Понятие о бактериофагах

Понятие о бактериофагах

Бактериофаги - (от бактерии и греч. fagos - пожиратель) - это особые представители царства вирусов.

Особенность бактериофагов в том, что они приспособились использовать для своего размножения клетки бактерий.

Эти маленькие создания потрясающе многообразны.

Вирусы бактериий, иначе называемые бактериофагами, - крупнейшая из известных  групп вирусов.

Современная классификация бактериофагов  включает 13 семейств, подразделенных более  чем на 140 родов, которые содержат более 5300 видов фагов.

Применение современных электронных  микроскопов позволило детально изучить строение фагов. Оказалось, что многие из них устроены сложнее, чем вирусы человека, животных и  растений.

Общий признак  всех бактериофагов – внутриклеточный паразитизм – определяется зависимостью фагов от аппаратов транскрипции и трансляции генетического материала, от систем репликации бактерии, от наличия особых бактериальных структур, необходимых для сборки зрелых частиц фага. В то же время следует отметить, что уровень такой зависимости для разных бактериофагов разный. Некоторые из них (например, Т-четные фаги Escherichia coli) несут в своем геноме многие гены, функционально сходные с определенными бактериальными генами; такие фаги более автономны, поскольку способны развиваться в клетках бактерий, не обладающих функциями соответствующих генов.

Фаги принято  относить к трем типам. Тип определяется характером влияния продуктивной инфекции фага на судьбу инфицированной клетки.

Первый  тип – истинно вирулентные фаги. Инфекция клетки вирулентным фагом неизбежно ведет к гибели инфицированной клетки, ее разрушению и освобождению фага-потомства (исключая случаи абортивной инфекции). Такие фаги называют истинно вирулентными, для отличия их от вирулентных мутантов умеренных фагов.

Второй  тип – умеренные фаги. В ходе продуктивной инфекции клетки умеренным фагом возможны два принципиально разных пути его развития: литический, в общем (по своему исходу) подобный литическому циклу вирулентных фагов, и лизогенный, когда геном умеренного фага переходит в особое состояние – профаг. Клетка, несущая профаг, называется лизогенной или просто лизогеном (поскольку в определенных условиях она может претерпеть литическое развитие фага). Умеренные фаги, отвечающие в состоянии профага на применение индуцирующего фактора началом литического развития, называют индуцибельными, а фаги, не реагирующим таким образом, – неиндуцибельными. У умеренных фагов могут возникать вирулентные мутанты. Мутации вирулентности ведут к такому изменению последовательности нуклеотидов в оператор ных участках, которое сказывается в утрате сродства к репрессору.

Третий  тип фагов – это фаги, продуктивная инфекция которыми не ведет к гибели бактерий. Эти фаги способны покидать инфицированную бактерию, не вызывая ее физического разрушения. Клетка, инфицированная таким фагом, находится в состоянии постоянной (перманентной) продуктивной инфекции. Развитие фага сказывается в некотором замедлении скорости делений бактерий.

Строение и химический состав

1 — головка, 2— хвост, 3 — нуклеиновая  кислота, 4 — капсид, 5 —"воротничок", 6 — белковый чехол хвоста, 7—  фибрилла хвоста, 8 — шипы, 9 —  базальная пластинка

Практическое использование  фагов

В практической работе фаги применяют  для:

• фаготипирования бактерий, т.е. определения фаготипа по лизису штаммов бактерий одного и того же вида типоспецифическими фагами, что важно для маркировки исследуемых при эпидемиологическом анализе заболеваний с целью установления их видовой принадлежности;   
• фагодиагностики, заключающейся в выделении фага из организма больного (например, из испражнений), что косвенно свидетельствует о наличии в материале соответствующих микроорганизмов; 
• фагопрофилактики - предупреждения некоторых заболеваний (например, дизентерии) среди лиц, находящихся в эпидемическом очаге;  
• фаготерапии - лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызванных, например, шигеллами, протеем, стафилококком.

Бактериофаги с целью терапии  применяют местно путем аппликации на раневую или ожоговую поверхность, введением в полости (брюшную, плевральную, суставную, мочевой пузырь), через  рот, а также ректально.

 Соответственно способу применения  препараты бактериофагов выпускают  в различных лекарственных формах  – 

• жидком виде,
• таблетках с пектином или кислотоустойчивым покрытием,
• мазях,
• свечах,
• аэрозолях.

Первыми были выделены фаги, активные против патогенных микроорганизмов (дизентерийной  палочки). Вполне естественно, что у  исследователей многих стран возник вопрос об использовании фагов для  лечения и профилактики инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями (дизентерия, брюшной тиф, паратифы, холера и др.). Многочисленные исследования в этой области были проведены и в  нашей стране. Результаты этих работ  весьма разноречивы. Имеются данные, показывающие несомненную эффективность  фагов при лечении дизентерии и холеры. Во время Великой Отечественной  войны некоторые хирурги успешно  применяли фаги для борьбы с нагноением ран. «Сталинский антибиотик»-Старое лекарство из красноармейского вещмешка может вернуться во врачебную практику.

В 30-х годах туберкулез и воспаление легких стали излечимыми, а гангрена перестала непременно заканчиваться ампутацией. Но врачи и фармацевты жарко спорили о том, какое антибактериальное средство эффективнее — антибиотики или бактериофаги.

Главным преимуществом пенициллина  и его производных была возможность изготавливать их синтетическим путем. Изобретение Александра Флеминга тогда одержало победу. Массовая эйфория по поводу бактериофагов сменилась забвением.

Везде, кроме Советского Союза, где на родине Сталина, в Грузии, специальный медицинский институт продолжал соответствующие исследования. В результате родились противовоспалительные препараты, который широко использовались при самых разных диагнозах — от заражения крови до простуды.

Больше всего их применяли в Красной Армии, но они использовались и в гражданской медицине, как в СССР, так и в некоторых странах Восточной Европы.

До недавних пор использование бактериофагов считалось местной спецификой, если не признаком отсталости. Однако роман мировой медицины с антибиотиками начал подходить к концу по мере того, как микробы стали приобретать к ним устойчивость.

Чтобы создать новый сильнодействующий  антибиотик, фармацевтические компании сегодня должны в среднем потратить 10 лет и 800 млн. долларов.

Начались лихорадочные поиски принципиально  новых методов лечения. Похоже, возвращение  бактериофагов не за горами.

Привлекательность антибиотиков, помимо всего прочего, состоит и в том, что одно и то же лекарство способно уничтожать разные бактерии. В случае с бактериофагами надо вывести отдельный вирус для каждого инфекционного заболевания.

Правда, бактерии могут приобрести устойчивость к отдельным фагам, как они уже научились сопротивляться антибиотикам. В этом случае придется создавать новые разновидности вирусов. Скорее всего, чтобы повысить эффективность лечения, будут использоваться «коктейли» из нескольких фагов.

Лечение бактериофагами не дает побочных эффектов. Правда, известно, что в 30-е и 40-е годы оно довольно часто не давало вовсе никакого эффекта, и пациенты умирали.

—Однако современные энтузиасты «нового  старого» метода терапии убеждены, что дело не в его недостатках как такового, а в несовершенстве технологий более чем полувековой давности и неправильных диагнозах.

Рассмотрим роль бактериофагов  в сохранении микробиоценоза человека и теплокровных животных.

На представленной схеме можно увидеть наличие на коже, в полости рта или в кишечнике различных видов микроорганизмов и их количественное соотношение. Здесь изображен один из вариантов правильного микробиоценоза, где присутствуют все представители микроорганизмов и каждый занимает свою определенную нишу.

Самый большой сектор - это бактерии нормофлоры, которые создают с организмом взаимовыгодное сосуществование. Человек для них является средой обитания, а бактерии участвуют во многих жизненно важных для организма процессах, связанных в первую очередь с обменом веществ.

Следующий по величине сектор - медиаторы - вещества, которые выделяют сами клетки кожи и все виды микроорганизмов. Это могут быть сигнальные белковые молекулы, лизоцим, витамины, молочная кислота, другие органические кислоты и т.д. Медиаторы являются одним из самых важных звеньев в существовании микробиоценоза и регулируют многие связи в организме.

Еще пять небольших секторов занимают грибы, вирусы, бактериофаги, простейшие и болезнетворные бактерии, типа стрептококков и стафилококков. При изменении этого соотношения или при исчезновении одного из "секторов" под воздействием неблагоприятных факторов возникают воспалительные процессы.

Уже с первых минут жизни человек или животное вступает в контакт с миром микроорганизмов и сосуществует с ним всю жизнь. Это взаимодействие бывает разным: полезное, взаимовыгодное сожительство называется симбиозом. В случае, когда наносится вред одному из "контактеров" - это паразитизм. Взаимодействие с некоторыми бактериями является крайне опасным (например, с палочкой чумного микроба, хотя летальный исход может наступить и от заражения крови обыкновенным стрептококком). В то же время без присутствия лактобактерий или бифидобактерий нарушаются многие функции слизистых оболочек и возникают заболевания. Эти бактерии находятся в симбиозе с организмом, а бактерии чумы - являются паразитами. Биологический термин "паразит" означает, что один живой организм живет и размножается за счет другого. Вид, используемый в качестве "добычи", называется, хозяином. Очень часто в природе такое взаимодействие заканчивается гибелью хозяина и увеличением численности паразита. Численность паразита в свою очередь ограничивает другой вид, для которого паразит является хозяином. Таким образом, паразит - биологический ограничитель. Именно существование биологических ограничителей обеспечивает гармонию в живой природе и сохранение всех биологических видов.

