Фаготерапия , вирусная фаговая терапия или фаготерапия — это терапевтическое использование бактериофагов для лечения патогенных бактериальных инфекций . [1] [2] [3] Этот терапевтический подход появился в начале 20-го века, но был постепенно заменен использованием антибиотиков в большинстве частей мира после Второй мировой войны . Бактериофаги, известные как фаги, представляют собой форму вируса [4] , который прикрепляется к бактериальным клеткам и вводит свой геном в клетку. [5] Производство бактериями вирусного генома нарушает их способность функционировать, останавливая бактериальную инфекцию. [5] Бактериальная клетка, вызывающая инфекцию, не способна размножаться и вместо этого производит дополнительные фаги. [4] Фаги очень избирательны в отношении штаммов бактерий, против которых они эффективны. [5]
Преимущества включают в себя снижение побочных эффектов и снижение риска развития резистентности у бактерий, поскольку [5] бактериофаги гораздо более специфичны, чем антибиотики. Они, как правило, безвредны не только для организма хозяина, но и для других полезных бактерий, таких как кишечная микробиота , что снижает вероятность возникновения оппортунистических инфекций . [6] Они имеют высокий терапевтический индекс ; то есть можно ожидать, что фаговая терапия вызовет мало побочных эффектов , даже при уровнях, превышающих терапевтические. [7] Поскольку фаги размножаются in vivo (в клетках живого организма), можно использовать меньшую эффективную дозу. [8]
Недостатки включают в себя сложность поиска эффективного фага для конкретной инфекции; фаг убьет бактерию, только если он соответствует определенному штамму . [5] Однако вирулентные фаги можно выделить гораздо легче, чем другие соединения и натуральные продукты. [8] Следовательно, смеси фагов («коктейли») иногда используются для повышения шансов на успех. [9] В качестве альтернативы образцы, взятые у выздоравливающих пациентов, иногда содержат соответствующие фаги, которые можно выращивать для лечения других пациентов, инфицированных тем же штаммом. [10] Текущие проблемы включают необходимость увеличения коллекций фагов из контрольных фаговых банков, разработку эффективных методов скрининга фагов для быстрой идентификации терапевтических фагов, создание эффективных стратегий фаговой терапии для борьбы с инфекционными биопленками, проверку осуществимых протоколов производства фагов, которые гарантируют качество и безопасность фаговых препаратов, и гарантию стабильности фаговых препаратов во время производства, хранения и транспортировки.
Фаги, как правило, более успешны, чем антибиотики, когда биопленка покрыта слоем полисахарида, через который антибиотики обычно не могут проникнуть. [11] Фаготерапия может рассеять биопленку, созданную бактериями, устойчивыми к антибиотикам. [12] Однако взаимодействие между фагами и биопленками может быть сложным, при этом фаги развивают как симбиотические, так и хищнические отношения с биопленками. [9]
В настоящее время фаги используются в терапевтических целях для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются лечению обычными антибиотиками, [2] [1] [13], особенно в России [14] и Грузии . [15] [16] [17] Также в 2005 году во Вроцлаве (Польша) было создано отделение фаговой терапии , которое продолжает многолетние исследования Института иммунологии и экспериментальной терапии Польской академии наук , единственного такого центра в стране Европейского Союза. [18] Фаги стали предметом возобновленного клинического внимания в западных странах, таких как Соединенные Штаты. В 2019 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило первое в США клиническое исследование внутривенной фаговой терапии. [19]
Фаготерапия имеет множество потенциальных применений в медицине, а также в стоматологии, ветеринарии и сельском хозяйстве. [20] Если целевым хозяином лечения с помощью фаговой терапии не является животное, обычно используется термин « биоконтроль » (как в фаг-опосредованном биоконтроле бактерий), а не «фаговая терапия». [9]
Открытие бактериофагов было сообщено британским бактериологом Фредериком Твортом в 1915 году [21] и французским микробиологом Феликсом д'Эреллем в 1917 году. [22] [23] Д'Эрелль сказал, что фаги всегда появлялись в стуле пациентов с дизентерией Shigella незадолго до того, как они начинали выздоравливать. [24] Он «быстро узнал, что бактериофаги находятся везде, где процветают бактерии: в канализации, в реках, которые улавливают стоки из труб, и в стуле выздоравливающих пациентов». [25] Фаготерапия была сразу же признана многими ключевым путем вперед к искоренению патогенных бактериальных инфекций. Грузин, Джордж Элиава , делал похожие открытия. Он отправился в Институт Пастера в Париже, где встретился с д'Эреллем, а в 1923 году основал Институт бактериологии, который позже стал известен как Институт Георгия Элиавы , в Тбилиси , Грузия, посвященный развитию фаговой терапии. [26] Фаготерапия используется в России, [27] Грузии и Польше, а также некоторое время использовалась в профилактических целях в Советской армии, особенно во время Второй мировой войны . [26]
В России вскоре начались обширные исследования и разработки в этой области. В Соединенных Штатах в 1940-х годах коммерциализацией фаговой терапии занималась компания Eli Lilly and Company . [28]
