‘Cell’ dergisinde yayınlanan yeni bir derlemede araştırmacılar, bakteriyofaj tedavisinin mekanizmaları, türleri, tasarımı ve uygulamaları da dahil olmak üzere bakteriyofaj tedavisine genel bir bakış sundu. Antimikrobiyal direnç (AMR) küresel olarak, özellikle düşük gelirli ülkeler arasında önemli morbidite ve mortalite ile ilişkilendirilmiştir ve AMR insidansı şiddetli akut solunum sendromu koronavirüs 2 (SARS-CoV-2) pandemisi zamanlarında artmıştır. AMR vakalarındaki sürekli artış, bakteriyofaj tedavisi gibi umut verici bir yol olan ikame ilaçlara yönelik araştırmaları yeniden canlandırmıştır. Bu derlemede araştırmacılar, mekanizmalar, tasarım ve uygulamalar da dahil olmak üzere bakteriyofaj tedavisine genel bir bakış sunmuşlardır.
Bakteriyofaj biyolojisine giriş
Bakteriyofajlar (Yunanca “bakteri yiyen” anlamına gelmektedir) milyarlarca yıldır bakteriyel organizmalarla eş zamanlı olarak yaratılan doğal bakteriyel avcılardır. İlk olarak 1917 yılında ‘Felix d’Herelle’ tarafından çocuklar arasında bakteriyel dizanteriyi tedavi etmek için kullanılan bakteriyofaj tedavisi, penisilin kullanımından önce hayvanlar ve insanlar arasında bakterilerin neden olduğu enfeksiyonları tedavi etmek için yaygın olarak kullanılmıştır.
Bakteriyofajlar, konakçı içinde çoğalan, küçük boyutlu genomlara sahip, çoğalmak için konakçının mekanizmasını yoğun bir şekilde kullanan ve konakçı hücrelere özgü virüslerdir. Bakteriyofajlar, bakterilerin yüzeyinde bakteriyofajın bağlandığı ve girişten sonra bakteriyofajı etkisiz hale getirebilecek konak savunmalarını indüklemeyen belirli molekülleri ifade etmesini gerektirir.
En yaygın olarak gözlemlenen virion morfolojisi, çift sarmallı deoksiribonükleik asit (dsDNA) kuyruklu bakteriyofajları içerir; burada deoksiribonükleik asit, kuyruğa bağlı olan baş veya kapsid içinde bulunur. Enfeksiyon, kuyruk ucunun bakteriye ait hücre duvarına bağlanması ve genomun baş/kapsitten hücre zarı yoluyla sitoplazmaya girmesiyle başlar. Protein yapısındaki baş ve kuyruk hücre içine girmez.
Bakteriyofajların çoğunluğu ya ılımlı ya da litiktir. Litik tip fajlar, enfekte ettikleri bakteri hücrelerinin çok yüksek bir yüzdesini öldürür ve bu nedenle terapötik olarak kullanılırlar. Bir enfeksiyon durumunda, litik tip bakteriyofajlar, ilk fajda gen ekspresyonu, genomik replikasyon, geç bakteriyolitik virion yapısı ekspresyonu ve gen montajı, paketlenmiş partikül montajı ve son olarak bakterilerin lizisini içeren bir gelişim programı izler. Fajlar genomik olarak oldukça çeşitlidir ve faj genomları üst üste binen protein kodlayan ve/veya ribonükleik asit (RNA) kodlayan genlerle sıkıca paketlenmiştir ve küçük UKF (işlevi bilinmeyen) genlerle doludur.
Bakteriyofaj genomları yaygın olarak mozaiktir; tek genler (veya gen alt kümeleri), aksi takdirde birbiriyle ilişkili olmayan bakteriyofajlarda farklı genomik bağlamlarda bulunur. Terapötik olarak bakteriyofajlar, sırasıyla Mycobacterium abscessus enfeksiyonları ve Acinetobacter baumannii enfeksiyonlarının tedavisinde kullanılan ‘Muddy’ ve ‘Maestro’ bakteriyofajlarını içerir.
