Природа, морфология и основные свойства бактериофагов. Механизм действия их на бактериальную клетку. Применение их в диагностике, лечении и профилактике болезней

Природа, морфология и основные свойства бактериофагов. Механизм действия их на бактериальную клетку. Применение их в диагностике, лечении и профилактике болезней

ФГОУ ВПО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии

РЕФЕРАТ

на тему: Природа, морфология и основные свойства бактериофагов. Механизм действия их на бактериальную клетку. Применение их в диагностике, лечении и профилактике болезней

Студентки 2-го курса 21-й группы

Генрих Елены Валерьевны

Проверил преподаватель:

Приходько Елена Игнатьевна

Санкт-Петербург

2008 год

Введение

Бактерии, резистентные к большинству или ко всем из всех известных антибиотиков, вызывают всё более серьезные проблемы. Это увеличивает риск возврата человечества к проблемам того периода, когда антибиотики были неизвестны, когда были широко распространены неизлечимые инфекции и эпидемии. Несмотря на интенсивную работу фармацевтических компаний, за последние 30 лет не было найдено новых классов антибиотиков. Есть надежда, что вновь обнаруженная возможность полностью секвенировать микробные геномы и определять молекулярные основы патогенности откроет новые пути лечения инфекционных заболеваний, но с всё большим рвением идет поиск других подходов к этой проблеме. Одним из результатов такого поиска является вновь возникший интерес к возможностям терапевтического использования бактериофагов (от бактерии и греч. phagos -- пожиратель; буквально -- пожиратели бактерий) - специфических вирусов, которые атакуют только бактерии и убивают патогенные микроорганизмы. Для обозначения фагов вызывающих лизис актиномицетов, применяется термин актинофаг, микобактерий-- микофаг, кишечной палочки -- колифаг, водорослей -- цианофаг и т.д.

Фаговая терапия была впервые разработана в начале этого века и казалась многообещающей, хотя и вызвала много споров. Вначале много внимания уделялось изучению фагов, активных против патогенных бактерий: дизентерийной, брюшнотифозной, дифтерийной палочек, стафилококков с целью выяснения возможности использования их для лечения и профилактики инфекционных заболеваний. Одновременно много внимания уделялось изучению природы фагов. С начала эры антибиотиков в 40-х гг. в западных странах ее использовали мало. Однако в Восточной Европе за последние 50 лет были проведены широкие клинические исследования в отношении фаговой терапии. Результаты этой работы хорошо дополняют ограниченные изыскания последних лет, проведенные на животных на Западе. В последние годы проблема бактериофагии фактически превратилась в самостоятельную область биологии со своими специфическими разделами. Это придает оптимизм в том отношении, что фаги могут, в самом деле, играть важную роль в борьбе с инфекциями, вызываемых микробами, резистентность которых к лекарственным средствам растет.

Фаги оказались весьма удобной моделью для разрешения ряда важнейших теоретических и практических вопросов общей биологии, генетики, молекулярной биологии, биохимии, а также медицины, ветеринарии и вирусологии.

В результате большого теоретического и практического значения проблемы бактериофагии за последние 10--20 лет фаги изучались весьма интенсивно и всесторонне.

История бактериофагов

1896: Эрнест Ханкин сообщил, что воды рек Ганга и Джамна в Индии обладают значительной антибактериальной активностью, которая сохранялась после прохождения через фарфоровый фильтр с порами очень малого размера, но устранялась при кипячении. Наиболее подробно изучал он действие неизвестной субстанции на Vibrio cholerae и предположил, что она ответственна за предупреждение распространения эпидемий холеры, вызванных употреблением воды из этих рек. Однако, в последующем, он не объяснил этот феномен.

1898: Впервые перевиваемый лизис бактерий (сибиреязвенной палочки) наблюдал русский микробиолог Н.Ф. Гамалея.

1915: Английский учёный Ф. Туорт описал это же явление у гнойного стафилококка и открыл первый «вирус, пожирающий бактерии» , когда он наблюдал любопытное дегенеративное изменение - лизис в культурах стафилококков из лимфы теленка. С его именем связано название «феномен Туорта».

1917: Феликс д'Эрель делает аналогичное открытие, Именно Феликс д'Эрель канадский сотрудник Института Пастера в Париже, дал им название “бактериофаги” - используя суффикс “фаг” не в его прямом смысле “есть”, а в смысле развития за счет чего-то (д'Эрель, 1922, р. 21), они стали главной частью работы всей его жизни.

