Ein historischer Überblick über die Phagentherapie als Alternative zu Antibiotika zur Behandlung von bakteriellen Krankheitserregern

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„Mit der Einführung des neuen Bacteriophage- Journals Anfang 2011 definierte Alexander Sulakvelidze Bakteriophagen als „die ubiquitärsten Organismen der Erde, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des mikrobiellen Gleichgewichts auf diesem Planeten spielen. Tatsächlich sind Bakteriophagen oder Phagen überall dort, wo ihr bakterieller Wirt vorhanden ist. festgestellt wurdedaß die Bevölkerungszahl der Phagen in Wassersystemen im Bereich von 10^4 bis 10^8 Virionen pro ml liegt und etwa 10^9 Virionen pro g im Boden. . FEMS Microbiol mit einer geschätzten Gesamtzahl von 10^32 Bakteriophagen auf dem Planeten.

Bakteriophagen: eine Einschätzung ihrer Rolle bei der Behandlung von bakteriellen Infektionen. Die Phagen, die vor fast einem Jahrhundert von William Twort beschrieben und kurz darauf von Félix d’Herelle (von vielen als Begründer der Bakteriophagen und ihrer therapeutischen Bedeutung: der Phagentherapie) unabhängig entdeckt wurden, sind kleine Viren, die die Fähigkeit aufweisen, Bakterien abzutöten Sie beeinflussen nicht die Zelllinien anderer Organismen. Aufgrund der Spezifität der zellulären Zielwirte wurde die Anwendung von Phagen seit ihrer Einführung als Therapie zur Behandlung von akuten und chronischen Infektionen mit anfänglichen Erfolgen vorgeschlagen, die zuerst in den Disziplinen Dermatologie, Ophthalmologie, Urologie, Stomatologie, Pädiatrie, HNO und Chirurgie beschrieben wurden .

Die anfängliche Leidenschaft für die Phagentherapie zur Behandlung von bakteriellen Erkrankungen in der Zeit vor der Antibiotikatherapie war verständlicherweise enorm. In der Tat war die einzige Therapie, die in den 1920er und 1930er Jahren zur Verfügung stand, die Serumtherapie für ausgewählte Krankheitserreger wie Pneumokokken und Diphtherie. Die Verwendung von Bakteriophagen wurde sogar mit großem Interesse beschrieben, als der Hauptdarsteller des mit dem Pulitzer-Preis ausgezeichneten Romans von Sinclair Lewis, Arrowsmith , diese Behandlung zur Bekämpfung des Ausbruchs der Beulenpest auf einer Karibikinsel einsetzte.

Dieses Konzept der therapeutischen Verwendung von Phagen zur Behandlung von bakteriellen Infektionen war jedoch von Anfang an sehr umstritten und von der Öffentlichkeit und der medizinischen Gemeinschaft nicht allgemein anerkannt. Frühe Studien wurden häufig wegen fehlender geeigneter Kontrollen und inkonsistenter Ergebnisse kritisiert. Die mangelnde Reproduzierbarkeit und die vielen widersprüchlichen Ergebnisse, die in den verschiedenen veröffentlichten Studien erzielt wurden, führten zu dem Schluss, dass die Evidenz für den therapeutischen Wert von lytischen Filtraten größtenteils widersprüchlich und nicht überzeugend war und zusätzlich empfohlen wurde Forschung, um seine angeblichen Vorteile zu bestätigen. Die Entstehung des Zeitalters der Antibiotika-Chemotherapie mit der Einführung von Sulfadrogen in den 1930er-Jahren und später von Penicillin in den 1940er-Jahren dämpfte die Begeisterung für Phagenforschung und -therapie weiter. Die Phagentherapie blieb jedoch ein aktives Forschungs- und Entwicklungsgebiet in der ehemaligen UdSSR, in Polen und in geringerem Maße in Indien. Bemerkenswerterweise haben die Forscher in den letzten zehn Jahren aufgrund des Auftretens multiresistenter Bakterien diesen jahrhundertealten Ansatz überdacht und die Phagentherapie als eine „neue“ und potenziell praktikable Behandlungsoption für schwer zu behandelnde Bakterien betrachtet Krankheitserreger.

In diesem Aufsatz werden die Ursprünge der Phagentherapie, die Biologie und der Lebenszyklus von Phagen sowie eine Zusammenfassung der experimentellen und klinischen Daten zur Unterstützung der Phagentherapie bei der Behandlung von multiresistenten (MDR) bakteriellen Infektionen und Sepsis diskutiert. Es bleibt abzuwarten, ob die Phagentherapie in der modernen Intensivmedizin jemals ihr volles therapeutisches Potenzial entfalten wird, doch ihre praktische Anwendbarkeit als Alternative zu Antibiotika zur Behandlung der menschlichen Sepsis bei Krankheitserregern, die mehrere Antibiotikaresistenzgene tragen, wird nun ernsthaft überlegt.

Historischer Hintergrund

Ernest Hanbury Hankin, ein britischer Bakteriologe, der als chemischer Prüfer und Bakteriologe für die Regierung der Vereinigten Provinzen und der Zentralprovinzen Indiens tätig war, zeigte 1896, dass die Gewässer der indischen Flüsse Ganga und Yamuna ein biologisches Prinzip enthielten, das Kulturen zerstörte von Cholera auslösenden Bakterien. Diese Substanz könnte Milliporenfilter passieren, von denen bekannt ist, dass sie größere Mikroorganismen wie Bakterien zurückhalten können. Er veröffentlichte seine Arbeit in französischer Sprache in den Annalen des Pasteur-Instituts .  Während er 1915 das Wachstum des Vaccinia-Virus auf zellfreien Agarmedien untersuchte, stellte der britische Mikrobiologe Frederick Twort fest, dass „reine“ Bakterienkulturen mit einem durchlässigen Filtermaterial in Verbindung gebracht werden können, das möglicherweise Bakterien einer Kultur werden vollständig in Granulate zerlegt.  Dieses „filtrierbare Mittel“ wurde in Kulturen von aus Vaccinia isolierten Mikrokokken nachgewiesen: Material einiger Kolonien, das nicht subkultiviert werden konnte, war in der Lage, ein neues Wachstum von Mikrokokken zu infizieren, und dieser Zustand konnte nahezu für kurze Zeit auf frische Kulturen des Mikroorganismus übertragen werden unbestimmte Anzahl von Generationen. Dieses transparente Material, von dem festgestellt wurde, dass es ohne Bakterien nicht wachsen kann, wurde von Twort als Ferment beschrieben, das von dem Mikroorganismus für einen zu diesem Zeitpunkt nicht klaren Zweck ausgeschieden wurde.

