Bakteriofagi mogą być skuteczne i bezpieczniejsze od antybiotyków
Zastosowanie bakteriofagów, „żywych antybiotyków”, w terapii ludzi i zwierząt jest coraz bliższe. To istotne przy tak intensywnie rozprzestrzeniającej się antybiotykooporności bakterii. Badania polskich naukowców opisane w „Nature Communications” nie tylko wskazują, że fagoterapia jest bezpieczna, ale też tłumaczą, dlaczego nie wiąże się z ryzykiem tzw. burzy cytokinowej.
Fot. Adobe Stock; freshidea
Bezpieczeństwo terapii bakteriofagami na modelu zwierząt zakażonych bakteriami – to temat artykułu autorstwa dwóch polskich grup badawczych, który ukazał się na łamach „Nature Communications”. Dzięki rodzimym naukowcom już wiemy, dlaczego w przypadku zastosowania bakteriofagów do eliminowania bakterii, organizm nie rozpoznaje ich materiału genetycznego w podobny sposób jak np. wirusów grypy, przez co nie dochodzi do groźnej burzy cytokinowej. Czyli jeśli je podamy jako leki, nie dojdzie do burzy cytokinowej. Nawet bardzo duża dawka fagów nic nie zmieni, bo sekwencja ich DNA nie będzie rozpoznana. Nie musimy się więc już tak bardzo obawiać o bezpieczeństwo terapii fagowej.
Jedną grupą badawczą kierował prof. nauk biologicznych Grzegorz Węgrzyn, genetyk, od początku swojej naukowej drogi j związany z Uniwersytetem Gdańskim, drugą – prof. Alicja Węgrzyn z Centrum Terapii Fagowych, Uniwersyteckiego Ośrodka Badań Stosowanych i Międzyobszarowych. Na przykładzie kurcząt zakażonych bakteriami Salmonella naukowcy pokazali, że bakteriofagi są tak samo skuteczne jak antybiotyki, a mają znacznie mniej efektów ubocznych. Nie dają zmian w morfologii krwi czy w mikrobiomie jelitowym.
– Kurczęta po terapii antybiotykami po okresie sześciu tygodni hodowli nigdy nie wracają do stanu zdrowia sprzed podania antybiotyków. Organizm młodego ptaka po antybiotykoterapii jest całkowicie rozchwiany, ma rozregulowany układ immunologiczny, syntetyzuje mniej limfocytów, czyli jest mniej odporny. Bakteriofagi są bezpieczne, a jednocześnie organizm dzięki nim pozbywa się infekcji – zapewnia prof. Alicja Węgrzyn.
Gdańscy naukowcy zajęli się bakteriofagami, ponieważ od lat pojawiają się bakterie oporne na wszystkie znane antybiotyki. Potrzebujemy zatem nowych antybiotyków albo alternatywnych metod leczenia infekcji bakteryjnych. W przeciwnym razie, jak przewiduje Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), w 2050 r. wrócimy do ery przedantybiotykowej. Szacuje się, że liczba zgonów wywołanych lekoopornymi bakteriami przekroczy wtedy 10 mln rocznie, czyli będzie ich więcej niż na choroby układu krążenia i nowotwory razem wzięte.
Skąd antybiotykooporność?
Prof. Alicja Węgrzyn podkreśla, że odkrycie, jakiego dokonały grupy badawcze, ma szczególne znaczenie dla weterynarii. W przemysłowej hodowli zwierząt jest zużywane ¾ światowej produkcji antybiotyków, a świadomi producenci, chcąc ograniczyć ich stosowanie, poszukują alternatywnych, ekologicznych i bezpiecznych środków antybakteryjnych. Mogą nimi być bakteriofagi.
– Problemem przemysłowych hodowli zwierząt jest stosowanie antybiotyków nie tylko w terapii, ale i profilaktyce. Kiedyś podawano je np. w paszy jako środki stymulujące wzrost. Zakazano tej procedury, najpierw w UE potem w Stanach Zjednoczonych. Ale Chiny, Indie nadal ją stosują – dodaje genetyczka.
Lekooporne bakterie z jelit zwierząt są wydalane i przedostają się do obornika, który powinien być odpowiednio długo leżakowany, przegazowany przez rok. Ale jeśli jest wyrzucany na pole szybciej, bakterie antybiotykooporne wciąż żyją, przedostają się do gleby, do wód gruntowych, są na roślinach i wchodzą w obieg.