В то время как знания о биологии фагов и о том, как правильно использовать фаговые коктейли, накапливались, раннее использование фаговой терапии часто было ненадежным. [29] С начала 20-го века также велись исследования по разработке жизнеспособных терапевтических антибиотиков , и к 1942 году антибиотик пенициллин G был успешно очищен и нашел применение во время Второй мировой войны. Препарат оказался необычайно эффективным при лечении раненых солдат союзников, чьи раны были инфицированы. К 1944 году стало возможным крупномасштабное производство пенициллина, и в 1945 году он стал общедоступным в аптеках. Благодаря успеху препарата он широко продавался в США и Европе, что привело к тому, что западные ученые в основном потеряли интерес к дальнейшему использованию и изучению фаговой терапии на некоторое время. [30]
Изолированные от западных достижений в производстве антибиотиков в 1940-х годах, российские ученые продолжали разрабатывать уже успешную фаговую терапию для лечения ран солдат в полевых госпиталях . Во время Второй мировой войны Советский Союз использовал бактериофаги для лечения солдат, инфицированных различными бактериальными заболеваниями, такими как дизентерия и гангрена. [31] Российские исследователи продолжали разрабатывать и совершенствовать свои методы лечения и публиковать свои исследования и результаты. Однако из-за научных барьеров Холодной войны эти знания не были переведены и не распространились по всему миру. [32] [33] Краткое изложение этих публикаций было опубликовано на английском языке в 2009 году в «Обзоре литературы практического применения исследований бактериофагов». [34]
В Институте Джорджа Элиавы в Тбилиси, Грузия, есть обширная библиотека и исследовательский центр. Фаготерапия сегодня является распространенной формой лечения в этом регионе. [25] [24]
В результате развития устойчивости к антибиотикам с 1950-х годов и развития научных знаний во всем мире возобновился интерес к способности фаговой терапии искоренять бактериальные инфекции и хроническую полимикробную биопленку (в том числе в промышленных условиях). [35]
Фаги были исследованы как потенциальное средство для устранения патогенов, таких как Campylobacter в сырой пище [36] и Listeria в свежей пище или для уменьшения бактерий, вызывающих порчу пищи. [37] В сельскохозяйственной практике фаги использовались для борьбы с патогенами, такими как Campylobacter , Escherichia и Salmonella у сельскохозяйственных животных, патогенами Lactococcus и Vibrio в рыбоводстве, а также Erwinia , Xanthomonas и другими в растениях, имеющих сельскохозяйственное значение. [38] [39] [40] Однако самое старое применение — в медицине. Фаги использовались против диарейных заболеваний, вызываемых E. coli , Shigella или Vibrio , и против раневых инфекций, вызываемых факультативными патогенами кожи, такими как стафилококки и стрептококки . Недавно подход фаговой терапии был применен к системным и даже внутриклеточным инфекциям, а нереплицирующийся фаг и изолированные фаговые ферменты, такие как лизины, были добавлены в антимикробный арсенал. Однако фактических доказательств эффективности этих фаговых подходов в полевых условиях или в больнице нет. [37]
Часть интереса на Западе можно проследить до 1994 года, когда Джеймс Сутхилл продемонстрировал (на модели животных), что использование фагов может улучшить успех пересадки кожи за счет снижения базовой инфекции Pseudomonas aeruginosa . [41] Недавние исследования предоставили дополнительную поддержку этим выводам в модельной системе. [42]
Хотя это и не «фаговая терапия» в первоначальном смысле, использование фагов в качестве механизмов доставки традиционных антибиотиков представляет собой еще одно возможное терапевтическое применение. [43] [44] Использование фагов для доставки противоопухолевых агентов также было описано в предварительных экспериментах in vitro для клеток в культуре тканей. [45]
В июне 2015 года Европейское агентство по лекарственным средствам провело однодневный семинар по терапевтическому использованию бактериофагов [46] , а в июле 2015 года Национальные институты здравоохранения США провели двухдневный семинар под названием «Терапия бактериофагами: альтернативная стратегия борьбы с лекарственной устойчивостью» [47] .
В январе 2016 года фаги были успешно использованы в Йельском университете Бенджамином Чаном для лечения хронической инфекции Pseudomonas aeruginosa у офтальмолога Али Асгара Ходадуста . [48] Это успешное лечение опасной для жизни инфекции вызвало всплеск интереса к фаговой терапии в Соединенных Штатах. [ необходима ссылка ]
В 2017 году микробиолог Джеймс Сутхилл в Детской больнице Грейт-Ормонд-стрит в Лондоне использовал пару генетически модифицированных фагов вместе с одним естественным (так называемым «фагом Мадди»), каждый из которых был каталогизирован SEA-PHAGES (Science Education Alliance-Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science) в Медицинском институте Говарда Хьюза Грэмом Хэтфуллом и его коллегами, для лечения инфекции, вызванной устойчивой к антибиотикам бактерией ( Mycobacterium abscessus ), у молодой женщины с муковисцидозом . [49] [50] [51] [52]
В 2022 году два микобактериофага вводились внутривенно дважды в день молодому человеку с резистентной к лечению легочной инфекцией Mycobacterium abscessus и тяжелым муковисцидозным заболеванием легких. [53] Культуры дыхательных путей для M. abscessus стали отрицательными примерно через 100 дней комбинированного лечения фагом и антибиотиками, и различные биомаркеры подтвердили терапевтический ответ. Пациенту была проведена двусторонняя трансплантация легких после 379 дней лечения, и культуры из эксплантированной легочной ткани подтвердили искоренение бактерий. [53] Во втором случае сообщалось об успешном лечении диссеминированной кожной Mycobacterium chelonae с помощью одного фага, вводимого внутривенно дважды в день в сочетании с антибиотиками и хирургическим лечением. [54]
