Бактериофаги — внутриклеточные паразиты. В переводе с латыни — «пожиратели бактерий». В какой-то момент выяснилось, что с их помощью можно лечить многие болезни. Но почему-то сейчас бактериофаги — далеко не самое популярное лечебное средство. Почему? Могут ли они быть в чем-то незаменимыми? Как правильно применять бактериофагов? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Константин Анатольевич Мирошников, доктор химических наук, заведующий лабораторией молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.
— Константин Анатольевич, всю свою научную жизнь вы занимаетесь исследованием бактериофагов. Что это за организмы?
— Бактериофаги — это частный случай вирусов. Вирусы — это микроскопические внутриклеточные паразиты, причем паразиты абсолютные, полностью эксплуатирующие молекулярные системы клетки, которые они захватили.
Вирусы есть у всех живых организмов. Когда в 1917 г. открыли вирусы бактерий, то у них обнаружили особенность: они уничтожают своих бактериальных хозяев. Обычно вирусы высших организмов стремятся не физически уничтожить зараженную клетку, а размножиться и незаметно эту клетку покинуть, чтобы их не обнаружили защитные системы организма хозяина. Конечно, клетка в конце концов истощается и погибает, но то, чтобы она была физически уничтожена, встречается крайне редко. У вирусов бактерий все наоборот. Те фаги, что были обнаружены первыми, физически уничтожали или пожирали бактерий, которых заражали. Это явление называется «фаголизис» — «растворение бактерий».
Со временем стало понятно, что вирусы бактерий более разнообразны, есть и такие, которые не уничтожают своих хозяев, но название прижилось и используется обобщенно.
— Наверняка с тех пор, а прошло более 100 лет, в мире бактериофагов появились новые важные открытия?
— Одно из немногих серьезных событий последних лет — в 2020 г. Международный комитет по таксономии вирусов предложил для характеристики вирусов классическую пирамидальную линнеевскую систему таксонов, которая начинается с биоты, то есть с жизни. Таким образом, косвенно сейчас начали считать, что вирусы все-таки принадлежат к живой природе.
— То есть сакраментальный спор, живые вирусы или нет, закончен? Бактериофаги — это живые организмы?
— Любой вирус имеет две стадии — живую и неживую. Любой организм всегда рождается маленьким, потом становится большим. Вирусы «собираются» из многих компонентов одновременно. Мы привыкли, что только в фантастике бывает, что некое существо собирается из глаз, голов, ног и сердец. Но, оказывается, таковы вирусы. В то время, когда вирус находится вне своего хозяина, он представляет собой только кусочек нуклеиновой кислоты, запакованный в оболочку, и никаких действий в это время не происходит. В таком случае мы не можем называть его живым организмом.
А когда он попадает в клетку, то клетка начинает жить своей жизнью, отличной от нормы. Есть даже такое почти философское понятие «виросома» — клетка, зараженная вирусом. Она выглядит как клетка, но процессы внутри нее идут совсем другие, они полностью направлены на воспроизводство вируса, на продукцию его кусочков, которые потом там собираются в вирусные частицы. В таком случае этот комплекс зараженной клетки и вируса можно условно назвать чем-то живым.
— Правда ли, что бактериофаги — это древнейшие организмы на Земле?
— Поскольку бактериофаги заражают бактерии, а одноклеточные — это древнейшие живые организмы на Земле, и они всегда идут в постоянном соперничестве сосуществований, то так говорить можно. А вот что появилось раньше — вирусы или бактерии, это философский вопрос. Есть теория «общего предка», last universal common ancestor (LUCA), согласно которой у некоего одноклеточного Луки был свой вирус и от них произошло все разнообразие и организмов, и вирусов. А есть предположения, что вирусы появились позже, нежели бактерии. Например, существует достаточно спекулятивная теория, которая ничем не подтверждена, что появление многоклеточных организмов напрямую связано с появлением вируса. И процессы эволюции многоклеточных организмов, специализации клеток внутри них напрямую связаны с действием на них некоего микроскопического паразита.
— Получается, что, согласно этой теории, мы обязаны своей эволюцией вирусам?
— В том числе и им.
— Чем конкретно вы занимаетесь в своей лаборатории?
— Мы занимаемся очень многогранным исследованием вирусов, поиском бактериофагов, инфекционных по отношению к самым разным микроорганизмам. Понятно, что некоторые микробы для человека более актуальны, некоторые — менее. Поэтому вирусы многих бактерий до сих пор были вообще неизвестны. Например, недавно при поддержке РНФ мы занялись куртобактериями — патогенами бобовых, в частности сои. Бактериофаги, инфицирующие этот патоген, ранее не были выявлены и не изучались. Что бы мы ни нашли, это оказывается первым в истории, что в известной степени лестно.
