Autorką poniższego wpisu jest Zuzanna Kaźmierczak, moja koleżanka z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN i specjalistka od biologii molekularnej bakteriofagów. Możliwe, że dołączy na stałe do grona autorów. Dziś gościnnie u mnie.
W przyrodzie występują wirusy infekujące ludzi, zwierzęta, rośliny, a nawet bakterie. Te patogeny mikrobów to bakteriofagi (Ryc.1.), nazywane w skrócie fagami. Pisał o nich na blogu Piotr Gąsiorowski.
Ryc.1. Zdjęcie elektronowe bakteriofaga T4 zdolnego do zabijania komórek bakteryjnych E. coli. Fot. Zuzanna Kaźmierczak.
Trochę historii
Pierwsze wyniki obserwacji dotyczące „cząstek” zdolnych do niszczenia bakterii zostały przedstawione przez angielskiego bakteriologa Ernesta Hankina w 1896 roku. Pracując w Indiach, zaobserwował on przeciwbakteryjne właściwości wód Gangesu. Swoje spostrzeżenia opublikował w „L’action bactericide des eaux de la Jumna et du Gange sur le vibrion du cholera”. Jednak za odkrywców bakteriofagów uznaje się angielskiego bakteriologa Federicka Tworta (odkrycie w roku 1915) oraz kanadyjskiego mikrobiologa urodzonego we Francji Félixa d`Hérelle`a (1917), którzy niezależnie prowadzili badania nad tymi „cząstkami” zdolnymi do niszczenia bakterii oraz wyizolowali je i scharakteryzowali.
W erze przedantybiotykowej odkrycie bakteriobójczych wirusów niosło nadzieję dla wielu chorych cierpiących z powodu infekcji bakteryjnych. D`Hérelle był pierwszą osobą, która użyła fagów w leczeniu ludzi z zakażeniami bakteryjnymi. W roku 1919 w paryskim szpitalu przebywał dwunastoletni chłopiec chory na czerwonkę. D`Hérelle zaproponował nowatorską terapię leczenia małego pacjenta polegającą na wypiciu preparatu bakteriofagów. W tamtych czasach nie było jeszcze żadnych dowodów na ich skuteczność. Brakowało również badań dotyczących możliwych efektów niepożądanych, a ponadto samo istnienie bakteriofagów wciąż było przedmiotem spekulacji. W celu udowodnienia bezpieczeństwa preparatu fagowego d`Hérelle i kilku jego stażystów wypili przygotowany terapeutyk. Nie wystąpiły żadne skutki uboczne, więc zdecydowano się podać chłopcu fagi. U dziecka objawy choroby
zaczęły ustępować w ciągu następnych 24 godzin, a pacjent wkrótce wyzdrowiał. Po zastosowaniu terapii fagowej w kolejnych latach następni lekarze zaczęli stosować fagi. Jednak, gdy w roku 1928 odkryto pierwszy antybiotyk – penicylinę, zaczęto prowadzić zakrojone na szeroką skalę badania nad tymi substancjami bakteriobójczymi i ostatecznie to one stały się środkiem leczniczym z wyboru przez kolejne dekady. Niemniej, w byłym Związku Radzieckim i Europie Wschodniej naukowcy nadal zajmowali się badaniami nad możliwością stosowania fagów w medycynie. Instytut Giorgiego Eliavy w Gruzji przeprowadził jedno z największych badań klinicznych: wzięło w nim udział ponad 30 000 dzieci. Badano zapobiegawcze zastosowanie terapii fagowej przeciwko dyzenterii bakteryjnej. Dzieci, którym podawano preparaty fagowe, wykazywały istotnie mniejszą częstość infekcji. Do chwili obecnej Instytut G. Eliavy kontynuuje badania nad terapią fagową, a wiele preparatów jest dostępnych na rynku (Ryc. 2,3.).
Ryc.2. Oryginalne historyczne preparaty fagowe stosowane w Instytucie G. Eliavy w Gruzji (Fot. Zuzanna Kaźmierczak).
Ryc.3. Niektóre ze współcześnie dostępnych preparatów fagowych w Instytucie G. Eliavy w Gruzji (Fot. Zuzanna Kaźmierczak).
W Polsce badaniami z zastosowaniem bakteriofagów zajmował się także prof. Ludwik Hirszfeld, założyciel i dyrektor Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu (IITD PAN). W roku 1948 wygłosił wykład zatytułowany: “Walka świata niewidzialnego z pozawidzialnym”, podczas którego przedstawił badania nad możliwością praktycznego stosowania fagów w medycynie. W tym samym roku opublikował pracę o zastosowaniu tych wirusów w diagnostyce duru brzusznego. Po śmierci Hirszfelda prof. Stefan Ślopek kontynuował badania nad fagami, m.in. aktywnymi wobec szczepów Shigella oraz stale wzbogacał kolekcję fagów IITD PAN utworzoną przez Hirszfelda. W latach 80. i 90. bakteriofagi były stosowane u dorosłych i dzieci w leczeniu zakażeń wywołanych przez bakterie Echerichia, Klebsiella, Pseudomonas, Proteus i Staphylococcus. Obecnie terapia fagowa jest prowadzona od roku 2005 w Ośrodku Terapii Fagowej (IITD PAN we Wrocławiu) utworzonym przez prof. Andrzeja Górskiego. W Ośrodku pacjenci są kwalifikowani do eksperymentalnej terapii fagowej, a leczenie prowadzi się zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez komisję bioetyczną. Ośrodek monitoruje również stan zdrowia pacjentów po zakończeniu terapii fagami.
Problem: antybiotykooporność
Obecnie ze względu na ogromny problem, jakim jest wciąż narastająca lekooporność bakterii, spowodowana m.in. nadużywaniem antybiotyków, bakteriofagi stanowią interesującą alternatywę w leczeniu zakażeń wywołanych przez bakterie oporne na antybiotyki. Bakteriofagi mają cechę, która czyni je szczególnie użytecznymi w porównaniu do antybiotyków. Antybiotyki zabijają różnorodne szczepy bakteryjne, włączając bakterie probiotyczne, podczas gdy fagi – ze względu na zdolność rozpoznawania konkretnych struktur na powierzchniach komórek bakteryjnych – są w stanie selektywnie zabijać określony gatunek, a nawet szczep bakterii. W efekcie podczas stosowania terapii fagowej możemy celować w określone bakterie, zabijając jedynie te patogenne przy zachowaniu probiotycznej mikrobioty. Liczne ośrodki w różnych zakątkach świata zajmują się badaniami nad biologią fagów oraz terapią z ich zastosowaniem. Jednym z najstarszych ośrodków jest wspomniany już wcześniej Instytut Eliavy w Gruzji. Również w Polsce w Ośrodku Terapii Fagowej IITD PAN we Wrocławiu jest obecnie prowadzona terapia z zastosowaniem bakteriofagów na zasadzie eksperymentu leczniczego u pacjentów, u których zastosowana antybiotykoterapia okazała się nieskuteczna lub jest przeciwwskazana, a wszystkie dostępne standardowe metody leczenia, które były zastosowane u pacjenta są niewystarczająco skuteczne. Szczegóły dotyczące kwalifikacji osób oraz stosowania fagów dostępne są na stronie internetowej Ośrodka Terapii Fagowej IITD PAN (OTF IITD PAN).
Inne zastosowania bakteriofagów
Ze względu na niezwykłe zdolności tych wirusów do selektywnego zabijania bakterii fagi znalazły zastosowanie również w dziedzinach innych niż medycyna, np. weterynaria, przemysł spożywczy, biotechnologia.
