Синтетические фаги с программируемой специфичностью
Исследователи ETH используют синтетическую биологию для перепрограммирования бактериальных вирусов — бактериофагов — чтобы расширить их естественный круг хозяев. Эта технология открывает путь для терапевтического использования стандартизированных синтетических бактериофагов для лечения бактериальных инфекций.
Бактериофаги («фаги») — это вирусы, поражающие бактерии. Фаги высокоспецифичны и обычно инфицируют и убивают только отдельные виды или даже подвиды бактерий. В отличие от обычных антибиотиков, фаги не убивают бактерии бесконтрольно. Следовательно, при терапевтическом использовании они не наносят сопутствующего ущерба полезным «хорошим» бактериям в кишечнике. Эта способность нацеливаться только на болезнетворные бактерии делает фаги потенциальной «волшебной пулей» в борьбе с инфекциями, особенно с бактериями, выработавшими устойчивость к антибиотикам.
Однако высокая специфичность фагов — это и недостаток: врачам приходится вводить разные комбинации фагов, чтобы быть уверенными в наличии правильного фага для конкретной инфекции. Это не только ограничивает шансы на стандартизацию фаговой терапии, но и делает поиск фага или комбинации фагов для каждой инфекции трудоемкой задачей. До сих пор фаги сначала нужно было выделить из природной среды, протестировать на соответствующих бактериальных штаммах и, что важнее всего, секвенировать их геномы, чтобы убедиться в их безопасности для человека.
Генетически модифицированные фаги
Под руководством Самуэля Килчера, стипендиата «Ambizione» Швейцарского национального научного фонда, исследователи из Института питания, пищевых продуктов и здоровья (IFNH) ETH Zurich генетически перепрограммировали фаги для создания синтетических фагов, которые распознают и атакуют более широкий спектр бактериальных штаммов, выходящий за пределы их естественного хозяина. Результаты опубликованы в журнале Cell Reports.
На концах хвостов фагов находятся специализированные рецептор-связывающие белки, которые распознают специфические рецепторы на клеточной стенке бактерии-мишени. «С помощью рентгеновской кристаллографии мы расшифровали атомную структуру первого рецептор-связывающего белка фага Listeria, получив структурный чертеж для перепроектирования наших фагов», — говорит ведущий автор Мэтью Данн.
Подобно сборке из кубиков Lego, исследователи собрали новые рецептор-связывающие белки, комбинируя белковые компоненты, полученные от разных фагов, чтобы обеспечить различную специфичность к хозяину. В итоге они генетически модифицировали фаги Listeria своими дизайнерскими рецептор-связывающими белками, получив фаги, которые распознают и убивают новые штаммы бактерии-мишени. Хотя эти дизайнерские фаги атакуют разных новых хозяев, все они имеют один и тот же геном, за исключением гена, кодирующего их рецептор-связывающие белки.
Коктейль фагов как форма терапии
Смесь таких вариантов фагов теперь можно использовать для лечения пациентов. «Мы могли бы охватить широкий спектр хозяев, вводя несколько синтетически произведенных фагов в одном коктейле», — объясняет Килчер. Отличие от коктейля из диких фагов в том, что синтетические можно разрабатывать, производить и адаптировать гораздо более целенаправленно. Выращивание искусственных фагов в чистой культуре не является ни дорогим, ни трудоемким. «Мы можем запрограммировать их соответствующим образом почти для любой конкретной цели», — добавляет он.
Помимо терапевтического применения, синтетические фаги можно использовать и как диагностические маркеры специфических молекулярных структур, например, для выявления патогенных штаммов в смешанной бактериальной популяции.
Долгий путь вперед
Прежде чем терапия с генетически модифицированными фагами войдет в клиническую практику, предстоит преодолеть множество препятствий. Данное исследование — лишь доказательство концепции на примере Listeria как модельной бактерии, которая встречается в пище и может вызывать тяжелые инфекции у людей с ослабленным иммунитетом.
Исследователи теперь планируют создать искусственные фаги для борьбы с другими патогенами, которые часто трудно поддаются обычной терапии из-за антибиотикорезистентности. Примеры включают Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae и виды Enterococcus. Методы конструирования таких фагов еще предстоит разработать. «Каждый фаг и каждый организм-хозяин таят свои трудности», — подчеркивает соавтор исследования, профессор ETH Мартин Лёсснер, директор Лаборатории пищевой микробиологии IFNH. Однако он считает, что это лишь вопрос времени, когда будет создан рабочий инструментарий и для таких патогенов.
В фаговую терапию вложено много надежд. Генетически модифицированные фаги уже однажды были использованы терапевтически. Несколько месяцев назад американские исследователи сообщили в журнале Nature Medicine о случае, когда 15-летнему пациенту с муковисцидозом ввели фаги для лечения тяжелой инфекции, вызванной микобактериями. Лечение сработало. Но для одобрения любой фаговой терапии все еще необходимы масштабные клинические испытания.