– Zdarza się, że hodowcy nie przestrzegają przepisów, bo jeśli mają usunąć z kurnika cały obornik, nie mają gdzie go magazynować, to najczęściej bezpośrednio wyrzucają go na pole. Cykl produkcyjny kurcząt trwa sześć tygodni, więc obornika zbiera się bardzo dużo – tłumaczy prof. Węgrzyn.
Antybiotykoodporne szczepy bakterii pojawiły się w Indiach i Chinach, ponieważ firmy farmaceutyczne z powodów ekonomicznych tam właśnie wyprowadziły produkcję wielu farmaceutyków, w tym również antybiotyków. W krajach tych do tej pory nie było żadnych regulacji prawnych, w jaki sposób utylizować odpady po produkcji antybiotyków, więc usuwano je bezpośrednio do gleby, rzeki czy morza.
– Dlatego w tamtej części świata ilość bakterii opornych na antybiotyki jest niebywale duża. Trafiły one do szpitali, a stamtąd zostały przywiezione do Europy. Dziś nie trzeba wyjeżdżać do dalekich krajów, żeby zarazić się bakterią lekooporną – przestrzega gdańska badaczka.
Co to takiego bakteriofagi?
Są to wirusy, które zakażają komórki bakteryjne. Namnażają się w nich i wskutek tego rozbijają komórkę, bo uwalniają swoje potomstwo. Można by więc bakteriofagi zastosować jako „żywe antybiotyki”. Pierwsze próby terapii fagowej zostały podjęte sto lat temu, ale gdy odkryto antybiotyki, zaniechano badania fagów pod względem możliwości ich użycia terapeutycznego.
Gdańscy naukowcy zajęli się aspektem bezpieczeństwa terapii fagowych, bo bakteriofagi to nadal wirusy. Choć są specyficzne dla komórek bakteryjnych i nie zakażają komórek zwierzęcych czy ludzkich jako takich, mogą się do ich wnętrza dostać. Obecność wirusów w naszym organizmie zawsze powoduje zaś naszą reakcję immunologiczną, są produkowane przeciwciała – jest to tzw. odporność nabyta. Kiedy nasze komórki odpowiadają na zakażenie, broniąc się przed wirusami, produkują interferon i inne interleukiny, które powodują stany zapalne.
– Odpowiedź naszego organizmu na wirusy jest bardzo dobra, bo prowadzi do ich eliminacji, ale jeśli jest zbyt intensywna, dochodzi do burz cytokinowych. Taka zbyt mocna odpowiedź może być niebezpieczna, a nawet śmiertelna. Zadaliśmy więc sobie pytanie: skoro jest to odpowiedź nieswoista, to czy gdy podamy bakteriofagi w terapii, nie wywołają one burzy cytokinowej? Dotychczas przy podawaniu bakteriofagów pacjentom w terapii eksperymentalnej nie obserwowano takich efektów – tłumaczy prof. Grzegorz Węgrzyn.
– Narodziło się więc kolejne pytanie, dlaczego do niej nie dochodzi? Sprawdzaliśmy to na kurczętach zakażonych bakteriami Salmonella. Dla ptaków ta bakteria nie jest wielkim problemem, jest nim natomiast dla nas, konsumentów. W badaniu zajęliśmy się mechanizmem, co się dzieje, kiedy komórka niespecyficznie rozpoznaje obcy materiał genetyczny, czyli wirusa. Dlaczego np. w przypadku wirusa SARS-CoV-2 dochodzi do burzy cytokinowej, a w przypadku bakteriofagów tego nie widać – dodaje naukowiec.
Nie będzie burzy cytokinowej
W efekcie naukowych poszukiwań okazało się, że komórki faktycznie rozpoznają materiał genetyczny bakteriofaga jako obcy – w szczególności jest rozpoznawane obce DNA. Żeby jednak reakcja doszła do końca, zachodzi kilka jej etapów. Dochodzi do uruchomienia całej kaskady zdarzeń, przekazywania sygnałów, aż dochodzi do aktywacji specyficznego czynnika, który stymuluje produkcję cytokin prozapalnych i prozapalnego interferonu.
