Strona używa plików cookies więcej

Bakteriobójcze fagi

W styczniu 2016 r. Narodowe Centrum Nauki ogłosiło wyniki konkursu na projekty badawcze HARMONIA 7, realizowane w ramach współpracy międzynarodowej. Jednym z nagrodzonych naukowców jest prof. Zuzanna Drulis-Kawa z Wydziału Nauk Biologicznych UWr.

Projekt pt. „Fagi rozpoznające powierzchniowe wielocukry bakteryjne jako swoje receptory selekcjonują populację bakterii oporną na fagi, która jednocześnie staje się bardziej podatna na mechanizmy obronne układu immunologicznego”, otrzymał dofinansowanie w wysokości 1 173 600 zł.

biznes

Czym właściwie są fagi?

Prof. Zuzanna Drulis-Kawa: – To są wirusy, które atakują bakterie. Tak jak nas atakują wirusy i mamy przeziębienie, tak fagi atakują wyłącznie bakterie.

Taki fag jest jakoś specjalnie zbudowany?

– Fag jest dostosowany do swojego gospodarza, czyli do bakterii i jest na tyle wyspecjalizowany, że potrafi zaatakować określony gatunek bakterii, a właściwie określone szczepy w obrębie gatunku. To nie jest tak, że bakteriofagi są uniwersalne i potrafią zabić wszystkie bakterie, jak antybiotyki, które mają dość szerokie spektrum działania i potrafią niszczyć wiele grup bakterii. Fagi atakują tylko wybrane, „pasujące” do nich bakterie.

Przed laty prowadzono już badania nad fagami, ale zatrzymało je odkrycie antybiotyków.

– Na początku XX wieku naukowcy odkryli w próbkach wody coś, co zabijało bakterie, ale nie wiedzieli co to jest. Okazało się, że to wirus – potencjalny lek na choroby infekcyjne.  Odkrycie tych bezwzględnych bakteryjnych pasożytów zawdzięczamy niezależnym badaczom: Frederickowi Twort i Felixowi d’Herelle. Ten drugi zastosował bakteriofagi do zwalczania dyzenterii. W czasie rozkwitu fagoterapii gotowe preparaty fagowe, w postaci płynnej lub na bazie żelu, były ogólnodostępne.

Jednak w momencie odkrycia antybiotyków, fagi poszły w zapomnienie. Antybiotyki łatwo jest syntetyzować i produkować na wielką skalę, a w dodatku efekt ich działania jest szerszy niż w przypadku bakteriofagów.  Jeden antybiotyk potrafi zabić wiele gatunków bakterii, co dla lekarzy jest  ułatwieniem w podjęciu decyzji doboru leku, ponieważ można łatwo wybrać jakiś antybiotyk i jest duże prawdopodobieństwo, że skutecznie wyleczymy pacjenta.

Tylko że antybiotyk zabija również te „dobre” bakterie.

– Tak, bo ich nie rozróżnia. To może powodować wtórne objawy chorobowe, np. zaburzenia funkcjonowania układu pokarmowego, zmiany w naturalnej florze jelitowej.

Fagi są więc bardziej „inteligentne”?

– Są bardzo wybiórcze w działaniu i  żeby taką terapię zastosować, lekarz musi wiedzieć, jaka bakteria wywołuje chorobę. Chociaż są też dostępne preparaty, zawierające zestaw różnych bakteriofagów (na zdjęciu), które atakują najczęstsze bakterie, wywołujące dany rodzaj zakażenia, np. ropne zakażenia skóry. Można podać preparaty będące koktajlem kilku fagów.

A więc obecnie stosuje się terapię fagową?

– Stosowana jest np. w Gruzji. Tam, gdzie nie ma wytycznych Unii Europejskiej. W Polsce była szerzej stosowana do momentu wejścia naszego kraju do UE. Po wprowadzeniu unijnych zasad stosowania terapii doświadczalnych, to się zmieniło. We Wrocławiu istnieje Ośrodek Terapii Fagowej w Centrum Medycznym Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN przy ul. Weigla. Ośrodek ten prowadzi doświadczalną terapię fagową, co obejmuje klasyfikację pacjentów, dobór bakteriofagów do leczenia oraz kontrolę procesu terapii. Terapia fagowa nie jest już tak szeroko dostępna. Regulacje były jednak potrzebne, bo ograniczają ryzyko

związane z niepożądanymi skutkami ubocznymi jakie mogą towarzyszyć każdej terapii doświadczalnej.

