Bio-lessons

Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками

Адсорбция бактериофагов на поверхности бактериальной клетки

По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги.
Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла. Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки.

Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс — созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц.

Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги.
Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. В качестве альтернативы фаг может инициировать лизогенный цикл, при котором он вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определённых условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией или индукцией профага. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции.

Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определённого вида, более того, существуют так называемые типовые бактериофаги, лизирующие варианты внутри вида, хотя встречаются поливалентные бактериофаги, которые паразитируют в бактериях разных видов.

Что такое бактериофаги, список препаратов, лечение, преимущества перед антибиотиками

Обновление: Октябрь 2018

Бактериофаги представляют собой вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Их жизнедеятельность и репродукция возможна только внутри бактериальных клеток. Размножаясь внутри клетки, они вызывают разрушение и гибель самой бактерии.

Современная медицина рассматривает их как эффективное, безопасное и совершенное средство в борьбе с опасными, трудно поддающимися терапии бактериальными инфекциями. Но лечение бактериофагами у многих людей вызывает недоверие и страх.

Особенности строения и паразитирования бактериофагов

Бактериофаги представляют большую и разнообразную группу вирусов. Их размеры в сто раз меньше размеров бактериальных клеток. При многократном увеличении структура фагов поражает своим разнообразием, некоторые из них похожи на кристаллические комплексы, причудливо извитые между собой.

Являясь внутриклеточными вирусными паразитами, они избирательно уничтожают определенные бактериальные клетки. Они лишены клеточного строения и состоят только из генетического материала, покрытого наружной белковой оболочкой. Это вынуждает их искать подходящие клеточные комплексы, чтобы активно размножаться внутри них.

Среда обитания бактериофагов

Бактериофаги присутствуют везде, где живут бактерии, поэтому среда их обитания разнообразна. Это может быть организм человека, воздушная и водная среда, почва, пищевые продукты, одежда и т.д.

Механизм действия

Бактериофаг внедряется в бактериальную клетку лишь с одной целью – использовать ее клеточные структуры для собственного размножения. Для этого умный вирус впрыскивает в тело бактерии собственную генетическую информацию.

Бактерия же начинает по установленной фагом программе синтезировать нехарактерные для нее частицы, из которых впоследствии осуществляется сборка новых бактериофагов.

От бактериальной клетки остаются одни обломки, через которые выходит 100-200 синтезированных фагов, способных к дальнейшему поражению соседних бактериальных клеток.

В естественной среде бактериофаги играют важнейшую роль природных регуляторов количества патогенных микробов.

Сферы применения бактериофагов

Помимо медицинской отрасли, они нашли свое применение и в других важных направлениях.

• В сельском хозяйстве —  успешно применяются для предупреждения и лечения растений и животных от бактериальных инфекций.
• В генной инженерии — эти маленькие вирусные структуры используются для естественного обмена генами между различными бактериями, что позволяет изменять первоначальную структуру бактериальной ДНК в нужном направлении.

Преимущества бактериофагов перед антибиотиками:

• Не угнетают иммунитет человека;
• Сочетаются абсолютно со всеми лекарственными препаратами, даже с антибиотиками, усиливая их действие;
• Не вызывают привыкания;
• Не приводят к выработке устойчивости бактериальных культур к фагам;
• Помогают в лечении вялотекущих бактериальных инфекций, малочувствительных к антибиотикам;
• Действуют избирательно, не уничтожая полезную бактериальную флору;
• Не имеют противопоказаний к лечению.

Их используют в лечении различных инфекций бактериальной природы. Поскольку размножение фагов происходит исключительно в бактериях, никакого вреда здоровью они не приносят. Бактериофаги действуют избирательно, поражая бактерии определенной группы. Наиболее широко используется стафилококковый бактериофаг, эффективный в лечении хронических стафилококковых инфекций и бактерионосительства.

