Znanost

Fagi ubijaju gdje antibiotici ne mogu

Igor Berecki subota, 4. kolovoza 2018. u 07:00

Nakon što je liječenje bakteriofagima dugo godina bila tek obećavajuća teorija, novija istraživanja ističu fage kao potencijalno moćno oružje u borbi protiv multiplo-rezistentnih bolničkih infekcija

Sve češće prisutna pojava bakterijske rezistencije uzrokovane prekomjernom i nekritičkom primjenom antibiotika ima za posljedicu globalno smanjenje antibiotske učinkovitosti protiv sve većeg broja potencijalno fatalnih infekcija, prvenstveno kod pacijenata u bolničkom okružju.

U borbi protiv porasta bakterijske rezistencije kliničarima i farmakolozima je na raspolaganju relativno malen broj opcija: povećanje terapijskih doza (na što se otporne bakterije lako prilagode, a broj neželjenih nuspojava se povećava), ili korištenje više različitih antibiotika (također praćeno većim rizikom od nuspojava) ili pronalaženje i proizvodnja novih antibiotika s izmijenjenim ili poboljšanim mehanizmom djelovanja na bakterije (što je vrlo skup, složen i dugotrajan proces).

Upoznajte fage

Znanost ne bi bila tako zabavna da za svaki problem ne postoji barem nekoliko mogućnosti i rješenja. I zaista, postoji opcija koju su znanstvenici teorijski razmatrali i prije nego što je bakterijska otpornost na antibiotike dosegla današnje kritične razine: korištenje posebnih sojeva virusa kojima je ubijanje bakterija prirodan dio životnog ciklusa.

Mada izgleda kao računalna rekonstrukcija, ovo je prava elektronskomikroskopska fotografija bakteriofaga
Mada izgleda kao računalna rekonstrukcija, ovo je prava elektronskomikroskopska fotografija bakteriofaga

Viruse specijalizirane za inficiranje bakterija nazivamo bakteriofagi, ili jednostavno fagi. Inače, svi su virusi stanični paraziti, a kako su bakterije jednostanični mikroorganizmi - dakle ništa drugo do stanice - i bakterije su podložne virusnim infekcijama. Nakon što virus inficira stanicu (bakteriju), u njoj koristi genske mehanizme manipulacije DNK-om domaćina kako bi namnožio tisuće svojih kopija do te mjere da stanicu usmrti, raspršujući iz nje svoje „potomstvo“ u okoliš i inficirajući nove stanice. A u liječenju bakterijskih infekcija je upravo to i krajnji cilj: smrt stanice bakterije-uzočnika bolesti.

Istraživanja baterijskog i virusnog DNK provedena u prirodnom okolišu (u rasponu od ekstremnih oceanskih dubina, sve do površine sjedalica gradskih tramvaja) dokazala su da gdje god postoje bakterije, postoje i virusi koji ih ubijaju radi svojeg razmnožavanja. Znanstvena je logika bila jednostavna: ako u prirodnom okolišu fagi ubijaju bakterije, zašto to ne bi činili i u kliničkom okruženju, recimo unutar upaljenog plućnog tkiva u bakterijskoj pneumoniji?

Pro et contra  bakteriofaga

Kada se počelo razmišljati u tom smjeru, pokazale su se brojne teorijske prednosti faga kao potencijalnih ubojica bakterija koje su patogene za ljude:

  • bakteriofagi su većinom bakteriospecifični, što znači da napadaju i ubijaju samo bakterije, a ljudske stanice ne; u teoriji, dakle, fagi nisu štetni po čovjeka.
  • fagi su i selektivni: svaki pojedini fag ima relativno uzak raspon bakterijskih vrsta u kojima se razmnožava; stoga dobro odabrani fagi neće neselektivno napadati npr. „dobre“ bakterije koje su normalan dio ekosustava u našem tijelu.
  • povrh svega su ekstremno diverzificirani: postoji još vrlo velik broj vrsta fag-virusa koji nisu proučavani, pa je malo vjerojatno da će nam ponestati novih „ubojica“ ako iz nekog razloga bakterije postanu otporne na sadašnje fage.
  • i konačno, u napadu na bakterije moguće je istovremeno kombinirati nekoliko vrsta faga, čime je bakterijama znatno otežano razvijanje rezistencije.

