Вирусы бактериофаги: строение и описание

Фармакодинамика и фармакокинетика

Что такое Бактериофаг?

Данный препарат является относительно новым на рынке лекарственных средств и у многих пациентов возникает закономерный вопрос: «Бактериофаг — что это такое?»

Бактериофаги – это вирусные частицы, убивающие только определенные виды болезнетворных бактерий. На их основе создаются соответствующие препараты. Открытие препаратов принадлежит канадскому ученому Феликсу Д’Эрелю.

Строение Бактериофагов

Обычный бактериофаг состоит из хвоста и головки. Хвост обычно в 3-4 раза длиннее диаметра головки. В головке располагается двуцепочечная или одноцепочечная РНК или ДНК с неактивной транскриптазой, окружённая оболочкой из протеина или липопротеина называемой капсидом.

Размножение Бактериофагов

Как и у обычных вирусов, цикл размножения у литических бактериофагов можно условно разделить на адсорбцию фага на стенке клетки, введение ДНК, воспроизведение фага и эвакуацию дочерних популяций из клетки.

Прикрепление фага к клетке бактерии происходит благодаря ее поверхностным структурам, служащим специфическими рецепторами для вирусов. Помимо рецепторов, присоединение фага зависит от температуры, кислотности среды, наличия катионов и ряда других соединений. На одной клетке возможна адсорбция до 300 частиц вирусов.

После прикрепления происходит расщепление стенки клетки ферментами лизоцима. Одновременно высвобождаются ионы кальция, активизирующие АТФазу – это вызывает сокращение чехла и введение стержня хвоста в клетку. Затем ДНК вируса впрыскивается в цитоплазму. Проникнув в бактерию, ДНК фага берёт на себя управление генетическим аппаратом клетки, осуществляя репродуктивный цикл фага.

В первую очередь происходит синтез ферментов, нужных для образования копий ДНК фага (ДНК-полимеразы, тимидилат синтетазы, киназы). Это занимает 5-7 минут с момента заражения. РНК-полимераза клетки преобразовывает вирусную ДНК в митохондриальную РНК, которая транслируется рибосомами в «ранние» белки. «Ранние» белки – это в основном вирусная РНК-полимераза и протеины, ограничивающие экспрессию генов бактерии. Вирусная РНК-полимераза производит транскрипцию, так называемых «поздних» белков, необходимых для сборки новых фаговых частиц.

Воспроизведение нуклеиновых кислот происходит за счёт активности, синтезированных ДНК-полимераз вируса. К окончанию  цикла составляющие фага объединяются в зрелый вирион.

Эвакуация популяций Бактериофага из клетки

Вновь биосинтезированные белки в цитоплазме формируют пул предшественников. Другой пул включает ДНК потомства. Специализированные области в ДНК вируса индуцируют объединение этих белков около групп молекул нуклеиновой кислоты и синтез новых головок. Головка взаимодействует с хвостом, образуя дочерний фаг. После выхода потомства клетка хозяина разрушается, высвобождая новую популяцию.

Альтернативой разрушению клетки может выть интегративная форма взаимодействия при которой ДНК фага вместо репликации встраивается в хромосому бактерии или становится плазмидой. В результате, геном вируса реплицируется вместе с ДНК хозяина.

Виды Бактериофагов

Применение бактериофагов обуславливает их клиническую классификацию. Исходя из данного тезиса, можно выделить следующие виды бактериофагов:

• бактериофаги для терапии кишечных инфекций: дизентерийный, поливалентный, сальмонеллезный АВСДЕ-групп, брюшнотифозный, колипротейный, интести-бактериофаг (смесь фагов против наиболее частых возбудителей инфекций кишечника);
• бактериофаги для терапии гнойно-септических поражений: клебсиелловый пневмонии, клебсиелловый поливалентный, синегнойный, антистафилококковый бактериофаг, коли, протейный, стрептококковый, комбинированный пиобактериофаг (смесь фагов, уничтожающих большинство вероятных возбудителей инфекций гнойно-септического характера).