Zwei Jahre nach diesem Bericht beschrieb Félix d’Herelle unabhängig voneinander einen ähnlichen experimentellen Befund, während er Patienten untersuchte, die an einer bazillären Ruhr leiden oder sich davon erholen. Er isolierte aus Stühlen von Shigellose-Patienten eine sogenannte „Anti-Shiga-Mikrobe“, indem er Stühle filtrierte, die für 18 Stunden inkubiert wurden. Dieses aktive Filtrat konnte, wenn es entweder zu einer Kultur oder einer Emulsion der Shiga-Bazillen gegeben wurde, ein Anhalten der Kultur, den Tod und schließlich die Lyse der Bazillen verursachen.  D’Herelle beschrieb seine Entdeckung als eine Mikrobe, die eine „wahre“ Mikrobe der Immunität und ein obligater Bakteriophage war. Er demonstrierte auch die Aktivität dieser Anti-Shiga-Mikrobe durch Beimpfung von Labortieren zur Behandlung von Shigellose und schien die klinische Bedeutung seines Befundes zu bestätigen, indem er zumindest einige von Kochs Postulaten befriedigte.

Abgesehen von der eigentlichen Diskussion über die Herkunft von d’Herelle selbst (einige geben an, in Paris geboren zu sein, während andere behaupten, in Montreal geboren zu sein), wurde die anfängliche Kontroverse hauptsächlich von Bordet und seinem Kollegen Gartia am Institut Pasteur in Brüssel geführt. Diese Autoren stellten konkurrierende Behauptungen über die genaue Art und Bedeutung der grundlegenden Entdeckung auf.  Während Twort aus Geldmangel und wegen seiner Zugehörigkeit zum Royal Army Medical Corps seine Forschungen auf demselben Gebiet nicht fortsetzte, führte d’Herelle die Verwendung von ein Bakteriophagen in der klinischen Medizin und veröffentlichte viele nicht randomisierte Studien aus der ganzen Welt. Er führte auchBehandlung mit intravenösen Phagen für invasive Infektionen, und er zusammengefasst all diese Feststellungen und Beobachtungen im Jahr 1931 Der erste veröffentlichteArtikel über die klinische Verwendung von Phagen wurde jedoch in Belgien von Bruynoghe und Maisin veröffentlicht, die Bakteriophagen zur Behandlung kutaner Furunkel und Karbunkel durch Injektion von Staphylokokken-spezifischen Phagen in der Nähe verwendeten Die Basis der Haut kocht. Sie beschrieben eindeutige Hinweise auf eine klinische Besserung innerhalb von 48 Stunden mit einer Verringerung der Schmerzen, der Schwellung und des Fiebers bei den behandelten Patienten.

Zu dieser Zeit war die genaue Natur des Phagen noch nicht bekannt und es blieb eine Frage der aktiven und lebhaften Debatte. Der Mangel an Wissen über die essentielle Natur von DNA und RNA als genetische Essenz des Lebens verhinderte ein umfassenderes Verständnis der Phagenbiologie im frühen 20. Jahrhundert. 1938 folgerte John Northrop aus seiner eigenen Arbeit, dass Bakteriophagen von lebenden Wirten durch die Erzeugung eines inerten Proteins erzeugt wurden, das durch eine autokatalytische Reaktion in den aktiven Phagen umgewandelt wird.

Mehrere Beiträge anderer Forscher stützten jedoch d’Herelles Idee, dass Phagen lebende Partikel oder Viren seien, wenn sie sich in ihren Wirtszellen replizieren. 1928 assimilierte Wollman die Eigenschaften von Phagen mit denen von Genen, Das 1925 von Bordet und Bail bestätigten die Idee, dass die Fähigkeit zur Reproduktion von Phagen in Bakterien die Insertion von phagenkodiertem Material in die erblichen Einheiten der Wirtsmikrobe erforderlich macht. Frank Macfarlane, ein australischer Wissenschaftler, der 1960 für seine Arbeiten zur Immunität den Nobelpreis erhielt, arbeitete auch an der Lysogenese und bestätigte die virale Natur von Phagen sowie die Art ihrer Wechselwirkungen mit bakteriellen Wirten.  Er demonstrierte auch, dass verschiedene Arten von Phagen existieren.

Schließlich hat die Erfindung des Elektronenmikroskops (EM) dem deutschen Arzt Helmut Ruska ermöglicht, zunächst runde Partikel sowie „spermienförmige“ Partikel aus einer an einer Bakterienmembran haftenden Phagensuspension zu beschreiben.  Zwei Jahre später fasste er in seiner Dissertation seine wichtigsten Forschungen zur Natur und Biologie von Bakteriophagen zusammen.  Ein Jahr nach der ersten Beschreibung von Phagen mit EM stellten Luria und Anderson in Camden, New Jersey, verschiedene Arten von Phagen vor und beschrieben ihre gemeinsame Struktur: einen inhomogenen runden Kopf mit einem viel dünneren Schwanz, der das eigentümliche spermienähnliche Aussehen verleiht Aussehen. Sie beschrieben auch die verschiedenen Stadien der Bakterienlyse: mit der Zeit zunehmende Adsorption, ausgedehnte Bakterienschäden und Auftreten einer großen Anzahl neu gebildeter Bakteriophagen.

