Wzrastająca lekooporność bakterii stawia wyzwanie dla współczesnej nauki. Wydawało się, że wynalezienie antybiotyków raz na zawsze zakończy walkę z zakażeniami bakteryjnymi jednak drobnoustroje okazały się być trudniejszym przeciwnikiem niż można to było przewidzieć. Ich wzrastająca lekooporność sprawia, że istnieją szczepy których nie potrafimy zwalczyć za pomocą środków farmakologicznych.
A niebezpieczeństwo wzrasta. Inwazja opornych szczepów bakteryjnych na człowieka o obniżonej odporności może zaowocować nawet posocznicą. Niektórzy eksperci twierdzą wręcz, że nadejdzie era „poantybiotykowa” kiedy zakażenia bakteryjne znów staną się przyczyną ciężkich powikłań i zgonów. Obawy mają także firmy farmaceutyczne, które wycofują się z badań i produkcji nowych antybiotyków ponieważ koszty i ryzyko niepowodzenia są zbyt duże. Na ten moment zagrożenie nie jest pewnie aż tak ogromne jak przedstawiają to media, jednak zaczęto zastanawiać się nad alternatywą dla antybiotyków. Spore nadzieje pokłada się właśnie w terapii fagowej. Choć na dobroczynne działanie fagów zwrócono uwagę już na początku ubiegłego wieku, badania zarzucono wraz z odkryciem penicyliny i wejściem na rynek antybiotyków, których przewagą było niewątpliwie szybsze działanie i wysoka skuteczność.
„Ale… co to jest ten fag” ?
Chyba każdy dorosły człowiek zdaje sobie sprawę, że otaczają go miliony bakterii. Natomiast procent ludzi którzy wiedzą o istnieniu bakteriofagów jest już bardzo niewielki. Choć tak mało znane – stanowią najliczniejszą i najbardziej zróżnicowaną grupę wirusów, bowiem występują powszechnie w środowisku naturalnym i to w ogromnej ilości. Trudno się temu dziwić, gdyż wszędzie tam, gdzie znajdują się bakterie, istnieją swoiste dla danego szczepu fagi. Poprzez fakt, że żerują one na bakteriach, stanowią naturalny czynnik regulujący liczebność populacji bakteryjnych w przyrodzie. Fagi spożywane są wraz z pokarmem, a niektóre ujęcia wody mogą zawierać nawet do biliona wirionów na mililitr.
Fagi można sklasyfikować na dwie podstawowe grupy : zjadliwe oraz łagodne. Zjadliwe namnażają się i zabijają komórki bakteryjne, łagodne natomiast wbudowują własny materiał genetyczny w chromosom bakteryjny, dzięki czemu mogą istnieć przez wiele pokoleń. Fagi różnią się zarówno pod względem budowy jak i posiadanego materiału genetycznego. Najliczniejszą grupę stanowią bakteriofagi o DNA dwuniciowym - ich budowa może być różna, choć z reguły posiadają wielościenną główkę i ogonek. Są zdecydowanie największe, gdyż ich rozmiar wynosi około 100 nm. Inne mogą zawierać jednoniciowy DNA, są to głównie fagi o budowie helikalnej lub wielościennej wielkości ok.27 nm. Materiał genetyczny może stanowić także sam RNA, fagi takie mają budowę wielościenną i wielkości 20-25 nm.
Wyjątkową cechą bakteriofagów jest to, że mogą zwalczać bakterie, które nabyły oporność na antybiotyki. Do zwalczania bakterii chorobotwórczych wykorzystuje się jedynie niektóre szczepy bakteriofagów, gdyż dany bakteriofag oddziałuje ściśle na konkretny szczep bakterii. Spektrum działania obejmuje jednak zarówno bakterie G- jak i G+.