Применение в медицине препаратов бактериофага получает все большее распространение из-за участившихся случаев поливалентной резистентности возбудителей к антибактериальным средствам.

Как же лечиться от стафилококка?

Для борьбы со стафилококком комплекс мероприятий должен действовать в 3 направлениях:

1. Воздействие на сам источник инфекции путем изоляции лиц со стафилококковыми инфекциями, санация носителей кокка среди медиков и больных антисептиками: лизоцимом, фурацилином, риванолом и др.
2. Исключение заражения, что можно достигнуть улучшением санитарно-гигиенического режима, строжайшим соблюдением асептики и антисептики в стационаре.
3. Усиление иммунитета у человека с применением иммуномодуляторов том числе.

Такое лечение иммунопрепаратами называется иммунобиологическим. К ним причисляются анатоксины, антифагины, вакцины, бактериофаги, гамма-глобулин и антистафилококковая плазма.

Что такое бактериофаги?

Точнее было бы сформулировать вопрос: «КТО такие бактериофаги?», поскольку это живые существа.

Какие ассоциации возникают у вас, когда вы слышите слово «вирус»?

Наверное, «ОРВИ», «грипп», «болезнь», «простуда», «микроорганизм».

В нашем понимании вирусы – это маленькие злобные создания, которым плохо, когда нам хорошо.

Они живут и размножаются в нашем теле, выделяя токсины и прочие гадости продукты своей жизнедеятельности, от которых повышается температура, пропадает аппетит, появляется слабость, начинает болеть голова и прочее.

С одними вирусами наша иммунная система расправляется за неделю, с другими нам приходится жить всю жизнь бок о бок и периодически терпеть их выходки, т.к. они поселяются в нас навсегда, Например, вирус простого герпеса.

Но в природе существуют не только человеческие вирусы. Есть вирусы, поражающие растения, животных, рыб, птиц, даже насекомых. Одним словом, у всего живого на Земле есть свои вирусы.

Есть они и у бактерий, чтобы регулировать их численность на нашей планете. Вот они-то и называются «бактериофагами», что в переводе означает «пожиратели бактерий».

Если бы не существовало бактериофагов, бактерии давно бы уже покрыли толстым слоем нашу землю-матушку и уничтожили бы все живое.

Итак, бактериофаги – это крошечные вирусы, которые могут жить и размножаться исключительно в бактериальной клетке, причем, только в клетке определенного вида.

«Счетчики» бактерий

Бактериофаги служат не только разносторонним терапевтическим и «дезинфицирующим» средством, но и удобным и точным аналитическим инструментом микробиолога. К примеру, благодаря своей высокой специфичности они являются природными аналитическими реагентами для выявления бактерий определенного вида и штамма.

В простейшем варианте такого исследования в чашку Петри с питательной средой, засеянную бактериальной культурой, добавляют по капле различные диагностические бактериофаги. Если бактерия окажется чувствительной к фагу, то на этом месте бактериального «газона» образуется «бляшка» — прозрачный участок с убитыми и лизированными бактериальными клетками.

Анализируя размножение фагов в присутствии целевых бактерий, можно количественно определить численность последних. Так как количество фаговых частиц в растворе возрастет пропорционально числу содержавшихся в нем бактериальных клеток, то для оценки численности бактерий достаточно определить титр бактериофага.

