Создание генетически модифицированных бактериофагов для лечения инфекций, вызванных полирезистентными бактериями (Обзор)

Антибиотикорезистентность является актуальной проблемой современной медицины в связи с распространением штаммов микроорганизмов с множественной лекарственной устойчивостью. До сих пор продолжается поиск альтернативных способов лечения инфекционных заболеваний, вызванных бактериями. Один из таких подходов, вызывающий значительный интерес, − фаготерапия, в которой бактериофаги используются в качестве действующего вещества. Фаги являются селективными агентами, проявляющими литическую активность в отношении конкретных бактериальных штаммов, в отличие от антибиотиков, большинство из которых обладает широким спектром действия. Выделение природного фага − многоэтапный, кропотливый и трудоемкий процесс, при этом физиология полученных фагов часто плохо изучена, что может приводить к различным несоответствиям на протяжении производства и создания продукта несоответствующего качества. Разработка биотехнологических методов позволяет в настоящее время расширить возможности фаговой терапии за счёт создания биоинженерных бактериофагов. Проведенные исследования по использованию таких фагов в лечении инфекций, вызванных бактериями с множественной устойчивостью к лекарственным препаратам, показали, что фаговая терапия может быть эффективной и как альтернатива, и как дополнение при антибиотикотерапии. Преимущество генномодифицированных фагов – это, в первую очередь, возможность получения бактериофагов с измененным, расширенным спектром литической активности. Примененные модификации позволят разработать фаги, нацеленные на гены антибиотикорезистентности, такие как эфлюксные насосы; для использования в сочетании с антибиотиками для усиления бактерицидной активности; а также фаги, обладающие низкой иммуногенностью (путем нахождения мутаций и модификаций, уменьшающих либо скорость элиминации фагов при участии ретикулоэндотелиальной системы, либо объем бактериального лизиса).

Создание различных вариантов бактериофагов с уникальными характеристиками даст возможность преодолеть имеющиеся недостатки, которыми обладают природные бактериофаги, для активного внедрения их в профилактику и терапию бактериальных заболеваний. Приведены описания проводимых в мире исследований в области разработки и получения бактериофагов с модифицированными свойствами. Показана эффективность данного подхода для лечения инфекций, вызванных полирезистентными возбудителями, а также перспективность дальнейшей работы в этом направлении.

1. Bikard D, Euler CW, Jiang W, Nussenzweig PM, Goldberg GW, Duportet X, Fischetti VA, Marraffini LA. Exploiting CRISPR-Cas nucleases to produce sequence-specific antimicrobials. Nat Biotechnol. 2014;32(11):1146-1150. http://doi.org/10.1038/nbt.3043

2. Kutateladze M, Adamia R. Bacteriophages as potential new therapeutics to replace or supplement antibiotics. Trends Biotechnol. 2010;28(12):591-595. http://doi.org/10.1016/j.tibtech.2010.08.001

3. Kter EM, De Vos D, Gvasalia G, Alavidze Z, Gogokhia L, Kuhl S, Abedon ST. Phage therapy in clinical practice: treatment of human infections. Curr Pharm Biotechnol. 2010;11(1):69-86. http://doi.org/10.2174/138920110790725401

4. Kutter EM., Kuhl SJ, Abedon ST. Re-establishing a place for phage therapy in western medicine. Future Microbiol. 2015;10(5):685-688. http://doi.org/10.2217/fmb.15.28

5. Lu TK, Collins JJ. Engineered bacteriophage targeting gene networks as adjuvants for antibiotic therapy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009;106(12):4629-4634. http://doi.org/10.1073/pnas.0800442106

6. Duplessis M, Moineau S. Identification of a genetic determinant responsible for host specificity in Streptococcus thermophilus bacteriophages. Mol Microbiol. 2001;41(2):325-336. http://doi.org/10.1046/j.1365-2958.2001.02521.x.

7. Yehl K, Lemire S, Yang AC, Ando H, Mimee M, Torres MT, de la FuenteNunez C, Lu TK. Engineering Phage Host-Range and Suppressing Bacterial Resistance through Phage Tail Fiber Mutagenesis. Cell. 2019;179(2):459-469.e9. http://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.015

8. Dunne M, Rupf B, Tala M, Qabrati X, Ernst P, Shen Y, Sumrall E, Heeb L, Plückthun A, Loessner MJ, Kilcher S. Reprogramming Bacteriophage Host Range through Structure-Guided Design of Chimeric Receptor Binding Proteins. Cell Rep. 2019;29(5):1336-1350. e4. http://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.09.062

9. Hupfeld M, Trasanidou D, Ramazzini L, Klumpp J, Loessner MJ, Kilcher S. A functional type II-A CRISPR-Cas system from Listeria enables efficient genome editing of large non-integrating bacteriophage. Nucleic Acids Res. 2018;46(13):6920-6933.http://doi.org/10.1093/nar/gky544

10. Ando H, Lemire S, Pires DP, Lu TK. Engineering Modular Viral Scaffolds for Targeted Bacterial Population Editing. Cell Syst. 2015;1(3):187-196. http://doi.org/10.1016/j.cels.2015.08.013

11. Martel B, Moineau S. CRISPR-Cas: an efficient tool for genome engineering of virulent bacteriophages. Nucleic Acids Res. 2014;42(14):9504-9513. http://doi.org/10.1093/nar/gku628

12. Lemay ML, Tremblay DM, Moineau S. Genome Engineering of Virulent Lactococcal Phages Using CRISPR-Cas9. ACS Synth Biol. 2017;6(7):1351-1358. http://doi.org/10.1021/acssynbio.6b00388

13. Dedrick RM, Guerrero-Bustamante CA, Garlena RA, Russell DA, Ford K, Harris K, Gilmour KC, Soothill J, Jacobs-Sera D, Schooley RT, Hatfull GF, Spencer H. Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nat Med. 2019;25(5):730-733. http://doi.org/10.1038/s41591-019-0437-z

14. Huss P, Raman S. Engineered bacteriophages as programmable biocontrol agents. Curr Opin Biotechnol. 2020;61:116-121. http://doi.org/10.1016/j.copbio.2019.11.013

15. Burrowes BH, Molineux IJ, Fralick JA. Directed in Vitro Evolution of Therapeutic Bacteriophages: The Appelmans Protocol. Viruses. 2019;11(3):241. http://doi.org/10.3390/v11030241

16. Yehl K, Lemire S, Yang AC, Ando H, Mimee M, Torres MT, de la FuenteNunez C, Lu TK. Engineering Phage Host-Range and Suppressing Bacterial Resistance through Phage Tail Fiber Mutagenesis. Cell. 2019;179(2):459-469.e9. http://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.015

17. Beck A, Wurch T, Bailly C, Corvaia N. Strategies and challenges for the next generation of therapeutic antibodies. Nat Rev Immunol. 2010;10(5):345-352. http://doi.org/10.1038/nri2747

18. Foltz IN, Karow M, Wasserman SM. Evolution and emergence of therapeutic monoclonal antibodies: what cardiologists need to know. Circulation. 2013;127(22):2222-2230. http://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.113.002033

19. Ducancel F, Muller BH. Molecular engineering of antibodies for therapeutic and diagnostic purposes. MAbs. 2012;4(4):445-457. http://doi.org/10.4161/mabs.20776

20. Igawa T, Tsunoda H, Kuramochi T, Sampei Z, Ishii S, Hattori K. Engineering the variable region of therapeutic IgG antibodies. MAbs. 2011;3(3):243-252. http://doi.org/10.4161/mabs.3.3.15234

21. Eugster MR, Morax LS, Hüls VJ, Huwiler SG, Leclercq A, Lecuit M, Loessner MJ. Bacteriophage predation promotes serovar diversification in Listeria monocytogenes. Mol Microbiol. 2015;97(1):33-46. http://doi.org/10.1111/mmi.13009

22. Sumrall ET, Shen Y, Keller AP, Rismondo J, Pavlou M, Eugster MR, Boulos S, Disson O, Thouvenot P, Kilcher S, Wollscheid B, Cabanes D, Lecuit M, Gründling A, Loessner MJ. Phage resistance at the cost of virulence: Listeria monocytogenes serovar 4b requires galactosylated teichoic acids for InlB-mediated invasion. PLoS Pathog. 2019;15(10):e1008032. http://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008032

23. Kolenbrander PE, Palmer RJ Jr, Periasamy S, Jakubovics NS. Oral multispecies biofilm development and the key role of cell-cell distance. Nat Rev Microbiol. 2010;8(7):471-480. http://doi.org/10.1038/nrmicro2381

24. Tzipilevich E, Habusha M, Ben-Yehuda S. Acquisition of Phage Sensitivity by Bacteria through Exchange of Phage Receptors. Cell. 2017;168(1-2):186-199.e12. http://doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.003

25. Смирнов А.В., Юнусова А.М., Лукьянчикова В.А., Баттулин Н.Р. Система. CRISPR/Cas9 – универсальный инструмент геномной инженерии. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(4):493-510. http://doi.org/10.18699/VJ16.175

26. Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Moineau S, Romero DA, Horvath P. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 2007;315(5819):1709-1712. http://doi.org/10.1126/science.1138140

27. Shen J, Zhou J, Chen GQ, Xiu ZL. Efficient Genome Engineering of a Virulent Klebsiella Bacteriophage Using CRISPR-Cas9. J Virol. 2018;92(17):e00534-18. http://doi.org/10.1128/JVI.00534-18

28. Kiro R, Shitrit D, Qimron U. Efficient engineering of a bacteriophage genome using the type I-E CRISPR-Cas system. RNA Biol. 2014;11(1):42-44. http://doi.org/10.4161/rna.27766

29. Box AM, McGuffie MJ, O'Hara BJ, Seed KD. Functional Analysis of Bacteriophage Immunity through a Type I-E CRISPR-Cas System in Vibrio cholerae and Its Application in Bacteriophage Genome Engineering. J Bacteriol. 2015;198(3):578-590. http://doi.org/10.1128/JB.00747-15

30. Martel B, Moineau S. CRISPR-Cas: an efficient tool for genome engineering of virulent bacteriophages. Nucleic Acids Res. 2014;42(14):9504-9513. http://doi.org/10.1093/nar/gku628

31. Lemay ML, Tremblay DM, Moineau S. Genome Engineering of Virulent Lactococcal Phages Using CRISPR-Cas9. ACS Synth Biol. 2017;6(7):1351-1358. http://doi.org/10.1021/acssynbio.6b00388

32. Tao P, Wu X, Tang WC, Zhu J, Rao V. Engineering of Bacteriophage T4 Genome Using CRISPR-Cas9. ACS Synth Biol. 2017;6(10):1952-1961. http://doi.org/10.1021/acssynbio.7b00179

33. Schilling T, Dietrich S, Hoppert M, Hertel R. A CRISPR-Cas9-Based Toolkit for Fast and Precise In Vivo Genetic Engineering of Bacillus subtilis Phages. Viruses. 2018;10(5):241. http://doi.org/10.3390/v10050241

34. Shen J, Zhou J, Chen GQ, Xiu ZL. Efficient Genome Engineering of a Virulent Klebsiella Bacteriophage Using CRISPR-Cas9. J Virol. 2018;92(17):e00534-18. http://doi.org/10.1128/JVI.00534-18

35. Bikard D, Euler CW, Jiang W, Nussenzweig PM, Goldberg GW, Duportet X, Fischetti VA, Marraffini LA. Exploiting CRISPR-Cas nucleases to produce sequence-specific antimicrobials. Nat Biotechnol. 2014;32(11):1146-1150. http://doi.org/10.1038/nbt.3043

36. Kiro R, Shitrit D, Qimron U. Efficient engineering of a bacteriophage genome using the type I-E CRISPR-Cas system. RNA Biol. 2014;11(1):42-44. http://doi.org/10.4161/rna.2776

37. Marinelli LJ, Hatfull GF, Piuri M. Recombineering: A powerful tool for modification of bacteriophage genomes. Bacteriophage. 2012;2(1):5-14. http://doi.org/10.4161/bact.18778

38. Marinelli LJ, Piuri M, Swigonová Z, Balachandran A, Oldfield LM, van Kessel JC, Hatfull GF. BRED: a simple and powerful tool for constructing mutant and recombinant bacteriophage genomes. PLoS One. 2008;3(12):e3957. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0003957

39. Sharan SK, Thomason LC, Kuznetsov SG, Court DL. Recombineering: a homologous recombination-based method of genetic engineering. Nat Protoc. 2009;4(2):206-223. http://doi.org/10.1038/nprot.2008.227

40. Thomason LC, Oppenheim AB, Court DL. Modifying bacteriophage lambda with recombineering. Methods Mol Biol. 2009;501:239-251. http://doi.org/10.1007/978-1-60327-164-6_21

41. Dedrick RM, Guerrero-Bustamante CA, Garlena RA, Russell DA, Ford K, Harris K, Gilmour KC, Soothill J, Jacobs-Sera D, Schooley RT, Hatfull GF, Spencer H. Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nat Med. 2019;25(5):730-733. http://doi.org/10.1038/s41591-019-0437-z