Д'Эрель, микробиолог, преимущественно самоучка, провел 10 лет в Гватемале, Мексике и Аргентине. Там он имел дело с эпидемиями дизентерии, желтой лихорадки и грибков кофейных деревьев, для контроля чумы саранчи он выделил из умирающей саранчи бактерию, а также исследовал несколько интересных загадок брожения. Всё это было хорошей подготовкой к его более поздней работе с фагами и интересно изложено в Summers (1999). В Институте Пастера он проводил кропотливое исследование метода приготовления вакцины с помощью модельной системы - “B. typhimurium” на её природном хозяине мыши, поскольку был твердо убежден в том, что значимые данные об иммунитете и патогенности можно получить только при использовании природных хозяев. В свободное время он также продолжал обследовать дизентерийных больных - частую проблему в воевавшей Франции. Из фекалий нескольких из этих больных он выделил анти-шигелловый “микроорганизм”, который был размножен путем многочисленных серий пассажей на бактерии-хозяине и мог образовывать небольшие чистые круги на газоне этих же бацилл шигеллы ('Эрель, 1917).

Д'Эрель продолжал тщательно характеризовать бактериофаги как вирусы, которые размножаются в бактериях и разрабатывать подробности инфекции различными фагами разнообразных бактерий-хозяев в разных условиях окружающей среды, всегда объединяя в своей работе природные феномены и лабораторные данные, для лучшего понимания иммунитета и естественного (самопроизвольного) излечения от инфекционных заболеваний (Summers, 1999). На Девятнадцатом ежегодном заседании Британской Медицинской Ассоциации в Глазго прошла очень интересная дискуссия между д'Эрель, Twort и несколькими другими выдающимися учеными того времени о природе и свойствах бактериофагов (d'Herelle et al, 1922). Главный её вопрос: является ли причинной основой лизиса бактерий, вырабатываемый ими фермент или это особая форма мельчайшего вируса с некоторым родом собственной жизни, как заявлял д'Эрель. Этот спор продолжался много лет, разделяя людей, работающих с фагами, которых становилось все больше и больше.

Д'Эрель суммировал начальный этап работы с фагами в 300-страничной книге “Бактериофаг” (1922). Он провел классические описания образования бляшек и состава, инфекционных центров, литических процессов, специфической адсорбции на бактерии-хозяина и размножения, зависимости продукции фагов от конкретного состояния бактерии-хозяина, выделения фагов из источников инфекционных бактерий и факторов, регулирующих стабильность внеклеточного фага. Он быстро увлекся очевидной ролью фагов в природном контроле микробных инфекций. Он, например, отметил частое выявление у выздоравливающих больных фагов, специфичных в отношении микроорганизмов, вызвавших заболевание и довольно быстрое по времени изменения популяций этих фагов. Всю свою жизнь он посвятил, разработке возможности применения фагов, полученных путем надлежащей селекции, как средства для лечения заболеваний, наиболее подрывавших здоровье людей в те годы. Вначале, однако, он сосредоточился на простом понимании биологии фагов. По этому первое известное сообщение об успешной фаговой терапии поступило не от д'Эрель, а от Bruynoghe и Маisin (1921), которые использовали фаг для лечения стафилококковых инфекций кожи.

Через год, будучи в институте Пастера в Сайгоне, д'Эрель оказался в тяжелом материальном положении, находясь в конфликте и имея интеллектуальные разногласия с коллективом института Пастера в Париже. Вскоре он принял предложение переехать в Нидерланды, где ему были обеспечены лучшие условия для работы по лечению инфекционных заболеваний и исследованию свойств бактериофагов. Там он опубликовал свою первую книгу и ряд статей, получил степень доктора медицинских наук .В 1925 г. он стал инспектором службы здравоохранения Лиги Наций, (Александрия, Египет), особо уполномоченным за борьбу с инфекционными заболеваниями на кораблях, проходящих по Суэцкому каналу и во время некоторых крупных мусульманских паломничеств. Фаговая терапия и санитарные мероприятия были главными средствами в его арсенале борьбы с крупными вспышками инфекционных заболеваний на Среднем Востоке и в Индии. В течение всего этого периода он продолжал публикации о своем исследовании и клинических испытаниях, оказывал помощь и давал консультации желающим изучать фаги, часто предпринимая длительные путешествия за свой счет. Одно из наиболее обширных исследований фаговой терапии, проведенное с его помощью, было Исследование Бактериофагов в 1927-1936 гг. (Summers, 1993), закончившееся тем, “что результаты, подтвержденные августейшей комиссией, кажутся убедительными” и хотя все еще остается много скептиков в отношении фаговой терапии, эти исследования заслуживают тщательного изучения.

