Вирусы, называемые бактериофагами (или фагами), могут стать перспективным средством лечения бактериальных инфекций, когда антибиотики не помогают, но у них есть свои ограничения.
Долгие годы в крови Линн Коул скрывались бактерии вида энтерококки фэциум (Enterococcus faecium). Эти бактерии часто обнаруживают в больницах. Обычно они обитают в кишечнике, но могут проникать и в другие части тела. Врачи пробовали различные антибиотики, чтобы избавиться от них, но бактерии были похожи на зомби: они постоянно возвращались.
После месяца пребывания в больнице в 2020 году у Коул и ее семьи закончились все варианты, и она согласилась пройти экспериментальный курс лечения, получивший название "фаготерапия". В традиционном понимании фаги не относятся к лекарственным микроорганизмам. Это крошечные вирусы, встречающиеся в природе, которые избирательно убивают бактерии. Будучи высокоспецифичными по отношению к бактериям, которые они атакуют, фаги демонстрируют хорошие перспективы в борьбе с трудноизлечимыми инфекциями, когда антибиотики уже не помогают.
Фаготерапия еще не одобрена в США, Великобритании и Западной Европе, но регулярно применяется в Грузии, Польше и России. В настоящее время проводится ряд клинических испытаний, призванных подтвердить ее безопасность и проверить эффективность. Но чтобы вылечить Коул, исследователям Медицинского факультета Университета Питтсбурга сначала предстояло найти именно тот фаг, который будет работать против ее конкретного штамма бактерий.
Фаги живут там же, где и бактерии, то есть повсюду. "Мы обнаружили, что искать фаги лучше всего там, где много бактерий, которые нужно атаковать", говорит Дарья Ван Тайн, доцент кафедры инфекционных заболеваний в Университете Питтсбурга университете и автор исследования о случае Коул.
Поэтому Ван Тайн и ее команда решили обратиться к источнику, кишащему кишечными бактериями, а именно к сточным водам. Они проанализировали десятки фагов, выделенных ими из проб сточных вод, но не смогли найти подходящего. Тогда они обратились за помощью к коллегам из Университета Колорадо.
"Дело в том, что фаги представляют собой идеальный пример прецизионной медицины, поскольку они крайне избирательны в отношении бактерий-мишеней", рассказывает Брек Дюркоп, доцент кафедры иммунологии и микробиологии Медицинского факультета Университета Колорадо и один из соавторов исследования.
Фаги распознают и прикрепляются к определенным рецепторам на поверхности бактерий. Проникнув в бактериальную клетку, они создают свои копии и нарушают нормальное функционирование бактерии, в результате чего клетка лопается.
Команда Ван Тайн направила образец бактерий из организма Коул в лабораторию Дюркопа, который изучал фаги, взаимодействующие с энтерококками фэциум. Группа Дюркопа проверила действие фагов, которые также были собраны из сточных вод, и нашла тот, который, по их мнению, мог атаковать бактерии. Они отправили фаг в Питтсбург, где Ван Тайн и ее команда подготовили его для введения пациентке.
Поскольку фаги являются вирусами, для их репликации необходима клетка-хозяин. Это означает, что их нужно выращивать внутри культивируемых колоний бактерий, которые они заражают. Бактерии быстро растут в лаборатории, однако фаги необходимо удалить, очистить, а затем протестировать, чтобы убедиться в их безопасности для пациента. На весь процесс подготовки подходящей фаготерапии может уйти несколько недель или даже месяцев с момента начала работы.
Бактериофаги, растущие в лаборатории исследователя Дарьи Ван Тайн на Медицинском факультете Университета Питтсбурга.
Поскольку энтерококки фэциум находились в кишечнике и кровотоке Коул, команда ученых приготовила две формы фаготерапии – питьевую и внутривенную. "Мы понятия не имели, сколько именно фагов нужно вводить, чтобы добиться хоть какого-то эффекта", говорит Ван Тайн. "Поэтому мы решили ввести наибольшее количество, которое, по нашему мнению, было допустимо". В целом фаги считаются безопасными и не вызывают побочных эффектов, поскольку они заражают только бактериальные клетки.
