Наш микробиом. Часть 2 Вирусы

Вирус (лат. virus - "яд") - простейшая форма жизни на Земле, микроскопическая частица, способная инфицировать живые организмы. Вирусы намного меньше бактерий, их размер не превышает 300 нм (на рисунке бактерия E. coli во много раз меньше эритроцита, а вирусы совсем крохотные даже по сравнению с бактерией). Вирусы обнаружены везде, где есть жизнь. На сегодняшний день описано более 5 тысяч разнообразных вирусов, но предполагается, что их миллионы видов.

Царство вирусов было открыто в конце XIX века, но систематическое изучение началось лишь в 30-е годы ХХ века после изобретения электронного микроскопа. За последние 100 лет учёные не раз меняли своё представление о природе вирусов. Вначале их считали ядовитыми веществами, затем - одной из форм жизни, потом - биохимическими соединениями.

Среди учёных нет единого мнения, считать вирусы живыми организмами или нет. Одни признают в них форму жизни, другие считают, что это лишь комплексы органических молекул. С одной стороны, вирусам присущи основные свойства живых организмов: размножение, изменчи­вость, адаптация, передача наследственных признаков, способность к эволюции. С другой стороны, вирусы лишены ключевых свойств организма: не имеют клеточного строения, характерного для всех организмов на планете, собственного обмена веществ, ничего не потребляют и не выделяют, не способны воспринимать сигналы окружающей среды и реагировать на них, не поддерживают постоянство своей внутренней среды (pH, осмотическое давление).

Вирусы как бы заполняют промежуток между веществами и существами. Условно их можно было бы рассматривать как вещества с признаками существа, или, наоборот, как существа с признаками вещества. Вирусы существуют на грани живой и неживой природы. До встречи с живой клеткой, то есть большую часть времени, вирусы ведут себя как частицы биополимеров, а соединившись с ней, они на краткий срок пробуждаются к жизни и становятся мельчайшими живыми существами, способными размножаться, изменяться и передавать свои свойства по наследству.

Внеклеточная покоящаяся вирусная частица называется вирионом. Вирионы похожи на кристаллы, ведут себя как частицы биополимера и не подают признаков жизни, но как только проникают в клетку, картина меняется. Вирион активизируется, образует комплекс "вирус-клетка" и в таком состоянии начинает размножаться.

У вируса нет клетки. У него есть наследственная информация в виде молекул нуклеиновых кислот (РНК или ДНК), заключённых в защитную белковую оболочку (капсид) и больше ничего. Если судить только по описанию, то вирусы действительно больше похожи на химическую субстанцию, чем на живой организм. Вирус не самостоятельная система, его нельзя назвать живым, но, попадая в клетку, он начинает работать как часть этой клетки.

Всё происходит очень быстро: генетический материал проникает в ядро клетки и подчиняет себе весь клеточный аппарат, заставляя синтезировать вирусные ДНК (РНК) и вирусные белки, в соответствии с инструкциями, записанными в его геноме. ДНК заражённой клетки начинает работать не на сборку необходимых ей белков, а на штамповку новых и новых вирусов. Когда число новых вирусов превышает объём клетки, клеточная мембрана разрывается, выпуская вирусы в организм. Сама клетка погибает, а получившие свободу вирусы атакуют другие клетки, и процесс повторяется. Это больше похоже на конвейерную сборку, чем на зарождение организма: отдельно собирается ДНК (РНК), отдельно - белковая оболочка, затем первое "упаковывается" во второе.

Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей, но каждый вирус имеет свои особенности и поражает лишь определённые ткани и органы определённых организмов, оставаясь безвредным для всех остальных.

Вирусы способны размножаться только в чувствительных по отношению к ним клетках, в тех клетках, которые данный вирус может заставить работать на себя. Например, вирус гепатита может существовать и размножаться только в клетках печени и больше нигде, вирус паротита (свинки) предпочитает клетки слюнных желез, вирус гриппа - клетки слизистой оболочки трахеи и бронхов, вирус энцефалита - клетки головного мозга, вирус полиомиелита - нейроны и т. д.

В организм человека вирусы попадают с едой, водой, воздухом, с бактериями (внутри бактериальной клетки) и т. д. Главная цель вирусов - воспроизвести потомство, однако, они лишены многих качеств, обязательных для самостоятельного организма. Поэтому вирусы могут размножаться только в живых клетках, используя обмен веществ, ферменты и энергию клетки-хозяина. Паразитируя в клетке, вирус может вызвать в ней серьезные нарушения, нередко заканчивающиеся гибелью клетки. В свою очередь, гибель заражённых клеток приводит к нарушению функций соответствующих органов и тканей.

Вызванные вирусами заболевания по своей тяжести, прогнозам, течению очень разнообразны (грипп, корь, краснуха, паротит, оспа, гепатит, полиомиелит, энцефалит, бешенство, герпес, папиломы и т. д.) и тяжело поддаются терапии. Тот факт, что вирусы находятся именно внутри клеток, обуславливает главные сложности в лечении вирусных инфекций. Очень трудно уничтожить вирус и оставить при этом в живых саму клетку.

В большинстве случаев лечение сводится к симптоматическому (снятие или смягчение симптомов болезни) и поддерживающей терапии. Эффективных препаратов, убивающих вирусы сегодня фактически нет. Эффективность тех, которые существуют, подвергается сомнению. Антибиотики на вирусы не действуют. Единственным эффективным методом считается иммунопрофилактика (вакцинация) и иммунотерапия (введение уже инфицированному человеку готовых антител).

Однако далеко не все вирусы способны вызвать болезнь. У животных и человека вирусные инфекции вызывают иммунный ответ, который чаще всего приводит к уничтожению болезнетворного вируса. Все мы знаем, что встречаются люди, в силу своего крепкого здоровья, устойчивые к сезонным инфекциям вроде ОРВИ или гриппа. Вирус натуральной оспы, убивал не всех без исключения заразившихся, большая часть заболевших выздоравливала своими силами. Среди них был и будущий глава СССР, И. Сталин, переболевший в детстве оспой. Даже лихорадка Эбола, наводящая сегодня ужас в Африке, оставляет в живых четверть заразившихся.

В здоровом организме довольно надежная многоуровневая система защиты от проникновения всевозможных "чужаков". Уже в слизистой оболочке иммунные клетки (макрофаги) поглощают часть вирусных частиц. Эти клетки способны захватывать и переваривать бактерии, остатки погибших клеток, другие чужеродные частицы, в том числе и вирионы.

Когда вирус проникает в кровь, на бой с ним выходят лейкоциты, в том числе их три основных вида: Т-хелперы (от англ. help - "помогать"), B-лимфоциты и Т-киллеры (от англ. кill - "убивать"). Т-хелперы дают стимулирующий сигнал "убийцам" вирусов - B-лимфоцитам и Т-киллерам. Активированные B-лимфоциты образуют антитела, которые находят свободные антигены вирусов и связываются с ними. Тандем "вирус-антитело" захватывается и уничтожается макрофагами.

Антитела - это особые вещества, которые появляются в организме специально, когда в него проникает чужеродное тело, опасное для организма (бактерии, вирусы, токсины). Чужеродные вещества, против которых вырабатываются антитела, называют антигенами. Против каждого вида антигена вырабатывается свой особый вид оружия - специфичное антитело.

Те вирусы, которые сумели ускользнуть от антител и макрофагов и внедриться в клетки, уничтожаются вместе с клетками. Т-киллеры растворяют поражённые клетки с помощью специальных ферментов. На завершающем этапе иммунной реакции клетки Т-супрессоры (от англ. suppress - "подавлять") гасят активность иммунного ответа, прекращая агрессивное действие Т-киллеров и B-лимфоцитов, чтобы те, разбушевавшись, не уничтожили и здоровые клетки.

Одновременно в организме реализуется ещё один молекулярный защитный механизм: поражённые вирусом клетки начинают производить специальные белки, интерфероны, способные выходить из клетки и взаимодействовать с соседними клетками, снижая уровень белкового синтеза и препятствуя размножению вируса. Поражается как сам вирус, так и клетка-хозяин, зато распространение заразы блокируется.

В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причём в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочка и несколько вариантов третьего, их надо собрать.

В каждом лимфоците происходит вырезание, берётся один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом ещё может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап - это нарезание и сборка из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.

Кто совершает эти операции - нарезку, перемещение? Это делают белки, заимствованные у мобильных генетических элементов - у вирусов. Есть так называемые транспонзоны (Transposon) - давно "прирученные" вирусы, потерявшие способность передаваться между организмами (передаются только от родителей к потомкам), но сохранившие подвижность внутри генома. Транспозон кодирует белок, который способен этот транспозон вырезать и перенести на новое место. Эти всевозможные остатки мобильных генетических элементов и транспозоны, то есть бывшие вирусы, составляют до 40% нашего собственного генома.

Есть вирусы безвредные, а есть и полезные, например, вирусы-бактериофаги или просто фаги(от др. греч. φᾰγω - "пожираю"). Это особые вирусы, способные размножаться только в присутствии определённого вида болезнетворных бактерий. Фаги есть везде, где есть бактерии. Роль бактериофагов в природе - сдерживание патологического роста микробной флоры. Как хищники являются санитарами леса, так и бактериофаги являются своеобразными санитарами, защищающими мир от инфекций. Бактериофаги опасны только для бактерий. Сам человек для них не представляет никакого интереса. Наше тело - всего лишь плацдарм, на котором они неустанно атакуют бактерий.

По отношению к бактериям фаги делятся на умеренные и литические. Умеренные фаги встраивают свой геном в геном бактерии, но проявляют свою "убийственную" активность не сразу: затаившись в нём, они размножаются вместе с бактериями и затем уничтожают их расплодившееся потомство. Лизирующие же фаги, заражая бактерию, сразу убивают её.

Под воздействием бактериофагов бактерии заражаются, болеют, разрушаются и погибают. В зараженной клетке фаги ведут себя, как обычные вирусы: их нуклеиновая кислота переключает на себя все ресурсы клетки, заставляя бактерию синтезировать вирусные белки и копировать вирусный генетический материал. Белки и ДНК вируса собираются в полноценные вирусные частицы, которые заполняют клетку до отказа и разрушают её. Таким образом, умершая бактерия превращается в фабрику, производящую фаги, и на месте возбудителя болезни возникает сотня защитников заболевшего организма. Человеку это только на руку. Наш организм использует этот процесс, как естественную защиту.

В организме человека фаги обитают на поверхности кожи и слизистых оболочек. Фаги уживаются на любых поверхностях покрытых слизью, слизь является для них "домом".

Слизь - важнейший защитный барьер, покрывающий хрупкие ткани, постоянно контактирующие с внешней средой: лёгкие, ротовую полость, нос, веки, пищеварительный тракт. Слизь не только хорошая защита от агрессивных условий окружающего мира для наших клеток, но и среда, в которой фаги могут быстро и эффективно охотиться. На слизистых оболочках бактерии всегда в избытке.

Слизь - очень интересная сложносоставная субстанция. Своей гелеобразной консистенцией она обязана особому веществу, которое называется муцин. Молекулы муцина представляют собой микроскопические ёршики, состоящие из белковой основы, покрытой нитями из сахаров. Фаги не просто так присутствуют в слизистой. Отдельные поверхностные белки фаговых капсидов, своей структурой напоминающие иммуноглобулины, способны присоединяться к гликанам муциновых комплексов, образуя защитный слизистый слой. Это целая иммунная система ("фаговый иммунитет"), которая по-своему защищает организм от болезнетворных бактерий. Фаги являются компонентом врожденного иммунитета.

Бактериофаги были открыты в начале XX века канадцем Феликсом Д’Эреллем. До середины прошлого столетия фаги активно изучались и широко применялись как на Западе, так и у нас в стране. С их помощью побеждали дизентерию, тиф, холеру, сепсис… В 40-х годах прошлого века в мире началась эра антибиотиков. Были изобретены замечательные мощнейшие препараты против бактериальных инфекций. Благодаря антибиотикам пневмония, туберкулёз, гангрена и другие инфекции перестали быть смертельно опасными для человека.

Антибиотики не просто вошли в обиход, а стали панацеей от всех бактериальных инфекций. Западная медицина отказалась от практики лечения с помощью бактериофагов, отдав предпочтение антибиотикам, которые действовали сильнее и быстрее. Медики надеялись, что ещё немного и человечество навсегда избавится от большинства инфекционных болезней, но всё оказалось не так просто. Дело в том, что через два-три года после начала широкого применения антибактериального препарата в медицинской практике у болезнетворных бактерий вырабатывается к нему устойчивость (резистентность). Нет такого лекарства, к которому бактерии не смогли бы выработать устойчивость. Вопрос только в том, насколько быстро они это сделают. Исключением является прополис, его можно применять длительно и он будет работать. Состав прополиса никогда не повторяется, он всегда разный, поэтому к нему сложно подобрать ключики.

Проблемой устойчивости к антибиотикам во всем мире занимаются передовые научные центры, но дело это непростое. Тут ещё важно понимать, что антибиотики превращаются в лекарство только тогда, когда существует доза, способная убить микробов, при этом не навредить человеку. Вероятность найти такие вещества всё меньше и меньше. Приходится признаться, что на этом этапе войны между бактериями и человеком победили бактерии.

Фармацевтам приходится изобретать всё новые и новые поколения антибактериальных препаратов, но наши возможности не безграничны. В начале эры антибиотиков новые поколения препаратов создавались каждое десятилетие. С 80-х годов ушедшего столетия новинок в этой области почти нет, исключение - 2002 год, который принёс новые лекарства.

Но даже те антибиотики, которые появляются, не имеют нового механизма действия, только совершенствуются уже имеющиеся (новое "поколение"). Разработка принципиально новых антибиотиков невыгодна фармацевтическим компаниям. Некоторые крупнейшие фармкомпании мира вовсе отказываются от производства антибиотиков.

Игра в "салочки" с микробами обходится недёшево: разработка нового антибиотика сегодня стоит от 800 миллионов до 1 миллиарда долларов, и уходит на это обычно 8-10 лет. Стоят же антибиотики дёшево, прибыль дают небольшую, курс лечения всего 5-7 дней (редко 14 дней). Гораздо выгоднее лечить рак, диабет, ожирение, гипертонию - эти лекарства принимаются пожизненно.

С каждым десятилетием новых антибиотиков разрабатывается всё меньше, спектр их действия сужается, а развитие резистентности возрастает, ускоряется и принимает угрожающие масштабы. И тут взоры западных учёных вновь обратились к бактериофагам, как к потенциальным заменителям антибиотиков. Бактериофаги не только прекрасно справляются с бактериями, но ещё и не оказывают побочных эффектов, свойственных антибиотикам.

Бактериофаги не взаимодействуют с клетками человеческого организма, не вызывают дисбактериоз, не подавляют иммунитет, не оказывают токсического воздействия на печень и почки, их невозможно передозировать и не нужно доставлять к месту инфекции в высокой концентрации. Фага достаточно ввести в организм один раз вместо регулярного приёма по схеме, как с антибиотиками. Благодаря гибнущим бактериям фаги самоумножаются и достигают наивысшей концентрации именно там, где они необходимы.

Действие фагов в организме точно укладываются в срок, который необходим для уничтожения вторгшейся в него инфекции. Если в крови растёт число возбудителей болезни, то растёт и число фагов. Когда все бактерии возбудители будут уничтожены, воспроизводство фагов прекратится само по себе. Им просто негде будет размножаться, и они выведутся из организма естественным путём. Такое саморегулирующееся лекарство: нет питательной среды - фаг уходит.

Антибиотики можно сравнить с напалмом - они убивают всё живое вокруг. Действие бактериофагов - это снайперские выстрелы, они уничтожают только свою бактерию, другие их не интересуют и никаких побочных действий. Почему же фаговая терапия до сих пор не нашла широкого применения? Бактериофаги выгодно отличаются от антибиотиков, но нет достоинств без недостатков.

* Каждый конкретный фаг эффективен против одного или максимум нескольких штаммов бактерий, а у разных пациентов схожая по внешнему проявлению инфекция, например, ангина может быть вызвана разными штаммами стрептококка. Чтобы вылечить больного, необходимо выделить культуру патогена и протестировать её на чувствительность к конкретным фагам. То есть терапия бактериофагами должна проводиться с использованием принципов персонализированной медицины, к чему современная медицина не готова.

* Для успешного применения бактериофагов нужны не только клиника, но и производственно-лабораторный участок, располагающий коллекцией фагов и специалистами, способными идентифицировать бактерии, подбирать и выделять бактериофаги для конкретного пациента.

* Бактериофаг может очень эффективно убивать бактерии в культуре (в пробирке), но не всегда способен подавить их размножение в организме. Вероятно, имеется какой-то природный механизм, обеспечивающий одновременное сосуществование "охотников" и их "жертв".

* В ряде случаев фагам трудно добраться до своих "жертв". Например, возбудители туберкулёза находятся внутри клеток самого организма, куда фаги не могут проникнуть, а ряд бактерий формируют биоплёнки, непроницаемые не только для фагов, но и для антибиотиков.

* Вирусы не размножаются на искусственных питательных средах: обычный мясной бульон, который устраивает большинство бактерий, вирусам не подходит. Им нужны только живые клетки, и не любые, а строго определенные.

* Бактериофаги имеют свойство быть весьма хрупкими и легко разрушаются с течением времени.

* Быстрое появление фагоустойчивых штаммов.

* Сложность в сертификации.

Бактериофаги и антибиотики - оружие против одного врага. Антибиотики - это тяжёлая артиллерия. Они применяются, когда нужно вмешаться быстро и интенсивно и когда их применение важнее нежелательных последствий, которые они вызывают. Бактериофаги действуют медленнее, но зато они безвредны. Теперь многие учёные считают разум­ным приберегать действенные антибиотики последних поколений для очень тяжёлых случаев, а при менее тяжёлых и при хронических заболеваниях всё шире использовать бактериофаги.

У нас в стране, где производство антибиотиков было не столь масштабным, как в развитых странах, интерес к фагам не затухал, их изучение не прекращалось. В Российской Федерации располагается самое масштабное на сегодня производство бактериофагов. В нашей стране бактериофаги используются для диагностики заболеваний, в клинической практике наряду с обычными лекарственными средствами в биотехнологиях.

Вирусы-симбионты присутствуют в организме человека наравне с бактериями-симбионтами и являются неотъемлемой составляющей микробиома. Они обитают как на поверхности кожи, так и во внутренних органах человека. Вирусы защищают макроорганизм от своих болезнетворных сородичей (присутствие в клетке одного вируса надежно защищает её от губительного действия другого). Вирус герпеса, например, в латентном состоянии защищает макроорганизм от бактериальной инфекции. Бактериофаги, обитающие в желудочно-кишечном тракте, мирно сосуществуют с местной микрофлорой. Они не разрушают бактерии, а просто встраиваются в их геном и участвуют в переносе генов. Вирусные гены кодируют белки, которые участвуют в синтезе аминокислот и углеводном обмене. Благодаря этому бактерии способны выполнять множество полезных для человека функций.

Большим сюрпризом для врачей и биологов-эволюционистов стало то, что большая часть вирусов (более 90%) оказалась вполне безобидными созданиями, не связанными ни с какими болезнями. Чаще всего вирусы не убивают клетки, а "встраиваются" в них, "сживаются" с ними. Они спокойно дремлют внутри клеток-хозяев или используют их аппарат для своего неспешного воспроизводства без всякого ущерба для клетки. Возможно, вирусы оказывают на клетки определённое положительное воздействие, помогая им приспосабливаться к изменениям окружающей среды. В процессе совместного проживания вирусный геном снабжает хозяйскую клетку новыми генами, которые становятся неотъемлемой частью генома организма хозяина.

С одной стороны, симбиоз с вирусами помогает человечеству выживать, а с другой стороны, вирусы могут выступать одним из "орудий" эволюции, регулируя численность и жизнеспособность популяций.

Вирусы являются важным природным средством обмена генетической информации между разными видами. Какой-нибудь уникальный ген вирусного происхождения, путешествуя, переходит от одного организма к другому и вносит вклад в эволюционный процесс. Можно сказать, что вирус - это часть мирового генетического банка, специальное устройство для записи информации в геном других организмов.

Вирусы до сих пор остаются одной из самых больших загадок для исследователей. Учёные только начинают по-настоящему оценивать всё разнообразие вирусов в природе, их роль в биосфере и в эволюции.