Бактериофаги и их литические ферменты как альтернативная антибактериальная терапия в эпоху антибиотикорезистентности (аннотация)Бактериофаги и их литические ферменты как альтернативная антибактериальная терапия в эпоху антибиотикорезистентности
Неправильное использование и злоупотребление антибиотиками, наблюдаемые в последние десятилетия, ускорили эволюцию резистентных к антибиотикам бактерий, что привело нас на грань пост-антибиотической эры, когда тривиальные бактериальные инфекции становятся опасными для жизни.
Сейчас организации здравоохранения во всем мире срочно призывают к разработке новых стратегий против бактерий, резистентных к антибиотикам, и в этом контексте бактериофаги и их литические ферменты (лизины) являются определенным направлением для изучения.
Использование бактериофагов для лечения бактериальных инфекций было распространено в Восточной Европе в прошлом веке, а в настоящее время также рассматривается как альтернатива антибиотикам в западном мире, что подтверждается рядом успешных случаев. Лизины бактериофагов представляют собой иной подход в борьбе с резистентными к антибиотикам бактериями. Эти литические ферменты расщепляют пептидогликан клеточной стенки бактерий и первоначально они считались особенно подходящими для атаки на открытую клеточную стенку грамположительных (G+) бактерий. Тем временем применение лизинов в качестве энзибиотиков было расширено на грамотрицательные (G-) бактерии с разработкой стратегий, которые преодолевают физический барьер, создаваемый внешней мембраной (ВМ) в этих бактериальных клетках. Несколько лизинов, направленных на Staphylococcus aureus, в настоящее время находятся на разных стадиях клинических испытаний.
За последние 2 года пандемия SARS-CoV-2 бросила вызов всему миру и внесла дополнительный вклад в кризис антибиотикорезистентности, вызванный профилактическим применением антибиотиков для предотвращения вторичных бактериальных инфекций. В этой связи Alsaadi и др. обсуждают важность извлечения уроков из ошибок прошлых пандемий и предотвращения будущих проблем со здоровьем, вызванных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью (MDR), путем инвестирования в НИОКР в области фаговой терапии. В этой перспективной статье далее обсуждается возможность инженерии геномов фагов для улучшения их потенциала, а также подчеркивается необходимость создания нормативной базы по фагам и повышения осведомленности общества о фаговой терапии.
Несмотря на то, что фаги обычно описываются как специфичные для бактерий и не имеющие негативных взаимодействий с эукариотическими клетками, некоторые сообщения свидетельствуют о том, что фаги могут влиять на метаболизм клеток млекопитающих. В связи с этим Górski et al. подробно рассказывают о терапевтических последствиях взаимодействия фагов с эпителиальными клетками. Авторы обсуждают способность фагов связываться и проникать в различные типы клеток млекопитающих и изменять их фенотип (например, изменять экспрессию поверхностных маркеров и иммуномодулировать выработку цитокинов). Поскольку малые дозы патогенных молекул могут вызывать иммунный ответ, авторы подчеркивают важность применения в терапии высокочистых фагов.
Широко обсуждаемым недостатком фаговой терапии является способность бактерий быстро вырабатывать резистентность к фагам. Это можно обойти с помощью фаговых коктейлей. Для разработки эффективного коктейля Niu et al. систематически оценивали взаимодействие четырех фагов в отдельной терапии и в 11 коктейлях для биоконтроля Escherichia coli O157. Было установлено, что такие переменные, как кратность инфицирования, температура и время воздействия, влияют на взаимодействие между фагами. Важно отметить, что авторы обнаружили несколько антагонистических взаимодействий между фагами, и поэтому предполагают, что составление фагового коктейля должно гарантировать отсутствие антагонистических взаимодействий и способствовать синергическим эффектам.
Растет число доказательств того, что некоторые лизины обладают врожденной способностью преодолевать ВМ благодаря особенностям, чаще встречающимся на их С-концевых участках (концентрация положительно заряженных аминокислот и/или наличие AMP-подобных сегментов). Vásquez et al. показывают, что биоинформационный анализ физико-химических свойств лизинов в сочетании с прогностической моделью k-nearest neighbors может быть использован для "добычи" потенциальных лизинов с такими мембранно-взаимодействующими свойствами. Для двух кандидатов лизинов, полученных в результате исследования, была продемонстрирована внутренняя бактерицидная активность против G-бактерий, что подтверждает правильность подхода. Эта работа открывает новые возможности для выявления и последующей разработки новых антимикробных препаратов на основе лизинов с улучшенными свойствами.
Недавно было показано, что лизины, продуцируемые фагами из термофильной среды, могут обладать бактерицидной активностью как против G-, так и G+ бактерий (Wang et al., 2020a,b). В данном исследовании сообщается о P9ly, литическом ферменте, продуцируемом фагом PSD9, инфицирующим Shigella dysenteriae, который обладает такой же способностью. Эти же авторы. показали, что помимо бактериолитической активности в отношении различных видов Shigella и других G-бактерий, таких как E. coli и Salmonella spp., P9ly также может лизировать штамм S. aureus с MDR. Это исследование дает предварительные данные, указывающие на усиление бактерицидного эффекта в результате совместного действия P9ly и антибиотика. Следует отметить, что P9ly относится к тем немногим лизинам с бактерицидным действием на Shigella spp., о которых сообщалось до сих пор.
Антистрептококковые эндолизины являются одними из наиболее хорошо охарактеризованных литических ферментов фагов, действующих на G+ бактерии, и первыми продемонстрировали эффективное уничтожение бактериальных патогенов in vivo. Gallego-Páramo et al. сообщают о подробной структурной и функциональной характеристике двух стрептококковых эндолизинов, Skl и Pal. Проведя глубокое компьютерное моделирование функциональных доменов эндолизинов, подкрепленное обширным физическим, генетическим и биохимическим анализом, авторы раскрывают ключевые молекулярные детали ферментов, касающиеся распознавания субстратов, каталитического механизма и трехмерной структуры. Skl и Pal, имеющие разные каталитические и родственные клеточно-связывающие домены, имеют сходную структуру. Также общей для этих эндолизинов и других известных стрептококковых литических ферментов является общая 3D-архитектура, наблюдаемая при димеризации, стимулируемой связыванием холина. Это позволяет предположить адаптацию стрептококковых лизинов к холинсодержащим клеточным стенкам.
В целом упомянутые работы обеспечивают превосходные достижения в области изучения антимикробных препаратов, полученных с помощью бактериофагов, и формулирует вопросы, на которые предстоит ответить научному сообществу во всем мире.