Bakteriyofaj tedavisinin tasarımı ve uygulamaları
Fajlar doğal olarak oluşabilir veya genetik olarak tasarlanmış olabilir. Çevresel veya doğal olarak oluşan fajlar, göller, okyanuslar, hayvanlar, bitkiler ve toprak dahil olmak üzere bakteriyel konakçılarının olduğu yerlerde bulunabilir. Fajlar, biyofilmlere daha fazla nüfuz etmek, hücre içi patojenleri hedeflemek veya farmakodinamik ve/veya farmakokinetik özellikleri geliştirmek için bakteriyofaj partiküllerinin programlanmış ve işlevsel olarak düzenlenmesine izin verecek şekilde genetik olarak tasarlanabilir.
Faj genom mühendisliği, mühendislik ürünü fajların oluşturulmasını ve parenteral suş havuzundan istenen döllerin geri kazanılmasını içerir. Homolog genomik mühendislik teknikleri, CRISPR (kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarlar)-Cas (CRISPR-ilişkili protein) sistemi tabanlı karşı seçim ile ‘in vivo’ olarak kullanılır. Homolog genetik rekombinasyon tekniği, faj DNA’sının plazmid deoksiribonükleik asit üzerindeki homolog alan ile rekombinasyonunu içerir. Fajların in vivo genetik mühendisliği, faj genomunun ve polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) analizinin elektroporlanmış ürünlerinin homolog kollarla rekombinasyonunu içerir.
BRED (elektroporlanmış DNA’nın bakteriyofaj rekombinasyonu) tekniği, birlikte elektroporlanmış faj deoksiribonükleik asit ve PCR analiz ürünlerinin homolog kollarla rekombinasyonunu içerir. Daha sonra, düzenlenmemiş bakteriyofajları seçici olarak ortadan kaldırmak için RNA kılavuzlu ribonükleik asit nükleaz (Cas13) veya RNA kılavuzlu deoksiribonükleik asit nükleazları (Cas9,12) karşı seçimi uygulanır.
Sentetik genom yapımı, PCR analizi ile çoğaltılan bakteriyofaj genomu parçalarını ve sentetik oligonükleotidleri birleştirerek tasarım yoluyla genomlar oluşturmayı sağlar. Sentetik bakteriyofaj genomları, ‘in vitro’ veya maya bazlı konjugasyon yoluyla bir vektöre konjuge edilir. Daha sonra, konjuge genomlar hücresiz TXTL (transkripsiyon-translasyon) sistemleri veya uygun bakteriler kullanılarak yeniden başlatılır.
Bakteriyofaj tedavisi implante cihazlarla ilişkili enfeksiyonları ve akciğer enfeksiyonlarını tedavi etmek için kullanılmış, bunu prostatit, yanıklar, endokardit, karın içi enfeksiyonlar, yayılmış enfeksiyonlar, idrar yolu enfeksiyonları, osteomiyelit ve deri enfeksiyonları izlemiştir. İnsanlar için faj, aşı veya terapötik sağlamak, Bacillus anthracis veya Yersinia pestis gibi patojenleri tespit etmek için biyolojik savunma, salgınlar sırasında profilaksi (örneğin, Vibrio kolera ve Mycobacterium tuberculosis) ve mikrobiyomları tımar etmek için bir vektör olarak kullanılabilir. Faj ayrıca Salmonella, E. coli ve Campylobacter enfeksiyonlarının veteriner tedavisinde ve çiftlik hayvanlarında antibiyotiklerin yerine kullanılabilir. Çevresel uygulamalar arasında atık su dezenfeksiyonu, gıda güvenliği, su ürünleri yetiştiriciliği ve tarımda antibiyotiklerin değiştirilmesi yer almaktadır.
Sonuç olarak, gözden geçirme bulgularına dayanarak, faj terapisi bakteriyel enfeksiyonları tedavi etmek için antibiyotik tedavisine etkili bir alternatif olabilir. Terapötik bakteriyofajlar litik olmalı, bakteriyel konağı etkili bir şekilde öldürmeli ve yan etkileri dışlamak için tam olarak karakterize edilmelidir. Faj tedavisi genellikle intravenöz olarak uygulanır ve güvenli kabul edilir; ancak bakteriyofaja karşı adaptif ‘immünolojik’ yanıtlar terapötik etkinliği tehlikeye atabilir.