– Dopiero od niedawna wiadomo, że rozpoznawanie wirusa przebiega dwiema ścieżkami. Jedną jest rozpoznanie jego DNA i aktywacja odpowiednich białek. Ale żeby proces mógł być efektywny, jest i druga ścieżka: przez enzym, który produkuje RNA na podstawie obcego DNA. I dopiero kompleks RNA plus białka daje możliwość indukcji. Ciekawiło nas, po co natura tak skomplikowała rozpoznawanie wirusa aż przez dwie ścieżki. Mamy na to odpowiedź. Okazuje się, że rozpoznawanie bakteriofagowego DNA przebiega jedną ścieżką, a ta druga ścieżka rozpoznania, zależna od RNA, w przypadku bakteriofaga jest zablokowana, nie działa. A skoro nie działa, nie ma aktywacji, czyli burzy cytokinowej – wyjaśnia prof. Węgrzyn.
Z bakteriofagami spotykamy się cały czas, bo żyją np. w naszych jelitach, utrzymują w równowadze bakterie. Natura musi być sprytna, by nie „podnosić alarmu-obrony” przeciwko wirusom, które nie są dla nas niebezpieczne – nie ma więc sensu indukować odpowiedzi i marnować energii. Kluczowy jest tu enzym potrzebny, aby naprodukować RNA: polimeraza RNA, która rozpoznaje eukariotyczne, specyficzne sygnały w sekwencji DNA.
– Te sygnały są w DNA komórek i wirusów eukariotycznych, czyli w materiale genetycznym zwierząt, ludzi, ale także wirusów, które nas atakują. Natomiast bakteriofagi mają inne sekwencje DNA, bo muszą być wykorzystane przez bakteryjne polimerazy. W bakteriofagowych sekwencjach tych sygnałów nie ma, a są w sekwencjach wirusów eukariotycznych. Nasz enzym polimeraza nie rozpoznaje tych innych sygnałów – mówi biolog z Uniwersytetu Gdańskiego.
Wpływ odkrycia na zdrowie człowieka
W Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN we Wrocławiu już są prowadzone terapie eksperymentalne z użyciem preparatów zawierających bakteriofagi u pacjentów zainfekowanych lekoopornymi szczepami bakterii, na których nie działają antybiotyki obecnie dostępne w medycynie. Komisja etyczna i Unia Europejska wydały na taką terapię zgodę.
– Mamy jednak jeszcze sporo do zrobienia, bo bakteriofagi są bardzo specyficzne, tzn. nie zakażą każdej bakterii. Każdy jest specyficzny nie tylko do gatunku bakterii, ale nawet w stosunku do szczepu. Lepiej mieć ich więc dużą kolekcję. Izolujemy bakterię chorobotwórczą danego pacjenta i patrzymy, czy zadziała na nią bakteriofag np. o numerze 608, czy może raczej 984. Testujemy, który jest skuteczny i podajemy. Zaleca się podawanie koktajli, czyli łączenia po trzy, cztery bakteriofagi. Wtedy jest większa szansa, że będą efektywnie działać – tłumaczy prof. Grzegorz Węgrzyn.
Wyniki terapii eksperymentalnych są bardzo obiecujące. Mimo że fagi są podawane pacjentom już bardzo mocno osłabionym i wycieńczonym przez wielokrotne próby nieskutecznej antybiotykoterapii, wielu z nich udaje się wyleczyć całkowicie z infekcji.
Problemy legislacyjne
Dotychczasowe przepisy dotyczące nowych leków nakazywały bardzo dokładną charakterystykę chemiczną cząsteczki. Ale jak scharakteryzować 1000 bakteriofagów, które jako cząstki są bardzo skomplikowane? Czyni to cały proces bardzo czasochłonnym i drogim. Wchodzą jednak nowe przepisy na poziomie UE dotyczące wytycznych przy rejestracji preparatów leczniczych dla ludzi i zwierząt.
Przepisy Europejskiej Agencji Leków zawierają cały zestaw procedur, które trzeba przejść, jeśli chce się zarejestrować w krajach UE preparaty weterynaryjne służące do leczenia, a oparte o bakteriofagi. Natomiast projekty przepisów dotyczących terapii fagowych u ludzi są na etapie konsultacji społecznych.
Zdaniem prof. Alicji Węgrzyn jesienią tego roku powinny być gotowe przepisy mówiące, w jaki sposób rejestrować preparaty oparte o bakteriofagi w medycynie człowieka. Teraz więc już nie powinno być problemu z rejestracją terapii fagowej. Oczywiście, jeśli spełni się wszystkie wytyczne, przejdzie wszystkie procedury.
– Jako osoba pracująca z fagami od 30 lat twierdzę, że nic w tych przepisach nie jest bez sensu z punktu widzenia zdrowia zwierzęcia, człowieka jako konsumenta i z punktu widzenia środowiska. Preparaty fagowe, które dostaną się na rynki, będą bezpieczne i skuteczne – zapewnia prof. Alicja Węgrzyn.