Сейчас таксономия вирусов основана на их генетических свойствах. Поэтому, выделив каждый новый вирус, его необходимо как-то охарактеризовать, отнести к чему-то в общетаксономическом плане. Мы, по сути, занимаемся геномикой: пытаемся понять, что же зашифровано в этом геноме. Изучаем белковые факторы, необходимые для эффективного воспроизведения вируса внутри клетки хозяина; гены, ответственные за синтез; производство белков, из которых потом выстраивается сама дочерняя вирусная частица; белки, распознающие бактериального хозяина; ферменты, разрывающие клетку бактерии на конечной стадии инфекционного цикла. Из свойств самих бактериофагов и их компонентов обычно выстраивается какая-то теоретическая надобность бактериофагов, полезных для человечества. Например, их использование для борьбы с болезнетворными бактериями.
— Давайте поговорим подробнее про применение бактериофагов в медицинских целях. Я помню, был настоящий бум, когда это все только развивалось. Говорили, что бактериофаги могут заменить антибиотики, обладающие рядом побочных эффектов. Но сейчас об этом не слышно. Разочаровались в бактериофагах?
— Первые антибиотики появились в 1929 г., а в практическом применении — ближе к концу Второй мировой войны. Соответственно, в 1920–1930-е гг. бактериофаги считались совершенно естественным противомикробным средством и первым бум был именно тогда.
Но получилось, что антибиотики проще, технологичнее, понятнее. И во второй половине ХХ в. они царствовали в фармакологии. Однако уже в 1990-е гг. наблюдалось массовое появление разновидностей болезнетворных бактерий, которые к антибиотикам устойчивы. Причем «и вширь, и вглубь»: и к разнообразию антибиотиков, и к географическому распространению. Медицинская важность была в том, что антибиотики использовались в количествах, в тысячи раз превосходящих природные концентрации. Микробы в конце концов и к этому приспособились: механизмы устойчивости микроорганизмов к антибиотикам — это естественная вещь.
Например, в начале XXI в. были исследования, когда извлекали микроорганизмы из сообществ, которые с человеком вообще никогда не соприкасались. Какие-то пещеры, глубоководные и антарктические подледные озера, скважины. Но у всех выделенных оттуда микробов тоже есть молекулярные механизмы устойчивости к антибиотикам, потому что антибиотики существовали задолго до появления человечества. Трудно оценить, насколько проблема антибиотикоустойчивости серьезна, спекулятивна, но, безусловно, это факт: антибиотиков не хватает. Появление новых антибиотиков сильно тормозится по множеству причин. Просто ими невыгодно заниматься.
— В ряде случаев фармкомпании отказываются проводить многолетние дорогостоящие испытания, не будучи уверенными, что это будет эффективный антибиотик.
— Более того: очень часто случается, что прямо во время испытания перспективного антибиотика обнаруживается устойчивость бактерий к нему. Так что ситуация непростая.
— Могут ли ее спасти бактериофаги?
— Да. Хотя есть множество направлений, в которых научное сообщество работает для преодоления антибиотикоустойчивости. И бактериофаги — одно из таких направлений. Когда этот вопрос встал, уже где-то в начале 2000-х гг. были сформулированы консенсусные правила: какими свойствами должен обладать потенциальный кандидат в терапевтические бактериофаги. С этой точки зрения начали вполне целенаправленно искать, решая по ходу еще и различные вопросы современной фармакологии: насколько бактериофаг может вызывать лишнюю иммунную реакцию, как он попадает в нужные органы, какие-то принципы культивирования и очистки этих препаратов, лекарственные формы… И пришли к тому, что фаготерапия — это скорее не лекарство, а комплекс мер.
— Что это значит?
— Говоря бюрократическим языком, это услуга. Она связана с очень точной диагностикой — бактериофаги избыточно специфичны, они действуют даже не против какого-то конкретного вида бактерии, а против группы разновидностей (штаммов) внутри вида. Например, лекарство не для собаки, а только для гладкошерстной таксы коричневого цвета. И для того чтобы понять принадлежность бактерий, требуются более продвинутые способы диагностики.
Конечно, препараты бактериофагов можно компоновать. Это такое паллиативное решение — создание препаратов, инфекционный спектр которых покрывает штаммы, наиболее распространенные в этой местности, в конкретной клинике, даже в конкретном пациенте. Это можно делать. Прецедентов индивидуализированного лечения с великолепными результатами очень много.
