Совершенствование фаготерапии на основе методов ненаправленной ускоренной эволюции бактериофагов

Резистентность бактерий к антимикробным препаратам – это одна из актуальных медицинских проблем, требующих срочного решения. Тяжесть протекания инфекционных заболеваний, вызванных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью, является толчком к поиску иных вариантов терапии, в частности, применению бактериофагов в качестве антимикробных агентов. Потенциально фаговая терапия может быть использована и как дополнение к антибиотикам, и в качестве замены последним. Однако выделение нативного бактериофага – это трудоемкий и продолжительный по времени процесс. Кроме того, в ходе взаимодействия бактерий и фагов развиваются механизмы бактериальной защиты, направленные на ускользание от фагового воздействия. Применение технологий ускоренной эволюции, в основе которых лежит изменение генотипов бактериофагов, может быть решением этой проблемы. Полученные таким образом вирусы могут иметь уникальные свойства, помогающие не только преодолевать бактериальные механизмы устойчивости, но и расширяющие спектр литической активности, что дает возможность их применения даже в условиях постоянной эволюции бактерий. Кроме того, новые мутации могут улучшить стабильность фагов при их хранении в виде препаратов для фаговой терапии. В целом, технологии ускоренной эволюции, включая рекомбинации по протоколу Аппельмана, химический и температурный мутагенез, модификации фагов с помощью ультрафиолетового излучения, процедуры коэволюции фагов и бактерий, представляют собой доступные и сравнительно недорогие, но при этом эффективные методы преобразования фаговых геномов для расширения возможностей применения бактериофагов в медицинской практике.

1. WHO Bacterial Priority Pathogens List, 2024: bacterial pathogens of public health importance to guide research, development and strategies to prevent and control antimicrobial resistance - Geneva: World Health Organization. 2024. 72 p.

2. Pelegrin A. C., Palmieri M., Mirande-Meunier C. et al. Pseudomonas aeruginosa: a clinical and genomic update // FEMS Microbiology reviews. – 2021. – Vol. 45, № 6. – fuab026.

3. Rafiei S., Bouzari M. Genomic analysis of vB_PaSHSN4 bacteriophage and its antibacterial activity (in vivo and in vitro) against Pseudomonas aeruginosa isolated from burn // Scientific reports. – 2024. – Vol. 14, № 1. – P. 2007. https://doi.org/10.1038/s41598-023-50916-5.

4. Poirel L., Madec J., Lupo A. et al. Antimicrobial Resistance in Escherichia coli // Microbiology spectrum. – 2018. – Vol. 6, № 4. https://doi.org/10.1128/microbiolspec.arba-0026-2017.

5. Гречко А. В., Гуркова М. М., Жданова М. А. Профилактика рецидивов нозокомиальных пневмоний с использованием комплекса бактериофагов в ОРИТ // Анестезиология и реаниматология. – 2024. – Т. 2. – С. 39–48. https://doi.org/10.17116/anaesthesiology202402139.

6. Долинный С. В., Краева Л. А., Бургасова О. А., Огаркова Д. А. Оценка клинических данных и видового состава возбудителей верхних дыхательных путей у пациентов с COVID-19 с определением чувствительности к основным этиотропным препаратам // Врач. – 2023. – Т. 2. – С. 42–46. https://doi.org/10.29296/25877305-2023-02-09.

7. Skurnik M., Alkalay-Oren S., Boon M. Phage therapy // Nature reviews methods primers. – 2025. – Vol. 5, № 9. https://doi.org/10.1038/s43586-024-00377-5.

8. Sohail H. A., Coffey A., Debrowsa K. et al. Bacteriophages: emerging applications in medicine, food, and biotechnology // Phage. – 2020. – Vol. 1, № 2. – P. 75–82. https://doi.org/10.1089/phage.2020.29004.has.

9. Paranos P., Skliros D., Zrelovs N. Therapeutic application of a jumbo bacteriophage against metallo-β-lactamase producing Pseudomonas aeruginosa clinical isolates // Journal of biomedical science. – 2025. – Vol. 32, № 74. https://doi.org/10.1186/s12929-025-01169-z.

10. Jo D., Kim H., Lee Y. et al. Characterization and genomic study of EJP2, a novel jumbo phage targeting antimicrobial resistant Escherichia coli // Frontiers in microbiology. – 2023. – Vol. 12, № 14. – P. 1194435. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1194435.

