Z biologicznego punktu widzenia bakteriofagi to nic innego jak wirusy i gdyby ich defnicję zakończyć tym terminem, pewnie mało kto odczułby ulgę. Nic dziwnego, media na codzień zasypują nas informacjami o wirusie grypy, opryszczki czy tym najbardziej przerażającym – wirusie HIV. Szczęśliwie świat tych skomplikowanych paraorganizmów nie jest aż tak humanocentryczny jakby się mogło wydawać. Spośród szacowanej na 10³¹ liczby gatunków wirusów zaledwie niewielki procent atakuje człowieka. Pozostałe sieją postrach wśród innych gatunków wliczając groźne dla naszego zdrowia prokarionty, których drapieżniki nazwano bakteriofagami. Wdzięczny termin wywodzi się z łaciny i w wolnym tłumaczeniu można go rozumieć jako „pożeracz bakterii”.

Powrót do przeszłości?

W 2015 roku Instytut Immunologii i Teapii Doświadczalnej PAN im. Ludwika Hirszfelda otrzymał Polską Nagrodę Innowacyjności za projekt badawczy pt. „Innowacyjny bakteriofagowy preparat ochronny do stosowania w zespole stopy cukrzycowej”. Podobne wyróżnienia otrzymują firmy i placówki naukowe zajmujące się bakteriofagoterapią na całym świecie. Tymczasem śledząc historię tego specyficznego środka antybakteryjnego ciężko tak naprawdę mówić o nowoczesności. Nietypowe wirusy zostały bowiem odkryte na początku ubiegłego stulecia! W roku 1915 brytyjski lekarz Frederick Twort badając gronkowce zaobserwował wolne od mikrobów przejaśnienia na hodowalnym naczyniu. Dalsze eksperymenty doprowadziły go do wniosku, że musi istnieć jakaś tajemnicza substancja zabijająca patogen. Dwa lata później podobne zjawisko zaobserwował Francuz Felix D’Herelle. Ponieważ zaobserwowanie wirusa wymaga zastosowania skonstruowanego dopiero w 1935 roku mikroskopu elektronowego, żaden z naukowców nie mógł prawidłowo wyjaśnić natury badanego fenomenu. Felix D’Herelle był jednak znacznie bliżej prawdy dowodząc, że bakterie giną w wyniku działania innego, znacznie mniejszego organizmu.

Medyczne zasotosowanie odkrycia stało się właściwie kwestią czasu. Mimo, iż przyjęcie preparatu polegało na wypiciu przesączu po hodowlach bakteryjnych chętni ustawiali się w kolejki. Być może dlatego, że przełknięcie takiego koktajlu wciąż stanowiło większą przyjemność niż zażywanie pozostałych znanych wówczas środków antybakteryjnych: pochodnych arszeniku, strychniny czy rtęci. W 1923 D’Herelle wraz z gruzińskim profesorem Georgem Eliavą założyli w Tbilisi pierwszą na świecie placówkę naukową zajmującą się bakteriofagoterapią. Jednostka znana obecnie jako Instytut Eliavy pozostaje do dziś najbardziej prestiżowym ośrodkiem badawczym zostawiając daleko w tyle osiągnięcia znacznie bardziej rozwiniętych krajów Europy Zachodniej i Ameryki Północnej. Tragiczną ciekawostką w historii Instytutu jest śmierć jego patrona, straconego pod politycznym pretekstem na rozkaz prawej dłoni Stalina – Ławrientjego Berii. Powodem morderstwa miała być zazdrość o kobietę, z którą Eilavę połączył romans.

Na skutek niesprzyjających okoliczności D’Herelle porzucił plany przeprowadzki do Tbilisi i postanowił na stale osiedlić się w Paryżu. Terapia bakteriofagowa była już wówczas codziennością Europy, a produkowane preparaty dystrybuowano poprzez kolonie także do regionów rowijających się. W Indiach wirusy atakujące przecinkowce cholery masowo wprowadzano do lokalnych studni. Podobne działania podjęto w Egipcie i Chinach. Środki, które podczas pierwszej wojny światowej eksperymentalnie podawano żołnierzom, w trakcie kolejnej były już szeroko wykorzystywane przez szpitale wojskowe i publiczne. Choroby cywilizacyjne stawały się wspomnieniem, a świat znajdował się na najlepszej drodze do wolności od wszelkich infekcji... A w 1944 roku do masowej produkcji weszła penicylina.

Świat bakteriologów zakochał się w antybiotykach niemalże od razu po ich odkryciu. Zabójcze dla większości drobnoustrojów medykamenty nie wymagały tak specyficznej diagnozy jak w przypadku bakteriofagów. Ponadto jako związki chemiczne łatwiej je modyfikować w celu uzyskania coraz skuteczniejszych leków. Poszukiwanie drożdżaków i promieniowców zdolnych do produkcji antybakteryjnych metabolitów przypominało nieco amerykańską gorączkę złota. Placówki zachłyśnięte marzeniem o prestiżu wysyłały kolejne ekspedycje przeszukujące ekosystemy w najbardziej odległych miejscach świata. Penicylina i pokrewne jej związki zyskały niemal status panaceum. Oprócz terapii chorób zakaźnych próbowano stosować je do leczenia tak osobliwych przypadłości jak schizofrenia czy nowotwory. Natomiast Felix D’Herelle, człowiek który uratował tysiące istnień, dziesięciokrotnie nominowany do nagordy Nobla, męczennik pod sowieckim i nazistowskim reżimem umarł samotnie na raka trzustki w całkowitym zapomnieniu.

Kiedy panaceum przestaje działać?

Pierwsze pojedyncze przypadki występowania drobnoustrojów opierających się działaniu antybiotyków zaobserowano jeszcze przed rokiem 1950. Nie wzbudziły one jednak w środowisku lekarzy aprobaty. Wówczas powszechną praktyką stało się przepisywanie szerokowidmowych penicylin każdemu pacjentowi zgłaszającemu chociażby objawy przeziębienia. Z uwagi na oszczędności i nierzadko brak odpowiednich technologii nie porwadzono wówczas dokładnej diagnostyki bakteriologicznej umożliwiającej dobranie najbadziej adekwatnego specyfiku. W następnej dekadzie zakażenia drobnoustrojami opornymi stały się problemem wymagającym podjęcia zdecydowanych działań. Naukowcy systematycznie wprowadzali kolejne modyfikacje struktur chemicznych antybiotyków celem przywrócenia im pożądanych właściwości. Jednak za każdym razem zdolności adapdacyjne mikroorganizmów brały górę nad wysiłkiem człowieka. Szczepy rozwijające się pomimo zastosowania medykamentów potrafiły się pojawić już w rok od wdrożenia nowego produktu na rynek.

Mechanizm nabywania oporności na anytbiotyki opiera się na doborze naturalnym. Środek leczniczy sam w sobie nie powoduje w komórkach bakteryjnych tolerancji na jego obecność. Wywiera on jednak presje ewolucyjną w kierunku tych osobników, w których owa zmiana jest konsekwencją naturalnej mutacji zapisu genetycznego. W trakcie namnażania się patogenów dochodzi bowiem do replikacji DNA, tak żeby każdy z osobników potomnych odziedziczył taki sam komplet genów. Jednakże proces ten bywa niedoskonały w wyniku czego jedna z nowo powstałych komórek otrzymuje nieco zmienioną informację. Przeciętnie raz na milion podziałów mutacja owa zapewnia mikroorganizmowi ochronę przed antybiotykiem. W warunkach środowiskowych tak przekształcony organizm nie jest w stanie skutecznie konkurować o związki odżywcze z posiadającym znaczaną przewagę liczebną prawidłowo namnożonym potomstwem. Jednakże po dodaniu penicyliny wrażliwe komórki zostaną zabite pozostawiając nielicznym formom opornym doskonałe warunki do wzrostu. Pacjent zaraża osoby przebywające w jego otoczeniu, co prowadzi do rozprzestrzeniania się nowego szczepu w środowisku, który z czasem eliminuje swoich gorzej przystosowanych przodków.

Na obecną chwilę choroby wywoływane przez bakterie wielolekooporne zabiają około 25 tysięcy osób w samej Unii Europejskiej rocznie. W tym okresie czasu,  koszty związane z ich leczeniem oraz związanym z nimi spadkiem produktywności gospodarki szacuje się na conajmniej 1,5 miliarda euro. Z ekonomicznego punktu widzenia taka sytuacja rysuje się gorzej od strat wywoływanych przez wirus grypy. Ponadto należy się spodziewać eskalacji negatywnych skutków antybiotykooporności zważywszy na jej gwałtowny rozwój. Naukowcy w ostatnich latach przestrzegają nas przed coraz częstszymi przypadkami zachorowań wywoływanych przez tak zwane patogeny nawracające. Zaliczają się do nich mikroorganizmy wywołujące choroby do niedawna uznawane za w znacznym stopniu ograniczone w krajach rozwiniętych. "Kropką nad i" w otrzymanym przepisie na katastrofę stała się postawa koncernów farmaceutycznych, które nie chcą prowadzić dalszych badań nad nowymi antybiotykami. Inwestowanie milionów dolarów i lat badań w coś co może błyskawicznie stać się bezużyteczne stanowi zbyt duże ryzyko nawet dla najsilniejszych graczy na rynku.

Potrzeba opracowania nowej strategii walki z infekcjami stała się jasna już od lat 90-tych XX wieku. Właśnie wtedy oczy znamienitych mikrobiologów z całego świata zwróciły się w stronę ośrodków dotychczas zupełnie dla nich niedostrzegalnych. Gruzja, Polska i inne kraje byłego bloku wschodniego nie zarzuciły bowiem idei terapii bakteriofagowej. Sprytnie wykorzystując skromne zasoby finansowe w ciągu stu lat udało im się rozwinąć metody, które mogą stać się podstawą nowoczesnego traktowania chorób zakaźnych.

Bakteriofagoterapia – gdzie jesteśmy...

W czasach smartfonów i samochodów sterowanych za pomocą komputera, bakteriofagi mogą mieć znacznie większą konkurencje niż w dniu ich odkrycia. Faktycznie rozwiązania mającego zastąpić antybiotykoterapię szuka się w każdej naukowej nowince. Część badaczy próbuje do tego celu zaprzęgnąć raczkującą jeszcze nanotechnologię, inni z kolei zwracają się ku ulepszaniu naturalnych środków antyseptycznych jak np. olejki eteryczne. Pośród setek ukazujących się rokrocznie publikacji na ten temat opisano wiele związków wykazujących działanie przeciwbakteryjne. Dobry lek musi jednak spełniać o wiele więcej kryteriów. Powinien móc łatwo dotrzeć do miejsca w organizmie zaatakowanego przez patogen, zachowując swoją skuteczność bez wywoływania efektów ubocznych. Najlepiej żeby rozpoznawał tylko te gatunki drobnoustrojów, które wywołują choroby i pozostawał nieskuteczny wobec naturalnej mikroflory człowieka. Wreszcie należy wziąć pod uwagę koszty i możliwości produkcji takiego terapeutyku.

Porównując bakteriofagi do pozostałych eksperymentalnych środków przeciwinfekcyjnych nietrudno dostrzec wiele zalet. To co skłoniło lekarzy do odrzucenia ich na korzyść antybiotyków w dniu dzisiejszym wydaje się ich najmocniejszą stroną. Wirusy rozpoznają swoją ofiarę bardzo dokładnie, nierzadko pozostając aktywne jedynie w obrębie konkretnego szczepu bakterii, nie stanowiąc zagrożenia dla innych szczepów należących do tego samego gatunku. Obecnie proponowane rozwiązania polegają więc na podawaniu tzw. koktaili zawierających od kilku do kilkunastu typów bakteriofagów, które wykazują działanie wobec większości drobnoustrojów odpowiedzialnych za daną chorobę. Takie działanie ogranicza konieczność wyizolowania mikroorganizmu od pacjenta celem dokładnego ustalenia jego przynależności szczepowej. Z drugiej strony pozwala uzyskać skuteczny medykament nie atakujący bakterii żyjących z pacjentem w symbiozie. Zabijanie ludzkiej mikroflory stanowi główną przyczynę grzybic i biegunek występujących w trakcie zażywania antybiotyków. Kolejnym istotnym problemem związanym z terapią chorób zakaźnych jest ustalenie odpowiedniego dawkowania. Na dzień dzisiejszy w leczeniu ambulatoryjnym korzysta się ze z góry ustalonych schematów, które dla przeciętnego pacjenta oznaczają przyjęcie nadmiernej ilości leku. Substancje metabolizowane zazwyczaj w wątrobie i nerkach powodują silne obciążenie organizmu, które może prowadzić do groźnych powikłań. Posiadające cechy żywych organizmów wirusy powielają się w obecności patogenu. Z tego też względu podanie jednej niewielkiej dawki w zupełności wystarczy do całkowitego wyeliminowania czynnika odpowiedzialnego za chorobę. Kiedy natomiast ten zostanie usunięty, baktriofag traci miejsce rozmnażania się. W tej sytuacji lekarstwo pozostaje w organiźmie w niezbędnej ilości i w niezbędnym czasie do wyzdrowienia. Potwierdzają to wyniki badań kliczninych, wskazujące na znacznie rzadsze występowanie efektów ubocznych terapii bakteriofagowej w porównaniu do tradycyjnego leczenia. Ponadto udowodniono, że ten terapeutyk zachowuje aktywność nawet wobec tzw. superbakterii opornych na wszystkie dopuszczone do stosowania antybiotyki.