Лечение бактериофагами предлагает возможную альтернативу традиционному лечению антибиотиками бактериальных инфекций. [55] Вполне возможно, что, хотя бактерии могут вырабатывать устойчивость к фагам, эту устойчивость может быть легче преодолеть, чем устойчивость к антибиотикам. [56] [57] Вирусы, как и бактерии, могут вырабатывать устойчивость к различным методам лечения. [58]
Бактериофаги очень специфичны, воздействуя только на один или несколько штаммов бактерий. [59] Традиционные антибиотики обладают более широким спектром действия, убивая как вредные, так и полезные бактерии, например, те, которые облегчают переваривание пищи . [60] Видовая и штаммовая специфичность бактериофагов делает маловероятным, что безвредные или полезные бактерии будут убиты при борьбе с инфекцией. [61]
Несколько исследовательских групп на Западе разрабатывают фаг более широкого спектра действия, а также различные формы лечения MRSA , включая пропитанные раневые повязки, профилактическое лечение для жертв ожогов и пропитанные фагом швы. [62] [57] Энзибиотики — это новая разработка в Университете Рокфеллера , которая создает ферменты из фагов. Очищенные рекомбинантные фаговые ферменты могут использоваться как отдельные антибактериальные агенты сами по себе. [63]
Фаговая терапия также имеет потенциал для профилактики или лечения инфекционных заболеваний кораллов . Это может смягчить глобальное сокращение численности кораллов. [64]
Фаги для терапевтического использования можно собирать из источников окружающей среды, которые, вероятно, содержат большое количество бактерий и бактериофагов, таких как сточные воды, канализационные стоки или даже почва. [15] Образцы берутся и применяются к бактериальным культурам , которые должны быть целевыми. Если бактерии погибают, фаги можно выращивать в жидких культурах. [10]
Фаги являются «бактериально-специфичными», и поэтому во многих случаях необходимо брать мазок у пациента и культивировать его перед лечением. Иногда для выделения терапевтических фагов может потребоваться несколько месяцев, но клиники обычно хранят запасы фаговых коктейлей для наиболее распространенных штаммов бактерий в географическом районе. [ необходима цитата ]
Фаговые коктейли обычно продаются в аптеках стран Восточной Европы, таких как Россия и Грузия . [65] [66] [67] Состав бактериофаговых коктейлей периодически модифицировался для добавления фагов, эффективных против новых патогенных штаммов. [67]
Фаги на практике применяются перорально, местно на инфицированных ранах или наносятся на поверхности, или во время хирургических процедур. Инъекции используются редко, избегая любых рисков следовых химических загрязнителей, которые могут присутствовать на стадии амплификации бактерий, и признавая, что иммунная система естественным образом борется с вирусами, введенными в кровоток или лимфатическую систему. [ необходима цитата ]
Обзоры фаговой терапии показывают, что для соответствия современным стандартам необходимы дополнительные клинические и микробиологические исследования. [68]
Финансирование исследований и клинических испытаний фаговой терапии, как правило, недостаточно и его трудно получить, поскольку патентование продуктов бактериофагов — длительный и сложный процесс. Из-за специфичности фагов фаговая терапия была бы наиболее эффективна в виде инъекции коктейля, что обычно отвергается Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Поэтому исследователи и наблюдатели предсказывают, что если фаговая терапия должна набрать обороты, FDA должно изменить свою регулирующую позицию в отношении комбинированных лекарственных коктейлей. [6] Общественная осведомленность и образование о фаговой терапии, как правило, ограничиваются научными или независимыми исследованиями, а не основными средствами массовой информации. [69]
В 2007 году в Королевской национальной больнице горла, носа и ушей в Лондоне были завершены клинические испытания фазы 1 и 2 для лечения инфекций, вызванных Pseudomonas aeruginosa ( отит ). [70] [71] [72] [73] Клинические испытания фазы 1 проводились в Юго-западном региональном центре лечения ран в Лаббоке , штат Техас, для коктейля фагов против P. aeruginosa , Staphylococcus aureus и Escherichia coli , разработанного компанией Intralytix . [74] PhagoBurn , исследование фаговой терапии фазы 1 и 2 против раневой инфекции P. aeruginosa во Франции и Бельгии в 2015–2017 годах, было прекращено досрочно из-за отсутствия эффективности. [75]
Locus Biosciences создала коктейль из трех модифицированных CRISPR фагов. Исследование 2019 года изучало его эффективность против E. coli в мочевыводящих путях , [76] и испытание фазы 1 было завершено незадолго до марта 2021 года. [77] В феврале 2019 года FDA одобрило первое клиническое испытание внутривенной фаговой терапии в Соединенных Штатах. [78]
В июле 2020 года FDA одобрило первое клиническое исследование распыляемой фаговой терапии в Соединенных Штатах. [79] Это двойное слепое плацебо-контролируемое исследование в Йельском университете будет сосредоточено на лечении инфекций P. aeruginosa у пациентов с муковисцидозом. [ необходима медицинская цитата ]
В феврале 2020 года FDA одобрило клиническое исследование для оценки терапии бактериофагами у пациентов с инфекциями мочевыводящих путей. [80] Исследование началось в декабре 2020 года и направлено на выявление идеальных схем лечения бактериофагами на основе улучшения показателей контроля заболеваний.
В феврале 2021 года FDA одобрило клиническое исследование для оценки терапии бактериофагами у пациентов с хроническими инфекциями протезных суставов (PJI). [81] Исследование должно было начаться в октябре 2022 года и проводиться компанией Adaptive Phage Therapeutics в сотрудничестве с клиникой Майо .