Список препаратов бактериофагов

• Сальмонеллезный для приема внутрь 100мл — 650-800 руб
• Коли бактериофаг 20мл. 4 шт. 400-800 руб, колипротейный для приема внутрь 100мл — 650-800 руб.
• Стрептококковый для приема внутрь, местного и наружного применения 20 мл. 4 шт. — 750-800 руб.
• Клебсиелл поливалентный для приема внутрь 20 мл.

  4 шт — 750-800 руб.

• Клебсифаг (клебселл пневмонии) 20мл. 4 шт. 500 руб.
• Дизентерийный поливалентный 80мг. 500 табл. 3400 руб, 20мл. 4 шт -400 руб.
• Протейный бактериофаг 20мл. 4 шт. 500-600 руб.
• Синегнойный бактериофаг/псевдомонас 100мл. и 20мл. 4шт. — 650-700 руб.

Комплексные бактериофаги:

• ИНТЕСТИ комплексный бактериофаг 20мл. 4 шт. и 100мл. для приема внутрь — 800 руб.
• Пиобактериофаг 100 мл. — 800 руб.
• Пиобактериофаг поливалентный очищенный 20мл. 4 шт. — 800 руб.
• Секстафаг Пиобактериофаг поливалентный  20мл. 4 шт. — 750 руб.

Сабук Татьяна Леонидовна врач-гигиенист, эпидемиолог

Можно ли давать препарат детям?

Одним из наиболее безопасных лекарств для лечения различных заболеваний у малышей является бактериофаг комплексный. Его можно применять даже для лечения тяжелых патологий бактериальной этиологии у новорожденных. До 6 месяцев показано давать по 5 мл раствора трижды в сутки. При срыгивании лекарство лучше вводить в организм с помощью клизмы. В этом случае доза увеличивается до 10 мл.

Детям от 6 до 12 месяцев при пероральном применении бактериофага необходимо давать не более 10 мл раствора. Родители малышей отмечают, что в начале терапии часто проявляются побочные явления в виде диареи и срыгивания. Если таких явлений не наблюдается, лекарство можно смешивать с грудным молоком, молочной смесью.

Детям старше 8 лет и взрослым препарат назначают принимать по 30 мл трижды в день. При лечении ран кожный покров необходимо предварительно обработать антисептическим раствором.

При лечении недоношенных детей используют метод высоких клизм с применением специальных катетеров. Длительность лечения бактериофагами будет зависеть от диагноза, поставленного ребенку, и тяжести его состояния. Положительная динамика обычно наблюдается уже через 7-14 дней после начала терапии.

Бактериофаги: список препаратов и цена

Аналоги

Медикаментов сопоставимых с бактериофагами по своей структуре найти невозможно. При замене назначаются препараты сопоставимые по своим свойствам, но с совершенно иными действующими компонентами.

Подбор фармацевтических средств, должен производиться исключительно профессиональным врачом. В некоторых ситуациях стафилококковые средства заменяются на Зивокс, Фосфомицин, Линемакс, Фортераз, Монурал.

При этом следует помнить, что химические препараты имеют гораздо больше побочных эффектов, более негативно влияют на иммунную систему и работу кишечника.

Применение в педиатрии

Эффективным средство окажется и при лечении маленьких пациентов. Бактериофаг коли следует использовать при дисбактериозе, энтероколите, вызванном инфицированием эшерихия коли. Раствор подходит для лечения даже недоношенных малышей. Чаще всего лекарство используют в виде высоких клизм, вводя раствор через газоотводную трубочку или катетер. Процедуру повторяют 2-3 раза в сутки, используя для каждого приема не более 10 мл жидкости.

Пероральное применение возможно только в том случае, если малыш не страдает частым срыгиванием. Раствор смешивают с небольшим количеством грудного молока. Длительность терапии – 5-15 дней. При необходимости бактериофаги сочетают с другими медикаментами в процессе лечения. Вирусы бактерий способны несколько усилить лечебный эффект препаратов и повысить чувствительность болезнетворных организмов.

