Tveganja pri uporabi fagov za zdravljenje

Uvod

Dosedanje raziskave so pokazale, da bi bili bakteriofagi primerni za zdravljenje nekaterih bakterijskih okužb predvsem zaradi sposobnosti, da ubijejo bakterije in zdravijo okužbo, ne da bi pri tem poškodovali celice gostiteljskega organizma. Prav tako bi se z uporabo bakteriofagov do določene mere izognili težavam in tveganjem, ki jih povzročijo drugi načini zdravljenja (npr. antibiotiki). Kljub številnim prednostim so takšni načini zdravljenja bakterijskih okužb danes na voljo samo v nekaterih vzhodnoevropskih državah, saj obstajajo določena tveganja. Če bi tveganja uspeli zmanjšati, bi v prihodnosti lahko zdravljenje bakterijskih okužb z antibiotiki dopolnili z zdravljenjem z bakteriofagi, saj bi bila kombinirana terapija bolj učinkovita.

Težave pri izbiri ustreznega bakteriofaga

Bakteriofagi so zelo specifični, večina jih okuži le eno vrsto bakterij. Po pridobitvi bakteriofaga iz odpadnih vod ali preučevanega seva bakterij ga moramo identificirati in preveriti njegovo učinkovitost na izbrani sev. Bakteriofagni genom mora biti sekvencioniran, da se prepričamo, da ne vsebuje genov za rezistenco na antibiotike ali genov za toksine. Čeprav so danes metode sekvencioniranja zelo razširjene in zbirke identificiranih genov bakteriofagov obsežne, še vedno ostajajo geni, katerih funkcija ni raziskana, zato vsi bakteriofagi niso primerni za zdravljenje. Zaradi visoke specifičnosti se pojavijo težave pri izbiri primernega bakteriofaga za zdravljenje. Tudi če imamo na voljo koktajl bakteriofagov, moramo poznati bakterijo, ki povzroča okužbo. To pomeni, da moramo pacientu odvzeti vzorec in s pomočjo standardnih mikrobioloških postopkov določiti vrsto okužbe. Če ima pacient resno okužbo, nimamo časa za natančno diagnosticiranje seva bakterij, omejeni smo tudi finančno in z opremo laboratorijev. Prav tako vse bakterijske okužbe niso primerne za zdravljenje z bakteriofagi. Pri znotrajceličnih patogenih (npr. bakterije rodu Salmonella), ki so sposobni preživeti v notranjosti gostiteljevih celic, zdravljenje ne bi bilo uspešno, saj bakteriofagi ne morejo priti v notranjost evkariontskih celic.

V primeru široke uporabe bakteriofagov za zdravljenje bakterijskih okužb moramo upoštevati še vidik formulacije in stabilizacije bakteriofagov. Na njihovo stabilnost in aktivnost vplivajo temperatura, pH, ionska moč, pomemben je tudi mehanizem delovanja bakteriofaga. Pogoji stabilizacije in shranjevanja bakteriofagov morajo biti optimalni, določimo pa jih lahko le s kliničnimi preizkusi, ki so dolgotrajni in dragi, zato niso najbolj simpatični za farmacevtska podjetja. Analizirati moramo tudi način delovanja bakteriofaga, ki je odvisen od njegove adhezije na celico, časa, ki ga preživi v celici in rasti bakteriofagov, hkrati pa moramo vedeti, kako se naše telo odzove na njihovo prisotnost in v kolikšnem času začne naš imunski sistem bakteriofage inaktivirati. Vsi ti dejavniki so pomembni za pravilno določitev vrste in koncentracije bakteriofagov, ki jih bomo uporabili za zdravljenje.

Razvoj omnipotentnega oziroma širokospektralnega bakteriofaga s tehnologijo rekombinantne DNA je malo verjeten. Kljub temu ostaja nekaj upanja za razvoj bakteriofaga, ki bi uspešno prepoznal večino sevov nekega patogena. Bakteriofag, ki bi v genomu vseboval zapise za več hidrolaz, ki bi bile sposobne razgraditi različne površinske strukture na bakteriji, bi izkazoval širši antibakterijski spekter delovanja.

