Как школьники в воде Рейна нашли оружие против супербактерий

Бактериофаги, выделенные из Рейнской воды в рамках проекта Александра Хармса. Alexander Harms

Устойчивые к антибиотикам бактерии — одна из самых серьезных опасностей для здоровья человека. Уникальная коллекция вирусов-бактериофагов, выделенных в Швейцарии, помогает ученым всего мира разрабатывать новые методы противодействия инфекциям, ранее считавшимся полностью «неприступными» для лекарственных препаратов.

Тема «полезных вирусов» может показаться парадоксальной, особенно после пандемии Covid-19. Тем не менее факт остается фактом: не все вирусы вредны для нашего здоровья. Вирусы, способные заражать бактерии, называются бактериофагами или просто фагами. Они могут быть очень даже полезны и спасать жизни людей. Таково мнение швейцарского микробиолога Александра Хармса (Alexander Harms). Понятие «бактериофаг» происходит от слияния слов «бактерия» и phagos — на греческом «пожиратель». Эти так называемые бактериальные вирусы вызывают разрушение (лизис) бактерий и других микроорганизмов. 

Они размножаются в клетках, лизируют их и переходят в другие молодые растущие клетки. Впервые лизис бактерий открыл в 1898 году российский микробиолог Н. Ф. Гамалея. «Однако известно о них всё ещё очень немного. Изучать их сейчас — словно исследовать обратную сторону Луны», — говорит Александр Хармс. В 2019 г. вместе с группой учеников старших классов гимназии он начал реализовывать проект по сбору и описанию образцов бактериофагов, встречающихся в природе. Сегодня эта коллекция стала важнейшим ресурсом для исследовательских институтов всего мира. Возможно, в будущем она внесет решающий вклад в прорыв на фронте борьбы с бактериальными инфекциями.

Пожиратель бактерий

Бактериофаговые микроорганизмы принадлежат к одному из самых распространенных и многочисленных биологических видов на Земле. Эти виды исчисляются триллионами, и встречаются они практически в каждой земной экосистеме, от лесной почвы до поверхности океанов. В экологии вообще и в так называемом углеродном цикле в частности они играют едва ли не центральную роль. Например, разлагая морские бактерии, они способствуют рассеиванию питательных веществ. «Бактериофаги являются одной из движущих сил жизни на нашей планете», — говорит Александр Хармс.

Александр Хармс изучает характеристики бактериофагов. swissinfo.ch

До прошлого 2022 года он был старшим научным сотрудником Биоцентра при Базельском университете (Biozentrum der Universität BaselВнешняя ссылка), специализированного института, в центре работы которого находятся фундаментальные исследования молекулярных и биомедицинских процессов. Сегодня он работает в Институте продовольствия, питания и здоровья при Высшей технической школе Цюриха (Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit der ETH Zürich). Бактериофаговые микроорганизмы присутствуют и в организме человекаВнешняя ссылка. Их влияние на кишечную флору до сих пор мало изучено, но на данный момент считается, что, будучи безвредными для человека, они способны регулировать состав популяции бактерий, живущих в человеке.

По словам Александра Хармса, способность избирательно заражать бактерии — бактериофаги как-то умеют распознавать только определенные типы бактерий и часто только определенные штаммы этого типа — делает их чрезвычайно интересными для научных исследований. Они в состоянии уничтожать патогенные микроорганизмы, загрязняющие продукты питания, такие, например, как сальмонелла. Их можно использовать для терапии бактериальных инфекций мочевыводящих или дыхательных путей. Интерес к фагам, атакующим так называемые «спящие» бактерии, ответственные за хронические заболевания, собственно, и побудил Александра Хармса вооружиться пробирками и отправиться на поиски естественных бактериофагов, существующие в природе.

Новые бактериофаги в воде Рейна

Летом 2019 г. Александр Хармс и группа гимназистов организовали на базе университетского Биоцентра Базельскую летнюю научную академию и начали сбор проб окрестных вод и почв. Источником для них послужила река Рейн, а также многочисленные местные пруды и болотца, компостные и очистные сооружения. «Мы даже и не знали, чего ожидать», — вспоминает Александр Хармс. Позже уже в лабораторных условиях его команда выделила и описала значительное количество бактериофагов, например инфицирующих кишечную палочку Escherichia coli.

Группа гимназистов под руководством Александра Хармса берет пробы воды в Рейне. Alexander Harms

Это одна из самых распространенных и обычно безвредных кишечных бактерий, способных, однако, в некоторых случаях вызывать серьезные заболевания. Результаты, опубликованные два года спустя в научном рецензируемом журнале PLOS BiologyВнешняя ссылка, представляли собой коллекцию из семи десятков типов бактериофагов. Статья подтвердила важный факт: группы схожих фагов выполняют по всему миру одну и ту же роль и имеют схожие функции. «Такие результаты меня очень удивили», — говорит Александр Хармс. Еще один неожиданный результат — разнообразие типов фагов, поражающих именно уже упомянутую кишечную палочку.