 

Während die Phagenforschung in der ehemaligen UdSSR mit der Entwicklung des Eliava-Instituts in Tiflis, Georgien, und einigen anderen Ländern wie Polen (und dem bekannten Hirsfeld-Institut in Breslau) nie aufgegeben wurde, entdeckte die englische Literatur den Phagen neu Therapie bei Tieren in den 1980er Jahren   und Menschenversuche in den 2000er Jahren begonnen, mit der ersten Phase I im Jahr 2009 veröffentlichten Studie in den USA randomisierten.

Im August 2004 fand in Key Biscayne, Florida, der sogenannte Phagengipfel statt. Über 350 Konferenzteilnehmer nahmen an diesem ersten großen internationalen Treffen seit Jahrzehnten teil, das der Phagenbiologie gewidmet war.  Insgesamt ist die Phagenliteratur zu einem der umfangreichsten Themen geworden, was Bakteriophagen zu einer der am besten untersuchten, der Wissenschaft bekannten Mikroben macht. In den Jahren 1958 und 1967 veröffentlichte Raettig zwei Bibliographien mit etwa 11 358 Quellenangaben.  , 2012 analysierte Ackerman30.000 zwischen 1965 und 2010 veröffentlichte Phagenpublikationen . Die Namen der Erstautoren repräsentieren 40 Sprachdomänen oder geografische Gebiete und mindestens 70 Sprachen, was zu dem Schluss führt, dass Phagenpartikel auf der ganzen Welt untersucht werden (auch wenn Englisch und Deutsch Deutsche Sprachen überwiegen).

 

Arten von Phagen und Phagenbiologie

Es wurden mehr als 6000 verschiedene Bakteriophagen entdeckt und morphologisch beschrieben, darunter 6196 bakterielle und 88 archeale Viren.  Die überwiegende Mehrheit dieser Viren ist geschwächt, während ein kleiner Teil polyedrisch, filamentös oder pleomorph ist. Sie können nach ihrer Morphologie, ihrem genetischen Gehalt (DNA vs. RNA), ihrem spezifischen Wirt (zum Beispiel der Staphylokokken-Phagenfamilie, ) klassifiziert werden diePseudomonas-Phagenfamilie, usw.), der Ort, an dem sie leben (Meeresvirus im Vergleich zu anderen Lebensräumen), und ihr Lebenszyklus (siehe unten). Im Laufe der Zeit wurden neue Klassifizierungsformate vorgeschlagen , – und Abkürzungen für diese Viren wurden von Fauquet und Pringle im Jahr 2000 vorgeschlagen.

Als obligater intrazellulärer Parasit einer Bakterienzelle weisen Phagen innerhalb des bakteriellen Wirts verschiedene Lebenszyklen auf: lytische, lysogene, pseudolysogene und chronische Infektion.

Bei der Phagentherapie lag das Hauptinteresse auf lytischen Phagen, die hauptsächlich in drei Familien der Caudovirales- Ordnung vertreten sind: den Myoviridae , den Siphoviridae und den Podoviridae . Es gibt auch einige Berichte über Anwendungen von kubischen Phagen und filamentösen Phagen.  Die allgemeine Beschreibung dieser Phagen kann wie folgt zusammengefasst werden: Das genetische Material ist in einer Proteinhülle oder einem Kapsid enthalten, das die Form eines Ikosaeders hat; Dieser Kopf ist über einen Kragen mit dem Schwanz verbunden, der kontraktil sein kann oder nicht, und dessen distales Ende mit Schwanzfasern in Kontakt steht, deren Spitzen Befestigungsstellen an Rezeptoren der Bakterienzelloberfläche erkennen.

Unabhängig von der Art des Zyklus eines Phagenlebens besteht der erste Schritt in der Bindung an Rezeptoren der Bakterienzellwand, bevor Phagen in die Bakterien eindringen können. Dieser spezielle Prozess beeinflusst das Spektrum der möglichen Wechselwirkungen zwischen Phagen und Bakterien. Beispielsweise interagiert der Bakteriophage λ nur mit dem LamB-Rezeptor von E. coli . Die raumzeitliche Dynamik hat gezeigt, dass dieses Ereignis für eine erfolgreiche bakterielle Invasion von großer Bedeutung ist.  Einige Phagen sind auch in der Lage, spezifische Enzyme (wie Hydrolasen oder Polysaccharidasen und Polysaccharidlyasen) zu synthetisieren, die Exopolysaccharidstrukturkapseln abbauen können, bevor sie können mit ihrem spezifischen

Rezeptor interagieren. Dies ist der Fall bei einigen Phagen, die mit Stämmen vonE. coli , V. cholerae , P. aeruginosa , E. agglomerans und P. putida .  Diese Enzyme sind von potentiellem Interesse für ihre therapeutischen Implikationen und befinden sich derzeit in der präklinischen Entwicklung.

 

Bei der Bindung an seinen spezifischen Rezeptor induzieren Phagen eine Pore in der bakteriellen Zellwand und injizieren seine DNA in die Zelle, während das virale Kapsid außerhalb der Bakterien verbleibt. Darauf folgt die Expression von frühen Phagen-Genen, die im Fall von lytischen Phagen die bakterielle Synthesemaschinerie auf die Reproduktion von viralen Nukleinsäuren und Proteinen umlenken. Das Zusammensetzen und Verpacken von Phagen wird dann beobachtet, bevor die Lyse der Bakterienzellen und die Freisetzung von Phagennachkommen auftreten. Die späten Enzyme der Phagen wie Lysine, Holine und Inhibitoren der Mureinsynthese werden dann für den Virion-Burst in der extrazellulären Umgebung eingesetzt. Die Anzahl der freigesetzten Viruspartikel oder die Größe der Bursts variiert stark in Abhängigkeit vom Phagen, dem Zustand des Bakterienwirts und anderen Umweltfaktoren, wie z. B. den Wirt umgebenden Nährkomponenten.

