось. Наверное, они иногда работают, а иногда нет. Никто не знает. Более того, у них даже нет установленного состава: даже сами производители не знают наверняка, какие фаги содержатся в этих коктейлях. Поэтому я как ученый отношусь к ним с умеренным скепсисом, тем более что и покупатель не знает, каким именно штаммом вызвана его инфекция. Кстати, одно из направлений работы нашей лаборатории — это как раз охарактеризовать состав таких фаговых препаратов из аптеки.

На Западе ситуация другая. Там о фагах вспомнили лишь в 2000-х из-за усугубления антибиотикорезистентности. По современным стандартам регистрировать можно только конкретные, полностью описанные фаги, взаимодействия которых с разными штаммами известны. И в аптеке вы такое лекарство не купите: даже врачу для его применения нужно специальное разрешение.

Что касается более массовых препаратов, то есть множество стартапов на этапе клинических исследований, и были очень дорогие, но неудачные исследования по лечению диареи. Результат: фаги можно давать детям. Это не вредно. Но мы не знаем, будет ли действительно работать такая универсальная терапия.

— После лечения фаги остаются в пациенте?

— Нет. Во-первых, после убийства бактерии фагу самому будет нечем питаться, и он постепенно вымоется из организма. Во-вторых, на фаги реагирует иммунитет. Кстати, это проблема. Если вы один раз полечились фагом, второй раз не получится, потому что в организме появятся антитела. Поэтому нужно иметь много разных фагов. Сейчас эта тема активно исследуется. Известны даже случаи, когда фаг не подействовал, потому что у пациента был иммунитет из-за столкновения с каким-то другим, немедицинским фагом.

— Насколько вероятно, что фаг убьет нужных нам бактерий?

— В идеале фаг узнает и атакует только патогенный штамм и даже другие штаммы той же бактерии игнорирует. В любом случае этих рисков гораздо меньше, чем при приеме антибиотиков, когда происходит полная зачистка микрофлоры.

— Фаги могут заинтересоваться человеческими клетками?

— Они могут узнавать клетки человека, но воспринимают их просто как площадку для закрепления. Например, фаг убил бактерию в кишечнике, произвел потомство, и новые фаги фиксируются на поверхности кишечника и ждут бактерий, которые попытаются проникнуть внутрь эпителия. То есть это все равно адаптация для заражения бактерий, а не нас.

— А долго фаговая частица может ждать новую жертву?

— Фаг может сохранятся в пробирке и 100 лет. Столь высокая стабильность, конечно, наблюдается не у всех фагов, но такие случаи известны. Эта выжидательная фаза — основная часть их жизненного цикла, и в любом человеческом органе полно фаговых частиц в таком состоянии — это просто фрагменты ДНК в белковой оболочке.

— Если фаги эволюционируют с такой поразительной скоростью, почему вы уверены, что они не научатся атаковать человеческие клетки?

— Подобный скачок — это что-то из области фантастики, как если бы мы решили использовать параплан, чтобы полететь на Марс. Ведь вся эволюция фагов направлена на эффективную работу внутри клетки бактерии, а биология бактериальной клетки и человеческой, да и любой другой клетки с ядром, слишком сильно различается.

Программа действий фага — проникнуть в клетку и превратить ее в фабрику по воспроизводству фага: заставить ее синтезировать только те РНК и белки, которые нужны фагу, а стандартные белки и РНК не синтезировать. Но на наших клетках нет таких рецепторов, по которым фаг узнает свою мишень. И даже если злой ученый искусственно впрыснет в клетку человека ДНК фага, ей там не с чем будет взаимодействовать, чтобы запустить синтез. Она даже не доберется до молекул РНК-полимеразы, потому что у нас они находятся в ядре клетки. А туда попасть еще сложнее. Да и вообще, появление куска двухцепочечной ДНК в цитоплазме вызовет иммунный ответ клетки. Так что эти риски исключены, но если хотите страшную историю, то я могу вам рассказать три.

— Давайте.

— Представим себе, что фаг — это шприц с ногами. Во-первых, ученые научились модифицировать ноги фага таким образом, чтобы он узнавал рецепторы на поверхности клеток человека, а вместо фаговой ДНК заряжать этот шприц белками. Так можно доставлять полезные белки в клетки человека. Это первая оговорка.

Во-вторых, сами фаги никогда не атакуют клетки человека, но бактерии научились «одомашнивать» фаги и использовать их для этого: бактерия сама из себя наружу выпячивает фаговые ноги, которые могут узнавать клетки других бактерий или даже человека. И затем она использует этот пустой «фаговый шприц» для загрузки в другую клетку своих токсинов. Таким образом бактерии воюют друг с другом. Но сами фаги в таком не замечены.

В-третьих, бывают фаги не в виде шприца, а с липидной оболочкой. Они просто сливаются с оболочкой клетки, и их ДНК оказывается внутри. И хотя случаев заражения человеческих клеток такими фагами неизвестно, по крайней мере здесь есть о чем говорить, потому что вирусы бактерий и вирусы человека с липидной оболочкой друг на друга похожи и, вероятно, имеют общее происхождение. Но это тоже из разряда страшилок.

— Расскажите про будущее фаготерапии. Вы бы делали ставку на персонализированную терапию, а не на массовые лекарства?

— Да, все необходимые технологии уже существуют, просто пока это слишком дорого. Нужно формировать и обновлять биобанки фагов, активных против актуальных патогенов. В остальном проблема фаговой терапии — это проблема диагностики.

— Допустим, бюджет неограничен.

— Нужно точно знать, что мы лечим. В организме человека огромное разнообразие бактерий. Если мы сможем диагностировать, какими из них вызвано заболевание, мы найдем против них фагов. Даже если не найдем, мы их сконструируем сами. Просто поиск и дизайн требуют времени, поэтому лучше подстраховаться и заранее иметь биобанк фагов, активных против того разнообразия патогенов, которые актуальны сейчас, например в Москве.

Думаю, фаготерапия будет развиваться не по модели аптечных препаратов. Ценность одного фага очень мала, и, пока вы докажете регулятору, что он эффективен, он может уже утратить свою эффективность. Развитие пойдет по пути персонализированной медицины, биобанков и даже библиотек искусственно синтезированных фагов, которые будут обходить защитные механизмы бактерий и заражать разные патогены.

Мы уже на том уровне, когда биобанки помогают спасти жизнь и можно синтезировать и программировать фаг с нуля. Мы это умеем, но заработает оно лишь тогда, когда мы как следует изучим взаимодействие бактерий с фагами и узнаем все возможное природное разнообразие иммунных систем, бактериальных капсул, рецепторов. Этим и занимается наша лаборатория. Сколько лет на это потребуется — вопрос кооперации и количества таких лабораторий. Я вижу большой интерес к этой теме в мире.

Беседовал Николай Посунько