Бактериофаги: виды и назначение

Применение бактериофагов в медицине обширно, чаще всего используются поливалентные виды, которые содержат целый комплекс активных микроорганизмов. Основные формы:

• Колифаги или просто коли – помогают справиться с кожными воспалениями и инфицированием внутренних органов, вызванных энтеропатогенными кишечными палочками.
• Брюшнотифозные бактериофаги – устраняют недуги, вызванные сальмонеллой и возбудителями брюшного тифа.
• Колипротейные или колипротеофаги – применяются в лечении циститов, кольпитов, пиелонефритов, колитов и других заболеваний, вызванных энтеропатогенными бактериями эшерихий и вирусом протея.
• Клебсиеллезные поливалентные бактериофаги — это комплексное средство, уничтожающее клебсиеллы риносклеромы, пневмонии и озена.
• Дизентерийные поливалентные дизфаги – уничтожают шигеллы Флекснера и Зонне при бактериальных дизентериях.
• Протейный протеофаг – борется с протейными видами специфических микроорганизмов, наподобие вульгариса и мирабилиса, которые являются основной причиной появления гнойных воспалений кишечника.
• Стафилофаги – уничтожают действие стафилококковых микробов, активных при любом гнойном воспалении.
• Клебсиеллы пневмонии, клебсифаги – лечат воспалительные недуги пищеварительной, урогенитальной и дыхательной системы, вызванных клебсиеллами пневмонии.
• Стрептофаг – активно борется с воспалительными инфекциями, вызванные стрептококком.
• Синегнойный – применяется в лечении дисбактериоза, и других инфекций, вызванных синегнойной палочкой.

Классификация бактериофагов

На сегодняшний день насчитывается 19 видов активных форм вирусов. Различаются они по форме, своему строению генома и типу нуклеиновой кислоты. Классификация этих препаратов в медицине различается и по скорости их влияния на активность микроорганизмов:

• умеренные – лишь частично поражают и разрушают болезнетворные бактерии, но вызывают в них существенные изменения, которые передаются при дальнейшем их размножении, не допуская прогрессии вируса;
• вирулентными принято называть те, что попадая в организм, действуют стремительно и очень активно и практически моментально разрушая клетки бактерий, приводя их к гибели.

Читаем

• У ребенка не бывает только один вид искривления позвоночника. Чем старше человек, тем больше факторов влияет на формирование сколиоза. Чаще всего он проявляется в периоды интенсивного роста ребенка и при эмоциональном напряжении.

• Значительную часть «страданий» от недостатка секса люди склонны придумывать себе сами. Психологические мучения вызваны осознанием несоответствия неким «общепринятым» стандартам полноценности.

• Термин «здоровый образ жизни» используется достаточно часто, особенно при рассмотрении распространенных причин различных заболеваний и рекомендаций по недопущению развития болезней и поддержанию хорошего самочувствия.

• Основной задачей восстановительной хирургии орбиты является не только восстановление анатомии глазницы, но и сохранение зрительных функций.

• На сегодняшний день медицине под силу справиться практически со всеми формами женского и мужского бесплодия. Лечение зависит от причины бесплодия и результатов обследования.

Что такое бактериофаги?

Бактериофаги, также известные как фаги, представляют собой вирусы, которые инфицируют и размножаются только в бактериальных клетках. Они повсеместно распространены в окружающей среде и признаны самым распространенным биологическим агентом на Земле. Они чрезвычайно разнообразны по размеру, морфологии и геномной организации. Однако все они состоят из генома нуклеиновой кислоты, заключенного в оболочку из кодируемых фагами капсидных белков, которые защищают генетический материал и опосредуют его доставку в следующую клетку-хозяин. Электронная микроскопия позволила детально визуализировать сотни типов фагов, некоторые из которых имеют «головы», «ноги» и «хвосты». Несмотря на это, бактериофаги неподвижны и зависят от броуновского движения для достижения своих целей.