Im lysogenen Zyklus setzen die so genannten gemäßigten Phagen ihren genetischen Inhalt (den Prophagen) in die Chromosomen der Bakterien ein, wo sie für längere Zeit still bleiben und als Teil des Bakterienchromosoms repliziert werden. Daher gibt es keine Selbstreplikation. Diese Prophagen-DNA wird vertikal zusammen mit dem gesamten Bakteriengenom zu ihren Nachkommen übertragen, bis der Lysezyklus induziert wird.

Während der Induktion kann lysogener Phage gelegentlich genetisches Wirtsmaterial benachbart zu seiner Insertionsstelle auf dem Chromosom von einem Bakterium auf ein anderes übertragen, ein Phänomen, das als Transduktion bezeichnet wird. Tatsächlich ist die Tatsache, dass Phagen für die Evolution des Bakteriengenoms von großer Bedeutung sind, seit Jahren bekannt, und Brussow beschrieb sogar Bakteriophagen als Mittel für den lateralen Gentransfer.

Dieser Prozess kann den Transfer von Genen fördern, die für den bakteriellen Wirt von selektivem Vorteil sind, einschließlich Antibiotikaresistenzgenen; Derselbe Prozess könnte jedoch therapeutisch ausgenutzt werden, indem Phagen verwendet werden, um Gene zu übertragen, die Bakterien anfälliger für einige Antibiotika machen. Tatsächlich zeigten Lu und Collins in vitro eine erhöhte Empfindlichkeit von E. coli gegenüber Antibiotika , indem sie auf die Mechanismen der DNA-Reparatur durch Injektion eines spezifischen Gens abzielten, das zur Überexpression eines Proteins führte, das dieses System hemmt .  Die Geninsertion wurde durch einen spezifischen und modifizierten Bakteriophagen M13 erreicht. Interessanterweise verwendeten sie die gleiche Technik auch bei Mäusen, die intraperitoneal mitE. coliinfiziert waren. Das Überleben war bei Mäusen, die gleichzeitig mit Antibiotika und modifizierten Phagen behandelt wurden, erhöht. Dieser Ansatz wurde von anderen Autoren als ähnlich zu dem allgemeinen Ansatz der Phagentherapie befunden, der zur direkten Abtötung von Bakterien führt.

 

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Resistenz gegen Krankheitserreger umzukehren, indem spezifische Gene für eine Sensibilisierungskassette injiziert werden, die in dominanter Weise Suszeptibilität verleiht. Dies wurde kürzlich von Edgar und Kollegen gezeigt, die in der Lage waren, resistente Bakterien anfällig für Streptomycin und Nalidixinsäure zu machen.

Schließlich tritt die chronische Infektion auf, wenn das Bakterium durch lysogene Phagen infiziert wird, die anschließend mutieren und die Fähigkeit verlieren, einen lytischen Replikationszyklus auszulösen. Die Phagen-DNA wird ein neuer Teil des Bakterienchromosoms und wird zu einer langfristigen Prophagensequenz.

 

Warum brauchen wir Phagentherapie?

In den letzten zwei oder drei Jahrzehnten ist das weitverbreitete Auftreten und die Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien auf der ganzen Welt zu einer großen therapeutischen Herausforderung geworden.

Beispielsweise wurden MRSA-Infektionen in den USA mit einer Inzidenz von etwa 100.000 schweren Infektionen im Jahr 2005 gemeldet, die zu 20.000 Todesfällen führten.

Die eingeschränkten therapeutischen Möglichkeiten zur Behandlung der wichtigsten multiresistenten Bakterien (MDR), die unter der Abkürzung ESKAPE-Pathogene (fürEnterococcus) bekannt sind Faecium,Staphylococcus aureus,Klebsiella pneumoniae,Acinetobacter baumannii,Pseudomonas aeruginosaundEnterobacterspp.) sind inzwischen auf vielen Intensivstationen weltweit zu einer drohenden Gesundheitskrise geworden.

Die Behandlung von Patienten mit MDR-Pathogenen wurde von Morales et al. die Gesamtkosten der Pflege zu erhöhen und die Krankenhausaufenthaltsdauer zu verlängern.

In allen Gesundheitsberufen besteht eine ethische Notwendigkeit, alles in unserer Macht Stehende zu tun, um die Wirksamkeit von Antibiotika zu erhalten und zu erkennen, dass diese kostbare Ressource durch den oft unnötigen und unangemessenen Einsatz von Antibiotika verschwendet wird, wodurch der Erwerb und die Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen gefördert werden.  Antibiotikaresistenzen gelten mittlerweile als Notfall im Gesundheitswesen und werden von vielengefordert, neue Mittel zu ihrer Bekämpfung zu entwickeln. Antibiotika werden jedoch nicht auf der Grundlage des direkten Nutzens für die Öffentlichkeit, sondern auf der Grundlage von Kriterien des freien Marktes entwickelt.  Trotz der Forderung nach der Entwicklung neuer Antibiotika in der Europäischen Union (EU) und in den Vereinigten Staaten (USA),

Erklärung der World Medical Association zur Resistenz gegen antimikrobielle Wirkstoffe www.wma.net/e/policy/a19htm  mangelt an neuen Antibiotika in der Entwicklungspipeline.

Ein völlig neuer, nicht-antibiotischer Ansatz zur Behandlung von bakteriellen Krankheitserregern ist mit Sicherheit erforderlich. Die erneute Anwendung der Phagentherapie könnte eine willkommene Alternative zur antimikrobiellen Chemotherapie in dieser Phase der fortschreitenden Ausbreitung bakterieller MDR-Krankheitserreger mit einem Mangel an neuen Antibiotika zur Bekämpfung dieser Krankheitserreger sein.

