Вирус борется с лекарственно-устойчивыми инфекциями

Это эволюционная битва, бесконечное соревнование за выживание, продолжающееся миллионы лет. В этой эпической истории на века искусные персонажи могущественны, но очень, очень крошечны — они микроскопичны. Это бактерии против вирусов. (И в этой истории вирусы на самом деле хорошие парни.)

В то время как пандемия COVID-19 вызвала страх и беспокойство по поводу распространения всех вирусных инфекций, ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего рассматривают некоторые вирусы в новом свете как потенциальных союзников в борьбе с растущим бедствием бактериальных инфекций. «Бактериофаги», что буквально переводится с греческого как «пожиратели бактерий», являются наиболее распространенными организмами на планете. Эти вирусы, или «фаги», прекрасно размножаются в почве, воде, пищевых продуктах и даже внутри нашего тела. И теперь, основываясь на новых открытиях Калифорнийского университета в Сан-Диего, они могут оказаться решением проблемы устойчивых к лекарствам бактериальных инфекций.

Королевская битва

На протяжении веков вирусы и бактерии вели бесконечную конкуренцию за выживание. Бактерии постоянно развиваются, чтобы противодействовать атакам вирусов, стремящихся их заразить. Эта «эволюционная гонка вооружений» подтолкнула вирусы к созданию новых адаптаций вокруг недавно обновленной защиты бактерий.

Использование фагов для лечения бактериальных инфекций имеет давнюю традицию. В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, ученые оценивали различные виды фагов для использования в медицинских целях. Но как только пенициллин стал коммерчески доступным в 1945 году, так называемый «золотой век антибиотиков» остановил любые потенциальные разработки фаговой терапии.

Сегодня традиционные методы лечения антибиотиками становятся все более неэффективными из-за быстрой эволюции и адаптации бактерий, с которыми борются эти лекарства. Кроме того, устойчивые к лекарствам бактериальные инфекции стали причиной примерно 1 миллиона смертей каждый год в период с 1990 по 2021 год, и, по прогнозам, в ближайшие годы их число резко возрастет, что приведет к почти 40 миллионам смертей к 2050 году. Исследователи снова обращаются к фаготерапии как к многообещающему методу лечения.

Скрытый режим

В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на небольших фагах как на потенциальных целебных агентах, сейчас ученые сосредоточились на фагах, которые значительно крупнее. Подробности об этих «гигантских фагах», которые на самом деле составляют 1/500 диаметра человеческого волоса, но крупнее, чем коронавирус, заражающий человека, до недавнего времени оставались загадкой.

Передовые технологии визуализации, такие как криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) и криоэлектронная томография (крио-ЭТ), позволяют исследователям Калифорнийского университета в Сан-Диего углубиться в биологические функции гигантских фагов и разгадать их ключевые особенности. Эти технологии используют метод мгновенного охлаждения образцов для замораживания молекул на месте и дают новое представление о ранее невидимых процессах.

В 2022 году исследовать под руководством Джо Польяно и Элизабет Вилья, профессоров Школы биологических наук, и Кевина Корбетта, профессора Медицинской школы, обнаружили, что гигантские фаги имеют экранированный отсек, который функционирует аналогично ядру человеческих клеток. Компартмент сформирован из белка и защищает ключевой генетический материал вируса, который необходим для репликации и распространения внутри бактерий в рамках процесса захвата инфекции.

Это открытие «не похоже ни на что, что можно увидеть где-либо еще в природе», — говорит Вилла. (Исследователи назвали белок «чималлин» в честь древних щитов, которые использовали ацтекские воины, что привело к тому, что все семейство фагов было названо хималливирусами.)

Совсем недавно исследователи и коллеги из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что хималливирусы также создают скрытую структуру внутри бактерий, которая служит своего рода механизмом маскировки, позволяющим скрыть ценный материал фаговой ДНК и избежать срабатывания иммунной системы бактерий.

«Хималливирусы и их «странная биология» открывают совершенно новую эру, которая, как мы думаем, откроет нам возможность создавать новые терапевтические инструменты», — говорит Вилла, руководитель инициативы стоимостью 10 миллионов долларов в Медицинском институте Говарда Хьюза, направленной на раскрытие терапевтического потенциала гигантских фагов. Проект объединяет исследователей Калифорнийского университета в Сан-Диего с учеными из Института Дж. Крейга Вентера и Йельского университета.

Правильный фаг

Поиск оптимальных гигантских фагов для будущих методов лечения устойчивости к антибиотикам является ключом к борьбе с различными штаммами бактерий, включая Pseudomonas, бактерию, поражающую пациентов в больницах и других медицинских учреждениях, а также стафилококковую (стафилококковую) и кишечную палочку (кишечную палочку). Исследователи надеются создать биоинженерные фаги с генетическими полезными нагрузками, которые смогут доставить терапевтические средства тем, кто страдает от бактериальных инфекций.

«Вы не можете просто взять с полки любой фаг и бросить его на любую бактерию, как мы это сделали с пенициллином», — говорит Польяно. «Наша цель — создать дизайнерские фаги с широким кругом хозяев, чтобы они могли инфицировать большое количество бактериальных штаммов».

Недавние открытия биологических функций фагов работают синхронно с Центром инновационного применения и терапии фагов Калифорнийского университета в Сан-Диего, первым специализированным центром фаговой терапии в США, специализирующимся на клинических применениях в лечении сложных бактериальных инфекций.

Итак, битва продолжается, но на этот раз вирусы могут стать ключом к нашему спасению и победе.