Lekarz, który podaje choremu taki preparat, ponosi  odpowiedzialność za bezpieczeństwo pacjenta. W przypadku terapii alternatywnych musi się znaleźć ośrodek, który podejmie się leczenia i weźmie na siebie ryzyko z tym związane.

Jakie choroby leczy się fagami w ośrodku przy Weigla?

– Najczęściej leczone są rany oparzeniowe i pooperacyjne, zmiany skórne, infekcje towarzyszące stopie cukrzycowej.

Terapia jest skuteczna?

– To nie jest cudowny lek. Wiele zależy od drogi i sposobu podania, od fizjologii organizmu, podobnie jak w przypadku antybiotyków. Czasem bakterie są tak umiejscowione, że lek dociera tam w zbyt małym stężeniu lub wcale i nie ma efektu leczniczego. Wtedy problemy z przetrwałymi infekcjami u takich pacjentów ciągną się latami. Cudowne leki nie istnieją.

Jak działają w takim razie fagi?

– Bakteriofagi dzielimy na dwie podstawowe grupy – na takie, które namnażają się w bakteriach, a następnie je zabijają (fagi lityczne). Tych używamy do terapii. Druga grupa, to taka, która nie zabija bakterii, ale staje się ich towarzyszami. Żyją wspólnie i obie strony odnoszą korzyści – są to fagi łagodne. Naszym zadaniem jest znaleźć fagi, które będą w stanie zniszczyć bakterie. Cała zabawa polega na poszukiwaniu fagów litycznych, które możemy podać w preparatach z nadzieją, że zadziałają. Mówi się, że bakteriofagi teoretycznie nie są w stanie zrobić nam krzywdy, gdyż nie oddziałują z komórkami ludzkimi, są bowiem dostosowane do atakowania bakterii, które bardzo różnią się od komórek ludzkich. Stąd przekonanie, że terapia fagowa jest bezpieczna. Z ewolucyjnego punktu widzenia bakteriofagi towarzyszą bakteriom wszędzie, jest ich nawet dziesięć razy więcej niż bakterii. Nasz organizm jest skolonizowany przez bakterie, a z nimi żyją również bakteriofagi. Jesteśmy więc ciągle poddawani relacji bakteriofag-bakteria-nasz organizm. Jeśli więc wybieramy bakteriofaga, namnażamy go w dużej ilości i traktujemy nim populacje bakterii, która nas skolonizowała, to tylko po to, żeby zredukować jak najbardziej populację bakterii chorobotwórczej, a pozostałym nie zaszkodzić. Na tym polega fagoterapia. Oczywiście fagi nie zabiją wszystkich bakterii. Podobnie jak wilków w lesie nigdy nie będzie tak dużo, żeby wszystkie sarny wyginęły, bo natura dąży zawsze do równowagi.

Od jak wielu lat na Uniwersytecie Wrocławskim prowadzone są takie badania?

– Ja i mój zespół na UWr prowadzimy badania od 10 lat. Zajmujemy się biologią i genetyką bakteriofagów, otrzymywaniem oraz izolowaniem ich enzymów i ogólną charakterystyką fagów. Nie ma to więc bezpośredniego związku z fagoterapią. Można co najwyżej zastosować te enzymy jako aplikację dalszą do terapii, gdyż jako środki przeciwbakteryjne można używać zarówno całe fagi, jak i pojedyncze białka, które mają aktywność enzymatyczną. Nasi koledzy z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN zajmują się stricte fagoterapią, tworzeniem preparatów i prowadzeniem ośrodka terapii. Dodatkowo studiują też wpływ oddziaływania bakteriofagów na układ immunologiczny. Sprowadza się to do badań nad bezpieczeństwem stosowania takiej terapii.

Ośrodek przy ul. Weigla we Wrocławiu jest jedynym, który prowadzi na dużą skalę taką działalność w Polsce. Terapia fagowa jest wciąż eksperymentalną, ponieważ jest problem z uzyskaniem zgody komisji bioetycznych i akredytujących leki, ze względu na teoretyczną możliwość przenoszenia materiału genetycznego i zmiany zjadliwości bakterii powodowane przez fagi. Trudno jest potwierdzić czy dany bakteriofag jest bezpieczny. Bakteriofagi namnażają się i podlegają tym samym procesom ewolucji, co bakterie i to znacznie szybciej. Nie można nazwać takiego preparatu niezmiennym. Bardzo trudno więc uzyskać zgodę na stosowanie takich preparatów u ludzi. Z powodzeniem natomiast stosuje się je w przemyśle spożywczym do konserwacji żywności lub w rolnictwie do zapobiegania rozwojowi chorób u zwierząt i u roślin uprawnych.