Конечно, в мире есть куда более крупные коллекцииВнешняя ссылка, состоящие даже из сотен видов бактериофагов, но, по словам швейцарского ученого, ни одна из них не характеризует их так аккуратно и системно, как базельская коллекция. Она очень полезна для зарубежных исследователей, ищущих способы использовать фаги для лечения бактериальных инфекций в качестве альтернативы антибиотикам. В частности, бактериофаги уже показали свою перспективность в борьбе с бактериями, заражающих язвы и хронические раны у людей с диабетом, что часто приводит к ампутациям.

Ренессанс бактериофагов в медицине

Идея использования бактериофагов в качестве лекарственного препарата — внутривенно или в виде аэрозоля — возникла ещё в первые десятилетия 20-го века в тогдашнем Советском союзе. Во время Второй мировой войны фаги использовались для лечения военнослужащих, страдающих дизентерией и другими бактериальными инфекциями. Однако с появлением и распространением антибиотиков — пенициллин был открыт в 1929 г. — исследования в области полезных вирусов отошли на второй план, по крайней мере, на Западе. В наше время эта тема вернулась с учетом проблемы роста степени устойчивости бактерий к антибиотикамВнешняя ссылка, из-за чего терапия таких болезней, как пневмония или туберкулез, становится всё более трудной задачей. 

Согласно исследованию, опубликованному в 2022 г., устойчивость к противомикробным препаратамВнешняя ссылка дополнительно приводит к смерти более 1,2 млн человек в год по всему миру, а это куда больше даже числа жертв ВИЧ или малярии. К 2050 году число таких смертей может возрасти до 10 млн в год. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рассматривает устойчивость к антибиотикам в качестве серьезной опасности для ситуации в целом в области глобального здравоохранения. Развитые страны Запада в последние годы заметно активизировали свои исследования в области бактериофаговой терапии, ведь она практически не имеет побочных эффектов. 

Культура кишечной палочки (Escherichia coli), зараженной бактериофагом. Серые пятна указывают на то, что бактерия уничтожена. swissinfo.ch

Александр Хармс уточняет, что терапевтическое применение бактериофагов пока не получило широкого распространения, хотя об этом теперь очень много говорят в политических и научных кругах. Причина: процесс идентификации бактерии, ответственной за данную инфекцию, и выбора правильного фага для её уничтожения бывает очень сложным и дорогостоящим. Фаги, кроме того, способны вызывать иммунную реакцию организма или, подобно антибиотикам, провоцировать резистентность при повторном приёме. Кроме того, в отличие от антибиотика, обладающего чётко определёнными, стабильными и, следовательно, воспроизводимыми свойствами, бактериофаг более сложен и способен мутировать. 

Как раз эта особенность и является для надзорных органовВнешняя ссылка основным аргументом против выдачи разрешений и допусков для использования их в рыночных масштабах. «При использовании в терапевтических целях препараты на основе бактериофагов должны соответствовать тем же требованиям, что и все другие лекарственные средства», — объясняет Лукас Ягги (Lukas Jaggi), представитель Swissmedic, швейцарского Ведомства по надзору за оборотом лекарственных средств. На сегодня в Швейцарии не был одобрен пока ни один препарат этого типа. Однако Лукас Ягги уточняет, что в 2015 году в стране уже начались клинические испытания некоторых таких средств. Кроме того, нельзя исключать, что в отдельных случаях в некоторых клиниках для терапии инфекционных заболеваний уже применялись бактериофаги иностранного производства. 

До США и Австралии

Александр Хармс надеется, что коллекция бактериофагов из Базеля будет способствовать дальнейшему поиску эффективных методов терапии, причем не только людей. «Фаги могут оказаться полезными в борьбе с бактериями, заражающими сельскохозяйственные культуры», — говорит учёный. Например, препараты на основе бактериофагов можно распылять в оливковых рощах, пораженных Xylella fastidiosa, бактерией, от которой недавно пострадали тысячи оливковых деревьев в итальянской Апулии, или на плантациях яблонь и груш в Швейцарии, пострадавших недавно от «бактериального ожога плодовых культур», вызываемого бактерией из рода эрвиний Erwinia amylovora.

На данный момент к помощи швейцарской коллекции уже обратились более четырех десятков лабораторий со всего мира. Александр Хармс не знает, насколько эффективной в плане спасения людей или растений была эта информация, так как итоги соответствующих исследований ещё не опубликованы. Тем не менее он «испытывает особое чувство удовлетворения, зная, что бактериофаги, собранные в Рейне, в рамках проекта, оснащенного очень небольшими финансовыми ресурсами, теперь используются исследовательских проектах в Австралии или США. Я намерен и дальше делиться нашими фагами со всеми заинтересованными учеными по всему миру. Потому что только так наука и работает».