CONTEMPORARY VIEW ON THE ROLE OF BACTERIOPHAGES IN EVOLUTION OF NOSOCOMIAL STRAINS AND PROPHYLAXIS OF HEALTHCARE ASSOCIATED INFECTIONS


Cite item

Full Text

Abstract

One of the actual problems of contemporary healthcare are healthcare associated infections (HAI). An important aspect of study of HAI problem is the study of evolution of hospital strains causing HAI. The knowledge accumulated to date in the field of bacteria genetics gives evidence on the significant role of phages in the mechanism of virulence obtaining by pathogenic and opportunistic microorganisms. The studies of the authors of this article show that bacteriophages may play a significant role in the formation of virulent properties in hospital conditions that in different hospitals with participation of phages form virulent and antibiotic resistant hospital strains of HAI causative agents. At the same time bacteriophages are effective means for HAI therapy and prophylaxis. Under the condition of mass and irrational use of antibiotics, HAI causative agents form multiple resistance to the existing antibacterial preparations. In this regard bacteriophages as antimicrobial agents become especially actual. To date in Russian and foreign literature considerable material has been accumulated that shows high effectiveness of bacteriophages under the conditions of rational use. The aim of this review is to evaluate contemporary achievements in the field of study of bacteriophage role in evolution of hospital strains and therapy and prophylaxis of healthcare associated infections.

Full Text

Накопленные к настоящему времени знания свидетельствуют о том, что бактериофаги играют очень важную роль в эволюции бактерий и в реализации их патогенного потенциала [14]. Исследования генетической структуры микробов и бактериофагов показали древние взаимосвязи между ними. Фаги способствуют формированию генетического разнообразия бактерий [14, 15]. Бактериофаги могут осуществлять горизонтальный генетический обмен между штаммами микробов путем лизогенной конверсии либо трансдукции. Феномен фаговой трансдукции описан у многих бактерий [14, 20]. Известно множество случаев передачи бактериофагами генов устойчивости к антибиотикам между микробами. Например, бактериофаги Proteus mirabilis способны к передаче микробу свойств устойчивости к канамицину и амициллину [19]. Бактериофаги метицилли-норезистентных штаммов Staphylococcus aureus способны к передаче генов устойчивости к пенициллину и тетрациклину [21]. У энтерококков бактериофаги способны переносить гены устойчивости к тетрациклину и гентамицину. В ходе лизогенной конверсии происходит изменение свойств бактериальной клетки вследствие заражения ее умеренным бактериофагом, который в виде профага встраивается в бактериальную хромосому. У многих бактерий профаги представляют значительную часть их ДНК, приобретенной со стороны в ходе горизонтального генетического обмена. Некоторые профаги передают бактериям гены вирулентности, повышающие способность микроорганизмов к адаптации к условиям окружающей среды (в т.ч. в организме человека), играя, тем самым, важную роль в их эволюции. В табл. представлен перечень бактериофагов, играющих роль в кодировании факторов вирулентности у условно патогенных бактерий - возбудителей ИСМП. Как видно из таблицы, многие условно патогенные микроорганизмы содержат в своем геноме профаги. Каждый из закодированных профагами факторов патогенности вносит вклад в способность к паразитизму лизогенизированной бактерии в организме человека [14, 15]. В настоящее время известно, что множество факторов вирулентности закодиро- Гены, входящие в состав профага Бактерия Бактериофаг Биологическое значение в патогенезе H-19B Escherichia coli Enterococcus spp. Proteus spp. Klebsiella spp. фЕC3208 P4 DLP12 Phage cdtI ФЕЕ^-^ ФFL2A-B, ФFL3A-B ФЕЕ1A-C, ФЕЕ2A-B, ФЕЕ3A-B unnamed phage01 (EF0348), phage04 (EF2003), phage06 (EF2813) PV22 5006M, 5006M HFT k и 5006M HFT unnamed unnamed unnamed Pseudomonas spр. S.aureus фОГХ D3 unnamed unnamed unnamed fPVL NA фШ15 ф 13, фMu50A фETA ф13 stx1, stx2 hly2 c2418*Prophage P4 integrase essD, ybcS, rzpD/rzoD cdt gp2 YopX EnpA pblA, pblB unnamed unnamed NC_011283 (гомолог профагового гена gyfsy1 Salmonella enterica) ybcU, гомолог профагового гена bor E. coli «остров патогенности» KpGI-2 ctx unnamed PLES25621 PLES06181 PЕES08021 pvl see, sel sep entA, sea eta sak продукция токсина Шига продукция гемолизина участие в патогенезе цистита формирование микробных биопленок продукция цитолетального токсина набухания повышение адгезивной способности к эпителию мочевыводящих путей повышение вирулентности способность к продукции металлопептидазы способность к агрегации тромбоцитов увеличение подвижности канамицинорезистентность, ампициллино-резистентность тетрациклинорезистентность разнообразные функции, в т.ч. способность к регуляции индукции фага иммунное уклонение за счет формирования липопротеина наружной мембраны клеточной стенки бактерии «остров патогенности», дающий адаптационные возможности и функции вирулентности микробу продукция цитотоксина изменение антигенной структуры микроба является гомологом профага D3, вероятно, кодирует продукцию литического фермента формирование оболочки хвоста и продукции пиоцина R2 синтез белка, участвующего в репликации ДНК DnaC продукция лейкоцидина Патнона-Валентайна продукция энтеротоксина продукция энтеротоксина P продукция энтеротоксина A продукция эксфолиативного токсина A продукция стафилокиназы вано профаговыми генами и у патогенных бактерий. У некоторых бактерий (Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae и Clostridium botulinum) токсины, играющие ведущую роль в патогенезе и вызывающие характерные симптомы инфекционного заболевания, обусловлены профагами. Наибольшее распространение вирулентные варианты возбудителей могут получать в относительно замкнутых искусственных экосистемах, в частности в госпитальной среде. Стационары представляют собой своеобразные резервуары, в которых, благодаря широким возможностям циркуляции различных штаммов бактерий и возможностям для горизонтального генетического обмена, формируются новые эпидемические варианты возбудителей, в т.ч. госпитальные штаммы, обладающие негативными характеристиками, например, множественной устойчивостью к антибактериальным препаратам. В ходе наших исследований [9] были изучены вопросы формирования фагоопосредованных факторов вирулентности у микроорганизмов - возбудителей ИСМП в различных стационарах. В данных исследованиях продемонстрировано, что в стационарах, наряду с циркуляцией госпитальных штаммов возбудителей, происходит достаточно интенсивная циркуляция их бактериофагов. Интенсивность процесса циркуляции фагов варьирует в зависимости от вида возбудителя и типа стационара и достигает, например, для синегнойной палочки в травматологическом стационаре 29 на 100 пациентов (т.е. почти у каждого третьего пациента из раны высевается синегнойный бактериофаг). Бактериофаги, по-видимому, распространяются в стационаре теми же путями, как и возбудители внутрибольничных инфекций, с участием объектов внешней среды, медицинского инструментария и рук медперсонала, выступающих в качестве факторов передачи. В ходе этих исследований было также выявлено, что фаги в значительном числе случаев обнаруживали с бактериями-хозяевами в одном и том же биотопе, например, в одной и той же ране пациента. При этом бактериальные культуры были, как правило, устойчивы к бактериофагу, с которым были выделены. Так, в 62,5% случаев P. aeruginosa не лизировалась фагом, выделенным одновременно из той же раны [9]. Результатом такой коэволюции бактерий-возбудителей и их фагов может явиться формирование в стационаре своеобразных паразитарных экосистем, представленных популяцией бактериофагов, популяцией возбудителя и окружающей их госпитальной средой. Фаги, входящие в такие экосистемы, не обладая вирулентностью, не способны оказывать ни клинического, ни эпидемиологического эффекта, а наоборот - могут способствовать формированию негативных свойств у бактерий за счет приобретения последними фагоопосредованных генов вирулентности. В ряде наших исследований проводилось изучение распространенности фагоопосредованных генов вирулентности у штаммов возбудителей ИСМП, выделенных от пациентов различных стационаров. Выделенные от пациентов урологических стационаров изоляты E. coli, возбудители инфекций мочевыводящих путей (ИМП), были исследованы на присутствие генов фагоопосредованных факторов вирулентности, в частности профагового гена c2418 (ген ассоциированной с «островом патогенности» профаговой интегразы), эксперссирующегося преимущественно у уропа-тогенных кишечных палочек [3]. Данный ген был обнаружен у 78,3% кишечных палочек. Ген cdt1 (кодирует цитолетальный токсин набухания) был обнаружен у 23,5% штаммов кишечных палочек. Генов stx1, stx2 (кодирующих продукцию шигоподобных токсинов) и cdt2 обнаружено не было. В урологических стационарах также были изучены клинические изоляты Enterococus spр. на присутствие генов фагоопосредованных факторов вирулентности: гена gp2 (профаговый ген, ответственный за повышение адгезивных способностей микроба), гена yopX (профаговый ген, способный повышать вирулентность штамма), гены pblA и pblB (профаговые гены, ответственные за способность микроба к агрегации тромбоцитов человека) [4]. В популяции изучаемых энтерококков - возбудителей ИМП среди генов фагоопосредованных факторов вирулентности превалировали ген yopX (37,7%) и ген gp2 (36,3%). Ассоциация данных генов была выявлена у 27,4% пациентов. Следует обратить внимание на обнаружение в некоторых случаях штаммов Enterococcus faecium с ассоциацией 3 фаговых генов вирулентности (yopX, gp2, pblA) и обладающих резистентностью ко всем антибиотикам кроме линезолида и ванкоми-цина (пограничная чувствительность). В ряде стационаров у исследованных штаммов Klebsiella sрp. были обнаружены фагоопосредованные гены вирулентности ybcU и NC_011283. Было продемонстрировано, что штаммы с наличием данных генов характеризовались высокой устойчивостью к антибиотикам [5]. Нами проводилось изучение штаммов Pseudomonas spp., выделенных от больных различных стационаров, на присутствие следующих фагоопосредованных факторов вирулентности: гена ctx, генов PLES06181, PLES08021 и PLES25621, а также гена EXOU (кодирует синтез цитотоксина, инъекция которого в клетку хозяина осуществляется через систему секреции III типа) [6]. Среди исследованных штаммов Pseudomonas spp. ген ctx был выявлен у 43,3% псевдомонад. Ген PLES06181 был выявлен у 89,1% штаммов синегнойной палочки, ген EXOU - у 81% штаммов, что характеризует высокую распространенность данных генов в популяции микроорганизмов, циркулирующих в стационарах. Результаты данных исследований убедительно показывают, что профаговые гены широко распространены среди циркулирующих в различных стационарах возбудителей инфекционных заболеваний. В этих же исследованиях для некоторых профаговых генов была показана взаимосвязь между наличием гена и проявлением патогенных свойств возбудителей инфекции. Например, была выявлена сильная степень ассоциации между наличием у штаммов E. coli гена c2418 и проявлением полиантибиотикорезистентности. Кроме того, было установлено, что штаммы E. coli - возбудители внутрибольничных ИМП с фагоопосредованным фактором c2418 способны к более выраженному эпидемическому распространению (38,9 на 100 пациентов), по сравнению со штаммами без фагоопосредованного фактора (11,9 на 100 пациентов). Этот факт свидетельствует о более высоком эпидемическом потенциале бактерий с наличием фагоопосредованных генов. Можно констатировать, что профаговые гены вирулентности широко распространены в популяциях бактерий - возбудителей инфекционных болезней человека. Зачастую прослеживается выраженная связь между наличием у штамма профагового гена и патогенностью микроба, его склонностью к эпидемическому распространению. Таким образом, взаимодействие между умеренным бактериофагом и микробом может привести к появлению у бактерии генов вирулентности, что способствует повышению способностей микроба к паразитизму. При приобретении штаммом значительной вирулентности для пациентов и устойчивости к условиям госпитальной среды микроб обретает склонность к эпидемическому распространению и длительной персистенции в организме человека. Штамм может повторно заноситься как в стационар, где он сформировался, так и в другие лечебные учреждения, образуя клональные линии микробов, склонных к эпидемическому распространению. В этой связи, становится понятным, что применение невирулентных (умеренных) бактериофагов для лечения и профилактики инфекций, в том числе ИСМП, абсолютно недопустимо. Следовательно, основным критерием эффективной фаготерапии является применение исключительно высоковирулентных бактериофагов. В этой связи, при использовании бактериофагов в лечебных целях необходим микробиологический контроль, показывающий эффективность бактериофага в каждом конкретном случае. Наблюдающаяся глобальная тенденция к росту устойчивости бактерий к антибиотикам может привести к исчерпанию арсенала средств для борьбы с устойчивыми микроорганизмами. Угрожающие масштабы приобретает развитие антибиотикоре-зистентности и у возбудителей ИСМП. По мнению экспертов, при сохранении нынешней тенденции ситуация в борьбе с инфекционными заболеваниями в скором времени может стать такой же, какой была до открытия антибиотиков. В этой связи, ВОЗ и органы здравоохранения во всем мире привлекают внимание к срочной необходимости решения проблемы лекарственной устойчивости, призывая, в том числе, всемерно поддерживать усилия по разработке новых решений для борьбы с инфекционными заболеваниями в условиях спада темпа разработок новых антибиотиков многими фармацевтическими компаниями. В сложившихся условиях одним из эффективных компонентов борьбы с бактериальными инфекциями, в т.ч. вызванными антибиотикорезистентными штаммами, может явиться использование бактериофагов. Использование бактериофагов для лечения инфекционных заболеваний имеет давнюю историю. Первым предложил использовать бактериофаги с лечебной целью Д’Эрелль. Начиная с 20-х годов ХХ века начато активное изучение свойств бактериофагов как средств для лечения инфекционных болезней. В США и Франции было налажено промышленное производство лечебных бактериофагов. Однако после появления антибиотиков западная медицина быстро утратила интерес к бактериофагам, и их масштабное промышленное производство сохранилось только в СССР, который на протяжении нескольких десятилетий был мировым лидером по своим достижениям в области бактериофагии. В настоящее время лечебные препараты бактериофагов в России производит НПО «Микроген». На различных производственных площадках компании производят бактериофаги в виде моно- и комбинированных препаратов. К настоящему времени в отечественном практическом здравоохранении накоплен большой опыт использования фагов для терапии различных бактериальных инфекций. В большинстве этих работ проводилась оценка эффективности местного применения фагов. Так, в работе И.Н.Хайрулина и др. [13] сообщается об успешном применении в хирургической практике пиобактериофага у пациентов с инфекциями в области хирургического вмешательства. По заявлению авторов, применение фага в 2 - 2,5 раза сокращает сроки заживления ран. В наших исследованиях [9] проводилась оценка терапевтической и противоэпидемической эффективности синегнойного бактериофага в клинике гнойной остеологии. У всех пациентов, получавших фаготерапию, был отмечен выраженный клинический эффект. Помимо достижения положительных клинических результатов, целью применения высокоактивных фагов было также достижение эпидемиологического эффекта. После начала применения фага наблюдались существенные изменения в эпидемической ситуации. Было констатировано, что при условии постоянства частоты заносов показатель частоты внутрибольничных заражений синегнойной инфекцией снизился в 5 раз. Особый интерес представляет вопрос о возможности использования фага для лечения инфекционных процессов, при которых местное применение невозможно, или для лечения генерализованных инфекций. В исследованиях по фармакокинетике бактериофагов показано, что при пероральном применении они обладают достаточно высокой проникающей способностью в ткани. После приема препаратов бактериофагов фаговые частицы выделялись из крови через 1 час, из содержимого бронхов - через 1,5 - 2 часа, из мочи - через 2 часа [11]. К настоящему времени накоплен определенный клинический опыт, подтверждающий эффективность перорального приема фагов для лечения инфекций в стационарах. Показателен опыт применения адаптированных фагов для лечения инфекций мочевыводящих путей [12]. Авторы отмечают, что клиническая эффективность фаготерапии адаптированными препаратами составила 93%, нередко превосходя результаты антибиотикотерапии. Выраженный эффект был продемонстрирован при использовании адаптированного бактериофага для лечения госпитального сальмонеллеза [1, 2]. Фаг применялся как отдельно, так и в комплексе с препаратами фторхинолонового ряда. Этот способ показал высокую терапевтическую и экономическую эффективность. Использование бактериофага позволило сократить сроки лечения различных форм сальмонеллеза в 1,5 - 2,5 раза, а уровень бактерионосительства в 6 - 20 раз. Вопрос о целесообразности широкомасштабного применения фагов для санации объектов внешней среды стационаров не однозначен. В случае использования фагов в качестве биологической дезинфекции необходимо тщательно соблюсти все условия, исключающие негативное влияние умеренных фагов на возбудителей ИСМП, описанное в первой части данной статьи. В настоящее время имеется определенный опыт по применению бактериофагов в окружающей среде стационаров [7]. Авторы исследовали различные режимы применения фагов в виде аэрозоля в отделениях реанимации. По заключению авторов, интермиттирующий режим использования бактериофагов может быть методом эффективной биологической дезинфекции в отделениях реанимации, если традиционные дезинфектанты не эффективны. В патогенезе многих инфекционных процессов имеет место формирование бактериями биопленок, в составе которых микроорганизмы более устойчивы к воздействию защитных сил организма и антимикробным препаратам. В настоящее время неуклонно возрастает число публикаций, посвященных роли бактериофагов в разрушении биопленок [8, 18]. Перспективными и многообещающими выглядят результаты исследований по изучению эффективности литических ферментов (эндолизинов) бактериофагов в качестве терапевтических препаратов. Имеется ряд исследований, показавших, что пептидогликанлизирующий фермент бактериофагов (эндолизин) вызывает быстрый лизис клеток соответствующих грамположительных бактерий [10, 17]. Современные достижения генной инженерии могут помочь в разработке новых фаговых ферментов, активных в каждом конкретном случае. Это, безусловно, внесет существенный вклад в решение проблемы растущей антибиотикорезистентности бактерий. Все вышеизложенное показывает, что в последние годы интерес к лечебному и профилактическому применению бактериофагов вновь возрос. Некоторые исследователи считают, что лет через десять производство бактериофагов станет одной из лидирующих отраслей в фармацевтической промышленности [16]. При условии рационального применения бактериофагов это направление в терапии и профилактике инфекционных процессов имеет значительные перспективы дальнейшего развития.
×

About the authors

L. P Zueva

Mechnikov Northwestern State Medical University

St. Petersburg, Russia

B. I Aslanov

Mechnikov Northwestern State Medical University

St. Petersburg, Russia

V. G Akimkin

Sechenov First Moscow State Medical University

Moscow, Russia

References

  1. Акимкин В.Г., Ефименко Н.А. Использование бактериофагов в практике лечения различных патологий хирургического и терапевтического профиля. Методические рекомендации. М., НМЦ ГВКГ им. акад. Н.Н. Бурденко, 1998.
  2. Акимкин В.Г., Покровский В.И. Нозокомиальный сальмонеллез взрослых. М., Издательство РАМН, 2002.
  3. Асланов Б.И., Долгий А.А., Гончаров А.Е., Архангельский А.И. Эпидемиологические особенности формирования патогенных свойств E.coli в урологическом стационаре. Профилактическая и клиническая медицина. 2012, 1 (42): 117-121.
  4. Асланов Б.И., Долгий А.А., Гончаров А.Е., Архангельский А.И. Эпидемиологические особенности формирования патогенных свойств Enterococcus faecalis и Enterococcus faecium в урологическом стационаре. Профилактическая и клиническая медицина. 2012,2 (43): 52-57.
  5. Асланов Б.И., Долгий А.А., Гончаров А.Е., Архангельский А.И. Эпидемиологические особенности формирования патогенных свойств Klebsiella sp. и Pseudomonas sp. в урологическом стационаре. Профилактическая и клиническая медицина. 2012, 3 (44): 50-54.
  6. Асланов Б.И., Долгий А.А., Гончаров А.Е., Сагиева Н.Р., Крицкая И.В., Шаляпина Н.А. Оценка спектра генов вирулентности у инфекционных агентов - штаммов Pseudomonas spр. Профилактическая и клиническая медицина. 2013, 1 (46): 63-65.
  7. Дроздова О.М., Брусина Е.Б. Применение бактериофагов в эпидемиологической практике: взгляд через столетие. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2010, 5: 20-24.
  8. Дрюккер В.В., Горшкова А.С. Бактериофаги и их функционирование в биопленках. Изв. Иркут. гос. ун-та. Сер. Биология. Экология. 2012, 5 (3): 8-16.
  9. Зуева Л.П., Асланов Б.И., Долгий А.А., Гончаров А.Е., Архангельский А.И. Бактериофаги - факторы эволюции госпитальных штаммов и средства борьбы с инфекциями. Эпидемиология и инфекционные болезни. Актуальные вопросы. 2012, 1: 9-13.
  10. Мирошников К.А., Чертков О.В., Назаров П.А., Месянжинов В.В. Пептидогликанлизирующие ферменты бактериофагов - перспективные противобактериальные агенты. Успехи биологической химии. 2006, 46: 65-98.
  11. Парфенюк Р.Л. Микробиологические основы пероральной фаготерапии гнойновоспалительных заболеваний. Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 2004.
  12. Перепанова Т.С. Комплексное лечение и профилактика госпитальной инфекции мочевых путей. Автореф. дис. д-ра. мед. наук. М., 1996.
  13. Хайруллин И.Н., Поздеев О.К., Шаймарданов Р.Ш. Эффективность применения специфических бактериофагов в лечении и профилактике хирургических послеоперационных инфекций. Казанский мед. журнал. 2002,4: 258-261.
  14. Brussow H., Canchaya C., Hardt WD. Phages and the evolution of bacterial pathogens: from genomic rearrangements to lysogenic conversion. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2004, 68 (3): 560602.
  15. Canchaya C., Fournous G., Brussow H. The impact of prophages on bacterial chromosomes. Mol. Microbiol. 2004, 53 (1): 9-18.
  16. Kutateladze M., Adamia R. Bacteriophages as potential new therapeutics to replace or antibiotics. Trends Biotechnol. 2010, 28 (12): 591-595.
  17. Loeffler J.M., Nelson D., Fischetti VA. Rapid killing of Streptococcus pneumoniae with a bacteriophage cell wall hydrolase. Science. 2001, 294: 2170-2172.
  18. Lu T.K., Collins J.J. Dispersing biofilms with engineered enzymatic bacteriophage. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 2007, 3; 104 (27): 11197-11202.
  19. Pretorius G.H., Coetzee WF. Proteus mirabilis phages 5006M, 5006M HFT k and 5006M HFT ak: physical comparison of genome characteristics. J. Gen. Virol. 1980, 49 (1): 33-39.
  20. Schicklmaier P., Schmieger H. Frequency of generalized transducing phages in natural isolates of the Salmonella typhimurium complex. Appl. Environ. Microbiol. 1995, 61: 1637-1640.
  21. Varga M., Kuntova L., Pant6cek R. et al. Efficient transfer of antibiotic resistance plasmids by transduction within methicillin-resistant Staphylococcus aureus USA300 clone. FEMS Microbiol. Lett. 2012, 332 (2): 146-152.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2014 Zueva L.P., Aslanov B.I., Akimkin V.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-75442 от 01.04.2019 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies