Враг нашего врага

Бактериофаги как лекарство на основе вируса

К началу XX в. ученым было известно о вирусах несколько важных вещей. Они знали, что вирусы — инфекционные агенты невообразимо малых размеров. Знали, что определенные вирусы вызывают определенные заболевания вроде табачной мозаики или бешенства. Но вирусология, молодая наука, все еще оставалась узконаправленной. Она сосредоточивала внимание в основном на вирусах, больше всего досаждавших человечеству — вызывающих болезни у людей, а также у сельскохозяйственных культур и скота, от которых зависели люди. Вирусологов редко интересовало что-то за пределами сферы наших непосредственных интересов. Но в годы Первой мировой войны два врача сумели приоткрыть окошко в более обширную вселенную вирусов, в которой мы живем.

Эту вселенную в 1915 г. Фредерик Туорт открыл для себя, можно сказать, случайно. На тот момент он искал более простой способ получения вакцин от оспы. В начале XX в. стандартная вакцина от этого заболевания содержала относительно безопасного родича вируса натуральной оспы, называемого вакцинией. Когда врачи вводили вакцинию людям, их иммунная система вырабатывала антитела, обезвреживающие не только коровью оспу, но и натуральную. Туорт решил проверить, сможет ли он выращивать вирус коровьей оспы в больших количествах, заражая культуры клеток в чашках Петри.

Его опыты окончились неудачей: попавшие в чашки бактерии погубили его клеточные культуры. Но огорчение Туорта не помешало ему заметить кое-что необычное. Он обратил внимание, что колонии бактерий, заполонившие его чашки, испещрены стекловидными пятнышками. Под микроскопом Туорт разглядел, что пятна усеяны погибшими микробами. Он собрал крошечные капельки со стекловидных участков и перенес их в живые бактериальные колонии. За считаные часы образовались новые стекловидные пятна с новыми мертвыми бактериями. Но когда Туорт повторил то же самое с другим видом бактерий, никаких пятен не появилось.

Туорт сумел придумать лишь три объяснения тому, что наблюдал. Это могла быть какая-то необычная особенность жизненного цикла данных бактерий. Или бактерии могли совершить самоубийство, выделяя смертельные ферменты. В третью возможность было поверить труднее всего: вероятно, Туорт открыл вирус, уничтожающий бактерии.

Туорт опубликовал свои результаты, перечислил три варианта и на этом оставил вопрос открытым. Но спустя два года врач канадского происхождения Феликс д'Эрелль независимо сделал то же открытие и понял, что он в действительности открыл.

В 1917 г. д'Эрелль состоял в должности военного врача и лечил французских солдат, умиравших от дизентерии. Дизентерия вызывает опасный для жизни понос; ее возбудители — бактерии из рода шигелл. Современные врачи умеют лечить дизентерию и другие бактериальные инфекции антибиотиками, но эти препараты появились лишь спустя десятилетия после Первой мировой войны. Д'Эрелль был в отчаянии оттого, что не мог помочь своим пациентам. Чтобы лучше узнать своего врага, д'Эрелль занялся изучением диареи.

Он пропустил фекалии солдат сквозь тонкопористые фильтры, задерживавшие шигеллы и любые другие бактерии, содержавшиеся в них. Сквозь поры могли пройти лишь вирусы и отдельные молекулы. Получив прозрачную, свободную от бактерий жидкость, д'Эрелль смешал ее со свежим образцом шигелл и высеял смесь бактерий и чистой жидкости в чашках Петри. Шигеллы пошли в рост, но через несколько часов д'Эрелль заметил, что в колониях стали образовываться стекловидные бляшки.

Д'Эрелль взял образцы с бляшек и снова подмешал их к шигеллам. В чашках образовались новые бляшки. Д'Эрелль заключил, что перед ним миниатюрные поля боя, где вирусы убивают шигеллы и оставляют на своем пути полупрозрачные трупики.

В то время эта идея казалась радикальной, ведь вирусологам были известны только вирусы, поражающие растения и животных. Д'Эрелль решил, что его вирусы заслуживают специального названия. Он окрестил их бактериофагами, то есть «поедателями бактерий». Сейчас их для краткости называют просто фагами.

Иммунолог Жюль Борде, лауреат Нобелевской премии, прочел отчет д'Эрелля о его открытии и решил поискать другие бактериофаги. Борде работал в мирное время, а не в военное и не использовал шигеллы, полученные от больных солдат. Вместо них он выбрал безвредную любимицу лабораторных исследователей — кишечную палочку. По примеру д'Эрелля Борде процедил суспензию кишечной палочки сквозь тонкопористые фильтры, чтобы выделить любые фаги, которые та могла содержать. Затем он смешал отфильтрованную жидкость со второй культурой кишечной палочки. Вторая культура погибла точно так же, как бактерии в опытах д'Эрелля.

Но затем Борде предпринял шаг, которого не сделал д'Эрелль. Он решил посмотреть, что произойдет, если добавить отфильтрованную жидкость в колонии его первой культуры кишечной палочки — той, которую он фильтровал вначале. Если в жидкости содержались фаги, они должны были уничтожить и эти бактерии. К удивлению Борде, бляшек не появилось. Первая культура кишечной палочки была устойчива по отношению к тому, что погубило вторую. Эта неожиданность привела Борде к выводу, что д'Эрелль заблуждался — фагов не существует. На самом деле, утверждал Борде, бактерии выделяют токсичные белки, способные убивать другие микроорганизмы, но не их самих.

Д'Эрелль высказал Борде свою критику, Борде нанес ответный удар, и страсти бушевали еще много лет. Лишь в 1940-е гг. ученые наконец нашли зримое подтверждение правоты д'Эрелля. Испытывая на жидкости из стекловидных бляшек электронные микроскопы, они обнаружили вирус странной формы — с капсидом в виде коробочки, расположенной на кончиках палочковидных белковых молекул, напоминающих паучьи лапки.

Фаги приземлялись на поверхность кишечной палочки, словно луноходы на Луну, и ввинчивались в бактерию, впрыскивая внутрь свою ДНК.

Борде потерпел поражение, сделав ошибочный вывод из своего эксперимента, так как ему не было известно, что у фагов бывает два совершенно различных жизненных цикла. Фагам д'Эрелля для репликации приходилось убивать своих хозяев. Они заражали бактерии и тут же заставляли их производить новые фаги, которые вырывались наружу, оставляя позади лопнувшие оболочки. Таких убийц вирусологи называют литическими фагами.

Однако Борде изучал умеренных фагов — тип вирусов, способных незаметно сосуществовать со своим хозяином и сохранять ему жизнь. Умеренные фаги ведут себя с бактериями так, как человеческие папилломавирусы ведут себя с нашими клетками кожи. Когда умеренный фаг поражает хозяина — бактериальную клетку, та включает гены вируса в собственную ДНК. Зараженная бактерия продолжает расти и делиться, воспроизводя гены вируса вместе с собственными. Вирус и хозяин словно становятся единым целым.

Но умеренные фаги остаются скрытой угрозой. Если пораженные бактерии внезапно испытывают какой-либо стресс, этот сигнал стимулирует их считывать гены сидящего внутри них фага и производить новые вирусы. Фаги покидают лопнувшую клетку и ищут новых уязвимых хозяев. Но они способны заразить только те микроорганизмы, которые еще не стали носителями других умеренных фагов. Эксперимент Борде провалился потому, что его первая популяция бактерий обладала иммунитетом к вирусам.

Не дожидаясь завершения дебатов о фагах, д'Эрелль принялся испытывать их в качестве средства от дизентерии. Если дать пациентам добавочную дозу фагов, возможно, они смогут одолеть все бактерии и избавиться от инфекции. Прежде чем проверить эту гипотезу, д'Эрелль должен был убедиться, что фаги безопасны. Он отфильтровал взвесь шигелл, чтобы получить порцию фагов, и выпил их, «не отметив при этом ни малейшего недомогания», как писал впоследствии. Затем д'Эрелль ввел себе жидкость с фагами подкожно, снова без всяких вредных последствий.

Уверившись, что фаги безопасны, д'Эрелль стал применять «лечение фагами» к больным. Он сообщил, что оно способствует выздоровлению от дизентерии. Он испытал его на других бактериальных заболеваниях, типа холеры, и снова сообщил об успехах. Когда четверо пассажиров французского судна в Суэцком канале заболели бубонной чумой, д'Эрелль дал им фаги. Все четверо выздоровели.

Уже раньше открытие бактериофагов принесло д'Эреллю славу в научных кругах, но теперь факты излечения сделали его настоящей знаменитостью. Американский писатель Синклер Льюис положил его историю в основу романа 1925 г. «Эрроусмит», ставшего бестселлером и экранизированного в Голливуде в 1931 г. Тем временем д'Эрелль разрабатывал на основе фагов лекарства, которые продавала компания, ныне известная как L'Oréal. Толпы покупателей приобретали фаги для лечения кожных травм и кишечных инфекций.

Но фаговый бум продлился недолго. В 1930-е гг. ученые открыли первые антибиотики — вещества, вырабатываемые грибами и бактериями и способные подавлять инфекции. Врачи с энтузиазмом переключились на эти безопасные, надежные препараты. Антибиотики вскоре доказали свою удивительную эффективность, к тому же гарантированную. Рынок фаготерапии сдулся, и большинство ученых не видели особого смысла в дальнейших исследованиях.

Но мечта д'Эрелля не погибла. В 1920-е гг., во время своей поездки в СССР, так как он все же был светилом медицины, он познакомился с учеными, которые хотели создать целый институт исследований фаготерапии. В 1923 г. в Тбилиси при участии д'Эрелля был основан Научно-исследовательский институт микробиологии, вирусологии и иммунологии им. Георгия Элиавы. В лучшие годы институт располагал 1200 сотрудниками и производил тонны фагов ежегодно. Во время Второй мировой войны СССР отправлял фаги в порошках и таблетках на фронт, где их давали солдатам для лечения инфекций. В 1963 г. сотрудники института даже провели обширное клиническое исследование, чтобы продемонстрировать действенность фаготерапии. Всем детям в Тбилиси раздали таблетки: те, что жили по одну сторону улицы раз в неделю получали таблетку с фагами, а те, что по другую сторону, — обычный сахар. Всего в исследовании участвовало 30 769 детей, за которыми наблюдали на протяжении 109 дней. Среди получивших сахарную таблетку заболеваемость дизентерией составила 6,7 случая на 1000. Среди тех, кому досталась таблетка с фагами, этот показатель упал до 1,8 на 1000. Прием фагов сократил вероятность заболевания у детей в 3,8 раза.

Если бы подобное исследование провели на Западе, возможно, ученые пересмотрели бы свое отношение к фаготерапии. Но из-за завесы секретности, которой советская власть окружила науку в своей стране, мало кто знал о ней за пределами Грузии. Только после распада СССР в 1991 г. на Западе узнали об истинном масштабе замечательных исследований, проводившихся в Тбилиси. К тому времени инфекционисты наконец всерьез заинтересовались альтернативами антибиотикам. Чудо-препараты стали подводить, антибиотикорезистентность встречалась все чаще. Врачи замечали, что самые безопасные, самые надежные антибиотики не справлялись с инфекцией. Приходилось прибегать к резервным препаратам, более дорогим и порой дающим опасные побочные эффекты.

К 1990-м гг. ряд исследователей всерьез обратили внимание на фаготерапию. Но они отмечали трудности, препятствующие ее введению в медицинскую практику. Например, многообразие видов и штаммов фагов чрезвычайно велико и каждый из них точно приспособлен к конкретной бактерии-хозяину. Даже если фаг показал эффективность против одного штамма патогена, он может не справляться с остальными.

К тому же скептики опасались, что фаги, подобно антибиотикам, станут жертвой резистентности. В 1940-е гг. микробиологи Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк самолично наблюдали, как у бактерий развивается устойчивость к фагам. Когда они пропитали культуру кишечной палочки фагами, большинство бактерий погибло, но некоторые выжили, затем размножились и породили новые колонии. Дальнейшие исследования показали, что у выживших появились мутации, позволившие им устоять против фагов. Затем резистентные бактерии передали свои мутантные гены потомкам. Критики утверждали, что фаготерапия превратит наш организм в подобие чашки Петри, где бактерии смогут вырабатывать устойчивость к фагам.

В XXI в. исследователи фаготерапии опровергли некоторые из этих опасений. Фаги действительно привередливы в выборе хозяев, но это не мешает использовать фаготерапию для лечения широкого спектра инфекционных заболеваний. В частности, ученые из института Элиавы разработали пластырь для ран, засеянный шестью разными видами фагов, способными уничтожать шесть наиболее распространенных видов бактерий, из-за которых возникает заражение кожных ран. Кроме того, исследователи создают коллекции фагов, которые можно испытывать на бактериях каждого конкретного пациента, чтобы подобрать тот, что подействует.

Обнаруживая новые фаги, ученые открывают виды, способные обеспечить новые способы поражения бактерий. Исследователь из Йельского университета Бен Чан и его коллеги открыли фаг, проникающий в клетку бактерии через ее мембранный насос. Интересно, что этот же насос бактерия использует для того, чтобы выводить наружу антибиотики, прежде чем они сумеют причинить ей вред. Бактерия может стать более устойчивой к антибиотикам, отращивая дополнительные насосы.

Чан и его команда испытали свой новый фаг в чашке с бактериями. Если они подсаживали к бактериям фаг, те эволюционировали в сторону уменьшения количества насосов, чтобы фагу было труднее заразить их. Но, уменьшив число насосов, они становились более уязвимыми для антибиотиков. Результаты исследования предполагают, что фаги вместе с антибиотиками могут загнать бактерии в ловушку эволюционного конфликта. Вскоре Чан с коллегами применили эту комбинацию к мужчине с хронической сердечной инфекцией, вызванной резистентными бактериями. Бактерии стали уязвимы для антибиотиков — и он выздоровел.

Конечно, испытание на единственном пациенте доказывает эффективность и безопасность фаготерапии не больше, чем во времена д'Эрелля. Но Чан и другие ученые уже проверяют на других пациентах, поможет ли им лечение фагами, а некоторые исследователи приступили к клиническим испытаниям. Некоторые государственные службы теперь стремятся облегчить эти исследования, устанавливая правила, поощряющие их применение вместо лекарств. Более чем через век после того, как д'Эрелль впервые столкнулся с бактериофагами, эти вирусы, возможно, наконец готовы занять свое место в современной медицине.