Вирусы и бактериофаги

ЛЕКЦИЯ № 4

Особенности строения и  жизнедеятельности вирусов и  бактериофагов. Препараты бактериофагов  для лечения и профилактики инфекционных заболеваний.

Вирусы не имеют клеточного строения. Это неклеточные формы  жизни. Они относятся к царству Vira. Размеры выражаются в нанометрах (нм); 1 нм =  10^-3 мкм. Они не видны в световой микроскоп и проходят через бактериальные фильтры.

 Вирусы были открыты  в 1892 г. Д.И. Ивановским. В настоящее  время известно больше, чем 600 возбудителей  вирусных инфекций  у человека: оспы, бешенства, гриппа, паротита, кори, полиомиелита, клещевого энцефалита, геморрагической лихорадки, СПИДа и др.

 Вирусы – это  облигатные внутриклеточные паразиты. Они  проникают  в живую  клетку и  размножаются внутри  клетки. Поэтому на искусственных питательных средах вирусы расти не могут.

 Выделяют две формы  вирусов: а) внеклеточная форма  – вирион;  сформированная вирусная частица; б) внутриклеточная форма или вегетативная форма – размножающийся вирус.

Строение вириона.

 Морфологию и структуру  вирионов изучают при помощи электронного микроскопа. Вирионы имеют размеры от 15-18 нм-300-400 нм  и различную форму: палочковидная, пулевидная, сферическая  и др

Вирионы состоят из ДНК или РНК и белков. Это комплексы нуклеиновых кислот и белков - нуклеопротеиды. ДНК или РНК находятся в центре, а снаружи – одна или две оболочки.

Функции ДНК или РНК - хранение и передача наследственной информации.

Функции белков: а) защитная функция (белки капсида);б) стабилизация структуры нуклеиновой кислоты (внутренние белки);в) ферментативная функция; ферменты вирусной частицы участвуют в проникновении в клетку (лизоцим, АТФаза и т.д.), в репликации и транскрипции (ДНК- и РНК-полимеразы).

Если вирусы имеют  одну оболочку, они называются простыми. Эта оболочка состоит из белковых субъединиц – капсомеров и называется капсид. Нуклеиновая кислота и капсид вместе называются нуклеокапсидом.

Если вирусы имеют  две оболочки они называются сложными. Вторая оболочка называется суперкапсид. Суперкапсид образуется при выходе вируса из клетки-хозяина, поэтому в его составе имеются углеводы и липиды мембраны этой клетки.

Липиды  и углеводы сложных вирусов образуют комплексы с белками – липопротеиды и гликопротеиды. Они защищают вирусы от неблагоприятных условий. Гликопротеиды – вирусные антигены – гемагглютинины, которые вызывают реакцию агглютинации эритроцитов.

В основу классификации  вирусов положены следующие принципы: тип нуклеиновой кислоты, ее структура, количество нитей, размер и морфология вирионов, количество капсомеров и  тип симметрии, наличие суперкапсида, чувствительность к эфиру и дезоксихолату, место размножения в клетке, антигенные свойства и др.

Вирусы делят на два подцарства: ДНК-вирусы и РНК-вирусы. Название семейства оканчивается на viridae, подсемейства – на  virinae, рода -  на virus. Вид вируса не получил бинарного названия как у бактерий. Например, вирус бешенства – РНК-вирус, относится к семейству Rhabdoviridae, роду Lyssavirus.

Взаимодействие вируса с клеткой.

Размножение вирусов  протекает внутри живой клетки-хозяина. Нуклеиновые кислоты и белки  синтезируются клеткой-хозяином раздельно в разных частях клетки. После этого они объединяются друг с другом. Такой способ называется разобщенная или дизъюнктивная репродукция.

Репродукция вирусов  внутри клетки протекает в несколько стадий.

1. Адсорбция – прикрепление вирусов к поверхности клетки на рецепторах. Для этого у вирусов также имеются специальные поверхностные структуры (шипы). Они специфически прикрепляются к рецепторам клетки.

2. Проникновение в клетку – вирусы проникают в клетку двумя способами: а) пиноцитоз; б) слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной.

3. Дезинтеграция ("раздевание") – удаление оболочек и освобождение ДНК или РНК. Вирусная частица распадается на  нуклеиновую кислоту и белки. В результате вирус нельзя обнаружить в клетке никакими чувствительными методами, он как бы исчезает, растворяется. Это явление называется эклипс – "затмение".

4. Синтез ДНК или РНК и вирусных белков. Для репликации, транскрипции и трансляции используются: а) ферменты клетки-хозяина; б) вирионные ферменты; в) вирусиндуцированные ферменты (информация об их структуре содержится в геноме вируса, а синтез протекает внутри клетки).