Специфичность и чувствительность такой аналитической реакции достаточно высока, а сами процедуры просты в исполнении и не требуют сложного оборудования

Важно, что диагностические системы, основанные на бактериофагах, сигнализируют о наличии именно живого патогена, тогда как другие методы, такие как ПЦР и иммуноаналитические, свидетельствуют лишь о наличии биополимеров, принадлежащих этой бактерии. Такого типа диагностические методы особенно удобны для использования в экологических исследованиях, а также в пищевой индустрии и сельском хозяйстве

Сейчас для выявления и количественного определения разных штаммов микроорганизмов применяют специальные референсные виды фагов. Очень быстрые, работающие практически в режиме реального времени аналитические системы могут быть созданы на основе генетически модифицированных бактериофагов, которые при попадании в бактериальную клетку запускают в ней синтез репортерных флуоресцирующих (или способных к люминесценции) белков, таких как люцифераза. При добавлении к подобной среде необходимых субстратов в ней будет появляться люминесцентный сигнал, величина которого соответствует содержанию бактерий в образце. Такие «меченные светом» фаги были разработаны для детекции опасных патогенов — возбудителей чумы, сибирской язвы, туберкулеза, а также инфекций растений.

Вероятно, с помощью модифицированных фагов удастся решить и давнюю задачу глобальной важности — разработать дешевые и быстрые методы детекции возбудителей туберкулеза на ранней стадии заболевания. Задача эта очень сложна, поскольку микобактерии, вызывающие туберкулез, отличаются крайне медленным ростом при культивировании в лабораторных условиях

Поэтому диагностика заболевания традиционными методами может затягиваться на срок до нескольких недель.

Фаговая технология позволяет упростить эту задачу. Суть ее в том, что к образцам анализируемой крови добавляют бактериофаг D29, способный поражать широкий спектр микобактерий. Затем бактериофаги отделяют, и образец перемешивают с быстрорастущей непатогенной культурой микобактерий, также чувствительной к этому бактериофагу. Если в крови первоначально имелись микобактерии, которые были инфицированы фагами, то в новой культуре будет также наблюдаться наработка бактериофага. Таким образом можно выявить единичные клетки микобактерий, а сам процесс диагностики с 2–3 недель сокращается до 2–5 дней (Swift & Rees, 2016).

Строение бактериофагов

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

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2—4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал — одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой — капсидом, сохраняющим геном вне клетки.

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные.

Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку — продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

Головка округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45—140 нм. Отросток толщиной 10—40 и длиной 100—200 нм. Одни из бактериофагов округлы, другие нитевидны, размером 8×800 нм. Длина нити нуклеиновой кислоты во много раз превышает размер головки, в которой находится в скрученном состоянии, и достигает 60—70 мкм. Отросток имеет вид полой трубки, окружённой чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда вирусов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные нити, способствующие прикреплению фага к бактерии. Общее количество белка в частице фага — 50-60%, нуклеиновых кислот — 40-50%.

Фаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Хотя они содержат всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них нет механизмов для выработки энергии и рибосом для синтеза белка. Размер известных фаговых геномов варьирует от нескольких тысяч до 498 тысяч пар оснований (геном фага G, поражающего бацилл).

История

Английский бактериолог Фредерик Туорт в статье 1915 года описал инфекционную болезнь стафилококков, возбудитель которой проходил через фильтры, и его можно было переносить от одной колонии к другой.

Независимо от Фредерика Туорта французско-канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль 3 сентября 1917 года сообщил об открытии бактериофагов. Наряду с этим известно, что российский микробиолог Николай Фёдорович Гамалея ещё в 1897 году впервые наблюдал явление лизиса бактерий (сибиреязвенной палочки) под влиянием перевиваемого агента.

После открытия явлений бактериофагии Д’Эрелль развил учение о том, что бактериофаги патогенных бактерий, являясь их паразитами, играют большую роль в патогенезе инфекций, обеспечивая выздоровление больного организма, а затем создания специфического иммунитета

Это положение привлекло к явлению бактериофагии внимание многих исследователей, которые предполагали найти в фагах важное средство борьбы с наиболее опасными инфекционными болезнями человека и животных.. Также Феликс Д’Эрелль выдвинул предположение, что бактериофаги имеют корпускулярную природу. Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов

Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации

Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов. Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации.

Также Феликс Д’Эрелль выдвинул предположение, что бактериофаги имеют корпускулярную природу. Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов. Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации.

История

Английский бактериолог Фредерик Туорт в статье 1915 года описал инфекционную болезнь стафилококков, возбудитель которой проходил через фильтры, и его можно было переносить от одной колонии к другой.

Независимо от Фредерика Туорта французско-канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль 3 сентября 1917 года сообщил об открытии бактериофагов. Наряду с этим известно, что российский микробиолог Николай Фёдорович Гамалея ещё в 1897 году впервые наблюдал явление лизиса бактерий (сибиреязвенной палочки) под влиянием перевиваемого агента.

После открытия явлений бактериофагии Д’Эрелль развил учение о том, что бактериофаги патогенных бактерий, являясь их паразитами, играют большую роль в патогенезе инфекций, обеспечивая выздоровление больного организма, а затем создания специфического иммунитета

Это положение привлекло к явлению бактериофагии внимание многих исследователей, которые предполагали найти в фагах важное средство борьбы с наиболее опасными инфекционными болезнями человека и животных.. Также Феликс Д’Эрелль выдвинул предположение, что бактериофаги имеют корпускулярную природу. Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов

Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации

Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов. Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации.

Также Феликс Д’Эрелль выдвинул предположение, что бактериофаги имеют корпускулярную природу. Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов. Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т — Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации.

Показания к применению бактериофагов

В медицине бактериофаги – это не просто вирусы, паразитирующие на клетках бактерий. Это лекарственные препараты, содержащие вирионы одного вида, активные в отношении определенных штаммов бактерий. Иначе можно сказать, что это антибактериальные препараты узконаправленного действия, поэтому их применение оправдано лишь в том случае, если точно известен возбудитель болезни.

Кстати, во время Великой отечественной войны была даже попытка создания комплексного препарата, в который были включены бактериофаги разных видов, которые способны уничтожать бактерии, ставшие причиной тяжелых раневых инфекций. Именно лечение бактериофагами помогло спасти жизнь многим раненым солдатам.

На сегодня существует более дюжины препаратов-бактериофагов. Многие из них имеют узкую направленность, т.е. эффективны лишь в отношении одного вида бактерий. Но есть и комплексные препараты, которые можно назвать аналогом антибиотиков широкого спектра действия. Правда их действие также ограничивается 3-6 названиями  бактериальных возбудителей. Поэтому прежде, чем назначить больному тот или иной препарат, нужно провести исследование на выявление возбудителя болезни, особенно если это узконаправленный препарат.

В показаниях к применению этого вида антибактериальных препаратов обязательно есть информация, в отношении какой бактерии (или бактерий) данный бактериофаг эффективен, а также список тех патологий, при которых он может применяться. В принципе все то же, что и у антибиотиков.

Возможно, когда-то и будет разработан препарат, эффективный в отношении всех бактерий, которые могут стать причиной конкретного заболевания, но это пока что в стадии разработки. На сегодня один и тот же бактериофаг может применяться для лечения многих заболеваний, возбудителем которых является конкретный вид и штамм бактерий.

Назначать препараты рекомендуется после предварительного анализа на возбудителя, исходя из результатов лабораторного исследования. По названию большинства бактериофагов можно понять, с какими бактериями он призван бороться.

Курс лечения бактериофагом обычно составляет от 5 до 20 дней, что указано в инструкции к различным препаратам-бактериофагам. Препараты могут иметь различные формы выпуска, поэтому их можно принимать перрорально, вводить препарат в прямую кишку (клизмы) либо использовать в качестве местного средства, которое будет действовать непосредственно в месте локализации инфекции.

Назначение бактериофагов целесообразно в случае бактериальной инфекции. Это могут быть болезни ЛОР- органов и дыхательной системы, воспалительные патологии половой, мочевыводящей и пищеварительной систем и многие другие заболевания. Самое интересное, что некоторые бактериофаги способны помочь даже там, где о бактериях, казалось бы, даже речь не идет. Например,  их применяют для лечения неинфекционного заболевания из разряда дерматозов под названием «псориаз» и грибковой патологии, известной многим как молочница или кандидоз.

Применение инновационных антибактериальных вирусных препаратов, согласно множественным исследованиям, вполне безопасно, чем обосновано лечение бактериофагами не только взрослых, но и детей. Причем проводить такое лечение разрешено с самого рождения малыша, если в этом есть необходимость. Дозы препаратов рассчитываются, исходя из возраста ребенка.

Препараты бактериофагов: их использование, преимущества и недостатки

Бактериофаги – это специфические вирусы, разрушающие патогенные и условно-патогенные для человеческого организма бактерии. Эти микроорганизмы безопасны для человека, то есть не могут вызвать развитие заболеваний.

Бактериофаги могут применяться как для лечения, так и для профилактики кишечной патологии.

Для чего применяются?

Бактериофаги применяются в комплексном лечении и профилактике кишечных инфекций. Их использование целесообразно при:

• повторяющихся эпизодах кишечных инфекций;
• резистентности к антибиотикам;
• аллергических реакциях на антимикробные препараты;
• возможном риске тяжелых системных реакций;
• тяжелой сопутствующей хронической патологии;
• маленьком возрасте пациента (до 1 года).

Целесообразность применения того или иного бактериофага определяет врач-инфекционист или гастроэнтеролог. Для начала такого специфического лечения необходимо специфическое подтверждение диагноза кишечной инфекции, то есть обнаружение патогенной бактерии в биологической жидкости пациента.

Механизм действия бактериофагов

По механизму действия различают такие виды:

• Умеренные бактериофаги. Внедряются в бактериальную клетку, изменяют некоторые процессы ее метаболизма, но не оказывают прямого цитопатического эффекта. Клетка патогенной бактерии погибает в результате прекращения важнейших биохимических реакций.
• Вирулентные (патогенные) бактериофаги. Разрушают клетку патогенной бактерии, то есть вызывают ее лизис, поэтому называются фаголизатами. После разрушения патогенной бактериальной клетки наружу выходят фаговые клетки, которые могут заражать и разрушать новые бактериальные клетки.

Бактериофаги, даже поливалентные не оказывают какого-либо воздействия на собственную нормальную микрофлору кишечника. Все виды фаголизатов действуют только в просвете кишечника, то есть не всасываются и не попадают в системный кровоток. Именно поэтому вероятность побочных эффектов у пациентов любого возраста практически нулевая.

Преимущества и недостатки бактериофагов

Некоторые преимущества бактериофагов можно рассматривать как оборотную сторону медали, то есть определенное достоинство рассматривается как недостаток.

Сравнение бактериофагов и антибиотиков

Сравнивать бактериофаги и антибиотики не совсем правильно, так как это разные фармацевтические группы. Следует отметить несколько наиболее важных моментов:

антибиотики обладают широким спектром действия (против многих бактерий), а бактериофаги узкоспецифичны;
для назначения бактериофага нужно знать вид микроба, а при антибиотикотерапии это не всегда важно;
длительность применения бактериофагов больше, чем антибиотиков;
к бактериофагам не развивается устойчивость, а к антибиотикам развивается;
бактериофаги не вызывают системных побочных эффектов в отличие от антибиотиков;
бактериофаги можно применять пациентам любого возраста, а антибиотики имеют возрастные ограничения.

Решающее слово в выборе антибиотика или бактериофага принадлежит врачу.

Можно ли принимать препараты бактериофагов для профилактики?

Бактериофаги – это лекарственные средства для лечения и профилактики кишечных инфекций. Следует отметить, что профилактический эффект бактериофага сохраняется недолго – не более суток. Для предотвращения заражения тем или иным возбудителем кишечной инфекции необходимо постоянно пить бактериофаг, что технически невозможно.

Целесообразно использовать это лекарственное средство при высоком риске инфицирования, например, при непосредственном контакте с больным кишечной инфекцией.