מדענים משדלים חיידק קטלני להשמיד את עצמו מבפנים החוצה

חוקרים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן שידלו בהצלחה פתוגן קטלני להשמיד את עצמו מבפנים החוצה.

במחקר החדש, חוקרים שינו DNA מבקטריופאג או "פאג", סוג של וירוס שמדביק ומשכפל בתוך חיידקים. לאחר מכן, צוות המחקר הכניס את ה-DNA פנימה Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), חיידק קטלני שגם עמיד מאוד לאנטיביוטיקה. ברגע שנכנס לחיידק, ה-DNA עקף את מנגנוני ההגנה של הפתוגן כדי להתאסף לווירונים, שחתכו את תא החיידק כדי להרוג אותו.

בהתבסס על עניין גובר ב"טיפולי פאג", העבודה הניסויית מייצגת צעד קריטי לקראת הנדסת וירוסי מעצבים כתרופות טיפוליות חדשות להרוג חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה. הוא גם חושף מידע חיוני על פעולתם הפנימית של פאג'ים, תחום שנחקר מעט בביולוגיה.

המחקר יתפרסם ביום רביעי (24 בינואר) בכתב העת Microbiology Spectrum.

"לעיתים מתייחסים להתנגדות לאנטי-מיקרוביאלית כ'מגיפה השקטה'", אמרה אריקה הרטמן מצפון ווסטרן, שהובילה את העבודה. "מספרי הזיהומים והמקרי מוות מזיהומים הולכים וגדלים ברחבי העולם. זו בעיה מסיבית. טיפול בפאג'ים הופיע כחלופה בלתי מנוצלת להסתמכות שלנו על שימוש בתרופות אנטי-מיקרוביאליות. אבל, במובנים רבים, הפאג'ים הם 'הגבול הסופי' של המיקרוביולוגיה. אנחנו לא יודעים עליהם הרבה. ככל שנוכל ללמוד יותר על אופן פעולת הפאג', כך גדל הסיכוי שנוכל להנדס תרופות אפקטיביות יותר. הפרויקט שלנו הוא חדשני בכך שאנו לומדים על ביולוגיה של הפאג' בזמן אמת בזמן שאנו מהנדסים אותם ."

מיקרוביולוג מקורה, הרטמן הוא פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית בבית הספר להנדסה מקורמיק של נורת'ווסטרן וחבר במרכז לביולוגיה סינתטית.

צורך נואש בחלופות אנטיביוטיות

הקשורים לעלייה בשימוש בתרופות אנטי-מיקרוביאליות, העלייה בעמידות האנטיבקטריאלית מהווה איום דחוף והולך וגובר על האוכלוסייה העולמית. על פי המרכז לבקרת מחלות ומניעתן (CDC), כמעט 3 מיליון זיהומים עמידים לאנטי-מיקרוביאליים מתרחשים מדי שנה בארצות הברית לבדה, כאשר יותר מ-35,000 אנשים מתים כתוצאה מכך.

המשבר ההולך וגובר הניע חוקרים לחפש חלופות לאנטיביוטיקה, אשר מאבדות ללא הרף מיעילותן. בשנים האחרונות החלו חוקרים לחקור טיפולי פאג'ים. אבל למרות שקיימים מיליארדי פאגים, מדענים יודעים עליהם מעט מאוד.

על כל חיידק שקיים, ישנם עשרות פאגים. אז, יש מספר גדול מבחינה אסטרונומית של פאגים על פני כדור הארץ, אבל אנחנו מבינים רק קומץ מהם. לא בהכרח הייתה לנו המוטיבציה ללמוד אותם באמת. כעת, המוטיבציה קיימת, ואנחנו מגדילים את מספר הכלים שעלינו להקדיש ללימודם".

אריקה הרטמן, אוניברסיטת נורת'ווסטרן

טיפול ללא תופעות לוואי

כדי לחקור טיפולי פאג'ים פוטנציאליים, חוקרים מציינים או משנים וירוס קיים כדי למקד באופן סלקטיבי לזיהום חיידקי מבלי להפריע לשאר הגוף. באופן אידיאלי, מדענים יוכלו יום אחד להתאים טיפול פאג'י כדי להדביק חיידק מסוים ולתכנן תרופות "א-לה-קארט" עם תכונות ומאפיינים מדויקים לטיפול בזיהומים בודדים.