Za swoistość i zjadliwość fagów wobec konkretnego szczepu bakterii odpowiadają białka (adhezyny) oraz różne enzymy wchodzące w skład cząsteczki faga. Rolą adhezyn jest rozpoznawanie obecnych na powierzchni bakterii cząsteczek cukrowych, lipopolisacharydów (LPS), czy nawet fimbrii. Z kolei aby fag mógł wtargnąć do wnętrza komórki gospodarza, a co za tym idzie wprowadzić tam własny materiał genetyczny konieczna jest uprzednia degradacja osłon komórkowych bakterii. Skuteczną bronią bakteriofagów są w tym przypadku enzymy lityczne, które poprzez hydrolityczny rozkład białkowych i cukrowych składników peptydoglikanu, działają zarówno od strony zewnętrznej bakterii jak też od jej wnętrza. Gdy bowiem fag ulegnie namnożeniu w komórce bakteryjnej, konieczna jest degradacja błony komórkowej od wewnątrz, tak by nowo powstałe fagi mogły zostać uwolnione.
Podsumowując, fagi przyłączając się do określonych receptorów w ścianie komórkowej bakterii, mają zdolność wnikania i wbudowania w genom bakteryjny własnych genów w taki sposób, że niczego nie świadoma bakteria zaczyna produkować kopie fagów, często do momentu aż zostanie przez nie rozerwana.
Nawiązując jeszcze do enzymów, fagi zakażające szczepy E. coli K1 posiadają enzymy, które niszczą polisacharydową otoczkę zbudowaną z kwasu polisjalowego (PSA) zwanego inaczej kwasem kolominowym. Jak do tej pory wyizolowano kilka bakteriofagów zdolnych do zakażania bakterii z otoczką PSA. Fagi te wykazują aktywność endosjalidaz (EC 3.2.1.129), które katalizują reakcje cięcia polimeru. Podejrzewa się, że enzym powodujący degradację bakteryjnego polisacharydu otoczkowego znajduje się na filamencie fagowym. Przykładami fagów o aktywności endosjalidaz są fagi ФK1E oraz PK1A.
Innym enzymem litycznym jest np. lizyna PlyG otrzymana w wyniku działania faga γ swoistego dla laseczki wąglika Bacillus anthracis. Przetrwalniki tej bakterii znajdują się na liście najgroźniejszych czynników broni biologicznej, dlatego umiejętność ich zwalczenia jest bardzo ważna. Wykazano, że już 20 jednostek białka PlyG niszczy bakterie wąglikowe w ciągu 15 minut.
Żyjemy w czasach, gdzie inżynieria genetyczna umożliwia modyfikowanie enzymów fagowych w celu zwiększenia ich trwałości, aktywności oraz poszerzenia spektrum działania co czynie je jeszcze skuteczniejszymi w walce z bakteriami.
Terapia fagowa kontra standardowe metody leczenia
Częste i nie zawsze uzasadnione stosowanie antybiotyków doprowadziło do powstania bakterii opornych na chemiofarmaceutyki. Można powiedzieć, że historia zatoczyła koło i znów zachodzi potrzeba odkrycia nowej „broni” do walki z bakteriami. Fenomenem fagów w porównaniu do antybiotyków jest wąskie spektrum ich działania, co czyni je wyjątkowo precyzyjnym narzędziem diagnostycznym. Działają co prawda wolniej od środków farmakologicznych , jednak w efekcie niszczą jedynie wyznaczony szczep bakterii. Antybiotyki zaś -mówiąc potocznie- „wybijają” całą napotkaną florę bakteryjną, powodując np. częściowe wyjałowienie przewodu pokarmowego z bakterii pożytecznych dla organizmu, co może skutkować biegunką lub nawet grzybicą. Warto również zwrócić uwagę na fakt, że fagi w odróżnieniu od związków chemicznych nie są małymi, zdolnymi do modyfikacji cząsteczkami, nie powodują zatem niszczenia metabolizmu użytkownika. Kolejnym plusem terapii fagowej jest unikatowa zdolność fagów do replikacji w komórkach prokariotycznych i jednocześnie brak możliwości namnażania w komórkach eukariotycznych, przez co można je uznać za bezpieczne dla pacjenta. Antybiotyki często mają problem z dotarciem do miejsca infekcji, co utrudnia dostarczenie leku do wszystkich bakterii. Po podaniu niewielkiej dawki fagów - „lekarstwo” samo się namnoży, a w dodatku uwolnienie fagów potomnych zajdzie od razu w miejscu infekcji. Wystarczy więc jedna sukcesywnie zakażona bakteria, by ułatwić zidentyfikowanie i penetracje kolejnych potencjalnych gospodarzy, co w porównaniu do specyficzności antybiotyków daje znacznie lepsze efekty. Bakterie oczywiście mogą zyskać odporność, jednak w przeciwieństwie do antybiotyków, które raz podane nie zmieniają się – fagi mogą ewoluować razem z bakterią.
