Автори : Deborah Albarella Paola Dall’Ara Luciana Rossi Lauretta Turin
Стаття від : 28 квітня 2025 року
Бактеріофагова терапія потребує кращого розуміння сприйнятливості вірулентних штамів бактерій, їх генетичних особливостей, пов’язаних з патогенністю та коеволюцією у дуету ‘фаг-бактерія’
У дослідженні розглянуто бактеріофагову терапію в аквакультурі та повідомляється, що фагова терапія як альтернатива антибіотикам для лікування бактеріальних захворювань в аквакультурі все ще перебуває на ранніх стадіях розвитку, але має великий потенціал; і що фагова терапія потребує кращого розуміння сприйнятливості вірулентних штамів бактерій, їхніх генетичних особливостей, пов’язаних з патогенністю, та коеволюції фаг-бактерії. Фото професора Graham Beards (CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons) показана трансмісійна електронна мікрофотографія декількох бактеріофагів, прикріплених до клітинної стінки бактерії; збільшення приблизно 200 000.
Бактеріофаги – це віруси, які цілеспрямовано вражають бактерії, а отже, можуть бути використані для знищення бактерій, не завдаючи шкоди клітинам тварин. Таким чином, вони є привабливою альтернативою антибіотикам у лікуванні бактеріальних інфекцій як у людей, так і у тварин. Бактеріофаги дуже різняться за розміром, морфологією, геномом, специфічністю до хазяїна та тропністю до штамів. Залежно від стратегії реплікації бактеріофаги поділяються на літичні (вірулентні) та лізогенні (помірні). Літичні фаги захоплюють механізм бактеріальної клітини при проникненні, швидко розмножуються і викликають лізис клітини, вивільняючи сотні інфекційних вірусних частинок, готових заразити інші клітини хазяїна (продуктивна інфекція). На відміну від них, лізогенні фаги стабільно інтегрують свій геном у бактеріальну хромосому, латентно зберігаючись і реплікуючись разом з бактеріальною хромосомою.
Фаготерапія має переваги над антибіотиками, які полягають у самореплікації (фаги розмножуються в присутності бактерій-мішеней, що дозволяє використовувати менші дози та менші витрати), автоматичному дозуванні (фаги зникають після знищення бактерій-мішеней), відсутності впливу на нецільові бактерії або клітини організму (вузький спектр дії) та високій штаммовій специфічності. Однак остання особливість може бути і недоліком, з яким можна впоратися, використовуючи бактеріофагові коктейлі (суміші різних фагів). Крім того, фаги є більш екологічно чистими, ніж антибіотики, можуть також очищати біоплівки, а завдяки короткому циклу розвитку є дешевими, простими у використанні та зберіганні.
Фаги еволюціонують разом зі своїми господарями, і, ймовірно, може відбутися контрпристосування до резистентності, що в кінцевому підсумку принесе користь бактеріофагової терапії в довгостроковій перспективі. Для покращення бактеріофагової терапії необхідно розширити розуміння фагів, зокрема шляхом анотування повних послідовностей геному ДНК для точної ідентифікації, прогнозування ефективності перенесення та уникнення небажаних елементів. Крім того, необхідно також з’ясувати механізми виникнення фагової резистентності, які досі залишаються значною мірою невідомими.
Бактеріофаги використовувалися проти бактеріальних захворювань у минулі століття, в доантибіотичну епоху, хоча їхня природа була незрозумілою. Західні країни відмовилися від їх використання з появою антибіотиків, і лише в останні роки вони були знову відкриті і використовуються в регульованих клінічних випробуваннях, що добре задокументовано в науковій літературі. Це відкриття було викликане нагальною потребою в альтернативних методах лікування через зростання клінічно значущої мультирезистентності до антибіотиків.
Ця стаття – узагальнена та адаптована з оригінальної публікації (Albarella, D. et al. 2025. Bacteriophage Therapy in Freshwater and Saltwater Aquaculture Species. Microorganisms 2025, 13(4), 831) (https://www.mdpi.com/2076-2607/13/4/831) – присвячена огляду останніх досягнень у розробці та застосуванні бактеріофагової терапії для лікування найбільш поширених та економічно значущих бактеріальних захворювань у прісноводних та морських видів аквакультури.
Фаготерапія в аквакультурі
Бактеріальні захворювання є основною проблемою в аквакультурі, що призводить до величезних економічних втрат. Водні тварини сприйнятливі до численних бактеріальних інфекцій або супутніх інфекцій, оскільки вони піддаються впливу широкого спектру патогенних мікроорганізмів у навколишньому середовищі.
За відсутності ефективних вакцин, які могли б запобігти більшості захворювань, що вражають водні види, або через практичну неможливість вакцинації риб на ранніх стадіях життя через їх малий розмір або незрілу імунну систему, фаготерапія відіграє подвійну роль – лікувального та профілактичного заходу проти бактеріальних інфекцій в аквакультурі. Це особливо важливо під час виробництва личинок, до того, як риба потрапляє в рибницькі резрвуари.
Фаготерапія має вирішальне значення для зниження смертності від бактеріальних інфекцій в аквакультурі. Успішне застосування вимагає ретельного планування часу, дози та частоти введення фагів, враховуючи характеристики вірулентності бактеріального патогену, характер спалаху та часову динаміку основних патогенних бактерій. У цьому контексті фагова терапія є найбільш ефективною навесні, коли водні патогенні бактерії демонструють найбільшу різноманітність, що корелює з вищим ризиком виникнення спалахів. На ефективність фаготерапії в аквакультурі впливає кілька факторів, включаючи вагу риби, необхідну дозу фага, ранню діагностику захворювання та умови навколишнього середовища.
Вибір способу доставки фагів залежить від характеру інфекції, розміру ферми, вартості фагового препарату та виду риби. Три основні методи введення фагів в аквакультурі – це занурення, ін’єкції та пероральне введення. Занурення займає менше часу, тоді як ін’єкції, які ідеально підходять для системних інфекцій, є більш трудомісткими та інвазивними, що потенційно може спричинити високу смертність. Пероральне введення вважається найбільш практичним методом через його низьку вартість і мінімальний стрес для риби.
Однак, проблеми включають втрату стабільності фагів і кислі протеолітичні умови в кишечнику, що може вимагати застосування систем покриття або додавання нейтралізаторів кислот до суспензії фагів. Бактеріофаги повинні бути здатні витримувати сухі умови на кормі після нанесення покриття для перорального застосування. Більш тривале виживання фагів має вирішальне значення для зниження витрат на приготування кормів і максимізації комерційних вигод.
Рис 1: Бактеріофаготерапія в аквакультурі. Фаги збирають з природних і стічних вод, виділяють і характеризують у лабораторії, а потім модифікують перед тестуванням in vitro. Потім відібрані модифіковані фаги тестуються in vivo на інфікованих тваринах.
Фаготерапія у рибництві
Було виявлено, що стічні води аквакультури та навколишнє середовище містять численні антибіотикорезистентні гени та антибіотикорезистентні бактерії. Як наслідок, бактеріофаги можуть бути використані як альтернатива антибіотикам, допомагаючи зменшити використання антибіотиків у джерелі та вирішити проблеми, пов’язані з антибіотиками. Однак наразі фаги переважно використовуються в дослідженнях на стендовому рівні або в невеликих випробуваннях для запобігання та контролю антибіотикорезистентних бактеріальних інфекцій в аквакультурі. Дослідження взаємодії між фагами та їхніми водними хазяями в основному проводилися в морському середовищі, при цьому прісноводним екосистемам приділялося відносно мало уваги.
Дослідження фагів зосереджені на деяких видах бактерій, що належать до родів Aeromonas, Vibrio, Edwardsiella, Streptococcus і Flavovacterium, які є особливо патогенними для риб, молюсків і ракоподібних. Про інші роди доступно менше інформації, хоча ці патогени все ще можуть завдавати значних економічних збитків галузі аквакультури. Aeromonas spp. є патогеном, для якого було проведено найбільшу кількість досліджень in vivo, за ним слідує Vibrio spp. особливо на прикладі личинок.