– Każdego faga musimy scharakteryzować pod wieloma względami typowo fizjologicznymi: ile potrzebuje czasu, aby się namnożył, ile fagów potomnych otrzymujemy z jednej komórki. Trzeba też wykonać analizę materiału genetycznego, co jest potrzebne, bo sprawdzimy, czy nie niesie genu oporności na antybiotyki czy genów toksyn. Dopiero kiedy będziemy pewni, że te wszystkie warunki są spełnione, będziemy mogli powiedzieć, że terapia bakteriofagami jest bezpieczna i dla zwierząt, i dla ludzi – dodaje uczona.
Banki fagów
Zdaniem prof. Alicji Węgrzyn obecnie jedyną rozsądną metodą na szybkie powstawanie preparatów fagowych jest tworzenie banków fagów. Największy jest w Kalifornii. Tam magazynuje się dokładnie scharakteryzowane fagi. Kiedy więc potrzeba dla pacjenta np. ze stopą cukrzycową bakteriofagów, które eliminują bakterie konkretnego szczepu, wtedy można poprosić o ich przesłanie i leczenie nastąpi dużo szybciej.
– W terapii zwierząt będziemy testować skuteczność i bezpieczeństwo w eliminowaniu patogennych bakterii dla kilku różnych zestawów bakteriofagów, co zapewni skuteczność danego preparatu. Rejestrować będziemy nie tylko jeden zestaw, czyli jeden preparat, ale od razu kilka. Będą więc potrzebne dużo większe pieniądze na realizację takiego przedsięwzięcia, bo zajmujemy się testowaniem kilku preparatów o różnych składach – tłumaczy prof. Węgrzyn.
Gruzini od lat dwudziestych XX w. produkują preparaty fagowe, czyli koktajle złożone z kilkudziesięciu bakteriofagów eliminujące różne szczepy patogennych bakterii, np. wywołujących biegunkę czy zakażenia dróg moczowych. Wtedy już nie trzeba izolować bakterii od pacjentów, a preparat charakteryzuje się szerokim spektrum działania, każdy go może kupić w aptece. Co prawda nie jest to lek spersonalizowany, ale pacjent może szybko rozpocząć leczenie. To jest najlepsze rozwiązanie w celu upowszechnienia terapii.
U Gruzinów nie zaobserwowano żadnych skutków ubocznych. Pośrednio oznacza to, że terapia ta jest bezpieczna, ale podejście do niej UE jest cały czas bardzo ostrożne. Dotychczas Europejska Agencja Leków (EMA) akceptowała do produkcji wyłącznie leki jednoskładnikowe. Bakteriofag zaś ma kapsyd, czyli jakby ubranko złożone z kilku różnych białek, wewnątrz którego znajduje się materiał genetyczny. To właśnie co do niego zachodzi podejrzenie, że mógłby rekombinować z bakteriami czy innymi fagami albo wbudować się do genomu komórek organizmów poddawanych terapii. Należałoby zatem przeprowadzić dokładne badania każdego z elementów składowych budujących cząstkę faga, aby można było stwierdzić, czy są bezpieczne. Taka procedura zajęłaby wiele lat pracy i pochłonęła ogromne środki finansowe, co w efekcie uczyniłoby terapię fagami nieskuteczną i nieopłacalną.
– Nasze badania pokazują jednak, że bakteriofagi są bezpieczne. Jeśli podajemy dużą ich ilość, mamy dużą ilość ich materiału genetycznego w krwioobiegu, a mimo to nie ma ostrych stanów zapalnych. Nie rusza masywna odpowiedź układu immunologicznego. Natura wiedziała, co robi, że wyposażyła nas w odpowiednie mechanizmy rozpoznania tego, co bezpieczne i co niebezpieczne. Organizmy ludzi stykają się z bakteriofagami już od życia płodowego, bo przechodzą one przez łożysko. Jeżeli organizm reagowałby na obecność fagów intensywną odpowiedzią immunologiczną, rozwój płodu stałby się niemożliwy, dochodziłoby do poronień, a co za tym idzie liczebność populacji ludzkiej byłaby bardzo ograniczona – tłumaczy prof. Alicja Węgrzyn.
Beata Igielska, zdrowie.pap.pl
Źródło:
Artykuł dwóch polskich zespołów badawczych opublikowany w „Nature Communications”: Bacteriophage DNA induces an interrupted immune response during phage therapy in a chicken model | Nature Communications