W jakich ośrodkach akademickich poza Europą te badania najbardziej się rozwinęły?

– W Stanach Zjednoczonych zrobił się obecnie boom na fagoterapię. Wcześniej firmy farmaceutyczne nie były zainteresowane, ale ponieważ teraz dużo się mówi o oporności bakterii na antybiotyki, więc szuka się alternatywnych metod leczenia. Mogą to być na przykład leki roślinne, ale jednym z pomysłów jest zastosowanie fagów. Bardzo wiele firm biotechnologicznych zajęło się opracowywaniem preparatów fagowych i w ostatnich latach te badania nabierają tempa.

Po latach „objadania” się antybiotykami niektórzy odchodzą od tego i szukają innych leków.

– Nie można jednak przesadzać. Głośna była sprawa, kiedy rodzice nie zgadzali się na podanie antybiotyku w przypadku ostrej infekcji bakteryjnej u dziecka. Oczywiście lekkie infekcje wirusowe np. katar, można leczyć lekami naturalnymi.

Podobnie rzecz ma się ze szczepieniami. Wielu rodziców nie chce szczepić swoich dzieci.

– Pytanie, ile dzieci rozchorowało się z powodu podania szczepionki, a ile dzieci zmarło, kiedy nie było dostępnych powszechnych szczepień. Najsmutniejsze jest to, że takie decyzje podejmują ludzie, którzy sami są zaszczepieni. Istnieje tzw. odporność populacyjna. Jeśli w danej populacji jest wyszczepiony odpowiedni procent osób, wtedy ten czynnik zakaźny nie może się transmitować. Jeżeli jednak procent wyszczepionych spadnie, to wtedy grozi nam epidemia. Obecnie stosowane są najnowszej generacji szczepionki, w których skład wchodzą tylko fragmenty bakterii, czyli te, które są odpowiedzialne za tworzenie ochronnych przeciwciał.

Antybiotyki kontra fagi?

– Gdy infekcja jest poważna, to lekarz nie może pozostawić pacjenta bez leczenia tradycyjnego, czyli antybiotykami. Jeśli ma rozpatrywać leczenie fagami, to może to zrobić w terapii skojarzonej z antybiotykami. Powinien mieć jednak odpowiednie wytyczne wypracowane przez ekspertów, przez zespoły lekarzy. Najczęściej bowiem lekarze w trakcie terapii kierują się wytycznymi, np. wytycznymi dotyczącymi leczenia zapaleń płuc. Lekarz dzięki nim wie, że do terapii powinien wybrać określony rodzaj antybiotyku jako lek pierwszego, czy drugiego rzutu. W przypadku leczenia fagami brakuje takich wytycznych, bo ten rodzaj terapii dopiero raczkuje. Zatem lekarz musi mieć ogromną wiedzę na temat bakterii i fagów, żeby móc zadecydować o wyborze terapii, co jest to bardzo trudne.

Czy Pani badania w ramach ostatniego grantu Harmonia 7 pomogą lekarzom stosującym terapię fagami?

– Bakterie pod wpływem fagów zmieniają się, a fagi zmieniają się pod wpływem bakterii. Wyścig cały czas trwa i nie da się całkowicie wyeliminować bakterii. Założeniem ostatniego grantu jest więc sprawdzenie czy bakterie traktowane fagami stają się dla nas mniej czy bardziej groźne (zjadliwe). Tego do końca nie wiemy i to jest jeden z podstawowych zarzutów przeciwników terapii fagami, którzy argumentują, że stosowanie fagów generuje powstawanie tzw. mutantów opornych o nieznanych cechach wirulencji (zjadliwości). Chciałabym na to pytanie odpowiedzieć.

A jeśli okaże się, że są mniej zjadliwe, to czy to oznacza stosowanie fagów na szeroką skalę?

– Nie będzie odpowiedzi na sto procent. Bakteriofagi i bakterie są tak różne, że nigdy nie będzie jednoznacznego, takiego samego wyniku. Pytanie tylko ile będzie wyników in plus, a ile in minus.

Ile trwają takie badania?