В июне 2020 года Коул, которой на тот момент было 57 лет, начала принимать фаги три раза в день вместе с комплексом антибиотиков. В течение 24 часов инфекция в крови прошла, и она смогла покинуть больницу. Она продолжила принимать препараты дома, но у нее развилось несколько кратковременных вакциноассоциированных инфекций, что свидетельствовало о том, что бактерии смогли обойти терапию.
В процессе репликации бактерии эволюционируют и мутируют. В свою очередь, фаги пытаются эволюционировать вместе с ними, чтобы сохранить свою инфекционную способность. Иногда фаг может измениться, чтобы лучше поражать бактерии-мишени, но иногда бактерии могут его перехитрить. "Если вы поместите бактерию и фаг вместе, бактерии будут пытаться эволюционировать, чтобы "скрыться" от него", говорит Ван Тайн.
Именно в этом заключается потенциальная проблема фаготерапии – бактерии эволюционируют, чтобы фаг не мог распознать их. Поэтому команда Ван Тайна снова обратилась в лабораторию Дюркопа, чтобы найти второй фаг, который, по их мнению, будет работать дольше. И на этот раз получилось.
Фаг очищал кровь Коул от бактерий в течение четырех месяцев – это был самый долгий срок отсутствия инфекции с момента заболевания. Но успехи Коул продлились недолго. Инфекция в крови вернулась, и врачи пришли к выводу, что комбинация фага и антибиотиков больше не эффективна. Она скончалась от пневмонии в марте 2022 года, через семь месяцев после прекращения фаготерапии. Случай Коул одновременно отражает и надежды, и недостатки фаготерапии.
Проблема в данном случае заключалась не только в эволюции бактерий. Когда исследователи провели повторные лабораторные анализы крови Коул, они обнаружили антитела к фагам, что означало, что ее иммунная система сработала таким образом, что не позволила фагам атаковать бактерии. Они подозревают, что у фаготерапии может быть своего рода переломный момент, когда слишком большая доза фага может спровоцировать иммунную реакцию, которая не позволит терапии работать.
Мэдисон Стеллфокс, постдокторант отделения инфекционных заболеваний в Университете Питтсбурга и ведущий автор исследования, полагает, что то, что они узнали из случая Коул, поможет определить, как эффективнее использовать фаготерапию в дальнейшем, особенно в связи с клиническими испытаниями фагов, которые проводятся как в Университете Питтсбурга, так и в других учреждениях. "Две-четыре недели – это тот период, в течение которого мы получаем максимальную отдачу от фагов, прежде чем организм начнет вырабатывать антитела против них", говорит она. Другими словами, фаги могут быть более эффективны в качестве краткосрочного средства лечения.
После этого еще два пациента в других больницах прошли курс фаготерапии, которую получала Коул, а третий пациент пройдет лечение в ближайшее время. Всего в больницах Медицинского центра Университета Питтсбурга лечение фагами прошли около 20 пациентов, и положительная реакция на терапию наблюдалась у 60-70% из них.
Персистирующие бактериальные инфекции трудно поддаются лечению из-за самого возбудителя и условий в организме пациента. Когда пациент страдает от инфекции в течение длительного периода времени, бактерии успевают измениться и адаптироваться. При интенсивном использовании антибиотиков бактерии эволюционируют, чтобы противостоять их действию. Добавьте к этому такие факторы, как иммунная система человека, его микробиом и общее состояние здоровья – все они влияют на то, насколько эффективно человек может бороться с инфекцией.
Сайма Аслам, специалист по инфекционным заболеваниям из Калифорнийского университета в Сан-Диего и клинический руководитель Центра инновационного применения фагов и фаготерапии, поясняет, что один из способов избежать резистентности фагов – использовать против инфекции сразу несколько фагов.
У бактерий может развиться устойчивость к конкретному фагу, поскольку они эволюционируют и приобретают различные поверхностные маркеры, так что этот фаг больше не может их распознать. "Использование комбинации из трех или четырех фагов, использующих разные способы закрепления на бактерии – это, я думаю, один из способов преодолеть процесс такой эволюции и резистентность", говорит Аслам. Таким образом, если бактерия изменится настолько, что один фаг не сможет ее распознать, другие все равно смогут это сделать.
Хотя фаги вряд ли когда-нибудь смогут заменить собой антибиотики, они могут стать мощным инструментом в борьбе с устойчивыми к лекарствам бактериальными инфекциями.
