Bakteriofagi (fagi) to wirusy bakteryjne, które specyficznie infekują i niszczą bakterie poprzez lizę komórki. Odkrycie tych cząstek przypisuje się niezależnie dwóm naukowcom, Frederickowi Twortowi (1915) oraz Felixowi d’Herelle’owi (1917). Ważność odkrycia i jego potencjalne znaczenie właściwie ocenił jedynie d’Herelle, który natychmiast dostrzegł w badanych „czynnikach śmierci bakterii” potencjalny nowy lek na choroby. Oczywistym następstwem były zapoczątkowane przez d’Herelle’a próby terapii fagowej, czyli metody wykorzystującej fagi do leczenia bakteryjnych chorób infekcyjnych. Wyniki były znakomite. Nowa terapia okazała się skuteczna w leczeniu dżumy i dyzenterii.
    Pomimo obiecujących początków i zainteresowania lekarzy terapia bakteriofagowa nie podbiła całego świata. Metody terapii bakteriofagowej rozwijały się bardzo wolno po części z braku odpowiednich technik i narzędzi analitycznych. Tymczasem pojawiły się sulfonamidy, a wkrótce po nich około roku 1940 rozpoczęła się era antybiotyków, która trwa do dziś. Prace nad terapeutycznym zastosowaniem bakteriofagów kontynuowano na wschodzie Europy oraz w Związku Radzieckim, gdzie powstał dedykowany badaniom nad terapią bakteriofagową Instytut.
    Antybiotykoterapia, która skutecznie doprowadziła do ograniczenia śmiertelności związanej z bakteryjnymi chorobami infekcyjnymi, natrafiła na przeszkodę w formie coraz częstszego występowania patogennych bakterii opornych na wiele antybiotyków. Wielolekooporność izolowanych bakterii stała się motywacją dla społeczności naukowej do reewaluacji terapii fagowej infekcji bakteryjnych, których nie można wyleczyć konwencjonalną chemioterapią.

Podziały bakteriofagów
    Ze względu na morfologię, rodzaj materiału genetycznego oraz obecność dodatkowych składników, takich jak lipidy, bakteriofagi klasyfikujemy w 13 rodzinach Około 96% poznanych fagów to fagi „ogonkowe” zbudowane z ikozahedralnej główki i ogonka. Wszystkie te fagi zawierają dwuniciowy DNA i zaliczane są do rzędu Caudovirales składającego się z 3 rodzin: Myoviridae (fagi posiadające kurczliwy ogonek), Siphoviridae (fagi z długimi niekurczliwymi ogonkami) oraz Podoviridae (fagi z bardzo krótkimi ogonkami). Pozostałe 4% stanowią bakteriofagi przypisane do 10 innych rodzin i są to fagi o kształtach sześcianu, włókien lub pleomorficzne.
    Obok klasyfikacji morfologicznej fagi można podzielić, uwzględniając ich cykl życiowy, na dwie grupy. Pierwsza z nich zawiera fagi lityczne (zjadliwe), które podczas cyklu własnej proliferacji doprowadzają do degradacji komórki bakteryjnego gospodarza. Druga grupa to fagi lizogenne (łagodne). Oprócz cyklu litycznego wykazują one dodatkowo cykl lizogenny, podczas którego ich DNA integruje się z DNA gospodarza i przebywa w komórce w uśpieniu. Z punktu widzenia terapii genowej podział ten ma ogromne znaczenie. Zdolność integracji DNA niesie bowiem ze sobą możliwość przeniesienia z jednej bakteryjnej komórki do drugiej informacji genetycznej kodującej czynniki wirulencji, antybiotykooporności, a także toksyn. Wykorzystanie tego typu bakteriofagów w terapii mogłoby przynieść efekt odwrotny do pożądanego, dlatego też terapie oparte na żywych, niemodyfikowanych bakteriofagach mogą wykorzystywać jedynie fagi lityczne.

Próby kliniczne
    W literaturze naukowej istnieje wiele danych potwierdzających skuteczność terapii z użyciem bakteriofagów w dobrze monitorowanych próbach na zwierzętach, które spełniają wszelkie kryteria stawiane obecnie takim badaniom. Już w 1943 roku Rene Dubos z Uniwersytetu Harwardzkiego analizował zastosowanie bakteriofagów w leczeniu eksperymentalnego zakażenia Shigella dysenteriae u myszy, uzyskując spadek wywoływanej tą infekcją śmiertelności z 95% do 28%. W latach 80. ubiegłego wieku H. Williams Smith z zespołem z Instytutu Badań Chorób Zwierzęcych w Wielkiej Brytanii zastosował doustnie bakteriofagi w kilka godzin po wystąpieniu pierwszych objawów chorobowych, co pozwoliło przeżyć wszystkim cielętom zakażonym enteropatogennym szczepem E. coli, który bez leczenia zabijał 80% zwierząt.
    Pisząc o potwierdzonej skuteczności terapii bakteriofagowej, nie można nie wspomnieć o badaniach klinicznych nad tą terapią przeprowadzonych w Instytucie Immunologii i Terapii Eksperymentalnej we Wrocławiu pod kierunkiem profesora Andrzeja Górskiego. Prawie 2000 pacjentów, zainfekowanych różnymi groźnymi dla życia bakteriami (głównie opornymi na antybiotyki), poddano leczeniu bakteriofagami, osiągając pełne wyleczenie na poziomie od 60% do 90% leczonych przypadków. Badania te są często przytaczane jako najlepiej udokumentowane wyniki badań klinicznych zastosowania terapii bakteriofagowej opublikowane w języku angielskim.