Как и все вирусы, бактериофаги очень видоспецифичны по отношению к своим хозяевам и обычно заражают только один вид бактерий или даже определенные штаммы внутри вида. Как только бактериофаг прикрепляется к восприимчивому хозяину, он реализует одну из двух стратегий репликации: литическую или лизогенную.

Во время цикла литической репликации фаг прикрепляется к восприимчивой бактерии-хозяину, вводит свой геном в цитоплазму клетки-хозяина и использует рибосомы хозяина для производства своих белков. Ресурсы клетки-хозяина быстро превращаются в вирусные геномы и капсидные белки, которые собираются в несколько копий исходного фага. Когда клетка-хозяин умирает, она активно или пассивно лизируется, высвобождая новый бактериофаг для заражения другой клетки-хозяина.

В цикле лизогенной репликации фаг также прикрепляется к восприимчивой бактерии-хозяину и вводит свой геном в цитоплазму клетки-хозяина. Однако геном фага вместо этого интегрируется в хромосому бактериальной клетки или поддерживается как эписомальный элемент, где в обоих случаях он реплицируется и передается дочерним бактериальным клеткам, не убивая их. Интегрированные фаговые геномы называются профагами, а содержащие их бактерии — лизогенами. Профаги могут вернуться в цикл литической репликации и убить своего хозяина, чаще всего в ответ на изменение условий окружающей среды.

Фаговый дисплей

В наши дни бактериофаги широко применяются также в качестве простых систем для наработки белков с заданными свойствами. Речь идет о разработанной в 1980-х гг. крайне эффективной молекулярно-селекционной методике — фаговом дисплее. Этот термин был предложен американцем Дж. Смитом, который доказал, что на основе бактериофагов кишечной палочки можно создать жизнеспособный модифицированный вирус, несущий на своей поверхности чужеродный белок. Для этого в фаговый геном внедряется соответствующий ген, который сливается с геном, кодирующим один из поверхностных вирусных белков. Такие модифицированные бактериофаги можно выделить из смеси с фагами дикого типа благодаря способности «чужого» белка связываться со специфичными антителами (Smith, 1985).

Из экспериментов Смита последовало два важных вывода: во-первых, используя технологию рекомбинантных ДНК, можно создавать огромные по разнообразию популяции численностью 106–1014 фаговых частиц, каждая из которых несет на своей поверхности разные варианты белков. Такие популяции назвали комбинаторные фаговые библиотеки. Во-вторых, выделив из популяции конкретный фаг (например, обладающий способностью связываться с определенным белком или органической молекулой), можно этот фаг размножить в бактериальных клетках и получить неограниченное число потомков с заданными свойствами.

С помощью фагового дисплея сегодня производят белки, которые могут избирательно связываться с терапевтическими мишенями, например, экспонированные на поверхности фага М13, способные узнавать и взаимодействовать с опухолевыми клетками. Роль этих белков в фаговой частице заключается в «упаковке» нуклеиновой кислоты, поэтому они хорошо подходят для создания препаратов генотерапии, только в этом случае они формируют частицу уже с терапевтической нуклеиновой кислотой.

На сегодня можно выделить два основных направления применения фагового дисплея. Технология на основе пептидов используется для исследования рецепторов и картирования сайтов связывания антител, создания иммуногенов и нановакцин, а также картирования сайтов связывания субстратов у белков-ферментов. Технология на основе белков и белковых доменов — для отбора антител с заданными свойствами, изучения белок-лигандных взаимодействий, скрининга экспрессируемых фрагментов комплементарной ДНК и направленных модификаций белков.

С помощью фагового дисплея можно вносить узнающие группировки во все виды поверхностных вирусных белков, а также в основной белок, формирующий тело бактериофага. Вводя в поверхностные белки пептиды с заданными свойствами, можно получить целый спектр ценных биотехнологических продуктов. Например, если этот пептид будет имитировать белок опасного вируса или бактерии, узнаваемый иммунной системой, то такой модифицированный бактериофаг представляет собой вакцину, которую можно просто, быстро и безопасно наработать.