Но все упирается в экономику. А самое важное — в законодательство. Фармакологические законы напрямую связаны с очень четким описанием действующего вещества, которое содержится в том или ином лекарстве: химическая формула, количество, присадки и т.д. Для бактериофага это сложнее. Если мы говорим о бактериофаге вообще, то это выглядит примерно так, будто мы говорим, что такую-то болезнь лечим таблеткой. Какой? Белой и круглой. Если же мы говорим о характеристике конкретного бактериофага именно как вирусной частицы, обладающей своим геномом с определенной последовательностью, то мы тонем в многообразии вариантов терапевтических бактериофагов.
В последние годы прочтение последовательности генома вируса и его интерпретация — вполне рутинная и даже не очень дорогая процедура. Но в таком случае мы выходим на то, что именно этот конкретно охарактеризованный вирус будет активен только против очень узкой группы патогенных бактерий. Условно говоря, мы имеем одну и ту же болезнь, которая вызвана одной и той же бактерией, но эта бактерия принадлежит к разным группам штаммов. Скажем, если один и тот же препарат бактериофага будет хорошо работать против стафилококковой ангины в Смоленске, то против такой же ангины в Благовещенске он работать не будет.
— То есть сначала надо выяснить, какая конкретно бактерия там работает? И если мы точно это знаем, то можем использовать какой-то конкретный бактериофаг, а если не знаем, то это бесполезно?
— Да. Вреда от этого не будет. Именно поэтому существующие фагопрепараты очень любят использовать педиатры, потому что случаи побочных реакций очень редки.
— Но они все же есть.
— Разумеется, случается аллергия на компоненты питательной среды, в которой этого бактериофага выращивают. Например, на экстракт дрожжей. Речь о другом: можно создать панель, допустим, сотню бактериофагов, и подбирать ее таким образом, что в городской больнице Благовещенска на тот штамм бактерий, который там циркулирует, будут работать из этой панели фаги 3, 8, 42 и 77. Если бы была возможность, как у провизоров в аптеке, брать эти фаги и смешивать адаптированные препараты, это было бы разумным решением.
— А такую возможность мы можем получить искусственно?
— Здесь мяч на стороне законодателей. Это уже очень четко сформулировано: для разумного применения фаготерапии требуются фармстандарты, которые позволяют некую вариабельность в составе этих препаратов. Хотя бы такую, которая действует для противогриппозных вакцин, а лучше еще более гибкую. И в последние лет десять проблема именно в этом. Это не научные проблемы, а чисто бюрократические.
— Что сейчас с бактериофагами: продаются ли они свободно в аптеках, есть ли смысл человеку, у которого болит горло или ухо, пойти и купить себе бактериофага и попробовать им лечиться?
— Россия и Грузия — единственные страны, в которых промышленно выпускаются препараты бактериофагов, направленные против определенных типов бактерий. Это наследие еще советского Минмедпрома. Бактериофаг синегнойный против псевдомонады, бактериофаг стафилококковый — против стафилококка. Их можно купить. Они выпускаются по стандартам 1960-х гг., когда синегнойный бактериофаг подходил под понятие «действующее вещество». Это «таблетка круглая, белая». Их можно купить безрецептурно. Но он поможет, если в состав этого препарата входит бактериофаг, действующий именно на ту разновидность бактерии, которая у вас сейчас имеется.
— Но ведь можно сделать посев со своей слизистой?
— Да. С этим связано использование фаговых препаратов — предварительно нужно сделать высев и проверить его на фагочувствительность. Если это соблюдено, то шанс на успех достаточно высок.
Однако, во-первых, это не быстро. Микробиологические методы диагностики — это, как правило, несколько дней. Поэтому для экстренной медицины такое не очень годится. Во-вторых, и это самое сложное, состав препаратов меняется. Например, если болезнь можно благополучно вылечить уфимским препаратом от февраля, то нижегородский препарат с точно таким же названием, выпущенный в июне, возможно, работать не будет. Вопрос заключается в неточности и размытости формулировки: что же такое действующее вещество? И это в известной степени дискредитирует подход.
— Допустим, государство повернулось лицом к бактериофагам, дало денег, готово подписать нужные документы. Что вы будете делать?
— Во-первых, нужно понимание того, какие тонкие разновидности одной и той же бактерии встречаются в циркулирующем патогенезе в нашей стране. Это приходится мониторить. Опять же — это услуга, а не панацея. Во-вторых, необходимо создание панели охарактеризованных бактериофагов, из которых мы можем быстро выбрать те, которые будут «бить» каждый конкретный случай. В идеале — индивидуально, в паллиативном случае — циркулирующий где-то в конкретной географической зоне или в конкретной области, в конкретном медицинском учреждении. И самое главное — чтобы такие препараты могли оперативно регистрироваться и числиться лекарственными препаратами. Это самая большая проблема, она требует согласованного действия биотехнологов, врачей, законодательных органов, ученых.