Биологическими ограничителями бактерий являются бактериофаги, в свою очередь,биологическими ограничителями фагов являются медиаторы выделяемые клетками кожи ,бактериями и грибами. Так замыкается круг.

Фаги, бактерии, грибы, простейшие, даже мелкие насекомые, типа клещей, могут быть легко обнаружены и уничтожены целой системой клеток кожи, тем не менее, этого не происходит. В здоровом состоянии все находится в гармонии, "все уживаются" друг с другом, а вот при нарушении этих взаимоотношений возникают проблемы, и приходится восстанавливать утраченное.

Таким образом, исчезновение бактериофагов из этой цепочки создаст условия для размножения болезнетворных бактерий, следовательно можно рассматривать фаги как один из методов, созданных самой природой для поддержания микробиоценоза организма человека или животных.

Бактериофаги – альтернатива антибиотикам

Потенциальные преимущества фаговой терапии

• Размножаясь, они самостоятельно регулируют свою численность (увеличивая или уменьшая ее), поскольку размножаются только до тех пор, пока имеются чувствительные бактерии, а затем постепенно элиминируются из организма и окружающей среды.
• Они гораздо более специфичны, чем большинство антибиотиков; будучи нацелены на конкретные проблемные бактерии, вызывают гораздо меньшее повреждение нормального микробного баланса организма. Бактериальный дисбаланс или “дисбиоз”, вызванный лечением многими антибиотиками, может привести к серьезным вторичным инфекциям с участием достаточно резистентных бактерий, увеличивающим затраты на лечение и летальность. Специфические проблемы, возникающие в результате, включают инфекции, вызванные псевдомонадами, трудно поддающиеся лечению, и Clostridium difficile, причину серьезной диареи и псевдомембранозного колита.
• Фаги имеют возможность использовать в качестве мишеней рецепторы на бактериальной поверхности, участвующие в патогенезе, а это означает, что вирулентность любых резистентных к ним мутантов ослаблена.
• В отношении фаговой терапии описано мало побочных эффектов.
• Фаговая терапия была бы особенно применима для лиц с аллергией к антибиотикам.
• Должным образом селекционированные фаги можно легко использовать профилактически, способствуя предотвращению бактериальных заболеваний у людей или животных при контакте с микробами, либо для санации больниц и борьбы с госпитальными инфекциями.
• Фаги, особенно для наружного применения, можно изготавливать достаточно недорого и локально, способствуя их потенциальному применению населением соответствующей местности.
• Фаг можно использовать либо независимо, либо в сочетании с другими антибиотиками, с целью уменьшения вероятности развитие резистентности бактерий.
• При местном использовании фаги имеют особое преимущество в том, что они продолжают размножаться и проникать глубже до тех пор, пока присутствует инфекция, в противоположность им концентрация антибиотиков быстро снижается по мере удаления от поверхности.

Вместе  с этим накопились многочисленные данные об отсутствии лечебного эффекта  при применении фагов. Одна из основных причин низкой эффективности или  полного отсутствия лечебного эффекта  заключается в неумелом подборе  фагов для лечебных целей. Одна и  та же болезнь, например дизентерия, может  вызываться различными видами дизентерийных  бактерий. Фаги, активные против одних  дизентерийных бактерий, совершенно не влияют на другие. Это не всегда учитывалось  в должной мере при приготовлении  фаговых препаратов для лечения  определенных заболеваний.

В последние годы фаги для лечебных целей почти не применяются. Определенное влияние на отрицательное отношение к использованию фагов в лечебных целях сыграло не только непостоянство результатов, но и появление многочисленных антибиотиков, а также разных хемотерапевтических препаратов.

Проблема и вред фагии в различных производствах

Бактериофаги строго специфичны, поэтому  их очень трудно подбирать. Если нужной бактерии в организме не оказывается, а те, что вызвали заболеваний  чуть-чуть отличаются, вирус находится  в организме около 2-6 дней, а затем  разрушается.Лечение бактериофагами очень длительное. Если для курса  антибиотикотерапии требуется обычно 5-7 дней, то бактериофаги назначают  тремя курсами по 7-20 дней с небольшим  интервалом.

За последние 30—40 лет значительно  увеличилось количество производств, основанных на использовании продуктов  жизнедеятельности микроорганизмов. При помощи микроорганизмов получают разнообразные антибиотики, ферменты, витамины, аминокислоты, ацетон и бутиловый  спирт, молочную, уксусную, лимонную и  другие кислоты, различные бактериальные  препараты — удобрения, инсектициды  и многие другие.