При введении в виде таблеток фаги можно подвергать сублимационной сушке; эта процедура не снижает эффективность. [15] Для некоторых типов фагов в форме таблеток была показана температурная стабильность до 55 °C и срок годности 14 месяцев. [15]
Возможно применение в жидкой форме, желательно хранить в охлажденных флаконах. [15] Пероральный прием работает лучше, когда включен антацид , так как это увеличивает количество фагов, выживающих при прохождении через желудок. [15] Местное применение часто включает нанесение на марлю, которая накладывается на область, подлежащую лечению. [15] Жидкие бактериофаги также используются для местного применения, например, для перевязок ран и местного лечения, а также для наружного применения, включая спреи и полоскания. [82]
В заявке от июля 2020 года на одобрение FDA для первого клинического испытания распыляемой фаговой терапии в Соединенных Штатах не указан конкретный тип распылителя, такой как компрессорный или ультразвуковой. [83] [79] [84] [85] [86] Бактериофаги изучаются как потенциальные кандидаты для лечения бактериальных инфекций легких, особенно вызванных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью (МЛУ). В этих исследованиях растворы бактериофагов вводятся через распылители, в основном с использованием компрессорного типа. Стабильность и жизнеспособность фагов во время распыления имеют решающее значение для их терапевтической эффективности. Текущие исследования сосредоточены на том, могут ли фаги оставаться жизнеспособными и эффективными при доставке через распылители. Выбор распылителя может повлиять на стабильность и эффективность доставки фагов. Обычно используются компрессорные распылители, поскольку они генерируют мелкий туман, который может достигать нижних дыхательных путей. [87]
В отличие от компрессорных распылителей, ультразвуковые распылители могут влиять на жизнеспособность бактериофагов. Ультразвуковые волны, используемые для генерации аэрозоля, могут наносить физический ущерб фагам, потенциально снижая их эффективность. Предварительные исследования показывают, что высокочастотные вибрации и тепло, генерируемые в процессе распыления, могут привести к значительной потере активности фагов. Следовательно, одной из главных проблем является обеспечение того, чтобы фаги оставались неповрежденными в процессе распыления. Исследования показали, что фаги могут быть чувствительны к сдвиговым усилиям, генерируемым во время распыления. Тем не менее, при правильном выборе формулы и устройства можно сохранить их жизнеспособность, как показывают текущие исследования. [88] [89] [90]
Фаги были успешно использованы Бенджамином Чаном в Йельском университете для лечения инфекции Pseudomonas в 2016 году. [48] Внутривенная фаговая капельная терапия была успешно использована для лечения пациента с множественной лекарственной устойчивостью Acinetobacter baumannii в больнице Торнтона при Калифорнийском университете в Сан-Диего в 2017 году. [91] Небулайзерная фаговая терапия успешно использовалась для лечения многочисленных пациентов с муковисцидозом и множественной лекарственной устойчивостью бактерий в Йельском университете в рамках их программы сострадательного использования . [92] [93] В 2019 году житель Браунсвилла , штат Миннесота, с давней бактериальной инфекцией в колене получил лечение фагом в клинике Майо, что исключило необходимость ампутации его голени. [94] Индивидуализированная фаговая терапия также была успешно использована Робертом Т. Скули и другими для лечения случая множественной лекарственной устойчивости Acinetobacter baumannii в 2015 году. [95] [96] В 2022 году была продемонстрирована и подробно описана индивидуально подобранная комбинация фага и антибиотика в качестве лечения устойчивости к противомикробным препаратам. [97] [98] Ученые призвали к расширению масштабов исследований [99] и к дальнейшему развитию этого подхода. [100]
Фаготерапия с большим успехом применяется при лечении биопленочных инфекций, особенно Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus . [101] [82] Из 78 недавних случаев лечения биопленочных инфекций 96% пациентов отметили клиническое улучшение с помощью фаговой терапии, а 52% пациентов отметили полное облегчение симптомов или полное уничтожение поражающих бактерий. [101] Биопленочные инфекции очень сложно лечить антибиотиками. Матрица биопленки и окружающие бактериальные мембраны могут связываться с антибиотиками, не давая им проникать в биопленку. Матрица может содержать ферменты, которые дезактивируют антибиотики. Биопленки также обладают низкой метаболической активностью, что означает, что антибиотики, нацеленные на процессы роста, имеют гораздо меньшую эффективность. Эти факторы делают фаговую терапию заманчивым вариантом для лечения таких инфекций, и в настоящее время существует два способа такого лечения. Первый способ заключается в выделении исходных бактерий и создании специфического лечебного фага для его воздействия, в то время как второй способ заключается в использовании комбинации более общих фагов. [82] Преимущество второго метода заключается в том, что его можно легко сделать коммерчески доступным для лечения, хотя есть некоторые опасения, что он может быть существенно менее эффективным. [101]
Высокая специфичность бактериальных штаммов фаговой терапии может привести к необходимости для клиник создавать различные коктейли для лечения одной и той же инфекции или заболевания, поскольку бактериальные компоненты таких заболеваний могут отличаться от региона к региону или даже от человека к человеку. Кроме того, это означает, что «банки», содержащие много разных фагов, должны поддерживаться и регулярно обновляться новыми фагами. [6]
Кроме того, бактерии могут вырабатывать различные рецепторы до или во время лечения. Это может помешать фагам полностью их уничтожить. [15]
Необходимость в банках фагов делает нормативные испытания на безопасность более сложными и дорогими в соответствии с действующими правилами в большинстве стран. Такой процесс затруднил бы широкомасштабное использование фаговой терапии. Кроме того, патентные проблемы (особенно на живые организмы) могут усложнить распространение для фармацевтических компаний, желающих иметь исключительные права на свое «изобретение», что отпугнет коммерческие корпорации от инвестирования капитала в это.