Sprostitev celičnih komponent iz liziranih celic

V končnem koraku cikla bakteriofagov pride do lize bakterijskih celic in sprostitev novih fagov v okolico. Vendar se pri razgradnji bakterijske celice v okolico sprostijo tudi njene celične komponente. To predstavlja težavo v procesu zdravljena z bakteriofagi, saj le-ti v kratkem času lizirajo večje količine celic, njihove celične komponente pa vplivajo na okoliška tkiva.

Zunanja membrana gramnegativnih bakterij vsebuje lipopolisaharide, ki so potencialni sprožilci vnetnega odziva. Višja je raven bakterijskih endotoksinov, hujši je septični šok. Ker so bakteriofagi zelo učinkoviti in hitri, se v kratkem času sprostijo večje količine bakterijskih endotoksinov, kar lahko vodi do vročine in septičnega šoka. Fizična poškodba bakterijske stene poteka tudi pri antibiotikih, vendar se toksini sproščajo počasneje, v daljšem časovnem obdobju.

Bakteriofagi se ob koncu cikla sprostijo iz gostiteljske celice s pomočjo holin-lizinskega sistema (dsDNA bakteriofagi) ali z inhibicijo sinteze peptidoglikanov (z amurini, majhni bakteriofagi RNA/DNA). Holini so majhni membranski proteini, ki se sidrajo v plazmalemo bakterije in ob točno določenem času vplivajo na membranski potencial in plazmalema postane permeabilna za endolizin, kar omogoči dostop endolizina do mureinskega sloja. Endolizini so peptidoglikanske hidrolaze, ki razgradijo bakterijsko celično steno, kar vodi do lize celice. To omogoči sprostitev bakteriofagov in bakterijskih komponent iz bakterijskih celic. Možna rešitev za to težavo so rekombinantni bakteriofagi, ki ne vsebujejo gena za encim endolizin, ali bakteriofagi z okvarjenim litičnim sistemom.

Negativne posledice za okolje

Čeprav so fagi naravno prisotni v okolju (v prsti, na mililiter rečne vode je okoli 2×108 fagov, najdemo pa jih tudi v organizmih), bi bila koncentracija fagov, uporabljena za zdravljenje, višja kot koncentracija kateregakoli faga v naravi. V primerjavi z antibiotiki batkeriofagi ne razpadejo tako hitro, saj so stabilni v širokem temperaturnem intervalu. Prav tako se po zdravljenju delijo naprej, če je v okolju prisotna gostiteljska bakterija. To bi ustvarilo neravnovesje v ekosistemu, saj bi večja koncentracija bakteriofagov neposredno vplivala na število gostiteljskih bakterij. Če so te bakterije simbiotsko ali kako drugače povezane z ostalimi organizmi, bi bakteriofagi posredno vplivali tudi na druge organizme v ekosistemu. Tako bi lahko v človeškem organizmu prišlo do disbioze, to pa je neravnovesje med različnimi vrstami bakterij v različnih delih telesa (koža, črevesje, vagina), kar bi povzročilo zdravstvene probleme kot sta driska in napenjanje. V okolju bi disbioza vplivala na kroženje hranil. V prsti je razmerje med fagi in bakterijami 1:1, v morskem okolju pa 1:100, porušenje tega razmerja bi vodilo do spremenjene distribucije hranil. Tveganje za okolje je visoko tudi zato, ker trenutno ne poznamo nobenih primernih metod, s katerimi bi lahko fage učinkovito odstranili iz okolja.

Viri in literatura

Principi, N, Silvestri, E. in Esposito, S. Advantages and Limitations of Bacteriophages for the Treatment of Bacterial Infections. Frontiers in Pharmacology. 2019, 10, str. 513.

Doss, J., Culbertson, K., Hahn, D., Comacho, J. in Barekzi, N. A Review of Phage Therapy against Bacterial Pathogens of Aquatic and Terrestrial Organisms. Viruses. 2017, 9(3), str. 50.

Drulis-Kawa, Z., Majkowska-Skrobek, G., Maciejewska, B., Delattre, A. S. in Lavigne, R. Larning from Bacteriophages - Advantages and Limitations of Phage and Phage-Encoded Protein Applications. Current Protein&Peptide Science. 2012, 13(8), str. 699-722.

Labrie, S. J., Samson, J. E. in Moineau, S. Bacteriophage resistance mechanisms. Nature Reviews Microbiology. 2010, 8(5), str. 317-327.

Meaden, S. in Koskella, B. Exploring the risks of phage application in the environment. Frontiers in Microbiology. 2013, 4, str. 358.