Sekretem skuteczności bakteriofagoterapii jest jej unikalny sposób działania. Przyjmowany przez człowieka wirus, dopóki nie napotka na właściwy dla siebie mikroorganizm pozostaje jedynie bardzo skomplikowanym związkiem chemicznym. Ponieważ nie rozpoznaje on komórek pacjenta, pomijając jednostkowe przypadki reakcji alegicznych, nie stwarza dla niego zagrożenia. Odpowiedzialne za występowanie choroby bakterie posiadają na swojej powierzchni tzw. recepotory – białka, z którymi bakteriofag wchodzi w interakcję, kończącą się jego silnym związaniem. W konsekwencji uruchomiona zostaje kaskada procesów biologicznych, dzięki której wirusowe DNA przedostaje się do wnętrza mikroorganizmu. Krótki kwas nukleinowy drapieżnika z łatwością integruje się z chromosomem gospodarza. W tym momencie bakteriofag zyskuje już całkowitą władzę nad swoją ofiarą. Wykorzystując jej własną maszynerię molekularną wymusza produkcję swoich białek oraz replikację swojego materiału genetycznego. Białka niczym klocki składają się w płaszcze wokół potomnych cząstek genomu zawieszonych, pływających w cytoplaźmie. W ten sposób powstaje kolejne pokolenie bakteriofagów, a kiedy nagromadzi się ich wystarczająco dużo intruz dokańcza dzieła. Uruchamia syntezę endolizyn – enzymów które rozkładają błonę komórkową gospodarza od środka. Podziurawiona ze wszechstron bakteria musi umrzeć, żeby setki świeżo złożonych wirusów mogło wydostać się na zewątrz w poszukiwaniu kolejnych ofiar.

Co ciekawe powyższy proces jest zjawiskiem całkowicie naturalnym. Jak dotąd człowiek nie dysponuje technologią pozwalającą wytworzyć sztucznego bakteriofaga. Z drugiej strony, wirusy te są równie powszechne w przyrodzie co drobnoustroje a ich izolację można przeprowadzić łatwo z dowolnego środowiska. Mając na względzie zdolnośc do samonamnażania cennego paraorganizmu, otrzymujemy idealny przepis na środek, który łatwo wyprodukować, ale trudno opatentować. Dla nas, jako pacjentów znaczy to, że znajdująca się w fazie eksperymentalnej terapia nie dość, że przywróci nam zdorwię, to zrobi to za rozsądną cenę.  Ta wiadomośc jest szczególnie istotna dla regionów rozwijających się.  Państwa borykające się z największymi problemami epidemiologicznymi są na ogół państwami o najtrudniejszym dostępie do leczenia. Zaopatrzanie ubogich krajów Afryki w odpowiednie środki lecznicze stanowi oczywiście bardzo złożony problem. Gdyby jednak zamiast drogich antybiotyków przesyłać tam tańsze preparaty bakteriofagowe, z pewnością można by poczynić kolejny krok ku uzdrowieniu sytuacji w tzw. trzecim świecie.

...i dokąd zmierzamy?

Jednak rzeczywistość nie zawsze okazuje się być tak piękna jak teoria. Nie każdy bakteriofag charakteryzuje się bowiem tak modelowym cyklem życia jak opisano powyżej. Dużej części z nich wcale nie śpieszy się do zabijania patogenu. Przecież drobnoustrój rozmnażając się razem ze swoim materiałem genetycznym powiela genom zintegrowanego ze sobą „gościa”. Jednocześnie podlegając procesowi transmisji pozwala mu przemieszczać się na znaczne odległości, pozostając całkiem przyjemnym schronieniem. Taki, zwany lizogennym, wirus uaktywni się dopiero kiedy jego gospodarzowi zacznie coś zagrażać. Wówczas, niczym szczur uciekający z tonącego statku, błyskawicznie rozszarpie komórkę bakteryjną, uwalniając liczne potomstwo. Niestety wymuszenie tego procesu wymaga podania silnych mutagenów, mogących w konsekwencji wyrządzić większe szkody niż sama choroba. Na domiar złego bakteriofag oprócz swoich genów może przenosić także geny oporności na antybiotyki oraz czynniki chorobtwórczości, które powiększą niszczycielski potencjał drobnoustroju. Zatem nieprawidłowo dobrane lekarstwo łatwo zamieni się w truciznę.