Trudności z rejestracją
    Próby kliniczne i publikacje naukowe to jedno, natomiast zarejestrowanie preparatu zawierającego bakteriofagi jako leku i dopuszczeniu go do użytku klinicznego to kwestia odrębna i niezwykle trudna w realizacji. Ciężko jest uzyskać pełen opis struktury molekularnej bakteriofaga na poziomie porównywalnym do zarejestrowanego jako lek białka rekombinowanego. Gdyby nawet taki opis sporządzić, to nie sposób sobie wyobrazić, że będziemy w stanie produkować cząstki fagowe odpowiadające wiernie wzorcowemu fagowi zgłoszonemu do rejestracji. Uniemożliwi to naturalna zmienność genetyczna bakteriofagów, która pozwala im dostosowywać się do ciągle ewoluujących bakterii.
    Niezwykle skomplikowana ze względu na zdolność do samoreplikacji okazuje się farmakokinetyka fagów. Trudno zbudować precyzyjny matematyczny model wyjaśniający oddziaływanie pomiędzy fagiem a komórką gospodarza. Kontrowersje wzbudza również pytanie: „czy istnieje jakiś próg częstości replikacji komórek gospodarza bakteryjnego podczas terapii fagowej?”. Jeśli odnieść się do wymogów opisu stawianych nowym/przyszłym lekom, to uwzględniając powyższe fakty, w obecnym stanie prawnym istnieje poważny problem z zarejestrowaniem preparatu zawierającego bakteriofagi jako lek. Jednak podobnie jak pojawienie się nowych leków biotechnologicznych wymusiło nowe regulacje prawne, również istnienie dostępnej i potwierdzonej wynikami badań naukowych terapii eksperymentalnej może rozpocząć dyskusję, która zakończy się przyjęciem nowych standardów umożliwiających wprowadzenie na rynek nowej kategorii środków leczniczych. Nie czekając jednak na wynik tego procesu, już teraz zalety bakteriofagów można z powodzeniem wykorzystać w preparatach posiadających skuteczną zdolność do ograniczania rozwoju i namnażania się bakterii. Idąc tym tropem warto rejestrować preparaty fagowe jako środki antybakteryjne chroniące żywność, dodatki do pasz czy suplementy diety.
    Obecność bakteriofagów może działać prewencyjnie, chroniąc organizm, otrzymujący przez określony czas cząstki fagowe, przed infekcją bakteryjną. Bakteriofagi jak już wspomniano, nie utrzymują się w organizmie przy braku obecności komórek gospodarza, w kierunku których wykazują specyficzność, co oznacza konieczność stałego dostarczania takiego preparatu chronionemu organizmowi. Nie lekceważąc zagrożeń związanych z ewentualną utratą skuteczności preparatu, w sytuacji nabycia przez bakterie oporności na stosowane fagi i monitorując sytuację, można będzie w stosunkowo niedługim czasie efektywnie i bezpiecznie dla otoczenia stosować bakteriofagi w rolnictwie, weterynarii i w medycynie.

Jedną z zalet stosowania bakteriofagów jest niskie ryzyko wystąpienia objawów niepożądanych, gdyż nie są one aktywne wobec komórek eukariotycznych.

Wczoraj wada, dzisiaj zaleta
    Rozpatrując sam proces przemysłowej produkcji preparatów bakteriofagowych warto zwrócić uwagę na fakt, iż bakteriofagi w przemyśle biotechnologicznym rozważane były do tej pory głównie jako zagrożenie dla procesów biofermentacyjnych. Ze względu na to, że w środowisku występują one wszędzie i w dużej liczbie, to bardzo łatwo o kontaminację opartych na masowych hodowlach bakteryjnych procesów przemysłowych. Szybkość, z jaką bakteriofagi potrafią zniszczyć całą zawartość przemysłowego biofermentora, okazuje się jednak zaletą, kiedy biotechnologicznym celem jest właśnie namnożenie bakteriofagów, które zostaną wykorzystane do wytworzenia preparatów przemysłowych sprzedawanych komercyjnie. Oczywiście w dalszym ciągu istnieje konieczność zadbania o czystość hodowli i uniemożliwienie penetracji do hodowli „dzikim” bakteriofagom z zewnątrz.

Nadzieja w bakteriofagach
    Dostępne publikowane dane pokazują, że odpowiednie administrowanie terapią fagową jest bardzo efektywne w leczeniu i w zapobieganiu wielu rodzajom bakteryjnych infekcji, szczególnie tych wywoływanych przez szczepy wielolekooporne. Produkcja preparatów bakteriofagowych, w postaci dodatków do pasz dla zwierząt czy też suplementów diety również dla ludzi, może być nowym i skutecznym sposobem profilaktyki w walce z różnymi bakteryjnymi patogenami. Nosi też w sobie potencjał szybkiej komercjalizacji, a przez to szerokiej dostępności. Już dzisiaj na rynku istnieje kilka firm zajmujących się opracowywaniem preparatów zawierających fagi, a nawet sprzedażą gotowych zarejestrowanych produktów (tab. 1). Nietrudno sobie wyobrazić, że na skutek ewolucji każdy gatunek bakterii posiada prawdopodobnie swoje bakteriofagi, których nie udało się jeszcze do tej pory wyizolować. Wydaje się więc bardzo pożądane i uzasadnione, by w obliczu rosnącej antybiotykooporności skupić działania na poszukiwaniu i izolacji fagów specyficznych wobec patogenów bakteryjnych, szczególnie tych najgroźniejszych.

Autor: dr Arkadiusz Wojtasik, Proteon Pharmaceuticals

Artykuł został opublikowany w magazynie "Przemysł Farmaceutyczny" nr 4/2011

Źródło fot.: Justyna Andrysiak