Sve to zvuči sjajno. A zašto ih onda ne koristimo?

Prvenstveno stoga što, kako ne bi sve bilo idealno i idilično, i kako uvijek postoji barem jedno „ali“, tako i po pitanju primjenjivosti bakteriofaga postoje problemi koji otežavaju njihovo uvođenje u terapijske protokole za liječenje bakterijskih infekcija:

  • pojedini sojevi patogenih bakterija su u praktičnoj primjeni unutar kliničkih uvjeta već razvili otpornost na neke vrste bakteriofaga iako ih u kontroliranim laboratorijskim uvjetima ti fagi ubijaju; neki laboratorijski sojevi faga nisu baš tako moćni ubojice izvan laboratorija, u real-life situacijama na „terenu“.
  • fagi su molekularnom težinom i svojim gabaritima - premda jesu ekstremno malenih, elektronskomikroskopskih dimenzija - ipak daleko veći od bilo koje molekule antibiotika; zbog toga ih nije jednostavno unijeti u organizam i dostaviti ih do mjesta infekcije standardnim farmako-metaboličkim putevima.
  • čovjekov imunološki sustav baš i nije fleksibilan pri prepoznavanju razlika između faga i drugih virusa: za naš sustav obrane od infekcija svaki virus je virus i treba ga napasti i uništiti; a uništen bakteriofag ne ubija patogene bakterije.

Dostavna vozila

Kako je i pored navedenih problema procijenjeni potencijal bakteriofaga za liječenje bakterijskih infekcija vrlo velik, u tijeku je više zanimljivih istraživanja kojima se pokušava navedene probleme i poteškoće riješiti ili barem umanjiti do klinički prihvatljivih razmjera.

Jedno od zanimljivijih novih istraživanja se fokusiralo na problem transporta i isporuke faga do mjesta bakterijske infekcije. Ispitivanje se provodilo na modelu rezistentne upale pluća u laboratorijskih miševa, što je logičan izbor za pretklinička ispitivanja, s obzirom na to da je upala pluća jedan od vodećih uzroka smrtnosti hospitaliziranih pacijenata (posebice u intenzivnim jedinicama). Povrh toga, osim putem primjene lijeka injekcijom, pluća su terapijski „dostupna“ i jednostavnijim putem: inhaliranjem aerosolnih mikročestica koje služe kao nosači lijekova, a u ovom slučaju – nosači bakteriofaga.

Fagi u masovnom smrtonosnom napadu na bakteriju
Fagi u masovnom smrtonosnom napadu na bakteriju

Osnovni problem bilo je kalibriranje idealne veličine čestica na kojima su pričvršćeni bakteriofagi: morale su biti dovoljno malih dimenzija i male disperzijske gustoće da bi se pri udahu osigurao njihov prodor dovoljno duboko u pluća, po mogućnosti sve do plućnih mjehurića (alveola). Istovremeno, nisu smjele biti premalene kako bi se izbjeglo da ih progutaju plućni makrofagi, obrambeni soj krvnih stanica koje imunološkom sustavu pomažu u čišćenju infekcija.

Biorazgradive polimerne mikrokapsule

Problem kalibriranja riješen je tako što je u vodenu otopinu koja sadrži aktivni soj bakteriofaga dodana uljna otopina specijalnog biorazgradivog polimera – nosača faga. U takvu emulziju (mješavinu ulja i vode) ubacivani su mikromjehurići inertnog plina. Preciznom kontrolom količine i veličine mikromjehurića koji su „uzburkavali“ emulziju faga i polimernog nosača, od polimera su se formirale uljne mikrokapsule ujednačenih dimenzija od oko 10 µm.

Hrapavi i glatki tip mikrokapsula-nosača faga, oba s identičnim dijametrom od oko 10 µm
Hrapavi i glatki tip mikrokapsula-nosača faga, oba s identičnim dijametrom od oko 10 µm

Mijenjanjem parametara "uzburkavanja" emulzije, moguće je dizajnirati dva različita tipa mikrokapsula: hrapave i glatke, pri čemu svaki tip može na sebi nositi točno određenu mikrokoličinu otopine bakteriofaga. Na hrapavima se - pogađate - vezuju veće "doze" faga.