В 1928 г. д'Эрель был приглашен в Стэнфорд, чтобы прочитать престижные лекции - Lane Lectures; его дискуссия “Бактериофаг и его клинические применения” была опубликована в виде монографии (d' Herelle and Smith, 1930). Во время поездок по стране он прочел множество лекций в медицинских институтах и обществах. Затем он отправился в Йель, чтобы занять постоянную должность на факультете, организованную при поддержке George Smith, который перевел первые две его книги на английский язык. Он продолжал проводить летний период в Париже, работая в организованной им фаговой компании, которой руководил его зять. Компания была создана в ответ на большие потребности в высококачественных фаговых препаратах; этот период особенно хорошо описан Summers (1999). В 1933 г. д'Эрель возвратился в Европу на постоянное жительство, проводя много времени в следующие два года в Тифлисе (Тбилиси), Грузия, помогая в организации Международного Института Бактериофагов.

С самого начала, одним из главных направлений практического применения фагов была идентификация бактерий путем процесса, называемого фаготипирование - идентификации штаммов микробов с помощью определения спектра чувствительности к специфическому набору фагов. Эта методика обладает преимуществом в виду высокой специфичности многих фагов в отношении их хозяев и по-прежнему широко используется во всем мире. Высокоспецифичная способность фагов уничтожать свои бактерии-хозяева может также оказать негативный коммерческое эффект: случайное заражение фагом может быть катастрофическим для различных бродильных производств, использующих микробные технологии, таких, как производство сыра и ферментативный синтез химических веществ и вызывать финансовые бедствия

Фаговая терапия испытывалась широко, были сообщения о многочисленных успехах ее при ряде заболеваний включая дизентерию, брюшной тиф и напоминающую брюшной тиф лихорадку, холеру, пиогенные инфекции и инфекции мочевых путей. Фаги непосредственно наносили на место поражения, давали внутрь либо применяли в виде аэрозолей или клизм. Их также вводили в виде инъекций внутрикожно, в сосуды, внутримышечно, интрадуоденально, внутрибрюшинно даже внутрь легких, в сонную артерию и перикард. Сильный интерес к фаговой терапии на раннем этапе нашел отражение в том, что на эту тему опубликовано около 800 статей с 1917 по 1956 г; результаты были довольно разнообразными и подробно освещены Ackerman и Dubow (1987). Многие врачи и предприниматели очень заинтересовались возможным клиническим применением фагов и перескочили к использованию, имея как слабое представление о них самих и о микробиологии, так и дефицит базовых научных знаний вообще. Таким образом, многие из этих исследований были плохо контролируемыми или вовсе анекдотичными, многие неудачи были предсказуемыми, а в описании некоторых успехов не доставало научного смысла. Часто фаги с неизвестными свойствами, в неизвестных концентрациях давались больным без специфичного бактериологического диагноза, при этом не было никакого упоминания о катамнезе, контроле или плацебо.

На раннем этапе работы с фагами игнорировалось многое из того, что удалось понять д'Эрель часто использовались неправильные методы приготовления, “консервирования” и хранения. В одном случае д'Эрель описал испытание 20 препаратов изготовленных различными компаниями, в ходе которого выяснилось, что ни один из них не содержал активные бактериофаги (Summers, 1999).

В другом случае препарат рекламировался как содержащий ряд различных фагов, но, как оказалось, ответственный технолог решил, что легче выращивать их в виде одной большой партии, чем отдельно. Неудивительно, что проверка продукта выявила подавление одним фагом всех остальных, и препарат фактически не был поливалентным. Так был получен фаг Т7, РНК-полимераза которого сейчас играет большую роль в биотехнологии (личное сообщение William Summers). В целом, исключая несколько исследовательских центров, контроль качества не производился. Крупные клинические исследования были редкостью, и результаты этих немногих работ были большей частью недоступны за пределами Восточной Европы.