Если же концевой поверхностный белок бактериофага «адресовать» на раковые клетки, а к другому поверхностному белку присоединить репортерные группы (например, флуоресцирующие или магнитные), то получится средство для обнаружения опухолей. А если к частице присоединить еще и цитотоксический препарат (а современная биоорганическая химия позволяет легко это сделать), то получится лекарство, направленно действующее на раковые клетки.

Одним из важных применений метода фагового дисплея белков является создание фаговых библиотек рекомбинантных антител, где антигенсвязывающие фрагменты иммуноглобулинов расположены на поверхности фаговых частиц fd или М13. Особый интерес представляют библиотеки антител человека, поскольку такие антитела могут быть использованы в терапии без ограничения. В последние годы только на фармацевтическом рынке США продается около полутора десятка терапевтических антител, сконструированных с использованием этого метода.

Правила использования препаратов бактериофага

Существует несколько правил употребления препарата бактериофага:

Перед употреблением встряхнуть флакон и посмотреть, нет ли осадка, если осадок наблюдается, то бактериофаг не годен к применению.

Поскольку раствор бактериофага хранится в холодильнике, то имеет соответственно температуру, гораздо меньшую по сравнению, скажем, с комнатной, поэтому применять его в холодном виде недопустимо.

Чтобы нагреть раствор бактериофага, можно оставить невскрытый флакон на некоторое время при комнатной температуре или, что гораздо быстрее, погреть в руке. Но при этом согревать необходимо тот объем дозы, который собираетесь использовать.

Для этого отобрать шприцом или отлить из флакона необходимое количество бактериофага в небольшую тонкостенную рюмку или меньший по размеру флакон и подержать, зажав в ладони до тех пор, пока не почувствуете, что флакон (рюмка) приобрели другую температуру.

В связи с тем, что препарат содержит питательную среду, то при неаккуратном вскрытии внутрь флакона могут попасть микроорганизмы из окружающей среды, что вызовет порчу или помутнение препарата, поэтому необходимо вымыть тщательно руки, протереть колпачок спиртосодержащей жидкостью, металлический колпачок снять, не трогая при этом резиновую пробку (не снимать вместе с пробкой).

Можно не вскрывая колпачка (проколов иглой резиновую пробку) набирать стерильным шприцом нужную дозу и переливать в чистую емкость (рюмочку или пузырек поменьше), но только ту дозу, которую необходимо употребить (влить назад в исходный флакон остатки раствора нельзя).

В случае снятия резиновой пробки не класть ее внутренней поверхностью на стол или на какие-то иные предметы.

Флакон после отбирания нужной дозы закрывать резиновой пробкой, не хранить открытым, хранить только в холодильнике при указанной температуре.

Закапать раствор бактериофага можно с помощью обыкновенной чисто вымытой пипетки, но не опускать при этом пипетку в общий флакон, а отлить необходимое количество фага в другую емкость.

При полоскании полости рта и горла бактериофаг сильно пенится, поэтому набирают его в рот маленькими дозами.

Препарат бактериофага можно разводить кипяченой водой (комнатной температуры) максимум в два раза при необходимости (например, для того чтобы проверить, нет ли побочных реакций на препарат: высыпаний, тошноты – особенно у детей первых месяцев жизни).

Но разведение водой бактериофага должно быть обоснованным, поскольку при этом меняется концентрация в растворе количества фагов, а для лизиса даже одной бактерии необходимо несколько десятков фагов.

Размножение бактериофага в организме происходит в течение 30 минут и это цепная реакция, которая длится до тех пор, пока в заданном участке не останется ни одной бактерии, поэтому необходимо время не меньше часа, чтобы бактериофаги начали действовать.

Раствор бактериофага применяют для профилактических целей или клинического лечения различных инфекций бактериального характера.

Эти заболевания могут быть как гнойно-воспалительного, так и энтерального направления, но главным условием применения считается присутствие в организме бактерии того рода, на который «заточен» данный вид бактериофага, и штаммы которой предварительно высевают при проведении бактериологических исследований.