Badania w dziedzinie weterynarii wykazują, że bakteriofagi są skuteczne w walce z chorobami takimi jak salmonelloza (powodowana przez bakterie Salmonella) i kampylobakterioza (Campylobacter) u drobiu lub zapalenie gruczołu mlekowego u krów (gronkowiec złocisty, Staphylococcus aureus). W badaniach dotyczących biologii fagów interesujący kierunek stanowią studia nad białkami, które tworzą kapsyd tych wirusów. Niektóre białka są zdolne do rozpoznawania konkretnych struktur na powierzchniach komórek bakteryjnych. Takie białka mogą być wykorzystywane jako biosensory. Standardowe metody wykrywania różnych gatunków bakterii, np. w pożywieniu, są czasochłonne, nietanie i złożone. Zastosowanie białek fagowych zdolnych do detekcji konkretnych struktur pochodzenia bakteryjnego (obecnych na zewnętrznej części komórek bakteryjnych) może pomóc przezwyciężyć ograniczenia dotychczas stosowanych metod detekcji. Bada się m.in. zastosowanie bakteriofagów w wykrywaniu patogenów powodujących zakażenie gruczołu mlekowego u bydła lub w przypadku określenia zakażenia konkretnych produktów spożywczych szczepami bakterii patogennych.
Fagi w przemyśle spożywczym
Bakteriofagi mogą być również stosowane w przemyśle spożywczym w celu wyeliminowania patogennych bakterii. W przypadku produktów pochodzenia zwierzęcego zagrożenie dla zdrowia ludzi stanowi bakterie z rodzaju Listeria. Po spożyciu zakażonego mięsa lub produktów mlecznych, bakterie te wywołują chorobę listeriozę, która charakteryzuje się występowaniem gorączki, nudności, biegunki, a czasami – szczególnie u osób z obniżoną odpornością – może doprowadzić do zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych lub sepsy. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (Food and Drug Administration, FDA) w 2006 r. zatwierdziła użycie preparatu fagowego w przemyśle spożywczym w celu usuwania bakterii Listeria. Również w przypadku takich bakterii jak E. coli oraz Salmonella preparaty bakteriobójcze zawierające bakteriofagi wykazały wysoką skuteczność. Ze względu na selektywność działania fagów, mogą one być stosowane jako dodatki do żywności (zwłaszcza nabiału): zabijać szkodliwe szczepy bakterii przy jednoczesnym zachowaniu bakterii probiotycznych.
Białka fagowe jako czynniki bakteriobójcze
Nie tylko fagi, ale też ich białka mogą znaleźć zastosowanie w medycynie jako czynniki bakteriobójcze. Jednym z przykładów są endolizyny – białka obecne w bakteriofagach, zdolne do niszczenia składników ściany komórkowej bakterii takich jak peptydoglikan (inaczej mureina), który składa się z długich łańcuchów polisacharydowych, usieciowanych przez mostki peptydowe (Ryc.4.). Białka fagowe można poddawać modyfikacjom, np. w celu zwiększenia ich stabilności w wyższej temperaturze lub w celu poszerzenia spektrum bakteriobójczego. Prace badawcze w licznych ośrodkach w wielu krajach wykazują, że w przypadku, gdy bakterie nabędą cechy oporności na antybiotyk, np. wytwarzając enzym, który go rozkłada, to nie mogą nabyć oporności na białko bakteriofaga, które samo jest enzymem rozkładającym składnik ściany komórkowej bakterii. Należy jednak pamiętać, że bakterie nie są całkiem bezbronne wobec bakteriofagów i wytworzyły wiele metod obrony – enzymy restrykcyjne czy system CRISP to tylko niektóre przykłady.
Ryc. 4. Mechanizm działania endolizyn. Źródło: : Murray et al. 2021, Viruses 2021, 13(4), 680. Licencja: CC BY 4.0.
Przyszłość terapii chorób powodowanych przez bakterie?
Odkrycie wirusów o zdolnościach bakteriobójczych i efekty przeprowadzonych badań dotyczących ich biologii wniosły istotny wkład w rozwój wielu dziedzin, m.in. mikrobiologii, medycyny i biotechnologii. Bakteriofagi nadal są przedmiotem badań, a ich potencjał może być wykorzystywany w różnorodnych dziedzinach. Fagi stanowią doskonały przykład, jak jedno odkrycie wynikające z obserwacji otaczającego świata może wpłynąć na całą dziedzinę nauki i przyczynić się do poprawy zdrowia ludzi na całym świecie.
Literatura uzupełniająca
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/med.21593
https://europepmc.org/article/med/35248167