Как известно уже не менее тридцати лет, микобактерии, такие как Mycobacterium tuberculosis, имеют специфические бактериофаги. [102] Для Clostridioides difficile , который вызывает множество внутрибольничных заболеваний , пока не обнаружен литический фаг , но для этого вида известны некоторые умеренные фаги (интегрированные в геном, также называемые лизогенными ); это открывает обнадеживающие возможности, но с дополнительными рисками, как обсуждается ниже.
Негативное восприятие вирусов общественностью может способствовать нежеланию использовать фаговую терапию. [103]
Одной из основных проблем, обычно связанных с фаговой терапией, является появление мутантов, нечувствительных к бактериофагам (BIM), которые могут помешать успеху этой терапии. Несколько исследований in vitro сообщили о быстром появлении BIM в течение короткого времени после обработки фагом. [104] [105] [106] Появление BIM также наблюдалось in vivo с использованием различных животных моделей, хотя обычно это происходит позже, чем in vitro (обзор в [107] ). Эта быстрая адаптация бактерий к атаке фагов обычно вызвана мутациями в генах, кодирующих фаговые рецепторы, [105] [108] которые включают липополисахариды (ЛПС), белки внешней мембраны , капсулы , жгутики и пили , среди прочих. [109] Однако некоторые исследования предполагают, что когда устойчивость к фагам вызвана мутациями в фаговых рецепторах, это может привести к потерям в приспособленности резистентной бактерии, которая в конечном итоге станет менее вирулентной. [107] [110] Более того, было показано, что эволюция устойчивости бактерий к атаке фагов изменяет механизм эффлюксного насоса, вызывая повышенную чувствительность к препаратам из нескольких классов антибиотиков. [111] Поэтому можно предположить, что фаговая терапия, использующая фаги, которые осуществляют отбор бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, чтобы они стали чувствительными к антибиотикам, может потенциально снизить частоту возникновения инфекций, устойчивых к антибиотикам.
Помимо предотвращения адсорбции фагов за счет потери или модификации бактериальных рецепторов, нечувствительность к фагам может быть вызвана: (i) предотвращением проникновения ДНК фага с помощью систем исключения суперинфекции; (ii) деградацией ДНК фага с помощью систем рестрикции-модификации или систем CRISPR-Cas ; и (iii) использованием абортивных систем инфицирования, которые блокируют репликацию, транскрипцию или трансляцию фагов, обычно в сочетании с самоубийством клетки-хозяина. [112] В целом эти механизмы способствуют быстрой адаптации бактерий к атаке фагов, и поэтому возникновение мутантов, устойчивых к фагам, является частым и неизбежным.
Пока неясно, вызовет ли широкое использование фагов устойчивость, подобную той, что наблюдается для антибиотиков. Теоретически это маловероятно, поскольку фаги очень специфичны, и поэтому их селективное давление затронет очень узкую группу бактерий. Однако следует также учитывать тот факт, что многие системы устойчивости к фагам устанавливаются на мобильных генетических элементах, включая профаги и плазмиды, и, таким образом, могут распространяться довольно быстро даже без прямого отбора. Тем не менее, в отличие от антибиотиков, ожидается, что фаговые препараты для терапевтического применения будут разрабатываться персонализированным образом из-за высокой специфичности фагов. Кроме того, были предложены стратегии для решения проблемы устойчивости к фагам. Одной из стратегий является использование фаговых коктейлей с дополнительными диапазонами хозяев (различные диапазоны хозяев, которые при объединении приводят к общему более широкому диапазону хозяев) и нацеливание на различные бактериальные рецепторы. Другая стратегия — это сочетание фагов с другими противомикробными препаратами, такими как антибиотики, дезинфицирующие средства или ферменты , которые могут усилить их антибактериальную активность. Генетическая манипуляция геномами фагов также может быть стратегией обхода устойчивости к фагам.
Бактериофаги — это бактериальные вирусы, эволюционировавшие для заражения бактериальных клеток. Для этого фаги должны использовать характерные структуры на поверхности клеток (рецепторы), а для размножения им нужны соответствующие молекулярные инструменты внутри клеток. Бактерии являются прокариотами , и их клетки существенно отличаются от эукариот , включая людей или животных. [113] По этой причине фаги отвечают главному требованию безопасности: они не заражают обработанных людей. Даже сконструированные фаги и вызванная искусственная интернализация фагов в клетки млекопитающих не приводят к размножению фагов. [114] Естественный трансцитоз немодифицированных фагов, то есть поглощение и внутренний транспорт на другую сторону клетки, который наблюдался в эпителиальных клетках человека, не привел к размножению фагов или повреждению клеток. [115] Однако недавно было сообщено, что нитевидные умеренные фаги P. aeruginosa могут быть эндоцитированы в лейкоциты человека и мышей, что приводит к транскрипции фаговой ДНК. В свою очередь, продукт РНК запускает неадаптивные врожденные вирусные реакции распознавания образов и, таким образом, подавляет иммунный клиренс бактерий. [116] Применимо ли это также к двуцепочечным ДНК-фагам, таким как Caudovirales , пока не установлено; это важный вопрос, требующий решения, поскольку он может повлиять на общую безопасность фаговой терапии.