Mikrokapsule „naoružane“ fagima se potom mogu osušiti u prah i u tom dehidriranom stanju skladištiti i po nekoliko tjedana bez velikog gubljenja baktericidne aktivnosti. Takav suhi prašak se primjenjuje raspršen u aerosol putem inhalatora, kako bi se mikrokapsule-nosači faga isporučile duboko u pluća. Stijenka mikrokapsule je građena od – sjećate se? – biorazgradivog polimera, koji se u plućima – pogodit ćete – biološki razgradi; i tako se bakteriofagi iz razgrađene mikrokapsule oslobode točno na mjestu gdje bakterije vode svoj opasni upalni pir.

Testiranje na životinjama

Mišja pluća zahvaćena pneumonijom (gore) - plućne alveole se posve ispunjene upalnim stanicama; ista pluća nakon inhalacije faga (dolje) - plućne alveole su čiste i funkcionalne
Mišja pluća zahvaćena pneumonijom (gore) - plućne alveole se posve ispunjene upalnim stanicama; ista pluća nakon inhalacije faga (dolje) - plućne alveole su čiste i funkcionalne

Baktericidni učinci inhalacije mikrokapsula s fagima testirani su na laboratorijskim miševima s upalom pluća izazvanom bakterijom Pseudomonas aeruginosa, koja je po život opasan uzročnik pneumonije u bolesnika u intenzivnim jedinicama, a otporna je na velik broj snažnih antibiotika. Rezultati su obećavajući: terapija inhaliranim fagima je u toj mjeri smanjila infektivne upalne parametre, da je imunološki sustav miševa uspješno preuzimao daljnju kontrolu nad infekcijom. Od ukupnog broja ispitivanih miševa s Pseudomonas-pneumonijom, preživjeli su svi koji su liječeni inhalacijom faga, dok je u neliječenoj skupini preživjelo samo 13% miševa.

Daljnjim ispitivanjem tkiva miševa utvrđeno je da su mikrokapsule-nosači potpuno razgrađeni i nestali iz pluća već 18 sati nakon provedenog liječenja. Osim toga, nije bilo znakova imunološkog odgovora na bilo koji od primijenjenih faga.

Povrh svega, u mikrobiološkim uzorcima uzetim nakon liječenja nisu pronađene bakterije otporne na napad faga, što pokazuje da nije došlo do stvaranja bakterijske rezistencije. Zbog činjenice da inhalirani lijek ostaje u plućima i ne širi se dalje u organizam, ekstremno je mala mogućnost za neželjene učinke djelovanja faga na druge organe.

Fluorescentno markiranje inhaliranih faga pokazuje da se pri terapijskoj primjeni nakupljaju isključivo u plućima, a ne i u drugim organima i tkivima
Fluorescentno markiranje inhaliranih faga pokazuje da se pri terapijskoj primjeni nakupljaju isključivo u plućima, a ne i u drugim organima i tkivima

Najkraće rečeno, nije se pojavio nijedan od problema koji su bili teorijski očekivani tijekom praktične primjene liječenja bakterijskih infekcija korištenjem bakteriofaga.

Čekamo novosti

Istraživači ističu da se takva terapija može dopuniti i pojačati kako bi bila još učinkovitija, primjerice dodavanjem baktericidnih enzima na površinu bakteriofaga, što bi bakterije učinilo još ranjivijima na inhalaciju mikročestica naoružanih fagima.

Unatoč vrlo jasnim pozitivnim pokazateljima prvih rezultata, još uvijek nema najava o početku kliničke faze ispitivanja primjene inhaliranih faga na ljudima. Do tada, pratit ćemo nastavak i napredak pretkliničkih laboratorijskih pokusa na ovom inovativnom i uzbudljivom području mikrobiologije.

- - -

Izvorni članak: Nature Biomedical Ingeneering (Nature.com, 16.07.2018.)

 

Dr. Igor „Doc“ Berecki, rođen 1961., pedijatar je na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, te fejsbučkog blogiranja o craft-pivima, životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do pasioniranog kuhanja posve probavljivih jela i sviranja slabo probavljivog bluesa.