В 1931 г. Советом по Фармации и Химии Американской Медицинской Ассоциации был подготовлен обширный обзор по фаговой терапии (Eaton and Bayne-Jones, 1931). Его целью было: “(а) представить резюме и обсуждения (1) экспериментально установленных фактов, связанных с феноменом бактериофагов, (2) лабораторных и клинических данных "за" и "против" терапевтической применимости бактериофагов и (3) выявить имеет ли отношение так называемый антивирус к материалам, содержащим бактериофаги и (б) служить основой для изучения свойств некоторых коммерческих препаратов”. Этот отчет, имевший 150 ссылок, был крупнейшей попыткой обзора, по крайней мере, тех статей и обзоров, которые рассматривались как наиболее значимые. Оценивая этот отчет, важно понять, насколько мало было известно тогда о бактериофагах. Фактически первым заключением было: “Экспериментальные исследования литического агента, названного “бактериофагом”, не раскрыли его природы. Теория д'Эрель о том, что этот материал является живым вирусом, паразитирующим в бактериях, не доказана. Напротив, факты указывают на то, что этот материал неживой, возможно является ферментом”. В ретроспективе доказательство того, что фаги являются вирусами, выглядит веско, и трудно понять‚ как можно было придти к такому заключению, явно повлиявшему на все остальные. Они включали в себя следующее:

1) Поскольку окончательно не показано, что бактериофаг является живым организмом, не обосновано объяснять его действия на культуры бактерий или его возможное терапевтическое действие свойствами живого вещества. 2) В то время как в [бактериальной] культуре бактериофаг растворяет чувствительные бактерии и вызывает многочисленные модификации микроорганизмов, его литическое действие в организме ингибируется или сильно затрудняется кровью и другими жидкостями тела. 3) Материал, называемый бактериофагом, обычно является фильтратом лизированных микроорганизмов, содержащим, в дополнение к литическому началу, антигенные бактериальные вещества, продукты бактериального роста и составляющие культуральной среды. Эффект всех этих компонентов необходимо принимать во внимание всякий раз, когда испытывается терапевтическое действие. 4) Обзор литературы об использовании бактериофагов в лечении инфекций выявил, что обоснование терапевтической значимости литических фильтратов является большей частью спорным. Только при лечении местных стрептококковых инфекций и, возможно, цистита, представлены вполне убедительные данные”.

Эта оценка явно оказала сильное влияние на инвестирование серьезных исследований фаговой терапии медицинской общественностью, по крайней мере, в Соединенных Штатах. Поднятые вопросы, по-прежнему требуют рассмотрения, как, в отношений многих описанных здесь исследований на животных или на людей, которые, казалось, были малоуспешными или безуспешными, так и в отношении таких возможно неправильных объяснений успехов, как сильная стимуляция естественных иммунных механизмов продуктами распада бактерий, содержащимися в используемых лизатах. Далее в 40-х гг. стали широкодоступны новые “чудесные” антибиотики, такие как пенициллин, и Западный мир большей частью отказался от фаговой терапии.

Специфическе проблемы ранних работ по фаговой терапии

Сегодня многие полагают, что в первой половине этого века была показана неэффективность фаговой терапии. Однако получилось так, что она просто не исследована в полной мере и должным образом, так что иная ее оценка вполне оправдана. По этому важно рассмотреть во всех деталях как возможные причины проблем раннего периода, так и вопросы касающиеся эффективности, а именно:

1) Недостаточность понимания гетерогенности и экологии как фагов, так и вовлеченных бактерий.

2) Неудача в селекции фагов, высоко вирулентных против бактерий-мишеней, до их использования у больных.

3) Использование моно фагов при инфекциях, вызываемых несколькими различными бактериями.

4) Появление резистентных штаммов бактерий. Они могут возникнуть путем селекции резистентных мутантов (это часто происходит, при использовании только одного штамма фага против конкретной бактерии) или путем лизогенизации (если используются умеренные фаги, как обсуждается ниже).

5) Неправильная классификация фагов или ошибки в отношении титра препаратов, некоторые из которых были полностью неактивны.

6) Неудача в нейтрализации низких значений желудочного рН при использовании пероральных препаратов.

7) Инактивация бактериофагов специфическими и неспецифическими факторами в жидкостях организма.

8) Высвобождение эндотоксинов вследствие массивного лизиса бактерий внутри организма (что именуется врачами реакцией Herxheimer). Это может привести к токсическому шоку и является потенциальной проблемой также и для химических антибиотиков.

Несмотря на то, что явление бактериофагии интенсивно изучается более пятидесяти лет, на природу фагов нет единой точки зрения, и этот вопрос до сих пор остается спорным. В нашей стране и за рубежом в специальной печати и на конференциях неоднократно возникали горячие дискуссии на эту тему. И это не случайно. Вопрос о происхождении фагов, как и других вирусов, имеет большое значение, так как с ним тесно связано решение многих актуальнейших задач современной биологии: происхождение жизни, возможные формы существования живого; существование живых существ, не имеющих клеточной структуры; происхождение клеточных форм жизни; развитие, изменчивость и видообразование у микроорганизмов и др.