Благодаря множеству экспериментальных методов лечения пациентов-людей, проведенных в последние десятилетия, и уже существующим РКИ (см. раздел: Клинический опыт и рандомизированные контролируемые испытания), безопасность фагов можно оценить напрямую. Первое испытание безопасности на здоровых добровольцах-людях для фага было проведено Бруттином и Брюссовым в 2005 году. [117] Они исследовали пероральное введение фага Escherichia coli T4 и не обнаружили никаких побочных эффектов лечения. Исторические данные показывают, что фаги безопасны, с легкими побочными эффектами, если таковые имеются. Наиболее частыми (хотя все еще редкими) побочными реакциями на фаговые препараты, обнаруженными у пациентов, были симптомы со стороны пищеварительного тракта, местные реакции в месте введения фагового препарата, суперинфекции и повышение температуры тела. [118] [29] [119] Примечательно, что эти реакции могли быть (i) вызваны высвобождением эндотоксинов из бактерий, лизированных in vivo фагами, поскольку такие эффекты также можно наблюдать при использовании антибиотиков, [120] или (ii) вызваны бактериальными остатками, которые сопровождали фаг в случаях, когда использовались неочищенные лизаты.
Бактериофаги должны быть получены в бактериях, которые лизируются (т. е. фрагментируются) во время размножения фагов. Таким образом, фаговые лизаты содержат бактериальный дебрис, который может повлиять на организм человека, даже если сам фаг безвреден. По этим и другим причинам очистка бактериофагов считается важной, и препараты фагов необходимо оценивать на предмет их безопасности в целом, особенно когда фаги должны вводиться внутривенно. Это согласуется с общими процедурами для других кандидатов на лекарственные препараты. В 2015 году группа экспертов по фаговой терапии обобщила требования к качеству и безопасности для устойчивой фаговой терапии. [121]
Воздействие фагов на микробиом человека также способствует проблемам безопасности в фаговой терапии. Многие фаги, особенно умеренные, несут гены, которые могут влиять на патогенность хозяина. Даже лямбда, умеренный фаг лабораторного штамма E. coli K-12, несет два гена, которые обеспечивают потенциальные преимущества вирулентности для лизогенного хозяина, один из которых увеличивает кишечную адгезию, а другой придает устойчивость к уничтожению комплемента в крови. По этой причине умеренные фаги, как правило, следует избегать в качестве кандидатов для фаговой терапии, хотя в некоторых случаях отсутствие кандидатов на литические фаги и чрезвычайные ситуации могут сделать такие соображения спорными. [51] Другой потенциальной проблемой является генерализованная трансдукция, термин, обозначающий способность некоторых фагов переносить бактериальную ДНК от одного хозяина к другому. Это происходит из-за того, что системы упаковки ДНК фага в капсиды могут ошибочно упаковывать ДНК хозяина. Действительно, в некоторых хорошо охарактеризованных фагах до 5% вирусных частиц содержат только бактериальную ДНК. Таким образом, в типичном лизате весь геном размножающегося хозяина присутствует в более чем миллионе копий в каждом миллилитре. По этим причинам крайне важно, чтобы любой фаг, рассматриваемый для терапевтического использования, был подвергнут тщательному геномному анализу и протестирован на способность к генерализованной трансдукции. [ необходима цитата ]
Как антибактериальные препараты, фаги также могут влиять на состав микробиомов, инфицируя и убивая штаммы бактерий, чувствительные к фагам. Однако основным преимуществом бактериофагов перед антибиотиками является высокая специфичность бактериофагов. Эта специфичность ограничивает антибактериальную активность уровнем подвида; как правило, фаг убивает только выбранные штаммы бактерий. По этой причине фаги гораздо реже (чем антибиотики) нарушают состав естественного микробиома или вызывают дисбактериоз . Это было продемонстрировано в экспериментальных исследованиях, где состав микробиома оценивался с помощью секвенирования следующего поколения , которое не выявило никаких важных изменений, коррелирующих с обработкой фагами при лечении людей. [122] [123] [124] [125] [126] [127]
Большая часть трудностей при получении одобрения регулирующих органов заключается в рисках использования самовоспроизводящейся сущности, которая имеет возможность развиваться. [35]
Как и при антибиотикотерапии и других методах борьбы с бактериальными инфекциями, эндотоксины высвобождаются бактериями по мере их разрушения внутри пациента ( реакция Яриша-Герксгеймера ). Это может вызвать симптомы лихорадки; в крайних случаях возможен токсический шок (проблема, также наблюдаемая при применении антибиотиков). [128] Джанакираман Рамачандран [32] утверждает, что этого осложнения можно избежать в тех типах инфекций, где эта реакция, вероятно, произойдет, используя генетически модифицированные бактериофаги, у которых удален ген, отвечающий за выработку эндолизина. Без этого гена бактерия-хозяин все равно умирает, но остается нетронутой, поскольку лизис отключен. С другой стороны, эта модификация останавливает экспоненциальный рост фагов, поэтому один введенный фаг означает максимум одну мертвую бактериальную клетку. [17] В конце концов, эти мертвые клетки поглощаются фагоцитами , которые выполняют обычные функции по уборке, используя ферменты для расщепления всей бактерии и ее содержимого на безвредные белки, полисахариды и липиды. [129]
Умеренные (или лизогенные ) бактериофаги обычно не используются в терапевтических целях, поскольку эта группа может служить для бактерий способом обмена ДНК. Это может способствовать распространению устойчивости к антибиотикам или даже, теоретически, сделать бактерии патогенными, например, в случаях холеры . Карл Меррил утверждал, что безвредные штаммы коринебактерий могли быть преобразованы в C. diphtheriae , которые «вероятно убили треть всех европейцев, приехавших в Северную Америку в семнадцатом веке». [25] : 94 К счастью, многие фаги, по-видимому, являются литическими только с незначительной вероятностью стать лизогенными. [130]
Одобрение фаговой терапии для использования у людей не было дано в западных странах, за несколькими исключениями. В Соединенных Штатах, закон Вашингтона и Орегона позволяет врачам-натуропатам использовать любую терапию, которая является законной в любой точке мира на экспериментальной основе, [131] а в Техасе фаги считаются натуральными веществами и могут использоваться в дополнение к (но не в качестве замены) традиционной терапии (они использовались регулярно в клинике по уходу за ранами в Лаббоке с 2006 года). [132]
В 2013 году «20-я двухгодичная конференция Evergreen International Phage Meeting... собрала 170 участников из 35 стран, включая руководителей компаний и институтов, занимающихся терапией человеческими фагами, из Франции, Австралии, Грузии, Польши и Соединенных Штатов». [133]
Во Франции фаговая терапия официально прекратилась с изъятием словаря Видаля (официального справочника лекарств Франции) в 1978 году. Последним препаратом фага, произведенным l'Institut du Bactériophage, была мазь против кожных инфекций. Исследования фаговой терапии прекратились примерно в то же время по всей стране с закрытием отделения бактериофагов в Институте Пастера . Некоторые врачи больниц продолжали предлагать фаговую терапию до 1990-х годов, когда производство прекратилось. [134]
После их повторного открытия в конце 1990-х годов фаговые препараты были классифицированы как лекарственные средства, то есть «лекарственные средства» в ЕС или «лекарства» в США. [135] Однако фармацевтическое законодательство, которое было введено после их исчезновения из западной медицины, было в основном разработано для фармацевтических препаратов промышленного производства, лишенных какой-либо адаптации и предназначенных для широкомасштабного распространения, [136] и не было сочтено необходимым предоставлять специфические для фагов требования или уступки.
