Реферат на тему бактериофаги в микробиологии и медицине

Реферат на тему бактериофаги в микробиологии и медицине
Бактериофаги (греч. phagos - пожирающий, лат. bacteriophaga - разрушающий бактерии) - это
вирусы бактерий, обладающие способностью специфически проникать в бактериальные клетки,
репродуцироваться в них и при выходе потомства вызывать в большинстве случаев разрушение
(лизис) бактерий. Бактериофаги широко распространены в природе и обнаруживаются в воде,
почве, сточных водах, организме человека и животных, а также в культурах бактерий.
Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, строению
фаговой частицы, морфологии негативных колоний, характеру взаимодействия с микробной
клеткой. Классические, так называемые «хвостатые» фаги, составляют основную массу
бактериофагов (96 %).
Растущая антибиотикорезистентность бактерий — серьезная угроза для здравоохранения. В этих
условиях актуален поиск альтернативных антимикробных препаратов, и бактериофаги — одни из
них.
ФАГОТЕРАПИЯ как открыли: Как и многие научные открытия, первое знакомство ученых с
бактериофагами произошло благодаря случайности. Британский исследователь Фредерик Уильям
Туорт (рис. 1, 2а) загорелся идеей вырастить на бесклеточной питательной среде вирус
осповакцины (в то время не знали, что с вирусами так не получится). В 1913 году он решил
культивировать вирус на бесклеточных средах, для чего использовал осповакцину, по случайности
контаминированную стафилококками. Вирусы осповакцины в чашках Петри так и не появились, но
Туорт заметил другой загадочный эффект: некоторые колонии стафилококков получились
полупрозрачными. В них не было бактерий, но присутствовали какие-то мелкие частицы —
видимо, остатки клеток. Когда Туорт переносил стекловидные колонии на свежие, те также
превращались в «призраков». Британский ученый так и не понял, что же случилось, он лишь
выдвинул три гипотезы. Возможно, стафилококков разрушил некий вирус; либо фермент,
выделившийся из погибших клеток; либо какой-то другой «живой» фермент, способный
воспроизводить сам себя. Как мы теперь знаем, одна из этих догадок попала точно в цель. Туорт
первым предположил, что это вирусы, но, как и его современники, не понимал, что они собой
представляют и как «работают».
Исторически сложилось, что СССР занимал лидирующие позиции в области производства и
применения лечебно-профилактических бактериофагов. Применение бактериофагов при лечении
инфекционных заболеваний началось почти сразу после открытия самих бактериофагов, однако
широкие испытания этих противобактериальных средств начали проводиться в СССР только в
конце 1930-х гг. В результате была доказана эффективность препаратов бактериофагов как
профилактического средства при борьбе с эпидемиями дизентерии и холеры, а использование их
при лечении ран и гнойно-воспалительных процессов показало их потенциал как альтернативы
антибиотикам. Секция 5 «Математические и естественные науки» 350 Однако результаты
исследований тех времен были зачастую противоречивы: иногда фаги сразу подавляли развитие
инфекционных процессов, но иногда оказывались бесполезными. Специалисты сразу поняли, в
чем причина: лечение было успешным лишь тогда, когда использовались фаги, способные
инфицировать именно тот бактериальный штамм, который и вызвал заболевание. Поэтому при
возникновении эпидемии требовалось выделить инфекционный агент, проверить на нем
имеющиеся фаговые препараты и запустить в производство в качестве препарата наиболее
эффективный бактериофаг. С появлением антибиотиков интерес к фагам был утрачен, но после
появления антибиотикоустойчивых штаммов бактерий в разных странах начали разрабатывать
фаговые препараты и вновь проводить их испытания
Продукты с бактериофагами
Коммерческая лаборатория под руководством Ф. д’Эрелля в Париже в начале 20-х годов прошлого
века произвела пять фаговых препаратов против различных инфекций [17]. Их продавцом
выступила компания, впоследствии ставшая крупным производителем косметических продуктов,
— L’Oreal.