11. Любимова Л. В., Павлова С. И., Пчелова Н. Н., Любимов Е. А. Применение поливалентного клебсиеллезного бактериофага при инфекции после реконструктивно-пластической операции на позвоночнике у ребенка (клинический случай) // Acta medica Eurasica. – 2024. – Т. 1. – С. 66–73. https://doi.org/10.47026/2413-4864-2024-1-66-73.

12. Паршин Д. С., Топчиев М. А., Пятаков С. Н. и др. Результаты фаготерапии инфекционных осложнений в неотложной абдоминальной хирургии // Таврический медико-биологический вестник. – 2022. – Т. 25, № 2. – С. 72–80.

13. Асланов Б. И., Зуева Л. П., Кафтырева Л. А. Рациональное применение бактериофагов в лечебной и противоэпидемической практике // Ремедиум Приволжье. – 2014. – 54 с.

14. Давыдов А. С. Оценка качества лечебно-профилактических бактериофагов по показателям «Подлинность» и «Специфическая активность». – М.: 2021. – 77 c.

15. Кураташвили А. Ю., Плеханов Н. А., Карпунина Л. В., Заднова С. П. Системы устойчивости к фагам в штаммах Vibrio cholerae // Проблемы особо опасных инфекций. –2024. – Т. 2. – С. 20–26. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2024-2-20-26.

16. Ranveer S. A., Dasriya V., Ahmad M. F. et al. Positive and negative aspects of bacteriophages and their immense role in the food chain // NPJ Science of food. – 2024. – Vol. 8, № 1. – P. 1. https://doi.org/10.1038/s41538-023-00245-8.

17. Borin J. M., Lee J. J., Lucia-Sanz A. et al. Rapid bacteria-phage coevolution drives the emergence of multiscale networks // Science. – 2023. – Vol. 382, № 6671. – P. 674–678. https://doi.org/10.1126/science.adi5536.

18. Drummond A. J., Pybus O. G., Rambaut A. et al. Measurably evolving populations // Trends in ecology and evolution. – 2003. – Vol. 18, № 9. – P. 481–488. https://doi.org/10.1016/S0169-5347(03)00216-7.

19. Sanjuan R., Nebot M. R., Chirico N. et al. Viral mutation rates // Journal of virology. – 2010. – Vol. 84, № 19. – P. 9733–9748.

20. Kupczok A., Neve H., Huang K. D. et al. Rates of mutation and recombination in Siphoviridae phage genome evolution over three decades // Molecular biology and evolution. –2018. – Vol. 35, № 5. – P. 1147–1159. https://doi.org/10.1093/molbev/msy027.

21. Morris P., Marinelli L. J., Jacobs-Sera D. et al. Genomic characterization of Mycobacteriophage Giles: evidence for phage acquisition of host DNA by illegitimate recombination // Journal of bacteriology. – 2008. – Vol. 190, № 6. – P. 2172–2182. https://doi.org/10.1128/JB.01657-07.

22. Krylov V., Pleteneva E., Bourkaltseva M. et al. Myoviridae bacteriophages of Pseudomonas aeruginosa: a long and complex evolutionary pathway // Research in microbiology. – 2003. – Vol. 154, № 4. – P. 269–275. https://doi.org/10.1016/S0923-2508(03)00070-6.

23. Hendrix R. W. Bacteriophage genomics // Current opinion in microbiology. – 2003. – Vol. 6, № 5. – P. 506–511. https://doi.org/10.1016/j.mib.2003.09.004.

24. Burrowes B. H., Molineux I. J., Fralick J. A. Directed in vitro evolution of therapeutic bacteriophages: the Appelmans protocol // Viruses. – 2009. – Vol. 11, № 3. – P. 241.

25. Sulakvelidze A., Alavidze Z., Glenn J. M. Jr. Bacteriophage therapy // Antimicrobial agents and chemotherapy. – 2001. – Vol. 45, № 3. – P. 649–659. https://doi.org/10.1128/AAC.45.3.649-659.2001.

26. Mapes A. C., Trautner B. W., Liao K. S., Ramig R. F. Development of expanded host range phage active on biofilms of multi-drug resistant Pseudomonas aeruginosa // Bacteriophage. –2016. – Vol. 6, № 1. – P. e1096995.

