Антибиотикорезистентность и бактериофаги

Назначение антибиотиков позволяет предотвратить миллионы смертей каждый год и остается основным методом лечения потенциально смертельных бактериальных инфекций. Большинство симптомов инфекционных заболеваний неспецифические и не позволяют поставить диагноз без предварительного микробиологического исследования. В связи с этим, антибиотики широкого спектра действия являются предпочтительными для многих врачей, так как позволяют предотвратить тяжелое течение болезни и связанные с ним осложнения. 

Тем не менее, бесконтрольное применение антибиотиков во всех областях человеческой жизни (медицине, животноводстве и проч.) привело к возникновению резистентности, которая создала глобальную проблему в области здравоохранения и по данным на 2016 г. уносило жизни не менее 700 000 человек в ежегодно. Было подсчитано, что, если не предпринимать никаких действий, то к 2050 году ежегодное количество смертей по причине антибиотикорезистентности может достичь 10 миллионов. (ссылка)

Без антибиотиков возможности врачей будут значительно ограничены. Пессимистично настроенные исследователи сравнивают грядущую постантибиотическую эру с медициной времен средневековья. В связи с этим, сейчас активно разрабатывается комплекс мер, направленных на преодоление антибиотикорезистентности, ведется поиск лекарств, которые могли бы заменить антибиотики в медицине и других сферах деятельности человека. В частности, в качестве альтернативы противомикробных препаратов рассматриваются бактериофаги, вирусы, которые поражают бактериальные клетки и никак не взаимодействуют с клетками человеческого тела. 

История вопроса 

Способность бактериофагов выборочно уничтожать бактерии определенных штаммов известна давно. Ещё в 1896 г. английский бактериолог Эрнест Ханбери Ханкин (Ernest Hanbury Hankin), работавший в Индии во время вспышек холеры, сделал важное наблюдение: холерные вибрионы погибали менее чем за 3 ч в воде из местных рек, пропущенной через бактериальный фильтр, который отделяет микроорганизмы, видимые с помощью оптического микроскопа, от жидкой среды. Бактериолог предположил, что это происходит из-за присутствующих в воде неких частиц с антибактериальными свойствами (это и были бактериофаги). 

В 1897 г. российский врач микробиолог и эпидемиолог Николай Фёдорович Гамалея доложил о своём наблюдении лизиса палочки сибирской язвы под влиянием некоего агента.

Впервые ввёл в обиход термин «облигатный бактериофаг» канадский и французский микробиолог Феликс д`Эрелль. Он детально описал фагов и предложил использовать фаговые препараты в медицине. В 1919 году д`Эррель вылечил 12-летнего ребенка от дизентерии. Чтобы убедить родителей в безопасности препарата сначала сам выпил лекарство, а уже потом дал ребенку. 

В 1921 году во Франции с Д’Эреллем познакомился грузинский микробиолог Георгий Элиава. Элиава пригласил Д’Эрелля в Грузию, где они решили создать мировой центр по изучению и применению бактериофагов. В 1922 году было оформлено постановление правительства об основании научно-исследовательского центра и уже через год Институт бактериофагов, микробиологии и вирусологии начал свою работу.

Независимо от д`Эрелля на два года раньше существование бактериофагов доказал англичанин Фредерик В. Творт. Первые изображения фагов были получены с помощью электронного микроскопа в 1940 году.

Лабораторные исследования с использованием фагов активно проводились с 1920 по 1950 годы. Однако их широкому использованию в качестве терапевтических средств в то время препятствовал ряд ограничений, связанных с:

• природой фага (например, узкий круг хозяев и быстрое выведение из организма); 

• несовершенством технологий (например, лизогения еще не была открыта, не было возможности удалить эндотоксины из препаратов и повторно подтвердить жизнеспособность фагов после добавления стерилизующих агентов);

• несовершенством методологии проведения научных исследований (например, отсутствие плацебо-контролируемых испытаний) . 

Несмотря на ограничения, исследования на животных продемонстрировали, что фаги эффективны в лечении потенциально смертельных бактериальных инфекций. Согласно отчетам, опубликованным в Восточной Европе, фаги с успехом применялись для лечения инфекций у людей, в частности, холеры и дизентерии. Компании, выпускавшие фаговые препараты, работали во Франции и Германии.

Возможно, фаговая терапия продолжила бы свое развитие, но в 1928 году Александр Флеминг выделил пенициллин. Началась эра антибиотиков, которые по многим параметрам были предпочтительнее фагов. И если в Грузии в течение этого века Институт Элиава продолжал производить и изучать бактериофаги, то в других странах исследователи и фармацевтическая промышленность полностью переключились на антибактериальные препараты. В Институте Элиавы разработали и активно применяют методы лечения пациентов с кожными язвами, инфицированными ожоговыми ранами, глазными, респираторными инфекциями и многим другими заболеваниями. 

Вернулись исследователи к бактериофагам только в начале 21 века, когда мир лицом к лицу столкнулся с антибиотикорезистентностью. Широкому применению фаговых препаратов в странах Европы и США препятствует отсутствие достаточной доказательной базы, определенного количества многоцентровых двойных слепые плацебо-контролируемых исследований, которые с высокой степенью достоверности подтвердили высокую эффективность и безопасность бактериофагов. В связи с этим нигде в Европе или Америке фаги все еще не зарегистрированы в качестве медикаментов и практически не применяются.

Американское управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) не утвердило фаги для терапевтического использования. Сейчас FDA допускает использование фагов в индивидуальном порядке для ковидных пациентов (не для лечения COVID-10, а для сопутствующих заболеваний*). Минздрав Бельгии выдал разрешение на персонализированное лечение фагами. Фаговая терапия как направление медицины активно развивается, привлекает финансирование и инвестиции, что в самом ближайшем будущем должно в корне изменить подходы к лечению инфекционных заболеваний.

Бактериофагов планируется использовать как самостоятельную терапию, когда бактерии полностью устойчивы к антибиотикам, и как ценное дополнение к антибактериальным препаратам, когда бактерии все еще сохраняют чувствительность к ним.(ссылка) Целесообразность использования фагов в комбинированной терапии объясняется тем, что рана или другая инфицированная область может содержать несколько видов патогенных микроорганизмов. Комбинированное воздействие позволит снизить длительность лечения при одновременном повышении его эффективности.

Помимо медицины фаговые препараты начинают использоваться для очистки сточных вод, дезинфекции общественного транспорта, помещений для содержания сельскохозяйственных животных, в ветеринарии, косметологии. Примеры использования фаговых препаратов в стоматологии и ежедневном косметическом уходе за лицом и телом можно найти в нашем Отчете по Advanced Cosmetics. 

Что представляют собой бактериофаги?

Видео по теме https://youtu.be/NWo4MwE3zfU

Бактериофаг - "пожиратель бактерий" (phagos - "пожираю", греч.) относится к группе вирусов, которые избирательно поражают бактерии.

В природе бактериофаги широко распространены и являются естественными ограничителями распространения бактерий. При этом для фагов характерна высокая специфичность в отношении определенного рода бактерий. 

Строение вирусной частицы

Бактериофаги - это микроскопические вирусные частицы с головкой и хвостом. Голова содержит вирусную нуклеиновую кислоту . 

У некоторых фагов есть хвосты, а у других - хвостовые волокна. С помощью хвоста или хвостовых волокон вирус прикрепляется к клеточной стенке бактерий. 

Электронная микрофотография бактериофагов.

Изображение бактериофагов, полученное с помощью электронного микроскопа. Изображение предоставлено - ZEISS Microscopy, лицензия CC BY-NC-ND 2.0

Вирусы воспроизводятся, прикрепляясь к клетке (A), вводя свою ДНК (B), умножая свое количество (C), собирая зрелые вирусы (D) и выпуская новые вирусы в окружающую среду (E).

Видео бактериофаг прикрепляется к клетке https://www.youtube.com/watch?v=V73nEGXUeBY

Сборка новых бактериофагов в клетке https://www.youtube.com/watch?v=RbL3BZCGPA4

В зависимости от способа взаимодействия с бактериальной клеткой выделяют два вида фагов:

• Высоковирулентные с высокой литической активностью: при размножении таких фагов клетка разрушается и гибнет.

• Умеренные (не вирулентные или умеренно вирулентные): бактериофаг встраивает свою цепочку ДНК в геном бактерии и в течение длительного времени формирует новые вирусные частицы, не нанося серьезного ущерба бактериальной клетке. 

Литический и литогенный циклы

В литическом цикле фаги используют синтетический аппарат хозяина для размножения. В результате  происходит деградация ДНК хозяина и образуются различные белки, включая белок капсида вируса, белок лизиса и т. д. Внутри бактериальной клетки образуются новые фаги, которые оказывают давление на клеточную стенку, разрывают ее и выходят наружу.

В случае лизогенного жизненного цикла ДНК фага включается в ДНК хозяина, ДНК фага реплицируется с ДНК хозяина и таким образом фаг в течение длительного времени сохраняется в "спящем" состоянии. Интегрированная фаговая ДНК называется профагом. Литические гены также присутствуют у умеренных бактериофагов, но экспрессируются они только при определенных условиях и тогда лизогенный жизненный цикл превращается в литический.

Высокая литическая активность обеспечивает полное уничтожение бактерий и препятствует развитию у них устойчивости к антибиотикам и фаговым препаратам. Вирулентность фагов определяется в лабораторных условиях по способности вирусов уничтожать бактериальные клетки. 

Прозрачные области на поверхности питательной среды - это место воздействия бактериофагов на бактерии, имеющие вид матовой полупрозрачной пленки.

Чем чище область действия бактериофагов, тем выше литическая способность пожирающих бактерии вирусов. Тест на чувствительность возбудителя инфекционного заболеваниям можно провести во многих лабораториях. Чисто технически выполнить его не сложнее, чем определение чувствительности бактерий к антибиотикам. 

Бактериофаги vs антибиотики

По сравнению с антибиотиками бактериофаги имеют несколько важных характеристик, определяющих терапевтический потенциал фаговой терапии.

Для каждой бактерии можно подобрать убивающий ее бактериофаг. Но чтобы правильно подобрать препарат, необходимо предварительно взять материал для посева на флору, чтобы определить вид возбудителя и чувствительность микроорганизма к бактериофагу. Это обеспечит таргетное применение выбранного препарата. Подобные анализы рутинны и доступны в лабораторных сетях.

Перечисленные особенности делают бактериофаги весьма перспективными в борьбе с инфекциями, связанными с оказанием медицинской помощи в лечебных учреждениях. Благодаря избирательным антимикробным свойствам они не влияют на рост лекарственной устойчивости госпитальных бактерий. Их способность размножаться при наличии чувствительной бактериальной культуры позволяет эффективно подавлять рост и распространение патогенной флоры. В лабораторных условиях возможно создать препарат фага, адаптированного к штаммам возбудителей лечебного учреждения.

У фагов есть одно важное преимущество перед антибиотиками. Если антибиотик, попадая в организм, действует как бомба, уничтожая и «хорошие», и «плохие» бактерии, то фаги - это снайперы, которые «стреляют» избирательно, лишь по «плохим». Людям с хроническими заболеваниями, которым принимать препараты необходимо систематически, фаги в этом смысле помогают сохранить качество жизни.

Бактериофаги в медицине

Основным условием безопасного и эффективного применения бактериофагов в медицине является их высокая вирулентность в отношении этиологически значимых бактерий.Недостаточная лизирующая активность фагов (способность разрушать бактериальную клетку) способствует появлению у бактерий несвойственных им ранее генов вирулентности и устойчивости к внешним факторам. 

Для применения в клинической практике в лабораторных условиях помимо вирулентности фаги должны продемонстрировать:

• Сохранение активности в клетке-хозяине.

• Возможность длительного хранения с сохранением литической активности.

• Отсутствие активности в отношении полезной микрофлоры человека.

Современные препараты бактериофагов представляют собой комплекс поликлональных высоковирулентных бактериальных вирусов, специально подобранных против наиболее часто встречающихся групп возбудителей бактериальных инфекций. Проще говоря, для того, чтобы повысить эффективность фаготерапии, создаются коктейли из бактериофагов. Они направлены на один вид бактерий, например, на стафилококки, но покрывают широкий спектр штаммов (вариантов стафилококков). Также есть коктейли бактериофагов против разных видов бактерий. 

Генеральный директор французской биотехнологической компании Pherecydes Pharma доктор Ги-Шарль Фанно де ла Хори сообщает о том, что его сотрудники обнаружили небольшое количество фагов, которые назвали суперфагами за их активность против большого количества штаммов одного и того же вида бактерий. Примером таких суперфагов является вирус, уничтожающий порядка 80% штаммов синегнойной палочки, бактерии, которая часто поражает пациентов, находящихся на аппарате искусственного дыхания. 

Помимо самих бактериофагов могут использоваться вирусные ферменты - фаговые лизины. Когда небольшое количество лизина вносится в очаг инфекции, все бактерии уничтожаются в течение 2-5 часов. Фаговый лизин используются для лечения сибирской язвы. Препарат вводится внутривенно для предотвращения распространения бактерий с током крови. (ссылка)

Бактериофаги выпускаются в форме таблеток, растворов, гелей. Многочисленные исследования доказали сопоставимую, а в ряде случаев даже превосходящую антибиотики эффективность фагов в отношении инфекций, вызванных антибиотикорезистентными возбудителями. При этом бактериофаги не вызывают побочных токсических и аллергических реакций и не имеют противопоказаний. 

Помимо антибактериального эффекта, бактериофаги повышают адаптивные возможности организма, положительно влияют на факторы специфического и неспецифического иммунитета: 

• активируют фагоцитоз, 

• повышают активность нейтрофилов, 

• повышают уровень Т-лимфоцитов, 

Все это предупреждает хронизацию воспалительного процесса и его рецидивирование, что особенно ценно при лечении иммуноопосредованных воспалительных заболеваний. Немаловажным является быстрота действия и глубина проникновения, что является отличительной чертой фагов.

Бактериофаги воздействуют на биопленки, тем самым снижают вирулентность бактерий и их способность формировать лекарственную устойчивость. Они не оказывают токсических и тератогенных эффектов, следовательно, безопасны во время беременности, что значительно расширяет возможности применения фаговых препаратов. 

Методов применения фаговых препаратов с каждым днем становится все больше. В Польше активно используют фаговые препараты для лечения больных с термическими поражениями кожи. В Японии разрабатывают оральные препараты для лечения сепсиса. В Великобритании фаговые препараты применяют для профилактики воспаления мочевых путей у пациентов с катетерами Фалея. Бактериофаги уничтожают бактерии, препятствуют образованию бактериальных пленок на стенках катетеров и тем самым снижают риск проникновения возбудителей инфекций в мочевой пузырь и почки. 

Во Франции фаговые препараты применяют у пациентов после операции на колене или бедре с инфекциями, вызванными лекарственно-устойчивыми бактериями. Лечение фагами еще не разрешено Европейским агентством по лекарственным средствам, однако бактериофаги могут использоваться в индивидуальном порядке как "терапия отчаяния", когда другие методы не помогли. (ссылка)

Предложены и активно исследуются методы модификации фагов. Например:

• Химическое пегилирование (присоединение неиммуногенного вещества к капсиду фага) увеличивает время циркуляции пожирающего бактерии вируса в организме и, соответственно, повышает эффективность фаготерапии и фагопрофилактики.

• Создание с помощью методов генной инженерии фагов с более широким кругом хозяев, которые могут поражать большую часть, если не все штаммы определенного вида бактерий.

• Использование нелитических нитчатых фагов для доставки в клетки веществ или генов, кодирующих вещества, запускающие процесс гибели клетки.

• Использование фагов как переносчиков антибиотиков, которые могут быть встроены в геном или прикреплены к поверхности оболочки вируса.

• Доставка с помощью фагов бактериальных фотосенсибилизаторов. Последующее облучение области вызывает избирательную гибель болезнетворных бактерий в ране или очаге воспаления. (ссылка)

Интересный эффект совместного применения бактериофагов и антибиотиков был описан в нескольких исследованиях: комбинированное использование антибиотика и фага дает более выраженный антибактериальный эффект по сравнению с использованием каждого агента по отдельности. В результате синергетического действия фага и антибиотика значительно увеличивается скорость размножения бактериофагов в связи с изменением функционирования бактериальных клеток-хозяев, оказавшихся в неблагоприятной среде. Этот синергетический эффект можно дополнительно усилить с помощью генной инженерии. (ссылка)

Антибиотикорезистентность как общемировая проблема

Антибиотикорезистентность - это устойчивость бактерий к антибиотикам. Другими словами, невозможность препарата уничтожить приспособившийся микроб, а значит - вылечить болезнь.

В 2018 году, по данным GLASS (глобальная система по надзору за устойчивостью к противомикробным препаратам), около полумиллиона граждан 22 государств столкнулись с устойчивостью к антибиотикам - в частности, резистентность к пенициллину в этих странах варьировалась от нуля до 51%, к ципрофлоксацину при лечении инфекций мочевой системы - от 8% до 65%.

В России от общего количества (примерно 2,5 млн случаев в год) заражений внутрибольничными инфекциями 700 тысяч случаев вызваны бактериями, которые не реагируют на самые сильные антибиотики. Еще 20 тысяч случаев ежегодно приходится на инфекции, вызванные бактериями, не реагирующими ни на один из всех известных классов антибиотиков.

В то же время исследователи констатируют сокращение объема инвестиций крупнейших игроков фармрынка в создание профильных инновационных продуктов. В 2018 году Novartis, вслед за AstraZeneca, Sanofi и другими производителями, свернул исследовательскую работу в этом секторе. Причина таких решений - экономическая нецелесообразность: стоимость разработки нового лекарства может достигать $3 млрд, но окупаемость выпуска антибиотиков значительно ниже, чем у противоревматических или онкологических препаратов.

По оценкам BARDA (Управление по передовым биомедицинским исследованиям и разработкам при Министерстве здравоохранения и соцобеспечения США), в 2018 году продажи ТОП-10 самых продаваемых препаратов варьировались от $19,9 млрд (Humira) до $5,7 млрд (Stelara), средний объем выручки от реализации блокбастеров составлял $8,2 млрд. В то же время средний объем продаж недавно появившихся на мировом рынке антибиотиков за два года не дотянул и до $50 млн.

Противомикробные препараты, которые находятся на этапе разработки по данным на январь 2020 года  (50 антибиотиков и 10 биопрепаратов), имеют не так много преимуществ по сравнению с существующими лекарственными средствами, и лишь немногие из них предназначены для борьбы с наиболее опасными лекарственно-устойчивыми (грамотрицательными) бактериями. Препараты, которые проходят этап доклинических исследований, отличаются более инновационным характером, однако их внедрения в практику предстоит ждать еще много лет. 

Если подытожить все вышесказанное, вывод получается неутешительный: человечество стремительно проигрывает борьбу с инфекциями бактериям, которые адаптируются к антибиотикам быстрее, чем мы можем синтезировать и выводить на рынок новые антибиотические препараты. 

Пути преодоления антибиотикорезистентности 

Мир не откажется от антибиотиков, считают эксперты, но схемы лечения претерпят значительные изменения:

• возрастет применение препаратов узкого действия;

• усилится роль вакцинации;

• расширятся возможности для использования бактериофагов;

• продолжатся разработки перспективных биопрепаратов.

Вакцины

Вакцинация помогает в борьбе с антибиотикорезистентностью двумя способами:

• предотвращает бактериальные инфекции;

• существенно снижает общее количество случаев инфекционных заболеваний, а также число циркулирующих резистентных штаммов. 

Например, подсчитано, что если каждый ребенок в мире получит вакцину от бактерии Streptococcus pneumoniae, способной вызывать пневмонию, менингит и инфекции среднего уха, будет предотвращено 11 млн дней использования антибиотиков в год.

Новые вакцины, нацеленные на Staphylococcus aureus (вызывает инфекции кожи и мягких тканей), Klebsiella pneumoniae (пневмония, инфекции кровотока и мочевыводящих путей) или Clostridium difficile (диарейные заболевания) смогли бы защитить людей от болезней, лечение которых становится все более затруднительным.

Фаговые препараты

Исследования бактериофагов по всему миру растут, к тому же, создание фагового препарата обходится в десятки раз дешевле, чем антибиотика. В том же Питтсбургском университете ученые собрали коллекцию более чем из 15 тысяч бактериофагов. А производитель бактериофагов в России - НПО «Микроген» - создал Биологический ресурсный центр, чтобы объединить микробные производственные коллекции, собранные на территории страны. В настоящее время в центре насчитывается более 10 тысяч штаммов. Этот проект позволит расширить область применения бактериофагов, усовершенствовать технологии их производства, разработать новые препараты. Самой амбициозной целью является создание основы для перехода к персонализированной фаготерапии в ближайшие 5-7 лет.

Бактериофаги не смогут полностью заменить антибиотики, но в структуре антимикробных препаратов их доля начинает прибавляться. По данным DSMgroup, объем потребления бактериофагов в России, по итогам 11 месяцев 2019 года, увеличился на 21% в денежном выражении (до 1,2 млрд рублей) за счет сокращения доли антибиотиков. Такая динамика объясняется возрастающей антибиотикорезистентностью и появлением суперпатогенов. 

Лечить бактериофагами острую быстро прогрессирующую инфекцию бактериофагами не получится, так как лаборатории необходимо время на то, чтобы выделить патогенные бактерии, подобрать или "сконструировать" для них нужный вид бактериофага, повысить его вирулентность и произвести нужное количество препарата. В связи с этим, в настоящее время исследователи предлагают два варианта использования фаговых препаратов в медицине:

• Уничтожение суперпатогенов (бактерий с множественной лекарственной устойчивостью).

• Лечение хронических бактериальных инфекций, например, диабетической стопы, когда необходимо избежать ампутации. 

Способы преодоления антибиотикорезистентности с помощью бактериофагов

В большинстве сфер человеческой жизни фаговые препараты могут заменить антибиотики и тем самым снизить скорость развития множественной лекарственной устойчивости у бактерий. 

Животноводство и рыбоводство

Выращивание сельскохозяйственных животных является одной из основных причин широкого распространения антибиотикорезистентности. Эта проблема имеет два основных аспекта.

Профилактическое назначение препаратов

В животноводстве и рыбоводстве существует практика использовать антибактериальные препараты не для лечения больных особей, а для профилактики распространения инфекций и ускорения роста животных. По данным FDA в США в сельском хозяйстве используется 70% всех антибиотиков. Мы можем предположить, что в других странах ситуация такая же, даже если они не публикуют информацию об использовании антибиотиков в животноводстве в открытом доступе. 

Использование антибиотиков резерва

Антибактериальные препараты делятся на лекарства первой линии, которые назначают лечащие врачи в своей повседневной практике, и антибиотики резерва, которые используются в тех случаях, когда другие средства не дают результата. Широкое использование антибиотиков резерва в животноводстве приводит к формированию резистентных штаммов бактерий и распространению их в окружающей среде, в том числе и в человеческой популяции (ссылка). Первые бактерии, устойчивые к "последней надежде человечества" антибиотику колистину были обнаружены на животноводческой ферме в Китае. 

Бактериофаги в животноводстве и аквакультуре как альтернатива антибиотикам

Разработано и применяется три основных направления использования фаговых препаратов:

• профилактика заболеваний;

• лечение бактериальных инфекций;

• обеззараживание мест содержания животных.

Рассмотрим профилактику заболеваний на примере сальмонеллеза - распространенной бактериальной инфекции птиц, которая вызывает развитие серьезного заболевания у людей. В некоторых странах, например, в Дании при ежегодных затратах порядка 1 млрд евро по программе борьбы с этой болезнью у домашней птицы удалось снизить содержание сальмонелл в продуктах мясопереработки до 1%. Добавление композиции сальмонеллезных бактериофагов в промышленный корм, погружение тушек птиц после убоя в воду, содержащую сальмонеллезные фаги, позволяет добиться таких же результатов при значительно более низких затратах.

Фаговые препараты у животных могут применяться начиная с самого раннего возраста без риска развития осложнений. Растворы бактериофагов в отличие от большинства антибитиков можно вводить перорально с кормом или водой. Вирусы из желудочно-кишечного тракта уже через 2 часа проникают в кровь, и еще через 10 часов распространяются по всему организму. Нет необходимости проводить болезненные инъекции. 

Фаг-опосредованная био-дезинфекция может проводиться в любых помещениях, где содержатся животные, будь то вольер, сарай или свиноферма. Обработку можно проводить в присутствии людей и животных, не опасаясь развития токсических эффектов и аллергических реакций, как это бывает при применении растворов химических соединений. 

Сельское хозяйство

Антибиотики, в основном стрептомицин, широко используются против бактериальных болезней сельхозкультур. Появление резистентных к антибиотикам штаммов бактерий приводит к потере контроля над болезнями растений, такими, например, как бактериальная пятнистость томатов и перца,  бактериальный ожог яблони и груши. Дополнительным фактором, вынуждающим фермеров отказаться от антибиотиков, является постоянно растущий спрос на экологически чистые продукты питания.

Антибиотики активно используются в аквакультуре, что также является одним из факторов повсеместного формирования антибиотикорезистентности.

Бактериофаги в сельском хозяйстве как альтернатива антибиотикам

Фаговые препараты все еще не производят в промышленных масштабах, достаточных для того, чтобы обрабатывать гектары сельхозугодий. Необходимо огромное количество фагов для насыщения ими почв, проникновения в древесину, обработки крон деревьев. "Промышленные" фаги часто оказываются недостаточно устойчивыми к действию солнечных лучей, низких температур и других факторов окружающей среды, что требует дальнейших исследований.

В связи с этим, бактериофаги с большим эффектом в настоящее время используются в теплицах, где в отличие от открытого грунта:

• температура, влажность и другие параметры среды контролируются;

• бактерии-мишени представляют собой клональную популяцию (однородны по составу представленных штаммов);

• восприимчивость растений к возбудителю невысокая;

• бактериофаги могут легко получить доступ к бактериям.

Несмотря на существующие ограничения, работа по созданию фаговых препаратов для открытого грунта активно ведется. Уже разработаны и применяются средства для профилактики и лечения бактериальных заболеваний картофеля, бананов, грибов, лука, кабачков, табака, помидоров. 

Для предотвращения развития резистентности бактерий к бактериофагам, в сельском хозяйстве предлагают использовать фаговые "коктейли". Состав смесей целесообразно подбирать исходя из того, какие штаммы болезнетворных бактерий выделяются с растений в данной области. (ссылка) 

В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило использование ряда фаговых препаратов в сельском хозяйстве, в частности, препарат Agriphage производства Omnilytics USA для выращивания фруктов и овощей.

Были предприняты попытки перенести фаговые гены, кодирующие синтез эндолизинов в томаты. Трансгенные растения оказались более устойчивыми к развитию бактериального рака, который вызывается бактерией Clavibacter michiganensis.

Очищение сточных вод

Сточные воды помимо химических загрязнителей содержат большое количество патогенных бактерий и антибиотиков. Загрязнение озер и рек антибактериальными препаратами наблюдается по всему миру за исключением беднейших стран Африки, их концентрация в среднем повышается на 13-16% каждый год. Основные "источники" антибиотиков - это фермы и лечебные учреждения, где в том числе активно используются антибиотики резерва. 

Постоянное присутствие антибактериальных препаратов в воде имеет сразу несколько неблагоприятных последствий:

• нарушение сложившихся микробных сообществ водоемов, пищевых цепочек, биологического равновесия экосистем;

• нарушение работы очистных сооружений, в которых используются бактерии;

• низкие концентрации антибактериальных препаратов способствуют быстрому развитию лекарственной устойчивости у микроорганизмов;

• снижение качества питьевой воды;

• рост числа заболеваний, вызванных бактериями с множественной устойчивостью к антибиотикам. 

Бактериофаги при очистке воды используются как:

• фактор снижения числа бактерий и обмена генами устойчивости к антибиотикам между различными бактериальными сообществами;

• индикатор микробного и фекального загрязнения воды, эффективности программ очищения сточных вод;

• показатель мониторинга безопасности питьевой/очищенной воды;

• показатель мониторинга устойчивости к противомикробным препаратам в круговороте воды в городах. 

Пищевая промышленность

Повсеместное использование технологий хранения охлажденных продуктов без замораживания, упаковки в пленку, минимальной переработки охлажденных продуктов в полуфабрикаты, длительная транспортировка увеличивают вероятность накопления в пище бактерий, вызывающих развитие острых инфекционных заболеваний (листериоза, сальмонеллеза и других). 

Источниками обсеменения пищи могут быть зараженная вода, технологическое оборудование пищевых производств, посуда комбинатов общественного питания, а также бактерионосители из числа людей, работающих непосредственно с продуктами питания.

Применение антибиотиков и химических дезинфектантов снижают уровень экологической чистоты продуктов и провоцируют появление штаммов условно-патогенных бактерий, резистентных к антибиотикам. В то же время бактериофаги могут быть использованы в качестве природных антимикробных агентов для обработки:

• Обработки сельскохозяйственных культур и животных до сбора урожая и забоя, в процессе переработки.

• Инструментария и оборудования предприятий пищевой промышленности.

• Полуфабрикатов, готовых продуктов питания с целью сокращения количества присутствующих на этих объектах определенных штаммов патогенных бактерий, в том числе вызывающих инфекционные заболевания, а также фагодиагностики потенциально опасных микроорганизмов. 

Список фаговых продуктов, одобренных для применения в пищевой промышленности сша, Новой Зеландии, Канады, Австралии, Швейцарии.

Обработка пищевых продуктов фаговыми препаратами позволяет не только устранить патогенные микроорганизмы, но также продлевает срок годности продуктов. Тридцатисекундная деконтаминация свежевыловленной форели замедляет бактериальную порчу рыбы на 5 суток. Биодеконтаминация мясного фарша с помощью коктейля бактериофагов позволяет добиться полной элиминации кишечной палочки в течение 24 часов. Обработанные фаговыми препаратами продукты сохраняют свою пищевую ценность и вкусовые качества, исходную экологическую чистоту. 

Применение бактериофагов у домашних животных

Количество домашних животных в домашних хозяйствах увеличилось за последние 30 лет и неуклонно растет. Роль собаки и кошки в нашем обществе изменилось. Сегодня все больше внимания уделяется благополучию и здоровью питомцев. 

Являясь переносчиками зоонозных инфекций, домашние животные могут стать источниками распространения штаммов, устойчивых к антибиотикам. Это может навредить самому животному, для которого может быть достаточно сложно подобрать эффективные противомикробные препараты, а также для людей, находящихся с питомцем в тесном контакте. 

Для обеспечения здоровья животных, людей и снижения нагрузки на окружающую среду в настоящее время ведется поиск альтернативных препаратов, таких как бактериофаги. У животных-компаньонов эффективность фаговой терапии была доказана при лечении наружного отита, инфекций мочевыводящих путей, заболеваний, вызванных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью. 

В англоязычной научной литературе не так много сообщений о применении бактериофагов у домашних питомцев. Обусловлено это тем фактом, что фаговые препараты и препараты, содержащие фаговые лизины не одобрены в США и Евросоюзе для широкого использования. Если у людей фаги могут назначаться в индивидуальном порядке, когда другие методы лечения не дают результата, то для животных такой возможности не предусмотрено. 

Ограничения и проблемы, связанные с применением бактериофагов

Бесконтрольное внесение фагов в окружающую среду может привести к повсеместному распространению фагорезистентных бактерий. Причем эти микроорганизмы могут:

• активно распространяться за пределы областей, подвергшихся обработке фаговыми препаратами с грунтовыми водами;

• в течение длительного времени сохраняться в почве, на культурных и сорных растениях.

Передача генов устойчивости к антибиотикам и фагам между бактериями осуществляется прямыми и непрямыми способами. Устойчивые к бактериофагам бактерии могут распространяться из сельскохозяйственных в клинические условия, как это наблюдалось в свое время в отношении устойчивости к антибиотикам. Если применение фагов в сельском хозяйстве будет проводиться нерационально, широкое применение методов биологической борьбы с заболеваниями растений может поставить под угрозу будущее фаговой терапии в больницах. 

К счастью, наше понимание фаг-опосредованной селекции быстро растет, и новая эра геномных исследований должна позволить проводить мониторинг микробных сообществ после фаговой терапии. Мы предполагаем, что при соблюдении некоторых мер предосторожности фаговая терапия может быть эффективной для лечения бактериальных инфекций в сельском хозяйстве, аквакультуре, здравоохранении, производстве пищевых продуктов и безопасности пищевых продуктов.(ссылка)