Преимущества бактериофагов: 1. Бактериофаги способны уничтожать бактерии, устойчивые к
антибиотикам. 2. Бактериофаги не ослабляют иммунитет. 3. Бактериофаги способны нацеливаться
на определенный патоген, не затрагивая нормальную бактериальную микрофлору. 4. Естественная
коэволюция бактерий и фагов может облегчить получение новых литических фагов против
фагоустойчивых бактерий, появляющихся в результате действия других фагов или естественных
изменений в бактериальных популяциях. 5. Бактериофаги подходят для людей любого возраста. 6.
Бактериофаги не вызывают аллергических реакций [4]. Заключение. Бактериофаги недостаточно
использовались в течении столетия из-за успеха антибиотиков в борьбе с микроорганизмами. В
настоящее время резистентность бактерий ставит вопрос о необходимости поиска альтернатив
антибиотикам. Фаги изучаются микробиологами, вирусологами и генетиками уже 100 лет, и теперь
многие рассматривают фагов как альтернативу для лечения инфекционных заболеваний. Они
признаны безопасными и благодаря механизмам коэволюции с бактериями никогда не потеряют
своей актуальности.
9. Недостатки бактериофагов
1. Бактериофаги обладают узким спектром действия, т.е. способны воздействовать только на
определенную мишень. Это является недостатком в том случае, когда необходимо
воздействие на несколько видов бактерий.
2. Бактериологическое исследование биологического материала больного пациента для
фаготипирования требует множество затрат и большое количеств времени.
3. Некоторые бактериофаги инактивируются под воздействием различных факторов в
жидкостях организма.
Впервые бактериофаги в медицине начали активно использоваться в нашей стране во время ВОВ.
Русский ученый Зинаида Ермольева во время работы в Ташкентском институте вакцин и сывороток
разработала препарат, содержащий 19 видов бактериофагов, в том числе холерный,
брюшнотифозный и дифтерийный. Она с успехом испытала разработанные ею препараты
холерных бактериофагов, когда возникла угроза эпидемии холеры во время Сталинградской
битвы. Ежедневно препараты бактериофагов получали около 50 тысяч человек [5].
После войны в СССР было налажено промышленное производство фаговых препаратов, которое
действует и в настоящее время. На данный момент в России зарегистрировано и используется 13
бактериофаговых препаратов [6]:
1. Секстафаг ®, пиобактериофаг поливалентный жидкий
Препарат показан для лечения и профилактики заболеваний, вызванных стафилококками,
стрептококками, протеями, клебсиеллами, синегнойной и кишечной палочкой
2. Интести-бактериофаг
Препарат применяется для лечения и профилактики заболеваний, вызванных стафилококками,
стрептококками, протеями, клебсиеллами, синегнойной и кишечной палочкой
3. Пиобактериофаг поливалентный очищенный
Препарат показан для лечения и профилактики различных форм гнойно-воспалительных и
энтеральных заболеваний
4. Пиобактериофаг комплексный жидкий
Препарат показан для лечения гнойно-воспалительных заболеваний, обработки операционных и
свежеинфицированных ран
5. Бактериофаг стрептококковый
Препарат показан для лечения и профилактики заболеваний, вызванных бактериями Streptococcus
6. Бактериофаг дизентерийный
Препарат показан для лечения и профилактики бактериальной дизентерии
7. Бактериофаг стафилококковый
Препарат показан для лечения и профилактики гнойно-воспалительных и энтеральных
заболеваний
8. Бактериофаг псевдомонас аеругиноза (синегнойный)
Препарат показан для лечения и профилактики заболеваний, вызванных синегнойной палочкой
9. Бактериофаг сальмонеллезный групп A,B,C,D,E
Препарат показан для лечения заболеваний, вызванных сальмонеллами
10. Бактериофаг клебсиелл поливалентный очищенный
Препарат показан для лечения и профилактики заболеваний, вызванных бактериями Klebsiella
pneumoniae, Klebsiella ozaenae, Klebsiella rhinoscleromatis
11. Бактериофаг коли
Препарат показан для лечения и профилактики заболеваний, вызванных бактериями E.coli
12. Бактериофаг протейный жидкий
Препарат показан для лечения и профилактики гнойно-воспалительных и энтеральных
заболеваний, вызванных бактериями P. vulgaris и P. mirabilis
13. Бактериофаг протейный жидкий
Препарат показан для лечения и профилактики гнойно-воспалительных и энтеральных
заболеваний, вызванных бактериями P. vulgaris и P. Mirabilis
6. Устойчивость бактерий к фагам
В микромире имеется огромное количество бактерий и бактериофагов. Если бы бактерии не
имели иммунитет к воздействию фагов на их клетку, то они бы давно вымерли. Этого не
происходит, потому что бактерии имеют определенные механизмы защиты (рис. 5).