Сегодняшние продукты фаговой терапии должны соответствовать всем требованиям лицензирования лекарственных средств: производство в соответствии с GMP , доклинические исследования, клинические испытания I, II и III фазы и разрешение на продажу . Технически, промышленно произведенные предопределенные фаговые препараты могли бы пройти через обычные фармацевтические процессы, учитывая некоторые адаптации. Однако проблемы специфичности и устойчивости фагов, вероятно, приведут к тому, что эти определенные препараты будут иметь относительно короткий срок службы. [137] Фармацевтическая промышленность в настоящее время не рассматривает продукты фаговой терапии. Тем не менее, несколько малых и средних предприятий проявили интерес с помощью рискового капитала и/или государственного финансирования. В настоящее время ни один определенный терапевтический фаговый продукт не попал на рынки ЕС или США.
По мнению некоторых, [ по мнению кого? ] терапевтические фаги должны быть подготовлены индивидуально и храниться в больших банках фагов, готовыми к использованию, после проверки на эффективность против бактериальных патогенов пациента. Промежуточные или комбинированные (промышленно изготовленные, а также прецизионные фаговые препараты) подходы могут быть подходящими. [137] Однако оказывается, что сложно согласовать классические концепции фаговой терапии, которые основаны на своевременной адаптации фаговых препаратов, с текущими западными фармацевтическими моделями НИОКР и маркетинга. Неоднократные призывы к конкретной нормативной базе не были услышаны европейскими политиками. [136] Структура фаговой терапии, основанная на концепции Биологического мастер-файла, была предложена в качестве (европейского) решения нормативных вопросов, но европейские правила не допускают распространения этой концепции на биологически активные вещества, такие как фаги. [138]
Тем временем представители медицинских, академических и регулирующих сообществ разработали некоторые (временные) национальные решения. Например, применение фагов в Европе осуществлялось под эгидой статьи 37 (Недоказанные вмешательства в клиническую практику) Хельсинкской декларации . Чтобы обеспечить применение фаговой терапии после вступления Польши в ЕС в 2004 году, Институт иммунологии и экспериментальной терапии им. Людвика Хиршфельда во Вроцлаве открыл собственное отделение фаговой терапии (PTU). Фаговая терапия, проводимая в PTU, считается «экспериментальным лечением», подпадающим под действие адаптированного Закона от 5 декабря 1996 года о медицинской профессии (Польский юридический вестник, 2011, № 277, пункт 1634) и статьи 37 Хельсинкской декларации. [139] Аналогичным образом, за последние несколько лет в США был проведен ряд вмешательств с использованием фаговой терапии в рамках чрезвычайного протокола FDA по исследованию новых лекарственных средств (eIND). [140]
Некоторые пациенты лечились фагами под эгидой «сострадательного использования», что является вариантом лечения, который позволяет врачу использовать еще не одобренное лекарство в отчаянных случаях. При строгих условиях разрабатываемые лекарства могут быть доступны для использования пациентами, для которых нет удовлетворительных одобренных методов лечения и которые не могут участвовать в клинических испытаниях. В принципе, этот подход может применяться только к продуктам, для которых результаты более ранних исследований продемонстрировали эффективность и безопасность, но которые еще не были одобрены. Подобно статье 37 Хельсинкской декларации, вариант лечения сострадательным использованием может применяться только тогда, когда ожидается, что фаги помогут при опасных для жизни или хронических и/или серьезно изнуряющих заболеваниях, которые не поддаются лечению официально одобренными продуктами. [ необходима цитата ]
Во Франции ANSM, французское медицинское агентство, организовало специальный комитет — Comité Scientifique Spécialisé Temporaire (CSST) — для фаговой терапии, который состоит из экспертов в различных областях. Их задача — оценивать и направлять каждый запрос на фаговую терапию, который попадает в ANSM. Запросы на фаговую терапию обсуждаются вместе с лечащими врачами, и консенсусные рекомендации отправляются в ANSM], который затем решает, давать ли разрешение. В период с 2006 по 2018 год во Франции пятнадцать пациентов прошли лечение (одиннадцать выздоровели) с использованием этого пути. [141]