Problem lizogenii jest szczególnie poważny wśród tych patogenów, dla których nie opisano bakteriofagów zdolnych do bezwarunkowego zabijania. Ratunkiem może okazać się inżynieria genetyczna. Jeżeli nie ma możliwości leczenia przy użyciu całych preparatów, badacze postulują podawanie oczyszczonych endolizyn. Sytuację komplikuje jednak fakt, że uzyskanie jakiegokolwiek produktu metabolizmu wirusa w ilości umożliwiającej jakiekolwiek wykorzystanie jest praktycznie niemożliwe. Znacznie łatwiej przenieść gen odpowiedzialny za produkcje pożądanego enzymu do znanego i przyjemnego w hodowli organizmu. Najczęściej w tym celu wybiera się drożdże z uwagi na dobrze udokumentowaną historię ich udziału w technikach manipulacji materiałem genetycznym. Chociaż te jednokomórkowce kojarzą się raczej z kuchennymi wypiekami, stosuje się je też do produkcji szczepionek i witamin. Właściwie to nic nie stoi na przeszkodzie, żeby mogły przysporzyć się dla ludzkości po raz kolejny, tym razem uwalniając ją od chorób zakaźnych. Jak dotąd kilku zespołom badawczym na całym świecie udało się uzyskać w ten sposób endolizyny o potwierdzonej skuteczności. Co ciekawe tak wyprodukowane środki antybakteryjne będzie można modyfikować chemicznie na wypadek bakteriofagooporności.

Doświadczenie z długoletnim kryzysem antybiotykoterapii dało naukowcom sporo do myślenia. Nawet jeżeli bakteriofagoterapia okaże się skuteczną – brzmią głosy rozsądku – czy nie powinniśmy się obawiać, że w krótkim czasie poajwią się mikroorganizmy oporne na jej działanie? Jest to przecież bardziej niż prawdopodobne. Ewolucja to bowiem proces, którego nie da się zatrzymać. Podobnie jak każdy środek antybakteryjny, bakteriofag będzie wywierał presję w kierunku patogenów zdolnych przeżyć w jego obecności. W istocie problem został już wielokrotnie zaobserwowany. O dziwo, jak wykazują wyniki badań, koszt adaptacji do środowiska, w którym znajdują się drapieżne wirusy jest dla bakterii ogromny. Większość z nich nabywając oporność traci w całości lub po części zdolność do chorobotwórczości. Co więcej, tak osłabione drobnoustroje nadal stymulują układ odpornościowy człowieka do działania. W tej sytuacji trudno się oprzeć wrażeniu, że bakteriofagooporności nie tylko nie ma co się obawiać, ale należy jej wręcz wyczekiwać. Może ona bowiem przysłużyć się do opracowania nowych szczepionek przeciwko chorobom zakaźnym. Gdyby jednak nawet pojawiły się szkodliwe formy oporne, nie powinno to spędzić snu z powiek doświadczonego badacza. Ewolucji podlegają przecież nie tylko bakterie, ale też i wirusy. Każda komórka opierająca się działaniu bakteriofaga wywiera presję w kierunku cząstek ponownie zdolnych do ataku. W ten sposób naturalnie rozwijają się wszystkie organizmy na świecie. Ten zamknięty krąg zapobiegnie nawrotowi tragedii, do której doprowadziło powszechne stosowanie antybiotyków.

Można dopatrzeć się wielu problemów, które trzeba rozwiązać zanim bakteriofagoteapia stanie się rutyną. Prawdopodobnie na czasy, w których pigułki z wirusami będą dostępne w każdej aptece jeszcze trochę poczekamy, a jednak już teraz ten rodzaj leczenia jest zalecany w razie nieskuteczności działania antybiotyku. Wspomniany wcześniej IITD PAN wraz ze swoim Samodzielnym Laboratorium Bakteriofagowym w ciągu ostatnich dwudziestu lat wyleczył ponad 1500 osób zakwalifikowanych do terapii eksperymentalnej osiągając w ten sposób niemal 90 %-ową skuteczność. Nad własnymi preparatami bakteriofagowymi pracują zarówno wielkie koncerny farmaceutyczne, jak i mniejsi gracze na rynku, rokrocznie zaś publikuje się na ich temat setki doniesień naukowych w najbardziej prestiżowych czasopismach. Fakty wskazują jasno - wirusolecznictwo pozostaje wyłącznie kwestią czasu.

Przemysław Trzepiński