Устойчивость бактерий к фагам
Система
рестрикциимодификации
Система
токсинантитоксин
CRISP/Cas
Рис.5. Виды систем устойчивости бактерий к фагам (по материалам [7]).
1. Система рестрикции-модификации
Данная система бактерий является ферментативной: она разрушает попавшую в клетку ДНК
бактериофага. Одна из ферментных систем модифицирует ДНК бактериальной клетки, после чего
ферменты ограничения определяют, что это ДНК хозяина. Другая ферментная система рестрикции
разрушает неприемлемую ДНК, если она не прошла соответствующей модификации, т.е. является
“чужой” и должна быть разрушена. Таким образом, когда впрыскивается фаг, белок распознает не
модифицированную ДНК и разрезает молекулу фага, а собственная модифицированная
хромосома бактерии защищена [3].
Однако некоторые бактериофаги случайно мутируют, и система рестрикции-модификации не
может распознать бактерофаг. Благодаря этому фаги, которые мутировали, стали неуязвимы к
бактериальной защите.
2. Система токсин-антитоксин
Бактерии имеют белки, которые продуцируют токсин – он ядовитый, его в клетке мало, но
молекулы токсина “живут” долго. Также есть белки, которые продуцируют антитоксин – он может
связаться с токсином и его заингибировать. Его в клетке много, но молекулы антитоксина “живут”
мало.
Когда бактериофаг заражает бактериальную клетку, но он меняет все клеточные механизмы на
синтез фаговых частиц, в том числе и механизмы синтеза токсина и антитоксина. Бактериальная
клетка перестает продуцировать молекулы токсина и антитоксина, но т.к. токсин “живет” долго, то
он до сих пор остается в больших количествах в клетке, а антитоксина уже остается очень мало.
Таким образом, токсин отравляет клетку, и она умирает, не успев сделать новых фагов. Данная
система очень полезна, т.к. бактерии живут колониями, и, если зараженная бактериальная клетка
погибнет, не успев сделать новых фагов, то она предотвратит заражение других бактериальных
клеток [7].
3. CRISP/Cas
Бактериальная клетка для опознавания фага использует собственные фрагменты ДНК фага. Набор
фрагментов в геноме бактерий состоит из фрагментов фагов. Вирус, проникая в клетку бактерии,
обнаруживается с помощью Cas-белков, связанных с CRISP РНК. Если фрагмент ДНК этого фага уже
записан в CRISP РНК бактериальной клетки, то Cas-белки разрезают вирусную ДНК, уничтожая ее.
Если же фрагмент ДНК неизвестного бактерии фага не записан в CRISP РНК бактериальной клетки,
то этот фрагмент вырезается и вставляется в ее геном. ДНК бактериальной клетки наследуют и
дочерние клетки, которые уже могут опознавать определенные бактериофаги [7].