В Бельгии в 2016 году и в ответ на ряд парламентских вопросов Мэгги Де Блок , министр социальных дел и здравоохранения, признала, что действительно неочевидно рассматривать фаги как промышленные препараты, и поэтому она предложила исследовать, может ли магистральный путь приготовления предложить решение. [137] Магистральные препараты (фармацевтические аптеки в США) не подлежат определенным ограничениям, таким как соответствие GMP и разрешение на продажу. Поскольку «магистральная структура приготовления» была создана для того, чтобы обеспечить адаптированное лечение пациентов и/или использовать лекарства, для которых нет коммерческого интереса, она показалась подходящей структурой для концепций прецизионной фаговой терапии. Магистральные препараты — это лекарства, приготовленные в аптеке в соответствии с медицинским рецептом для отдельного пациента. Они изготавливаются фармацевтом (или под его/ее наблюдением) из входящих в их состав ингредиентов в соответствии с техническими и научными стандартами фармацевтической технологии. Активные фармацевтические ингредиенты фагов , включаемые в магистральные препараты, должны соответствовать требованиям монографии, в которой описывается их производство и контроль качества. Они должны сопровождаться сертификатом анализа, выданным «Бельгийской утвержденной лабораторией», которая получила аккредитацию на проведение испытаний партии выпуска лекарственных средств. С 2019 года фаги поставляются в форме магистральных препаратов номинальным пациентам в Бельгии. [142]
Первый случай фаговой терапии в Китае можно проследить до 1958 года, в Медицинской школе Шанхайского университета Цзяо Тун . [143] Однако тогда еще не было установлено много правил, и фаговая терапия вскоре потеряла интерес людей из-за распространенности антибиотиков, что в конечном итоге привело к кризису устойчивости к противомикробным препаратам . Это побудило исследователей в Китае, а также китайское правительство снова обратить внимание на фаговую терапию, и после первого инициированного исследователем испытания (IIT) Шанхайским институтом фагов в 2019 году фаговая терапия быстро расцвела. [144] В настоящее время коммерческие приложения фаговой терапии должны проходить по одному из двух путей. Первый путь - для фаговых продуктов с фиксированным ингредиентом. [145] Второй путь - для персонализированных фаговых продуктов, которые должны проходить через IIT. Таким образом, эти продукты считаются ограничительными медицинскими технологиями. [146]
Фаготерапия была актуальным методом лечения животных в течение десятилетий. [147] Она была предложена как метод лечения бактериальных инфекций в области ветеринарной медицины в ответ на безудержное использование антибиотиков. Исследования изучали применение фаговой терапии у видов домашнего скота, а также домашних животных. [148] Университет Бригама Янга изучал использование фаговой терапии для лечения американского гнильца у медоносных пчел . [149] [150] [151] Фаготерапия также изучается для потенциального применения в аквакультуре . [152]
Фаговая терапия изучалась для бактериальной пятнистости косточковых плодов, вызванной Xanthomonas pruni (син. X. campestris pv. pruni , син. X. arboricola pv. pruni ) у видов prunus . [153] [40] Некоторые методы лечения оказались весьма успешными. [153] [40]
В романе Синклера Льюиса «Эрроусмит», написанном в 1925 году и удостоенном Пулитцеровской премии 1926 года, фаговая терапия использовалась в качестве сюжетной линии. [154] [155] [156]
В романе Грега Бира 2002 года «Vitals» описывается фаговая терапия, основанная на советских исследованиях и используемая для переноса генетического материала.
В сборнике военно-исторических эссе 2012 года об изменении роли женщин в войне « Женщины на войне – от тыла до линии фронта» есть глава, посвященная фаговой терапии: «Глава 17: Женщины, которые разморозили холодную войну». [157]
Книга Стефани А. Стратди «Идеальный хищник: путешествие эпидемиолога по спасению ее мужа от смертельной супербактерии» , написанная в соавторстве с ее мужем Томасом Паттерсоном, была опубликована издательством Hachette Book Group в 2019 году. В ней описывается в конечном итоге успешная попытка Стратди внедрить фаговую терапию в качестве метода спасения жизни ее мужа, находящегося в критическом состоянии с полностью устойчивой к антибиотикам инфекцией Acinetobacter baumannii после тяжелого панкреатита.
Эта статья была адаптирована из следующего источника по лицензии CC BY 4.0 (2021 г.) (отчеты рецензентов): Жоана Азередо, Жан-Поль Пирней, Диана Присцила Пирес, Мзия Кутателадзе, Кристина Домбровска, Роб Лавин, Боб Дж. Блаздел (15 декабря 2021 г.) ). «Фаготерапия» (PDF) . Викижурнал медицины . 8 (1). WikiJournal of Medicine: 4. doi : 10.15347/WJM/2021.004 . ISSN 2002-4436. Викиданные Q100400597.
Исследователи предполагают, что терапия бактериофагами является жизнеспособным методом лечения бактериальных инфекций, хотя они отмечают, что прежде чем ее можно будет рассматривать как альтернативную терапию для инфицированных пациентов, необходимо найти лучший способ обнаружения бактериофагов.
Институт Хиршфельда [в Польше] почти всегда проводил свои исследования в условиях отсутствия двойного контроля... . Но само количество случаев в сочетании с тем фактом, что почти все случаи касаются пациентов, которые не отреагировали на антибиотики, убедительны.
Помимо упоминания того, что законодательство Техаса позволяет врачам использовать «натуральные вещества», такие как фаги, в дополнение к (но не вместо) стандартной медицинской практике, Куичмент говорит: «В июне 2009 года исследование [доктора Рэндалла Уолкотта] было опубликовано в журнале Journal of Wound Care».