— А что это за история, когда ваши бактериофаги побывали на борту МКС?
— Это один из экспериментов, которые проводились на космической станции. Еще в нулевые годы активно муссировалась тема дальних полетов, когда какая-то часть системы жизнеобеспечения производится прямо на борту космического корабля. Например, активно прорабатывалась тематика создания молочнокислых продуктов прямо в космосе в каких-то биореакторах. Естественно, любые бактерии подвержены действию бактериофагов. От этого никуда не денешься, потому что перед полетом дезинфекция космонавта не проводится, они туда летят со своей микрофлорой и это все циркулирует в пространстве космической станции.
Несколько лет назад брали биопробы того, что таится в укромных местах МКС. Ничего там нового не прилетело, никаких организмов не возникло, все те же самые микродрожжи, микрогрибы, бактерии, которые привезли с Земли и которые достаточно устойчивы к действию космической радиации. И встал вопрос: если мы изучаем действие бактериофагов, желательное или нежелательное для этих бактерий, то как это происходит? Влияет ли отсутствие гравитации на инфекционный процесс?
— И что же выяснилось?
— Оказалось, не особенно. В пределах того, что диффузия жидкости в отсутствие гравитации происходит совершенно иначе, нежели в присутствии тяготения. Но в целом на молекулярные механизмы ничто принципиально не влияет. В течение нескольких полетов реализовывалась программа «Микровир»: в специальном приборе, где невозможна никакая утечка, космонавт краником открывает два резервуара, в одном из которых — суспензия бактериофагов, в другом — культура клеток. Там было видно, как просветляется культура бактерий, и можно засечь какие-то базовые, самые простые параметры того, как происходит инфекционный процесс. Не сказать, что это было фантастически интересно…
— А что было фантастически интересно?
— Мне интереснее было использовать бактериофаги для лечения растений. Эту тему, опять же благодаря грантам РНФ, наша лаборатория начала лет семь назад. Я наивно надеялся на то, что сельхозпрепараты можно будет проще зарегистрировать и внедрить.
— Нет?
— Нет. Даже сложнее. Результаты получились очень хорошие, мы научились бороться с мягкой гнилью, которая поражает картошку. Мы закладывали опыты на реальных складах на 6 тыс. т, и позитивный эффект был налицо.
— Наверное, у вас на даче растения ничем не болеют?
— К сожалению, и я, и моя жена — полные профаны в растениеводстве.
— Тогда, может быть, вы сами лечитесь бактериофагами?
— Сам я не лечусь, хотя у меня в холодильниках в лаборатории стоят сотни образцов препаратов-бактериофагов, которые нам предоставляли для анализов, в том числе и производители этих препаратов. Но был случай, когда я у своей кошки вылечил таким образом бактериальный отит. В ухо ей капал и засовывал турунды, смоченные препаратом. Просто удалось четко и быстро диагностировать, что же у нее такое, и применение фаготерапии было обоснованным. Кошка прожила после этого шесть лет, а всего — почти 19.
— Как вы думаете, есть ли будущее у бактериофагов в медицине, в сельском хозяйстве?
— Я считаю, что да. На мой взгляд, основная проблема сейчас именно в нормализации законодательного поля, в котором они будут использоваться. Конечно, мы пока ждем, занимаемся научной работой — ведь бактериофаги как биологические объекты сами по себе очень интересны и с точки зрения генетической инженерии, и с точки зрения потенциального использования, например коррекции микробиома кишечника. Сейчас еще не очень понятно, для чего это может быть нужно, но тем не менее эта тема тоже активно рассматривается. В 2013 г. был зафиксирован безусловный успех, когда получили полностью положительный результат для лечения клостридиоза с помощью фекальной трансплантации. Правда, это оказалось особым случаем, развить этот успех не удалось — любые, более сложные поражения микрофлоры кишечника оказывались трудно поддающимися какой-то систематизации. Именно поэтому совершенно неправильным оказался термин «дисбактериоз» или «дисбиоз», который очень любят наши диетологи. Потому что «дис» — это отклонение от нормы, а нормы-то нет. У абсолютно здоровых людей большая вариабельность в составе микрофлоры кишечника, которая зависит и от возраста, и от диеты, и от чего угодно. Но работать в этом направлении все равно можно и нужно.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук
