CONTEMPORARY VIEW ON THE ROLE OF BACTERIOPHAGES IN EVOLUTION OF NOSOCOMIAL STRAINS 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

Supplementary files