Darüber hinaus übersteigt der Bedarf an Phagenanwendungen mit Sicherheit die Verwendung bei Infektionen des Menschen. In der Tat wurde die Verwendung von Bakteriophagen in verschiedenen Situationen beschrieben, einschließlich (aber nicht beschränkt auf): Lebensmittelsicherheit,

Veterinäranwendungen, und klinische diagnostische Anwendungen wie Nachweis und Typisierung von Bakterien bei Infektionen beim Menschen.

 

Mögliche Vorteile der Phagentherapie

Bakteriophagen sind natürliche Antibiotika, die in der Lage sind, Bakterienpopulationen durch Induktion einer Bakterienlyse zu regulieren. Sie sind aktiv gegen grampositive,  , sowie gramnegative Bakterien,

Da der Wirkungsmechanismus der Phagenlyse von Antibiotika völlig verschieden ist, bleibt die Aktivität gegenüber Bakterien erhalten, die mehrere Mechanismen der Antibiotikaresistenz aufweisen.

Aufgrund ihrer Spezifität hat die Phagentherapie ein enges antibakterielles Spektrum mit einer Wirkung, die auf eine einzelne Spezies oder in einigen Fällen auf einen einzelnen Stamm innerhalb einer Spezies beschränkt ist. Dies begrenzt den „Druck“ und den schweren Kollateralschaden, der bei umstehenden, nicht zielgerichteten Bakterien durch Antibiotika auftritt. Das gesamte Mikrobiom des Patienten wird durch Antibiotika verändert, nicht nur das beabsichtigte Zielpathogen. Chibani-Chennoufi et al. zeigten nach oraler Gabe einer gegen E. coli gerichteten Phagentherapie nur geringe Auswirkungen auf die Darmmikrobiota bei Mäusen .  Der Erhalt eines Großteils des vorhandenen Mikrobioms während der Phagentherapie wurde in sorgfältigen mikrobiellen Umfragen bei erwachsenen gesunden Freiwilligen, die einen 9-Phagen-Cocktail eingenommen haben, bestätigt.

Die Phagentherapie vermeidet auch das mögliche Überwachsen von sekundären Krankheitserregern.

Da derzeit keine großen, randomisierten, kontrollierten Studien vorliegen, ist es schwierig, die Nebenwirkungen und ihre möglichen Auswirkungen zu bewerten. Basierend auf den Berichten aus Polen und der ehemaligen Sowjetunion scheint die Phagentherapie ohne signifikante nachteilige Auswirkungen zu sein. Die Tatsache, dass Bakteriophagen nur mit Bakterienzellen interagieren und Säugetierzellen nicht stören, könnte möglicherweise den Mangel an schädlichen Nebenwirkungen erklären. Unterberichterstattung könnte eine andere Erklärung sein. Die ausgezeichnete Verträglichkeit der Phagenbehandlung wurde jedoch in präklinischen Studien an verschiedenen Tiermodellen und in mehreren Beobachtungsstudien an Patienten und gesunden Probanden nachgewiesen.  Bei systemischer Verabreichung kommt es zu einer breiten Verteilung von Phagen, einschließlich der Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen, wodurch diese Wirkstoffe verwendet werden können Bei Infektionen des Zentralnervensystems.

Interessanterweise zeigen zumindest einige Phagen auch die Fähigkeit, bakterielle Biofilme zu zerstören.

Die Phagentherapie kann einen Einfluss auf die Entzündungsreaktion auf eine Infektion haben. Bei 51 Patienten mit verschiedenen langzeitigen suppurativen Infektionen wurde die TNFα-Freisetzung in vivo und in vitro nach Stimulierung mit LPS auf der Grundlage des anfänglichen Musters des TNFα-Serumspiegels abgeschwächt. Die Freisetzung von IL-6 war in vivo nur signifikant verringert.  C-reaktives Protein undLeukozytenzahl waren in dieser Patientenpopulation zunächst nicht betroffen, während sie zwischen Tag 9 und Tag 32 bei 37 Patienten, die eine orale Phagentherapie gegen Osteomyelitis, Gelenkprothese erhielten, signifikant abnahmen Infektion, Haut- und Weichteilinfektionen und in einem Fall Lungeninfektion.

Dies war eine Beobachtungsstudie ohne Kontrollgruppe und sollte daher vorsichtig interpretiert werden. In einer neueren Beobachtung war CRP nur bei Patienten betroffen, deren anfänglicher CRP-Serumspiegel über 10 mg / dl lag.

Weiße Blutkörperchen können auch durch Phagentherapie beeinflusst werden:Bei Patienten nach 3 Wochen und 3 Monaten Therapie wurdenerhöhte Neutrophilenvorläufer und ein verringerter Phagozytoseindex fürStaphylococcus aureusbeobachtet im Vergleich zu gesunden Spendern.  Kürzlich wurde eine umfangreiche Übersicht über die Veränderung der Immunantworten bei der Phagentherapie veröffentlicht.

Schließlich sind die wirtschaftlichen Aspekte der Phagentherapie vielversprechend. Trotz der Tatsache, dass die Behandlungsdauer signifikant verlängert wurde, waren die Kosten für die Phagentherapie niedriger als bei einer herkömmlichen Antibiotikabehandlung, wie bei 6 Patienten mit verschiedenen Staphylokokkeninfektionen, einschließlich Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus, gezeigt wurde .

Vor allem die Tatsache, dass Bakteriophagen im Vergleich zu Antibiotika eine verbesserte Wirksamkeit aufweisen könnten, ist die größte Hoffnung für die Zukunft. Smith und Kollegen demonstrierten diesen Befund zum ersten Mal in den frühen 1980er Jahren, als sie eine letale E. coli- Infektion bei Mäusen mit einem hochvirulenten Stamm auslösten, der eine K1-Polysaccharidkapsel exprimierte.

Eine einzige intramuskuläre Dosis von Anti-K1-Phagen war genauso wirksam wie mehrere Streptomycin-Injektionen und war mehreren intramuskulären Dosen von Tetracyclin, Ampicillin, Chloramphenicol oder Trimethoprim bei der Heilung der Tiere überlegen. Nach unserem Kenntnisstand wurde diese Beobachtung bei Infektionen beim Menschen nie bestätigt.

 

Mögliche Einschränkungen und Nachteile der Phagentherapie

Trotz aller Vorteile, die oben zusammengefasst wurden, sind wir weit davon entfernt, Phagen als „Wundermittel“ zur Behandlung jeglicher Art von Infektion zu bezeichnen. Tatsächlich müssen die optimale Dosis, der Verabreichungsweg, die Häufigkeit und die Dauer der Behandlung noch festgelegt werden, bevor weit verbreitete klinische Studien in Betracht gezogen werden.

Der Hauptnachteil der Phagentherapie ist die Notwendigkeit, den genauen ätiologischen Mikroorganismus, der die Infektion verursacht, schnell und genau zu bestimmen. Die exquisite Spezifität der Phagentherapie gegen bestimmte Krankheitserreger ist ein großer Vorteil, aber auch eine Belastung. Eine klinische Probe muss unter Verwendung von Standarddiagnoseverfahren der Mikrobiologie isoliert und kultiviert werden, um den Erreger zu identifizieren, bevor eine bestimmte Bakteriophagenlösung definiert und später an den Patienten verabreicht werden kann. Innovationen in der schnellen Bakteriendiagnose mit genomischen Methoden oder der Verwendung von Massenspektroskopie könnten Abhilfe schaffen. In den meisten Laboratorien für klinische Mikrobiologie und in ressourcenbeschränkten Einrichtungen des Gesundheitswesens ist dies jedoch ein zeitaufwendiger Prozess.

Dieses Problem könnte möglicherweise durch die Verwendung von gebrauchsfertigen Phagen-Cocktails gelöst werden. Die Auswahl potenter Phagen aus einer verfügbaren Sammlung nach der Phagentypisierung der isolierten Bakterien definiert die sogenannte zusammengesetzte Phagencocktailbehandlung. Wenn schließlich kein aktives, vorhandenes Phagenpräparat gegen ein schweres Pathogen vorhanden ist, kann es direkt aus der Umwelt isoliert werden, bevor es für die Anwendung vorbereitet wird.

Zum Beispiel beim jüngsten Ausbruch vonE. coliO104: H4 In Deutschland wurden aktive lytische Phagen in der Sammlung des Eliava-Instituts (Georgien) sowie im Abwasser des Brüsseler Militärkrankenhauses in Belgien gefunden.

Die Wahl des Bakteriophagen zur Therapie ist auf lytische Phagen beschränkt.

Tatsächlich induzieren lysogene Phagen eine verzögerte Lyse, wodurch die Anwendung dieser Phagen bei einer akuten Infektion verhindert wird. Obwohl standardisierte Methoden zur Erzeugung von Phagencocktails existieren, gibt es keine klaren offiziellen Richtlinien.

Die Stabilität von Viren im Hinblick auf ihre Anfälligkeit für verschiedene äußere und physikalische Faktoren wurde kürzlich überprüft und könnte für einige Schwierigkeiten bei der Herstellung stabiler Lösungen verantwortlich sein.

Ein weiteres Anliegen der Phagentherapie ist die potentielle Fähigkeit von Bakteriophagen, die DNA von einem Bakterium auf ein anderes zu übertragen. Diese Übertragung von genetischem Material oder Transduktion könnte für die Übertragung von Pathogenitätsdeterminanten und Virulenzfaktoren verantwortlich sein, was zur Entwicklung einer neuen Mikrobe oder noch resistenterer Bakterien führen könnte.

Daher wäre die Verwendung von Phagen bevorzugt, die nicht in der Lage sind, zusätzliche Wirts-DNA zu verpacken, oder von Phagen, die die Wirts-DNA zur Synthese ihrer eigenen DNA verwenden. Diese Technik wurde bereits erfolgreich in der Phagentherapie eingesetzt.

Das Genom vieler Phagen wurde entschlüsselt und jeden Monat gibt es Berichte über neu identifizierte Gensequenzen. Wir sind jedoch weit davon entfernt, das Gen jeder Art von Phagen  und die Funktion vieler dieser Gene ist noch unbekannt. Beispielsweise haben die in einigen Phagen gefundenen ORFan-Gene keine Ähnlichkeit mit irgendeinem anderen Gen in der Gendatenbank.  Die Rolle dieser Gene bei der Förderung schädlicher Nebenwirkungen muss noch geklärt werden.

Am Ende seiner antibakteriellen Wirkung induzieren lytische Phagen die Lyse von Bakterien und setzen verschiedene Bakteriensubstanzen wie Endotoxin (LPS) von gramnegativen Bakterien frei. Dies kann für verschiedene Nebenwirkungen auf den Wirt verantwortlich sein, wie die Entwicklung einer Entzündungskaskade, die zum Versagen mehrerer Organe führt. Dieses potenzielle Problem betrifft jedoch derzeit verfügbare schnell bakterizide Antibiotika.

Da es sich um Viren handelt, können Bakteriophagen vom Immunsystem des Patienten als potenzieller Eindringling angesehen werden und daher durch die Beseitigung des retikuloendothelialen Systems schnell aus dem systemischen Kreislauf eliminiert werden, bevor sie in der Milz oder der Leber oder in ihnen akkumuliert werden kann durch die adaptiven Immunabwehrmechanismen inaktiviert werden.  Dies kann bei längerer oder wiederholter Anwendung zu einer verminderten Wirksamkeit führen.

Schließlich könnte die Entwicklung von Resistenzmechanismen durch den bakteriellen Wirt, die entweder durch Mutation und Selektion oder durch den Erwerb von gemäßigten Phagen hervorgerufen werden, zu einer verminderten Wirksamkeit von Phagen führen. Es gibt mindestens 4 Mechanismen, die an der bakteriellen Resistenz gegen einen bestimmten Phagen beteiligt sein können. Verlust oder Mangel an Rezeptor, strukturelle Modifikation und oder Maskierung des Rezeptors verhindern die Phagenadsorption an die Bakterien und verhindern die weitere Fähigkeit, neue Phagen zu erzeugen. Ein Rezeptorverlust kann auftreten, wenn die Zelloberflächenzusammensetzung geändert wird, wie für Bordetella spp. Gezeigt wurde.

Für dasE. coli-Protein TraT wurde einestrukturelle Modifikationfestgestellt, die die Konformation des OmpA (Outer-Membrane Protein A), des Rezeptors für T-Even-ähnliche Phagen, modifiziert .  Sekretion verschiedener Moleküle (wie Exopolysaccharid vonPseudomonasspp. Oder Glykokonjugate vonEnterobacteriacae) kann den Rezeptor maskieren, aber Phagen können dem durch die Auswahl eines neuen Rezeptors oder durch die Sekretion des Exopolysaccharid abbauenden Enzyms entgegenwirken.

Die anderen Resistenzmechanismen umfassen die Verhinderung der Phagen-DNA-Integration durch das Superinfection Exclusion System (Sie), den Abbau der Phagen-DNA durch das Restriktionsmodifikations-Abwehrsystem oder durch Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) und die Blockierung der Phagen-Replikation und -Transkription , Translation oder Virionenassemblierung durch das Abortive-Infection-System.

Glücklicherweise ist die Häufigkeit von Resistenzen in vivo während der Phagentherapie bisher Berichten zufolge gering im Gegensatz zu den beobachteten in vitro Resistenzanalysen. Darüber hinaus könnte die Isolierung neuer aktiver Phagen aus der Umwelt oder die fortschreitende Isolierung „angepasster“ Phagen eine neue Behandlungsmöglichkeit bieten.

In den meisten Ländern ist die Phagentherapie nicht durch die gesetzliche Krankenversicherung gedeckt, was für einige Patienten ein potenzielles finanzielles Problem darstellt. Es gibt einige Ausnahmen. Die schweizerischen Behörden haben beschlossen, die Kosten für die Komplementärmedizin für einen Zeitraum von 6 Jahren zu erstatten, während die Wirksamkeit bewertet wird  und der Präsident der Stadt Wroclaw (wo sich das Hirszfeld-Institut befindet), Polen, haben ein Programm zur Deckung der Kosten für die Phagentherapie für die Bewohner der Stadt erstellt ; 2 zu befolgende Beispiele nach Myedzybrodzki.

Da bakterielle Viren derzeit nicht als Arzneimittel anerkannt sind, werden die aktuellen pharmakologischen Vorschriften, Definitionen und Standards in Europa nicht angemessen an Phagenpräparate angepasst. Aus diesem Grund haben eine belgische Forschungsgruppe und einige Mitglieder des Pasteur-Instituts in Paris die PHAGE (für Phagen der Human Application Group Europe entwickelt), eine internationale gemeinnützige Organisation, mit dem Ziel, einen spezifischen Rahmen für die Verwendung von Bakteriophagen zu entwickeln.

Die behördliche Freigabe bleibt eine weitere Hürde. Zusätzlich zu den Sicherheitsbedenken verfügen weder die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA noch die europäische Arzneimittelbehörde über ein Zulassungsverfahren, das die sich ständig ändernden Phagenkombinationen, die Unternehmen entwickeln müssen, um der Entwicklung der MDR einen Schritt voraus zu sein, problemlos berücksichtigen kann Bakterien.

Experimentelle Daten mit Phagentherapie

Viele experimentelle Daten wurden seit den beiden wegweisenden Studien von Smith und Huggins durchgeführt, in denen Anfang der 80er Jahre die potenzielle Rolle von Bakteriophagen bei der Bekämpfung systemischer Infektionen und Enteritis bei Mäusen, Kälbern, Ferkeln und Lämmern nachgewiesen wurde.

Mäuse wurden in großem Umfang als Versuchstiere untersucht, es gibt jedoch auch Berichte über Phagentherapien in Labormodellen von Infektionen bei Ratten, Hühnern, Kaninchen, Kälbern und Lämmern. Verschiedene Modelle von Infektionen wurden evaluiert, wie die intraperitoneale Injektion lebender Bakterien, die zu einer systemischen Infektion mit Bakteriämie führte, die intramuskuläre Injektion von Bakterien, eine Infektion des Zentralnervensystems, eine Lungeninfektion, Leberabszesse, eine Enteritis, eine Harnwegsinfektion, eine Knocheninfektion, Haut- und Wundinfektionen . Zu den in diesen Modellen verwendeten Bakterien gehörten E. coli , MDR-Bakterien ( Pseudomonas aeruginosa , ESBL-produzierende E. coli und K. pneumoniae , Vancomycin-resistenter Enterococcus faecium ), Staphylococcus aureusund Chronobacter turicensis . Einige Stämme wurden direkt von Patienten isoliert.  Das getestete Verabreichungsverfahren der Phagentherapie umfasst die intraperitoneale Injektion, die orale oder intragastrische Verabreichung, topische, subkutane und intramuskuläre Injektionen und die intranasale Verabreichung. Während in einigen Studien die Verabreichung von Phagen als prophylaktische Maßnahme angesehen wurde,  Behandlung wurde in der Regel als Einzeldosis nach der bakteriellen Herausforderung und in einigen Studien verzögert wurde verabreicht , bis die Tiere Durchfall Infektionssymptome wie angezeigt  oder deutliche Anzeichen einer schweren Infektion.

Insgesamt zeigten diese Studien positive Auswirkungen auf die Mortalität unter Phagentherapie und in 3 Studien, in denen die Mortalität bewertet wurde, waren die Ergebnisse signifikant besser als bei Antibiotika, die als Vergleichspräparate verwendet wurden.

In einer Studie des infizierten Knochenmodells bei Ratten verringerte die kombinierte Antibiotikum-Bakteriophagen-Behandlung die quantitative Kultur von der infizierten Stelle am Ende der Studie im Vergleich zu beiden allein gegebenen Behandlungsmodalitäten signifikant.

Bereits beschriebene Humananwendungen

In dem ersten Bericht über die Anwendung von Bakteriophagen beim Menschen wurde die Wirksamkeit bei Staphylokokken-Hautfurunkeln  und d’Herelle fassten 1931 alle seine klinischen Arbeiten zusammen. In den 1930er Jahren gab es eine große Anzahl von Veröffentlichungen und eine vollständige Monographie der ZeitschriftLa Médicinebefasste sich mit Phagenanwendungen bei Erkrankungen des Menschen.  Es wurde die Behandlung von Typhus,ShigellaundSalmonella beschrieben spp.-bedingte Kolitis, Peritonitis, Hautinfektionen, chirurgische Infektionen (hauptsächlich Abszesse verschiedener Lokalisationen), Septikämie, Harnwegsinfektionen und otolaryngologische Infektionen (äußere Otitis und Nasenfurchen).

Wie bereits beschrieben, nahm die Begeisterung für die Phagentherapie in den westlichen Ländern in den 1930er Jahren jedoch aufgrund der in den Berichten von Eaton und Kollegen und auch als Folge der Entdeckung und der einfachen Verwendung von Antibiotika. Die Verwendung von Bakteriophagen wurde in den östlichen Ländern fortgesetzt, und im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Berichte veröffentlicht, vor allem in Polen und Georgien (ehemalige UdSSR). Die Verwendung nicht-englischer Literatur (hauptsächlich russischer und polnischer) erklärt wahrscheinlich die Tatsache, dass diese Berichte auf das Herkunftsland der Autoren beschränkt waren. Eine Zusammenfassung dieser Literatur wurde kürzlich von verschiedenen Autoren veröffentlicht,  , Wir müssen jedoch beachten, dass die meisten veröffentlichten Daten aus nicht randomisierten, unkontrollierten Studien stammen.

Tatsächlich ist die erste Phase – I – kontrollierte Studie in den Vereinigten Staaten durchgeführt randomisiert wurde 2009 veröffentlicht. Es bewertete die Sicherheit eines Cocktails von Phagen, die gegen E. coli,S. aureus und Pseudomonas aeruginosa gerichtet sind bei 42 Patienten mit chronisch venösen Beingeschwüren. Die Studie konnte keine positiven Ergebnisse wie Heilungsrate oder -häufigkeit nachweisen, die Autoren stellten jedoch keine Nebenwirkungen im Zusammenhang mit der Behandlung fest. Eine weitere randomisierte Studie wurde in Großbritannien durchgeführt und untersuchte die Wirksamkeit einer Anwendung einer Lösung mit 6 Bakteriophagen in den Ohren von Patienten mit chronischer Pseudomonas aeruginosa- bedingter Otitis.  Die Anzahl der Kolonien von P. aeruginosa in der behandelten Gruppe in dieser gut durchgeführten, doppelblinden, placebo kontrollierten Studie signifikant abgenommen, während sich verschiedene subjektive klinische Indikatoren bei diesen Patienten verbesserten. In der Tat berichteten die Patienten über eine geringere Intensität der Symptome wie Unwohlsein, Juckreiz, Nässe und unangenehmen Geruch. Ebenso berichteten die für die Patienten zuständigen (und für die zugewiesene Behandlung verblindeten) Ärzte über verringerte klinische Beobachtungen wie Erytheme / Entzündungen, Ulzerationen / Granulationen / Polypen und Gerüche. Es wurden keine Nebenwirkungen gemeldet.

Kürzlich wurde eine kleine Phase-I-Studie mit 9 Patienten durchgeführt, die im Burn Wound Center des Queen Astrid Military Hospital in Brüssel, Belgien, behandelt wurden. Die Patienten wurden lokal mit dem BFC-1-Phagencocktail behandelt, der 3 lytische Phagen enthielt: ein Myovirus, ein Podovirusgegen Pseudomonas aeruginosa und ein gegen Myovirusgerichtetes Staphylococcus aureus .  Ein großer verbrannter Abschnitt wurde einer einzelnen Sprühanwendung ausgesetzt, während ein entfernter Teil der Wunde als Kontrolle diente. Während die vollständigen Ergebnisse noch veröffentlicht werden müssen, wurde kein Sicherheitsproblem gemeldet.

Schließlich bestätigte eine randomisierte kontrollierte Studie die Sicherheit einer oral verabreichten Phagenlösung bei gesunden, nicht infizierten Patienten.

Schlussfolgerungen

Bakteriophagen sind ein mögliches alternatives Instrument zur Behandlung von bakteriellen Infektionen, einschließlich solcher, die durch MDR-Krankheitserreger verursacht werden. In der Tat weist die Phagentherapie mehrere Vorteile auf, und es werden nur wenige unerwünschte Ereignisse gemeldet, aber eine Unterberichterstattung kann nicht ausgeschlossen werden. Es sind jedoch weitere gut durchgeführte Studien erforderlich, um die Rolle und Sicherheit der Phagentherapie in der täglichen klinischen Praxis zur Behandlung von Patienten mit verschiedenen Infektionen zu definieren.

Darüber hinaus hat sich die direkte Verwendung von Phagen-kodierten Proteinen wie Endolysinen, Exopolysaccharidasen und Holinen als vielversprechende Alternative zu antibakteriellen Produkten erwiesen. Dieses Thema würde jedoch den Rahmen dieser Überprüfung sprengen.“

 

Maschinenübersetzung der Quelle: https://doi.org/10.4161/viru.25991

Xavier Wittebole, Sophie De Roock & Steven M Opal