27. Morello E., Saussereau E., Maura D., Huerre M., Touqui L. et al. Pulmonary bacteriophage therapy on Pseudomonas aeruginosa cystic fibrosis strains: first steps towards treatment and prevention // PLOS one. – 2011. – Vol. 6, № 2. – e16963.

28. Пчелин И. М., Гончаров А. Е., Асланов Б. И., Азаров Д. В. Спектры литической активности бактериофагов // Антибиотики и химиотерапия. – 2023. – Т. 68, № 11–12. – С. 59–66. https://doi.org/10.37489/0235-2990-2023-68-11-12-59-66.

29. Abedon S. T., Yin J. Bacteriophage plaques: theory and analysis // Methods in molecular biology. – 2009. – Vol. 501, № 161. – P. 74.

30. Friman V. P., Soanes-Brown D., Sierocinski P. et al. Pre-adapting parasitic phages to a pathogen leads to increased pathogen clearance and lowered resistance evolution with Pseudomonas aeruginosa cystic fibrosis bacterial isolates // Journal of evolutionary biology. – 2016. – Vol. 29, № 1. – P. 188–198. https://doi.org/10.1111/jeb.12774.

31. Betts A., Vasse M., Kaltz O., Hochberg M. E. Back to the future: evolving bacteriophages to increase their effectiveness against the pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO 1 // Evolutionary applications. – 2013. – Vol. 6, № 7. – P. 1054–1063. https://doi.org/10.1111/eva.12085.

32. Izumizawa Y., Yang S.-J., Negishi T., Negishi K. DNA lesion and mutagenesis induced in phageM13mp2 by UVA, UVB and UVC irradiation // Nucleic acids symposium series. – 2000. – Vol. 44, № 1. – P. 73–74.

33. Smith L. A., Drake J. W. Aspects of the ultraviolet photobiology of some T-even bacteriophages // Genetics. – 1998. – Vol. 148, № 4. – P. 1611–1618.

34. Sommerfeld F., Weyersberg L., Vatter P. Photoinactivation of the bacteriophage PhiX174 by UVA radiation and visible light in SM buffer and DMEM-F12 // BMC Research Notes. – 2024. – Vol. 17, № 1. – P. 3. https://doi.org/10.1186/s13104-023-06658-8.

35. Wdowiak M., Magiera A., Tomczynska M. et al. Protecting bacteriophages under UV irradiation with brilliant blue FCF for targeted bacterial control // Biofilm. – 2025. – Vol. 9, № 9. – P. 100286. https://doi.org/10.1016/j.bioflm.2025.100286.

36. Meyer M., Witte W. Mutagenesis in bacteriophage T7. II. UV induced mutagenesis // Zeitschrift fur Allgemeine Mikrobiologie. – 1976. – Vol. 16, № 4. – P. 283–287.

37. Cole A. W., Tran S. D., Ellington A. D. Heat adaptation of phage T7 under an extended genetic code // Virus Evolution. – 2021. – Vol. 7, № 2. – P. veab100. https://doi.org/10.1093/ve/veab100.

38. Singhal S., Leon Guerrero C. M., Whang S. G. et al. Adaptations of an RNA virus to increasing thermal stress // PLOS one. – 2017. – Vol. 12, № 12. – P. e0189602.

39. Dodson L. A., Masker W. E. Survival and mutagenesis of bacteriophage T7 damaged by methyl methanesulfonate and ethyl methanesulfonate // Mutation research/fundamental and molecular mechanisms of mutagenesis. – 1986. – Vol. 162, № 2. – P. 137–144.

40. Loveless A. Increased rate of plaque-type and hostrange mutation following treatment of bacteriophage in vitro with ethyl methane sulphonate // Nature. – 1958. – Vol. 181. – P. 1212–1213.

41. Favor A. H., Llanos C. D., Youngblut M. D. Optimizing bacteriophage engineering through an accelerated evolution platform // Scientific reports. – 2020. – Vol. 10, № 1. – P. 13981. https://doi.org/10.1038/s41598-020-70841-1.

42. Bautz E., Freese E. On the mutagenic effect of alkylating agents // Genetics. – 1960. – Vol. 46, № 12. – P. 1585–1594.

43. Terzaghi B. E., Streisinger G., Stahl F. W. The mechanism of 5-bromouracil mutagenesis in the bacteriophage T4 // Genetics. – 1962. – Vol. 48, № 9. – P. 1519–1524.