"מה שעוצמתי בפאג' הוא שהוא יכול להיות מאוד ספציפי באופן שבו אנטיביוטיקה לא," אמר הרטמן. "אם אתה לוקח אנטיביוטיקה לזיהום בסינוסים, למשל, זה משבש את כל מערכת העיכול שלך. ניתן לתכנן טיפול בפאג' כך שישפיע רק על הזיהום".

בעוד שחוקרים אחרים חקרו טיפולי פאג'ים, כמעט כל אלה שנחקרו התמקדו בשימוש בפאג'ים כדי להדביק אי קולי. הרטמן, לעומת זאת, החליט להתמקד P. aeruginosa, אחד מחמשת הפתוגנים האנושיים הקטלניים ביותר. מסוכן במיוחד לאנשים עם מערכת חיסונית נפגעת, P. aeruginosa מהווה גורם מוביל לזיהומים בבתי חולים, לעתים קרובות מדביק חולים בפצעי כוויות או ניתוחים וכן ריאות אצל אנשים עם סיסטיק פיברוזיס.

"זהו אחד הפתוגנים בעלי העדיפות הגבוהה ביותר, עמידים לריבוי תרופות, שאנשים רבים באמת מודאגים מהם", אמר הרטמן. "היא עמידה ביותר לתרופות, ולכן יש צורך דחוף לפתח עבורה תרופות אלטרנטיביות".

חיקוי זיהום, עקיפת הגנות

במחקר, הרטמן והצוות שלה התחילו עם P. aeruginosa חיידקים ודנ"א מטוהר ממספר פאגים. לאחר מכן, הם השתמשו באלקטרופורציה -; טכניקה המספקת פולסים קצרים במתח גבוה של חשמל -; לנעוץ חורים זמניים בתא החיצוני של החיידק. דרך החורים הללו, DNA הפאג נכנס לחיידקים כדי לחקות את תהליך ההדבקה.

במקרים מסוימים, החיידקים זיהו את ה-DNA כעצם זר וגרסו את ה-DNA כדי להגן על עצמו. אבל לאחר שימוש בביולוגיה סינתטית כדי לייעל את התהליך, הצוות של הרטמן הצליח לדפוק את מנגנוני ההגנה העצמית האנטי-ויראלית של החיידקים. במקרים אלה, ה-DNA הצליח להעביר מידע לתוך התא, וכתוצאה מכך נגיפים שהרגו את החיידקים.

"איפה שהצלחנו, אפשר לראות כתמים כהים על החיידקים", אמר הרטמן. "כאן פרצו הנגיפים מהתאים והרגו את כל החיידקים".

לאחר הצלחה זו, הצוות של הרטמן הציג DNA משני פאגים נוספים שאינם מסוגלים באופן טבעי להדביק את הזן שלהם P. aeruginosa. שוב, התהליך עבד.

ייצור פאגים בתא

לא רק שהפאג' הרג את החיידקים, החיידקים גם פלטו עוד מיליארדי פאגים. לאחר מכן ניתן להשתמש בפאג'ים אלה כדי להרוג חיידקים אחרים, כמו אלה הגורמים לזיהום.

בשלב הבא, הרטמן מתכנן להמשיך לשנות את ה-DNA הפאג כדי לייעל טיפולים פוטנציאליים. לעת עתה, הצוות שלה בוחן את הפאג'ים שגורשו מה- P. aeruginosa.

"זהו חלק חשוב בהכנת טיפולי פאג'ים", אמרה. "אנו יכולים לחקור את הפאג' שלנו כדי להחליט אילו מהם לפתח ובסופו של דבר לייצר אותם בהמוניו כתרופה."

המחקר, "גישה של ביולוגיה סינתטית להרכבה ואתחול מחדש של פגים זנב Pseudomonas aeruginosa", נתמך על ידי קרן ולדר, הקרן הלאומית למדע והמכונים הלאומיים לבריאות.