До настоящего времени все еще существуют диаметрально противоположные точки зрения на природу вирусов, в том числе и фагов. По мнению одних ученых, фаги относятся к живым организмам; другие рассматривают их как особые вещества типа ферментов.

Важно отметить, что те исследователи, которые относят фаги к живым организмам, различно трактуют вопрос об их происхождении. Одни исследователи считают, что фаги, как и вирусы человека, животных и растений, произошли от древнейших доклеточных форм, которые в процессе эволюции приспособились к паразитированию в первичных одноклеточных организмах и в дальнейшем эволюционировали вместе со своими хозяевами. Таким путем, как думают эти ученые, возникли фаги микроорганизмов, которые по своему отношению к клетке-хозяину являются паразитами экзогенного, т.е. внешнего, происхождения. Другие же считают, что происхождение фагов связано тем или иным образом с клеткой своего теперешнего хозяина (эндогенное происхождение).

По мнению ученых, рассматривающих фаг как фермент эндогенного происхождения, фаговая частица является продуктом жизнедеятельности микробной клетки. При попадании в клетку фаги вызывают каталитически протекающие процессы образования активного фага, способного разрушать микробную клетку. А размножение фага в клетке происходит приблизительно так же, как образование активного фермента из его неактивного предшественника -- профермента.

Какая же из изложенных точек зрения на природу фага является наиболее приемлемой, исходя из современных знаний о свойствах фага и его взаимоотношений с клеткой-хозяином? Является ли фаг живым существом или это -- вещество подобное ферменту? За последние годы благодаря применению новейших современных методов исследования (электронная микроскопия, меченые атомы) знания о структуре фагов, их химическом составе, особенностях размножения значительно расширились. Фаговая частица оказалась довольно сложно организованной. Она содержит основные химические соединения, свойственные живому организму,-- нуклеиновые кислоты и белок. Подобно другим живым существам, фаги способны изменять все свои свойства. Поэтому рассматривать их как ферменты нет никаких оснований. Верно, они не обладают собственным обменом веществ. Они являются абсолютными паразитами, живущими полностью за счет клетки-хозяина.

Следовательно, фаги логично рассматривать как особые формы живых существ. Однако вопрос о происхождении фагов пока еще нельзя считать окончательно решенным.

Распространение фагов

В настоящее время найдены, фаги, лизирующие клетки микроорганизмов, принадлежащих ко всем систематическим группам, как патогенных для человека, животных и растений, так и сапрофитных (непатогенных).

До недавнего времени не было ясно, существуют ли фаги против плесневых грибов и дрожжей. В последние годы найдены фаги, активные против грибов родов пенициллов, аспергил-лов и других, а также против некоторых дрожжей. Интересно отметить, что вирус удалось выявить и у тех видов пенициллов, которые применяются в промышленности для получения пенициллина. Не выявлены вирусы, активные против простейших животных, а также истинных спирохет.

В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, вода, выделения человека и животных и т. д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нем встречаются соответствующие фаги. Так, фаги, лизирующие клетки всех видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно богаты фагами черноземы и почвы, в которые вносились органические удобрения. Фаги, активные против разных видов кишечной, дизентерийной, тифозной и паратифозной палочек, часто встречаются в содержимом кишечника человека и животных, сточных водах и загрязненных водоемах. Фаги фитопатогенных микроорганизмов успешнее всего выделяются из остатков растений, пораженных этими микробами

Итак, те субстраты, на которых развиваются определенные формы микроорганизмов, также благоприятны для существования соответствующих фагов.

Иллюстрация 1: Escherichia coli атакуемая фагами

Применение современных электронных микроскопов, а также усовершенствование методов приготовления препаратов для электронной микроскопии позволили более детально изучить тонкую структуру фагов. Оказалось, что она весьма разнообразна и у многих фагов более сложна, чем структура вирусов растений и ряда вирусов человека и животных.

Иллюстрация 2: Морфологические типы фагов

Разные фаги отличаются друг от друга не только по форме, величине и сложности своей организации, но и по химическому составу. Оказалось, что фаги, лизирующие микроорганизмы различных групп, могут быть вполне идентичными по своей морфологии. В то же время фаги, активные против одной и той же культуры, могут резко различаться по своей структуре. Так, например, среди фагов, способных лизировать разные штаммы кишечной палочки, выявлены все известные морфологические типы фагов.

Страницы: 1, 2, 3