Исследователи создали вирусы для уничтожения смертельных патогенов
Исследователи из Северо-Западного университета заставили смертельный патоген уничтожить себя изнутри.
В новом исследовании учёные модифицировали ДНК бактериофага (фага) — вируса, который заражает и размножается внутри бактерий. Затем команда внедрила эту ДНК в Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), смертельную бактерию с высокой устойчивостью к антибиотикам. Попав внутрь, ДНК обошла защитные механизмы патогена, собралась в вирионы и разрушила бактериальную клетку.
Эта экспериментальная работа, основанная на растущем интересе к «фаговой терапии», представляет собой важный шаг к созданию искусственных вирусов в качестве новых терапевтических средств против устойчивых к антибиотикам бактерий. Она также раскрывает ключевую информацию о внутренней работе фагов — малоизученной области биологии.
Исследование «A synthetic biology approach to assemble and reboot clinically relevant Pseudomonas aeruginosa tailed phages» опубликовано в журнале Microbiology Spectrum.
«Устойчивость к противомикробным препаратам иногда называют "тихой пандемией"», — говорит ведущий автор работы Эрика Хартманн. «Количество инфекций и смертей от них растёт во всём мире. Это огромная проблема. Фаговая терапия стала неиспользованной альтернативой нашей зависимости от антимикробных препаратов. Но во многих отношениях фаги — это "последний рубеж" микробиологии. Мы мало о них знаем. Чем больше мы узнаем о том, как работают фаги, тем вероятнее, что мы сможем создать более эффективные методы лечения. Наш проект является передовым, поскольку мы изучаем биологию фагов в реальном времени, одновременно конструируя их».
Хартманн, специалист по микробиологии помещений, является доцентом гражданского и экологического строительства в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и членом Центра синтетической биологии.
Острая необходимость в альтернативах антибиотикам
Рост устойчивости к антибактериальным препаратам, связанный с увеличением их использования, представляет собой серьёзную и растущую угрозу. По данным CDC, только в США ежегодно происходит почти 3 миллиона инфекций, устойчивых к противомикробным препаратам, и более 35 000 человек умирают.
Этот кризис заставляет исследователей искать альтернативы антибиотикам, которые постоянно теряют эффективность. В последние годы учёные начали изучать фаговую терапию. Но хотя фагов существуют миллиарды, о них известно очень мало.
«На каждую существующую бактерию приходятся десятки фагов», — говорит Хартманн. «Их астрономически много на Земле, но мы понимаем лишь горстку. У нас не было особой мотивации их изучать. Теперь мотивация есть, и мы увеличиваем количество инструментов для их исследования».
Лечение без побочных эффектов
Для разработки фаговой терапии исследователи находят или модифицируют существующий вирус, чтобы он избирательно атаковал бактериальную инфекцию, не затрагивая остальной организм. В идеале однажды можно будет создать фаговый препарат для заражения конкретной бактерии и разрабатывать «а-ля-карт» терапии с точными характеристиками для лечения индивидуальных инфекций.
«Сила фагов в том, что они могут быть очень специфичными, в отличие от антибиотиков», — объясняет Хартманн. «Если вы принимаете антибиотик от синусита, он нарушает всю работу желудочно-кишечного тракта. Фаговая терапия может быть разработана так, чтобы воздействовать только на инфекцию».
В то время как другие исследователи изучали фаговую терапию почти исключительно на Escherichia coli, Хартманн сосредоточилась на P. aeruginosa — одном из пяти самых смертоносных патогенов человека. Особенно опасная для людей с ослабленным иммунитетом, P. aeruginosa является ведущей причиной внутрибольничных инфекций, часто поражая пациентов с ожогами, послеоперационными ранами, а также лёгкие людей с муковисцидозом.
«Это один из патогенов с наивысшим приоритетом по множественной лекарственной устойчивости, вызывающий серьёзную озабоченность», — говорит Хартманн. «Он чрезвычайно устойчив к лекарствам, поэтому существует острая необходимость в разработке альтернативных методов лечения».
Имитация инфекции и обход защиты
В исследовании команда Хартманн начала с бактерий P. aeruginosa и очищенной ДНК нескольких фагов. Затем они использовали электропорацию — метод с применением коротких высоковольтных электрических импульсов — чтобы создать временные отверстия во внешней клеточной мембране бактерий. Через эти отверстия фаговая ДНК проникла в бактерии, имитируя процесс заражения.
В некоторых случаях бактерии распознавали ДНК как чужеродный объект и уничтожали её для самозащиты. Но после оптимизации процесса методами синтетической биологии команде Хартманн удалось отключить противовирусные механизмы защиты бактерий. В этих случаях ДНК успешно доставила информацию в клетку, что привело к образованию вирионов, убивших бактерии.
«Там, где мы добились успеха, можно увидеть тёмные пятна на бактериях», — говорит Хартманн. «Это места, где вирусы вырвались из клеток и убили все бактерии».
После этого успеха команда внедрила ДНК ещё двух фагов, которые естественным образом не способны заражать их штамм P. aeruginosa. Процесс снова сработал.
Производство фагов в клетке
Фаг не только убил бактерии, но и заставил их высвободить миллиарды новых фагов. Эти фаги можно затем использовать для уничтожения других бактерий, например, вызывающих инфекцию.
Далее Хартманн планирует продолжить модификацию фаговой ДНК для оптимизации потенциальных методов лечения. Сейчас её команда изучает фаги, высвобожденные из P. aeruginosa.
«Это важный шаг в создании фаговых терапий», — говорит она. «Мы можем изучать наши фаги, чтобы решить, какие из них разрабатывать, и в конечном итоге наладить их массовое производство в качестве терапевтического средства».