Zdecydowaną zaletą terapii fagami są niskie koszty i krótki czas produkcji, w porównaniu z kosztami jakie trzeba ponieść by wytworzyć nowy antybiotyk, którego samo opracowanie zajmuje czasem lata i pochłania ogromne środku finansowe. Fagi mogą być hodowane na niemal każdej standardowej pożywce, a wyizolowane mogą być przetrzymywane przez relatywnie długi okres czasu.
Owszem, terapia fagowa posiada wiele zalet, aczkolwiek nie wystarczą one by uczynić z niej alternatywną metodę dla obecnych standardów leczenia. Jednym z największych ograniczeń jest zdolność fagów do kodowania genów toksyn bakteryjnych. Oznacza to, że w procesie lizogenii mogą one przekształcać nieszkodliwe bakterie w patogeny. Istnieją już pewne koncepcje rozwiązania tego problemu jednak prowadzą one do ograniczenia ilości dostępnych dla terapii fagów, bowiem należałoby eliminować z terapii fagi zdolne do lizogenii lub też posiadające geny odpowiedzialne za tą właściwość. Innym sposobem jest zastosowanie kombinacji fagów o w pełni poznanych właściwościach z fagami, które nie są poznane, ale nie mają zdolności replikacji, a spełniają jedynie rolę wektorów dostarczających geny kodujące czynniki antybakteryjne. Oczywistym jest także, że fagi nie są „idealnymi zabójcami”, nigdy nie wybiją bakterii w 100% gdyż tak naprawdę wybiłyby się same. Tu przewagę zyskują antybiotyki, które „nie mają w tym żadnego interesu” by utrzymać jakąkolwiek bakterię przy życiu.
Kolejnym utrudnieniem jest to, że fagi są rozpoznawane przez organizm jako swego rodzaju czynniki obce, a co za tym idzie są szybko usuwane i nie mają często wystarczającej ilości czasu na to by dotrzeć i zwalczyć wszystkie infekujące bakterie. Istnieje możliwość, tzw. „seryjnego pasażowania” w celu wyizolowania fagów o efektywności znacznie przewyższającej skuteczność ich pierwotnych odpowiedników. Wydłużony zostaje także czas przebywania tych szczepów w organizmie. Możliwe jest, że bakteria uodporni się na danego faga, jednak jest to rzadko spotykane, gdyż poprzez stosowanie koktajli fagowych (mieszanin różnego rodzaju fagów) eliminujemy ten problem już na starcie.
Terapia fagowa w praktyce
Terapię fagową możemy podzielić m.in. ze względu na drogę podawania fagów, np. doustnie, miejscowo, bezpośrednio do tkanek lub systemowo. Jej skuteczność w dużej mierze zależy od siły wiązania się bakteriofaga do bakterii, jej lizy i amplifikacji wirionów. Dawka także ma znaczenie, gdyż jeśli leczenie zostanie podjęte w późnej fazie infekcji, może zaistnieć potrzeba kompensacji poprzez zastosowanie zwiększonej dawki bakteriofagów. Konieczne jest zainfekowanie przez faga przynajmniej jednej bakterii, zanim ich liczba będzie tak duża, że procesy związane ze wzrostem i metabolizmem patogenu staną się szkodliwe lub uciążliwe dla pacjenta. Tak więc najważniejszy jest precyzyjny dobór fagów, podanie ich w odpowiedniej ilości oraz rozpoczęcie terapii we właściwym czasie. Najczęściej stosuje się wolne fagi lub bakterie zainfekowane przez danego bakteriofaga, co ma na celu dostarczenie wirionów do docelowej lokalizacji. Fagi podane do organizmu mogą przenikać do krwioobiegu, a stamtąd penetrować np. do nerek, śledziony, wątroby czy prostaty. Możliwa jest także dystrybucja do zainfekowanych miejsc poprzez naczynia limfatyczne. Wykazano, że fagi nie tracą swych zdolności bakteriobójczych nawet po przekroczeniu bariery krew-mózg.
Obecnie, bakteriofagi mogą stanowić alternatywę dla antybiotyków np. w leczeniu pooparzeniowych infekcji bakteryjnych, które mają często miejsce w wyniku powikłań na skutek ciężkich poparzeń trzeciego stopnia. Fagi wymierzone są tu głównie przeciwko bakterii Pseudomonas aeruginosa, odpornej na różne rodzaje antybiotyków. Ciężka do zwalczenia, a niestety jest bakterią, która występuje najczęściej w infekcjach pooparzeniowych. Terapia polega tu na spryskiwaniu miejsca infekcji koktajlem złożonym z wielu gatunków fagów co ma zapobiegać uodpornieniu bakterii na danego faga. Koktajl ma postać aerozolu, choć można sporządzać także roztwory, używane później np. do dezynfekcji instrumentów medycznych i powierzchni na salach operacyjnych. Roztwory można stosować także miejscowo u pacjentów przed operacją. Dobre wyniki przynosi leczenie pacjentów z nawracającymi zakażeniami układu moczowego czy tez przewlekłymi infekcjami zatok. Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości bakteriofagi będą mogły pomóc osobom cierpiącym na tzw. zespół stopy cukrzycowej, wówczas dochodzi do poważnego zakażenia, a jedynym wyjściem by uratować życie chorego jest amputacja nogi.
Statystycznie terapia fagowa jest w 80% skuteczna w przypadku zakażeń Enterococcus, a nawet w 90% w przypadku Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli oraz Klbsiella pneumoniae.
Wkład Polaków w badania nad fagami
Wraz z wynalezieniem penicyliny i wejściem na rynek pierwszych antybiotyków przestano interesować się fagami. W Polsce pierwszy udokumentowany przypadek terapii fagami pochodzi z lat 1926-27 z kliniki Chirurgii UJ w Krakowie. Wówczas terapia fagowa uratowała życie pisarki Marii Dąbrowskiej, która podczas wojny zachorowała na ropne zapalenie nerek (urosepsę). Podczas gdy świat zarzucił temat fagów, polscy naukowcy z Wrocławia nie ustawali w badaniach. Poprzez publikacje i udział w kongresach naukowych starali się zainteresować środowisko medyczne fagami. Aby przekonać się na własnej skórze jak skuteczna jest terapia fagami wystarczyło przesłać do instytutu płytkę z hodowlą bakterii, a naukowcy dobierali fagi szczególnie zjadliwe dla danego szczepu. Lekarstwo miało formę butelki z płynem przeznaczonym do picia, gdyż fagi mogą bez problemu migrować przez ścianę jelit. Cena za butelkę była niewielka natomiast rezultaty naprawdę zaskakujące. Dzięki fagom – z gardła znikały leczone przez lata gronkowce, goiły się rany i ropiejące owrzodzenia. Niestety, kuracja bakteriofagami nie spełnia wszystkich wymagań aby można je było uznać za lek.
W 2005r Instytut utworzył Ośrodek Terapii Fagowej, którego celem jest prowadzenie terapii fagowej w oparciu o typowanie fagowe i przygotowywane w instytucie preparaty fagowe. Terapia dostępna jest w ramach terapii eksperymentalnej, której idea wynika z Deklaracji Helsińskiej:
„W czasie leczenia pacjenta, w przypadku gdy sprawdzone metody profilaktyki, diagnostyki i leczenie nie istnieją lub są nie skuteczne, lekarz za świadomą zgodą pacjenta, musi mieć swobodę zastosowanie nie potwierdzonych lub nowych metod profilaktycznych, diagnostycznych i leczniczych, jeśli w jego ocenie mogą one przynieść nadzieję na uratowanie życia, przywrócenie zdrowia lub ulgę w cierpieniu. Tam gdzie jest to możliwe, metody te powinny stać się przedmiotem eksperymentu prowadzonego w celu udowodnienia ich bezpieczeństwa i skuteczności.”
Wkład polskich naukowców w badania nad terapią fagową jest ogromny, gdyż w Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej Pan we Wrocławiu, doświadczenia prowadzone są już od momentu jego założenia w 1952r przez prof. Ludwika Hirszfelda.
Bardzo dobrymi wynikami w stosowaniu terapii fagowej może pochwalić się także Eliava Institute Tbilisi w Gruzji. Z powodzeniem udało się zwalczać tam takie schorzenia jak np. ropne zapalenie szpiku kostnego, zakażenia ran odleżynowych i pooparzeniowych a także zakażenia różnego typu owrzodzeń. Warto dodać, że w Gruzji bakteriofagi są powszechnie stosowane w lecznictwie i można je zakupić w aptece. Dla przykładu, preparat Pyobacteriophage wymierzony jest przeciwno staphylokokom, streptokokom, Escherichia coli, oraz Pseudomonas aeruginosa (pałeczka ropy błękitnej).
Wykorzystanie terapii w zwalczaniu patogenów u roślin i zwierząt
Terapia nie ogranicza się jedynie do zwalczania infekcji bakteryjnych u ludzi. Jako, że fagi można wykorzystać wszędzie tam, gdzie znajdują się ich naturalni gospodarze – bakterie, z powodzeniem można stosować je także u roślin czy zwierząt (np. ryb). Bywa, że zachodzi potrzeba redukcji ilości patogenów, choćby do celów przemysłowych.
Dzięki wykorzystaniu terapii fagowej można kontrolować wzrost patogenów roślinnych. Zwykle celem jest ograniczenie rozmiarów populacji określonych bakterii (tzw. biokontrola). Aby tego dokonać, wprowadza się specyficzny rodzaj fagów do interesującego nas ekosystemu. Ogromną zaletą takiego rozwiązania jest ograniczenie stosowania środków chemicznych – w tym przypadku antybiotyków.
Jak do tej pory, udało się skutecznie zwalczyć zakażenia roślin przez takie bakterie jak :
- Xanthomonas pruni – bakteryjna plamistość drzew pestkowych,
- Xanthomonas campestris –u kapusty, drzew brzoskwiniowych i pieprzu oraz w przypadku tzw. rdzy hbakteryjnej pomidorów,
- Salmonella – na świeżo ściętych owocach,
- Ralstonia solancacearum – infekcje u tytoniu,
- Pseudomonas fluorescens – plamistość rdzawa grzybów,
- Streptomyces scabies – infekcje ziemniaków (tzw. parch zwykły ziemniaka),
- bakterie odpowiedzialne za plamistość liści fasoli Mung,
- i inne
Ciekawym pomysłem jest stosowanie fagów w celu zwiększenia ilości wiązanego azotu przez bakterie brodawkowe. Dobiera się fagi specyficzne względem infekcji bakterii konkurencyjnych w stosunku do szczepów brodawkowych. Powoduje to namnożenie bakterii wiążących azot oraz zwiększenie ilości plonów roślin motylkowych.
Choć zastosowanie terapii fagowej świetnie wypada w badaniach i dostarcza na pozór wielu korzystnych rozwiązań dla rolnictwa, nie łatwo wdrożyć ją w życie. Głównym problemem jest przekonanie rolników do wykorzystania nowych technologii. Zwłaszcza, że wiąże się to dla nich z nowymi wydatkami, których i tak mają wiele z powodu walki z chwastami, wirusami roślinnymi czy też grzybami. Kolejnym problemem jest przeniesienie wyników uzyskanych na małą skalę w laboratorium, na ogromne pola uprawne. Często także ludzie nie do końca zaznajomieni z tematem obawiają się, że fagi przenikną do ich pożywienia oddziałując niekorzystnie na organizm. Są to obawy całkowicie nieuzasadnione, jednak gdy człowiek nie mający pojęcia o terapii fagowej słyszy o ingerencji w rozwój rośliny poprzez zastosowanie wirusów – w pierwszej chwili ma negatywne skojarzenia.
Gdyby porównać przebieg zakażeń bakteryjnych u człowieka i roślin pojawia się jeszcze jeden problem. Mianowicie, w przypadku roślin patogenne mikroorganizmy przyjmują często postać zbitej i gęstej masy, która nie tyle utrudnia co wręcz uniemożliwia efektywną adsorpcję faga do bakterii. W dodatku owa masa otoczona jest pozakomórkowymi polisacharydami co powoduje, że wydajność terapii jest jeszcze niższa.
Terapię fagową udało się zastosować także do leczenia infekcji u zwierząt hodowlanych. Jedną z bardziej znanych chorób jest zakażenie kurczaków wywołane przez bakterię Campylobacter jejuni. Zakażenie tą bakterią jest bardzo częste, zważywszy na to, że powoduje chorobę przewodu pokarmowego o charakterze zakaźnym. Szacuje się, że jest ona odpowiedzialna za prawie 500 mln przypadków biegunki rocznie. Choć Campylobacter jejuni żyje w przewodzie pokarmowym zwierząt hodowlanych nie wywołując negatywnych skutków, to gdy dojdzie do zakażenia człowieka, pojawiają się objawy tj.: biegunka, wysoka gorączka, bóle brzucha i mdłości. Bakteria ta sieje szczególne spustoszenie na farmach drobiu, gdyż wydalana jest z kałem zwierząt przez co rozprzestrzenia się niezmiernie szybko. Można zwalczać ją antybiotykami jednak ich długie stosowanie wpłynie negatywnie zarówno na organizm zwierzęcia jak i na osoby spożywające później mięso czy jaja. Na pomysł zwalczania bakterii Campylobacter jejuni jej naturalnymi wrogami wpadła grupa naukowców z Uniwersytetu w Nottingham, pracująca pod przewodnictwem Catherine Loc-Carrillo. Udało im się wyizolować fagi atakujące Campylobacter jejuni z odchodów zakażonych kurcząt, namnożyć je i przekształcić w naturalny lek. Podane kurczakom, w ciągu zaledwie trzech dni zmniejszyły ilość bakterii Campylobacter jejuni w jelitach kurczaków o 100 a nawet 100 tys. razy, zależnie od zastosowanej dawki i typu wirusa.
Fagoterapię można zastosować także w odniesieniu do innych zwierząt, skutecznie leczono już zakażenia m.in:
- aeromonas hydrophila i Edwardsiella tarda u węgorzy,
- E. coli u bydła i ptactwa domowego,
- Salmonella enterica u kurczaków,
- Salmonella typhimurium u kurczaków i świń,
- Pseudomonas plecoglossicida u ryb,
- Lactococcus garyieae u ryb morskich z gatunku Seriola dorsalis,
- Vibrio anguillarum u ryb Chanos chanos.
Terapia daje także możliwość leczenia posocznicy, zapalenia mózgu oraz opon mózgowych u bydła ze znacznie mniejszą wydajnością niż przy leczeniu antybiotykami. Stosuje się tu fagi wysoce aktywne i lizujące w warunkach in vitro, posiadające jednocześnie zdolność przyłączenia się do antygenu K1 szczepu E. coli. Leczenie jest w tym przypadku bardzo szybkie, gdyż już po 5 minutach od wstrzyknięcia do mięśnia, fagi znajdowane są we wszystkich badanych tkankach – w wątrobie, krwi, mięśniach, mózgu oraz śledzionie. Badaniami objęto także skuteczność terapii u krów chorych na czerwonkę wywołaną toksynami produkowanymi przez Escherichia coli. U krów które pomyślnie zareagowały na leczenie bakteriofagami, ilość patogenów w odcinku żołądkowo-jelitowym była znacznie niższa, a dopóki toksyczna E. coli była obecna w organizmie, fagi były wydalane z kałem.
Podsumowanie
Terapia fagowa stwarza możliwość leczenia wielu zakażeń bakteryjnych, które do tej pory ciężko było zwalczyć tradycyjnymi środkami farmakologicznymi. Jednak mimo rozlicznych wymienionych w powyższej pracy zalet należ pamiętać o ograniczeniach jakie niesie ze sobą stosowanie terapii fagowej. Trudno oszacować czy w przyszłości znajdzie się dla niej miejsce w medycynie jako alternatywne rozwiązanie dla leczenia zakażeń bakteryjnych. Niewątpliwie jednak w ostatecznym bilansie zysków i strat terapia fagowa przynosi wiele korzyści i oszczędza pacjentom nieprzyjemnych skutków ubocznych powodowanych często długotrwałą terapia antybiotykową.
Fajnie to wszystko zostało tu opisane.
OdpowiedzUsuń