Вследствие концентрации на указанных  производствах больших масс микроорганизмов, находящихся в стадии интенсивного роста, создаются благоприятные  условия для размножения соответствующих  фагов, часто вызывающих лизис производственных культур. Впервые с этим явлением столкнулись в сыродельном производстве, для которого борьба с фаголизисом  — одна из актуальнейших проблем.

Микробиологические производства, которые сталкиваются с проблемой  фагии, можно разбить на две группы. К первой группе относятся те производства, в которых основное применяемое  сырье может содержать (и большей  частью фактически содержит) фаги. Это  предприятия молочной промышленности. Одно из древнейших производств —  молочное (сыроделие, получение молочнокислых  продуктов и др.) — основано на применении молочнокислых стрептококков  и бактерий.

Ко второй группе производств относятся  те, в которых выращивание микроорганизмов  производится на питательных средах, не содержащих фагов. Это фактически все остальные микробиологические производства.

Из производств первой группы рассмотрим сыроделие как наиболее типичное и в то же время лучше изученное  с точки зрения фагии.

Молочнокислые микробы очень широко распространены в природе: в почве, в навозе, на корнях, листьях и  семенах растений, в кишечнике  животных. Широкому распространению  фагов молочнокислых бактерий способствует то, что они являются лизогенными, т. е. содержат внутри клеток фаги. В  результате этого в молоке сразу  же после доения уже есть фаги. Молоко, поступающее на молочные заводы, часто  содержит фаги в значительном количестве (1 млн. и более частиц в 1 мл молока). Следует отметить, что все фаги, даже активные против патогенных микробов, совершенно безвредны для людей  и животных.

Современное производство сыра основано на применении пастеризованного молока. Однако пастеризация не убивает всех имеющихся в молоке фагов. Охлажденное  после пастеризации молоко разливают  в специальные ванны, в которые  вносится закваска, состоящая из чистых культур молочнокислых стрептококков. Стрептококки вызывают сквашивание  молока. Получаемый сгусток молока подвергается дальнейшей переработке.

Работники сыродельных заводов  давно обратили внимание на то, что  в ряде случаев активность молочнокислых  микробов закваски резко снижается, что приводит к плохому сбраживанию  молока. Это явление может быть вызвано разными причинами. Но чаще всего оно вызывается фагами, которые  лизируют полностью или частично культуры заквасок. В результате этого  процесс молочнокислого брожения полностью  останавливается или интенсивность  его резко снижается.

На сыродельных заводах, как  правило, применяют закваски, состоящие  не из одной культуры, а из смеси  различных культур молочнокислых  стрептококков. Стрептококков очень  много в природе, поэтому для  производства можно отобрать культуры, отличающиеся по своей чувствительности к фагам. При применении смешанной  закваски под влиянием фага лизируется одна или две культуры, другие же продолжают процесс молочнокислого брожения.

Одну и ту же закваску используют только определенное время, после чего ее заменяют другой. Длительно применять  одну и ту же закваску нельзя, так  как это способствует накоплению на заводе фагов, активных против культур данной закваски.

Правильный выбор культур для  заквасок, смена их на основании  изучения появившихся на заводе фагов  дают значительный эффект. В ряде зарубежных стран на сыродельных заводах  применяют закваски, содержащие только одну культуру. В этих случаях одну и ту же закваску используют лишь один раз.

Успешность борьбы с фаголизисом  требует проведения и ряда других мероприятий. Особое значение имеет  борьба с распространением фагов  в заводских помещениях.

Значительные трудности в связи  с лизисом под влиянием фагов  производственных культур испытывала у нас и за рубежом антибиотическая  промышленность.

Большой ущерб наносят фаги заводам  ацетонобутиловым, а также изготавливающим  бактериальные удобрительные препараты  и препараты, применяемые для  борьбы с вредными насекомыми.

Возникает вопрос: как фаги попадают на эти заводы? Есть два источника. Первый и, по-видимому, основной для  антибиотической промышленности —  это сами культуры, применяемые для  получения антибиотиков. Все эти  культуры лизогенные и содержат внутри своих клеток умеренные фаги. Сами умеренные фаги не опасны. Но в ряде случаев они могут измениться и стать вирулентными, т.е. способными лидировать культуру хозяина. Вирулентные  фаги, накапливаясь на заводах, вызывают массовый лизис производственных культур.

Другим источником попадания фагов  на производства является почва, которая  содержит много фагов. Вместе с пылью  фаги могут заноситься в заводские  помещения и заражать производственную культуру.

В борьбе с фаголизисом, в особенности  при производстве антибиотиков, большое  значение имело экспериментальное  получение активных фагоустойчивых культур. Такие культуры в настоящее  время успешно применяются.