– Potrzeba dużo czasu i dużo pieniędzy. Tym jednym grantem nie rozwiążemy całego problemu potencjalnych zalet i wad fagoterapii, ale przynajmniej wykonany zostanie krok do przodu.

Dużo ludzi z panią pracuje?

–W grupie mamy 7 stałych pracowników oraz kilkoro doktorantów. Rozwinęliśmy współpracę międzynarodową, pracujemy z ośrodkami z Belgii, Włoch, Anglii, Irlandii, USA i Kanady. Każdy specjalizuje się w wąskiej dziedzinie, ale kiedy złoży się to w całość, to wtedy będziemy w stanie wyciągnąć jakieś bardziej ogólne wnioski. Bez współpracy międzynarodowej nie byłoby to możliwe. W tym grancie współpracujemy z profesorem Miguelem Valvano z Wellcome-Wolfson Institute for Experimental Medicine, Queen’s University of Belfast w Wielkiej Brytanii, który jest specjalistą z dziedziny zajmującej się czynnikami zjadliwości bakterii. My zapewniamy część bakteriofagową, a trzecim partnerem jest biochemik prof. Antonio Molinaro z Department of Chemical Sciences, University of Napoli Federico II Complesso Universitario Monte S. Angelo w Neapolu, który pomoże nam na końcowym etapie projektu przebadać struktury chemiczne wielocukrów powierzchniowych bakterii. Liczymy na to, że wspólnie odpowiemy na pytanie, czy traktowane fagami bakterie staną się bardziej niebezpieczne, czy też ich zjadliwość się obniży.

Na zdjęciu: Prof. Zuzanna Drulis-Kawa z częścią swojego zespołu: dr Barbarą Maciejewską i doktorantką Agnieszką Łątką

Rozmawiała Małgorzata Jurkiewicz

fot. Dominika Hull i prof. Zuzanna Drulis-Kawa

Prof. Zuzanna Drulis-Kawa z wykształcenia mikrobiolog kliniczny i diagnosta laboratoryjny, jest obecnie kierownikiem Zakładu Biologii Patogenów i Immunologii w Instytucie Genetyki i Mikrobiologii, w którego skład wchodzi obecnie sześciu adiunktów, czterech doktorantów i magistranci. Prowadzi wykłady i ćwiczenia z mikrobiologii lekarskiej i biologii bakteriofagów. Od 2006 roku jest wykładowcą Letniej Szkoły Mikrobiologii, Biol 4503, General Microbiology w języku angielskim dla studentów University of Minnesota Duluth. Wypromowała czterech doktorantów, 18 magistrantów i 15 licencjuszy. W latach 2011/2012 pełniła funkcję Kierownika Studium Doktoranckiego Wydziału Nauk Biologicznych, Uniwersytetu Wrocławskiego oraz zastępcy Dyrektora Instytutu Genetyki i Mikrobiologii, Uniwersytetu Wrocławskiego.

Jest autorką 65 prac naukowych opublikowanych w polskich i zagranicznych czasopismach o łącznym wskaźniku impact factor 100. Do najważniejszych osiągnięć zalicza:

Stworzenie kolekcji bakteriofagów litycznych wobec wieloopornych szczepów klinicznych Klebsiella pneumoniae i Pseudomonas aeruginosa; Uzyskanie rekombinowanych białek enzymatycznych o charakterze endolizyn oraz depolimeraz, które mogą potencjalnie stać się preparatami antybakteryjnymi stosowanymi w terapii oraz przemyśle spożywczym; Opracowanie nowatorskiej metody monitorowania wzrostu biofilmu Pseudomonas przy zastosowaniu czujników piezoelektrycznych; Uczestnictwo w europejskim programie COST BM1003 Microbial cell surface determinants of virulence as targets for new therapeutics in Cystic Fibrosis; Organizacja prestiżowej konferencji szkoleniowej w ramach Akcji COST BM1003: “The advantages and limitations of methods used in bacteria identification and typing”, Autumn Training School – COST BM1003, 23rd-25th September, 2013, Wroclaw, Poland.

Otrzymała wielokrotnie finansowanie badań w ramach konkursów Komitetu Badań Naukowych i Narodowego Centrum Nauki, a jej podopieczni były laureatami projektów Grant Plus, FNP Ventures. Jest laureatką Zespołowej Nagrody Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za osiągnięcia dydaktyczne w 2013 roku oraz otrzymała Medal Komisji Edukacji Narodowej w 2014 roku.