Edwardsiella spp. є важливими патогенними бактеріями, що вражають кілька видів риб, молюсків та ракоподібних, що вирощуються в промислових умовах. Фото Edwardsiella anguillarum від Leibniz-Institut DSMZ (CC BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0, via Wikimedia Commons).
Фаготерапія у молюсківництві
Терапія бактеріофагами також може бути ефективною для лікування бактеріальних інфекцій у молюсків, причому найбільш цільовими бактеріями є Vibrio spp., за якими йдуть Escherichia coli та Salmonella enterica. Найчастіше уражаються устриці та морські вушка.
Поширення Vibrio spp. у морському, естуарному та прісноводному середовищі спричиняє вібріоз – руйнівну хворобу, яка може спричинити до 100-відсоткову смертність не лише риби, а й молюсків у забруднених об’єктах. Ці молюски можуть передавати збудник людині через споживання сирих або неправильно приготованих морепродуктів.
Серед численних інфекційних видів вібріонів V. parahaemolyticus вважається одним з основних харчових патогенів у всьому світі, тоді як V. coralliilyticus і V. tubiashii спричиняють високу смертність устриць, що призводить до значних економічних втрат у всьому світі. Підхід до управління цими видами варіюється залежно від мети: для V. parahaemolyticus дослідження в першу чергу зосереджені на використанні фагів для очищення устриць і забезпечення їхньої безпечності для споживання людиною. Натомість для V. coralliilyticus і V. tubiashii фагова терапія спрямована на збереження здоров’я устриць та інших видів молюсків.
Окрім впливу на здоров’я населення, спалах V. parahaemolyticus має значні соціальні наслідки для всього регіону, де вирощують молюсків. Крім того, штами V. parahaemolyticus, що інфікують морепродукти, продемонстрували стійкість до багатьох комерційних антибіотиків, подібно до штамів, що інфікують людей, і, як наслідок, потенціал різних кандидатів для терапії бактеріофагами досліджувався як in vitro, так і in vivo.
Фаготерапія у креветківництві
Серед бактерій Vibrio spp. є основною причиною економічних втрат у креветківництві, за ним слідує Aeromonas spp. Всі стадії життєвого циклу креветок, від ікри до маточного стада, можуть бути уражені інфекцією Vibrio spp. і, як правило, призводять до 100-відсоткової смертності в забруднених господарствах. Рід Vibrio включає ряд патогенних видів, які впливають не тільки на вирощування риби та молюсків, але й на вирощування ракоподібних. Тому зараз досліджуються альтернативи дезінфікуючим засобам та обмеженій кількості дозволених антибіотиків, серед яких бактеріофагова терапія є багатообіцяючим варіантом. Деякі фаги спрямовані на різні види Vibrio, тоді як інші є специфічними до певних високопатогенних штамів. Серед видів Vibrio найбільш патогенними для ракоподібних є V. parahaemolyticus, V. harveyi, та V. alginolyticus.
V. parahaemolyticus регулярно відстежується в креветочних розвіднях не тільки тому, що він є основною причиною бактеріального гастроентериту, пов’язаного з морепродуктами, у всьому світі, але й тому, що він викликає некроз, затримку росту, порушення прозорості м’язів, анорексію і, в кінцевому підсумку, смерть ракоподібних. Деякі штами спричиняють гострий гепатопанкреатичний некроз, що характеризується смертністю до 100 відсотків в аквакультурі морських креветок.
Vibrio parahaemolyticus є одним з найпоширеніших харчових патогенів у світі, а також причиною значної смертності серед кількох видів молюсків і ракоподібних, що вирощуються на фермах. Фото Janice CarrContent Providers(s): CDC/ Janice Carr (Public domain, via Wikimedia Commons).
Оскільки частка певного мікроорганізму впливає на інші та на всю мікробну спільноту, а також враховуючи, що мікробіота кишечника креветок впливає на їхнє здоров’я, фагова терапія може слугувати ефективним заходом профілактики гострого гепатопанкреатичного некрозу в креветківництві. Крім того, оскільки гострий гепатопанкреонекроз може бути викликаний різними патогенними штамами V. parahaemolyticus, розробка коктейлів бактеріофагів, ефективних проти широкого спектру штамів V. parahaemolyticus, є особливо корисною.
У кількох дослідженнях вивчалося використання різноманітних бактеріофагів для боротьби з патогенними вібріонами (див. оригінальну публікацію). До них належить V. campbellii, який стає опортуністичним патогеном, що асоціюється з люмінісцентним вібріозом і потенційно пов’язаний з гострим гепатопанкреатичним некрозом. V. harveyi є основною причиною смертності в інкубаторах і системах вирощування личинок креветок, а також є патогеном для риб, як згадувалося вище. V. alginolyticus – ще один важливий патогенний вид, який інфікує різні водні організми, включаючи ракоподібних, молюсків, рибу та людину, де він викликає шкірні та вушні інфекції, а також гострий гастроентерит.
Різні види Vibrio спричиняють значну смертність в інкубаторах креветок по всьому світу. Фотографія постличинок чорної тигрової креветки (Penaeus monodon) у вирощувальному резервуарі на комерційній розвідні зроблена Darryl Jory.
Перспективи
Фаготерапія все частіше розглядається як найбільш перспективна альтернатива для лікування бактеріальних захворювань у культивованих водних організмів. Бактеріофагова терапія в аквакультурі набула популярності лише в останні роки, і, як наслідок, кількість доступних досліджень є меншою порівняно з іншими секторами тваринництва.Умови, які слід враховувати при застосуванні фаготерапії в аквакультурі, різноманітні і залежать від типу фермерського господарства. Наприклад, ракоподібні мають дуже різні вимоги порівняно з рибою. Тому стабільність фагів за певних умов, таких як солоність води, температура, рН та ультрафіолетове випромінювання, є набагато складнішим питанням..
Більшість досліджених бактеріофагів були протестовані in vivo, проте для тих, що були протестовані лише in vitro, залишається неможливим пряме перенесення результатів, отриманих in vitro, на систему in vivo. Інша проблема полягає в тому, що більшість фагів, які використовуються в аквакультурі, не були повністю охарактеризовані з точки зору їх геномних і протеомних особливостей, тому інформація про їх повний потенціал і можливу токсичність для організму є обмеженою.
Дійсно, основним обмеженням для застосування бактеріофагової терапії в аквакультурі є відсутність вичерпних даних, що, в свою чергу, обмежує генну інженерію самих фагів.
Ще однією проблемою є поява стійких до фагів, мутованих патогенних штамів бактерій. У цьому контексті коктейлі з декількох бактеріофагів є кращим варіантом для боротьби з мультирезистентними патогенами.
Як показали кілька порівняльних досліджень між окремими фагами і фаговими коктейлями, останні виявилися більш ефективними в переважній більшості випадків. Крім того, на ефективність фагової терапії також впливає спосіб доставки.
Спосіб введення залежить від характеристик фага, природи інфекції та виду тварини. В аквакультурі ін’єкції, як правило, є найефективнішим методом боротьби з бактеріями, що викликають клінічні ознаки у внутрішніх органах, але цей метод пов’язаний з високим рівнем смертності. Крім того, коли тварини невеликі і численні, ін’єкції фагів можуть бути трудомісткими і займати багато часу. Тому для лікування великої кількості риб успішно застосовуються фагоінкорпоровані раціони (корми з фаговим покриттям), які забезпечують безперервну доставку фагів у визначений час..
Загалом, фагова терапія як альтернатива антибіотикам для лікування бактеріальних захворювань в аквакультурі все ще перебуває на ранніх стадіях розвитку. Вона потребує подальшого вивчення чутливості вірулентних штамів бактерій до фагів, їхніх генетичних особливостей, пов’язаних з патогенністю, а також коеволюції фаг-бактерія, перш ніж її можна буде повністю визнати доцільною.
Посилання на оригінал цієї статті : A review of bacteriophage therapy in aquaculture
