Безопасность и эффективность применения фагов при бактериальной деколонизации (аннотация)Безопасность и эффективность применения фагов при бактериальной деколонизации
Многие клинически значимые бактерии (например, Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae и Pseudomonas aeruginosa) вызывают тяжелые инфекции, которые трудно поддаются лечению из-за нехватки антимикробных препаратов, обусловленной внутренней или приобретенной резистентностью.
Колонизация патогенами, включая эти трудно поддающиеся лечению бактерии, обычно является ступенькой для возникновения последующих инвазивных инфекций у хозяина (человека или животных). Колонизированные хозяева могут также выступать в качестве источника инфекции, выделяя бактерии, что приводит к контаминации окружающей среды и облегчает передачу патогена другим хозяевам, вызывая последующие инфекции и даже вспышки или эпидемии.
Колонизация также может способствовать передаче или обмену генами, кодирующими резистентность к противомикробным препаратам или факторы вирулентности бактерий, что приводит к образованию новых организмов с множественной лекарственной резистентностью или гипервирулентных штаммов. Следовательно, эффективные стратегии деколонизации могут предотвратить развитие инфекций у хозяев и уменьшить распространение организмов с множественной лекарственной резистентностью. Однако такие методы, в частности направленные на бактерии, живущие на слизистых оболочках, в настоящее время применяются редко.
Использование антимикробных препаратов для деколонизации в большинстве случаев не приносит успеха и может нарушить комменсальную микрофлору и способствовать появлению организмов с множественной лекарственной резистентностью. Деколонизация с использованием экологических подходов путем пересадки микробиома или его продуктов все еще вызывает споры и имеет различные результаты. По сравнению с лечением инфекций деколонизация представляется более сложной задачей. Патогены вызывают воспаление при инфекциях и вызывают ответные реакции иммунной системы хозяина, которые, в свою очередь, контролируют инфекцию, в то время как колонизация бактерий, как правило, носит скрытый характер и не вызывает никаких защитных иммунных реакций.
Колонизация патогенными бактериями, особенно в медицинских или ветеринарных учреждениях, часто отражает потерю колонизационной резистентности, обеспечиваемой комменсальной микрофлорой в результате нарушений. Факторы, нарушающие комменсальную микрофлору, такие как использование антимикробных препаратов, могут оказаться неизбежными, и хозяин может постоянно подвергаться воздействию источников патогенных бактерий, например, присутствующих в окружающей среде, у других пациентов или инфицированных животных. Таким образом, патогенные бактерии могут продолжать создавать постоянную, трудно искореняемую колонизацию. Поэтому существует настоятельная необходимость в разработке новых стратегий деколонизации.
В этом систематическом обзоре мы проанализировали опубликованные данные о безопасности и эффективности применения фагов для бактериальной деколонизации. Мы включили 56 исследований, в том числе пять клинических отчетов и 51 исследование на животных. В ходе редактирования данного обзора мы обнаружили три дополнительных исследования по данной теме, опубликованные во второй половине 2023 г., в которых использовались фаги для воздействия на желудочно-кишечный тракт мышей.
В большинстве опубликованных исследований, включая три недавно опубликованных, после введения фагов снижалась нагрузка целевых бактерий на колонизированный участок, что подчеркивает потенциал использования фагов для бактериальной деколонизации с целью профилактики инфекций как у людей, так и у животных. Однако степень снижения бактериальной нагрузки в разных исследованиях заметно различается, и лишь в нескольких исследованиях сообщалось об уничтожении бактерий-мишеней. Этот вывод свидетельствует о том, что использование фагов для бактериальной деколонизации нуждается в совершенствовании.
Во-первых, эффективность фагов зависит от нескольких факторов, таких как тип хозяина, литическая активность фагов, их количество, дозировка, способ, время, частота, продолжительность введения фагов, любые сопутствующие меры, бактериальная нагрузка и склонность бактерий-мишеней к развитию устойчивости к фагам. В неэкстренных ситуациях фаги и их взаимодействие с бактериями-мишенями должны быть хорошо охарактеризованы для разработки оптимального подхода и стратегии деколонизации до введения фагов. К сожалению, во многих опубликованных исследованиях такие критически важные данные отсутствуют или являются неполными.
Во-вторых, из-за быстрого возникновения резистентности у бактерий после воздействия фагов использование только одного фага для деколонизации в исследованиях не является оптимальным подходом. Коктейли, состоящие из нескольких фагов, могут замедлить возникновение фаговой резистентности и, следовательно, усилить эффект деколонизации. Однако сочетание нескольких фагов одного вида или одного рода вряд ли расширит спектр хозяев или усилит эффект уничтожения и может привести к неоптимальным коктейлям. Мы заметили, что во многих исследованиях коктейли использовались без указания таксономии включенных в них фагов и могли содержать большое количество фагов, что может быть фактором снижения эффекта или рецидива инфекции после применения фагов для деколонизации.
Тем не менее, возникновение устойчивости к фагам выглядит неизбежным, представляя собой основное узкое место в фаговой терапии или применении фагов для деколонизации. Кроме того, в одном и том же месте может колонизироваться множество патогенных бактерий, и, как уже говорилось выше, риск бактериальной колонизации может существовать постоянно, препятствуя успешной деколонизации. Поэтому следует заранее выявить больше фагов естественного происхождения против основных бактерий-мишеней, чтобы создать большой банк фагов, позволяющий проводить высокопроизводительный скрининг, и сконструировать оптимальный рабочий коктейль.
В качестве альтернативы фаги могут быть свежевыделенными с использованием целевых штаммов бактерий, включая мутанты, у которых своевременно развилась устойчивость к ранее введенным фагам, или фаги могут быть заранее модифицированы против основных целевых бактерий, чтобы расширить спектр хозяев и преодолеть устойчивость к исходным фагам. Резистентность к фагам, возникшая в процессе деколонизации, может также поставить под угрозу или снизить эффективность лечения инфекций, вызванных бактериями-мишенями. Поэтому фаги или фаговые коктейли, используемые для деколонизации, должны отличаться от фагов для терапии.
В-третьих, помимо устойчивости фагов, слизистый слой пространственно неоднороден и обеспечивает убежища для бактерий-мишеней. Наличие муцинов, гликопротеинов, липидов и молекул ДНК в слизистом слое может ограничивать диффузию фагов в слизь и приводить к неравномерному пространственному распределению фагов в слизистых, например, в желудочно-кишечном тракте. Эта область представляет собой серьезную проблему для использования фагов в целях деколонизации. Тем не менее, около 25% секвенированных dsDNA-фагов (Caudovirales) кодируют иммуноглобиноподобные белки, которые могут усиливать адгезию фагов к мембранам слизистой путем связывания с гликопротеинами муцина, увеличивая тем самым вероятность поражения бактерий-мишеней. Таким образом, использование фагов, содержащих иммуноглобиноподобные белки, может повысить эффективность деколонизации. Кроме того, в ряде исследований фаги использовались в сочетании с другими контрмерами, такими как пробиотики, антимикробные препараты, поверхностно-активные вещества и вакцины. Такие комбинации фагов и других мер требуют дальнейших исследований для оценки эффекта каждой отдельной меры и в качестве комбинированной контрмеры для разработки оптимального подхода с максимальной эффективностью и безопасностью.
В-четвертых, несмотря на то, что пероральный способ введения фагов является наиболее распространенным, фаги могут не переносить желудочную кислоту, что приведет к ослаблению их действия. Использование микрокапсулированных фагов, как показано в нескольких исследованиях, может способствовать деколонизации. Другим подходом может быть добавление агентов, нейтрализующих желудочную кислоту, таких как CaCO3, для защиты фагов в желудке. Кроме того, несколько исследований показали, что поверхностно-активные вещества могут подавлять самоагрегацию бактерий и даже разрушать бактериальные биопленки, тем самым повышая деколонизационную эффективность фаговой терапии.
В 15 исследованиях также сообщалось о безопасности применения фагов. В целом, применение фагов для деколонизации переносится хорошо, явных побочных реакций не отмечено. Однако в этих исследованиях фаги в основном вводились перорально, а данные о других способах введения в основном отсутствуют. Кроме того, показатели, используемые для оценки безопасности фагов в опубликованных исследованиях, непоследовательны и ненадежны. В ряде статей сообщалось только о том, что после фаговой терапии не наблюдалось связанных со здоровьем побочных эффектов или наблюдалась хорошая переносимость, без предоставления данных о других показателях, таких как параметры крови и микробиом желудочно-кишечного тракта.
Поскольку использование фагов все чаще описывается в литературе, необходимо разработать подход к стандартизированной отчетности с набором показателей для всестороннего и тщательного изучения безопасности. Кроме того, по крайней мере в одном исследовании было описано изменение соотношения некоторых бактерий микробиома желудочно-кишечного тракта после длительного применения фагов для деколонизации бактерий. Этот вывод может показаться неудивительным, поскольку при уменьшении количества или уничтожении одних бактерий другие бактерии могут занять освободившееся место с повышенной нагрузкой, что может оказать более сильное влияние на экосистему микробиома в целом. Тем не менее, долгосрочное влияние введения фагов на комменсальный микробиом требует дальнейших исследований.
Данный систематический обзор имеет ряд ограничений. Во-первых, имеется мало исследований по данной теме. Большинство доступных исследований - это отчеты о случаях или исследования на животных с небольшим количеством выборок и умеренным или высоким риском необъективности (для исследований на животных), что приводит к более низкому качеству доказательств, не позволяющему сделать надежные выводы. Кроме того, многие неудачные попытки фаговой деколонизации могли быть не опубликованы, что привело к погрешностям в публикациях.
Во-вторых, включенные в исследование фаги были весьма неоднородны по многим параметрам, таким как количество и тип используемых фагов, целевые виды или штаммы бактерий, место колонизации, дозировка, способ, частота и продолжительность введения, а также вид животных. Учитывая эту неоднородность, мы не смогли провести мета-анализ.
В-третьих, имеется мало сообщений о исследованиях на людях, а единственное клиническое исследование на эту тему имеет небольшой размер выборки и представлено только в виде постера без подробных данных, доступных в настоящее время. По каждому типу исследуемых животных моделей количество исследований также невелико. Кроме того, большинство экспериментов по деколонизации фагами проводилось на домашней птице или скоте, направленных на определенный набор патогенов желудочно-кишечного тракта, таких как Campylobacter, Salmonella и E.coli типа O157. Такое применение может защитить животноводство от разрушительных бактериальных инфекций и, вероятно, отражает интерес к замене антибиотиков. Это применение также может предотвратить попадание бактериальных инфекций в пищевую цепочку.
В отличие от этого, некоторые исследования проводились на мышах, и обычно были направлены на клинически значимые бактериальные патогены, такие как K.pneumoniae и определенные штаммы E coli, вызывающие заболевания или колонизацию человека, с целью последующего клинического применения. Однако исследователям следует учитывать, что микробиом желудочно-кишечного тракта человека и мыши отличается и что эффект деколонизации у мышей может быть не применим к человеку. Кроме того, применение фагов у людей обычно требует более высоких стандартов подготовки, требует больших финансовых затрат и подчиняется более строгим правилам, представляя собой более сложную задачу, чем в случае с животными.
Несмотря на указанные ограничения и опасения, мы считаем, что данный систематический обзор дает необходимую информацию о применении фагов для деколонизации в качестве профилактического подхода к борьбе с передачей инфекций и в дополнение к терапии бактериальных инфекций. Обобщение имеющихся на сегодняшний день исследований показывает, что фаги могут стать одним из вариантов деколонизации патогенных бактерий или, по крайней мере, значительного снижения их нагрузки, чтобы минимизировать риск развития последующих инвазивных инфекций для хозяина и смягчить передачу инфекций другим людям.
Однако использование фагов для деколонизации еще недостаточно изучено, и многие проблемы еще предстоит преодолеть. По сравнению с антимикробными препаратами фаги обычно имеют более узкий спектр действия на хозяина, но при этом они более склонны вызывать резистентность в более короткие сроки. Разработка фагов для применения в целях деколонизации может потребовать более точного подхода и должна учитывать индивидуальные факторы, такие как штамм бактерий-мишеней и его взаимодействие с потенциальными фагами, возникновение резистентности и соответствующие контрмеры, место колонизации и состояние хозяина.
В будущих исследованиях ученым, возможно, потребуется провести больше анализов с тщательной проверкой перед внедрением фагов в организм, улучшить дизайн, включить больше участников и определить, какие хозяева получат наибольшую пользу от фаговой терапии. Для повышения качества исследований и сравнительного анализа между ними будущие исследования фаговой деколонизации должны содержать важную информацию о хозяине, бактерии-мишени, используемых фагах, способе введения фагов, эффективности и безопасности. И наконец, деколонизация - это мера, направленная на устранение отставания, поскольку колонизация бактерий уже произошла. Лучшей стратегией было бы предотвратить такую колонизацию заранее, что расширило бы сферу применения фагов и стало бы новой областью, требующей дальнейшего изучения.
Использование фагов для деколонизации в целом безопасно и не вызывает явных побочных реакций, исходя из имеющихся на данный момент данных. Учитывая глобальную угрозу, которую представляют трудноизлечимые бактерии, и значение колонизации для последующей инфекции и передачи патогенов, фаги могут быть потенциально эффективной альтернативой для деколонизации, и этот метод заслуживает дальнейших исследований и тщательной оценки.