5. Сборка (морфогенез) вириона – нуклеиновые кислоты и белки соединяются друг с другом.

6. Выход из клетки – вирусные частицы выходят из клетки двумя способами: а) одновременно через отверстия в мембране клетки; б) почкование; при этом образуется суперкапсид у сложных вирусов.

Выделяют несколько типов взаимодействия вируса с клеткой:

а) продуктивный тип – активная репродукция с выходом вируса из клетки;

б) абортивный тип – образование вирионов внезапно прерывается на какой-то стадии;

в) вирогения – встраивание (интеграция)  нуклеиновой кислоты вируса в ДНК клетки-хозяина. Встроенный вирус называется ДНК-провирус. В результате клетка приобретает ряд новых свойств (могут возникнуть аутоимунные хронические заболевания, опухоли).

Микроскопические методы обнаружения вирусов.

Большинство вирусов  обнаруживают при помощи электронной  микроскопии. При помощи электронной микроскопии выявлено большое разнообразие морфологии вирусов и изучена ультраструктура вирусных частиц.

В световом микроскопе видны только  крупные вирусы (200 нм и больше). Эти  вирусы окрашивают по Романовскому-Гимзе  и рассматривают при иммерсионной микроскопии.

Вирусы меньше, чем 200 нм окрашивают серебрением по Морозову. Они увеличиваются  в размерах и под световым микроскопом  вирусы имеют черный цвет и круглую  форму. Вирусы оспы, окрашенные по Морозу, - тельца Пашена.

Для диагностики вирусных инфекций в пораженных клетках обнаруживают вирусные тельца или включения. Это скопления вирусных частиц или колонии вирусов в клетке. Они окрашиваются специальными методами и изучаются с помощью светового микроскопа. Образование внутриклеточных включений отмечено при многих вирусных инфекциях. Включения имеют разную величину (от 0,25 до 20-30 нм) и форму (круглая, овальная, грушевидная, веретенообразная, неправильная).

Например, при бешенстве в цитоплазме нервных клеток обнаруживаются тельца Бабеша-Негри. При натуральной оспе в цитоплазме эпителиальных клеток обнаруживаются тельца Гварниери.

Морфология бактериофагов  и особенности их взаимодействия с бактериальной клеткой.

Бактериофаги ("пожиратели бактерий") – это вирусы бактерий. Размеры такие же, как у вирусов, – 20 – 200 нм. Как и вирусы, бактериофаги проходят через бактериальные фильтры  и размножаются только в живых клетках. Бактериофаги в природе находятся там, где бактерии: в воде, почве, молоке, в организме людей и животных.

С помощью электронного микроскопа показано, что большинство бактериофагов имеют форму головастика или сперматозоида. Они состоят из головки  и хвостового отростка. Отросток – стержень с чехлом. Стержень заканчивается шестиугольной пластинкой с короткими шипами, от которых отходят фибриллы. Чехол может сокращаться. Внутри головки находится  ДНК.  ДНК окружена капсидом. В отростке находятся ферменты – лизоцим и АТФаза. Они участвуют  в проникновении фага в клетку.

Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой называется бактериофагией. Стадии взаимодействия фага с клеткой такие же, как и у вирусов: адсорбция, проникновение в клетку, синтез  нуклеиновых кислот и белков, морфогенез, выход из клетки. Но имеются особенности. Фаги обладают строгой специфичностью взаимодействия. Определенный фаг взаимодействует с определенным видом или даже подвидом бактерий. По этому название бактериофагов такие же, как видовые или родовые названия тех бактерий, с которыми они взаимодействуют. Например, стафилофаги, дизентерийные фаги и т.д.

Интересен процесс проникновения фагов с хвостовыми отростками в клетку. Эти фаги адсорбируются при помощи фибрилл,  сокращается чехол (при помощи АТФазы), и стержень внедряется в клетку (при помощи фермента лизоцима). ДНК проходит через стержень в цитоплазму клетки. Капсид и отросток остаются вне клетки. Через 5 минут начинается синтез  нуклеиновых кислот и белков, а через 30-40 минут бактериальная клетка  разрушается (лизируется). В окружающую среду выходит около 200 новых фаговых частиц.

Явление бактериофагии  можно обнаружить при выращивании бактерий на жидких и плотных питательных средах. На жидких средах при действии фагов наблюдается просветление жидкости с бактериальной культурой. . На твердых средах на фоне сплошного роста бактерий образуются  стерильные пятна круглой или неправильной формы.  Они образуются на месте разрушения (лизиса) бактерий.  Это "негативные колонии" бактериофага.

Различают: а) поливалентные фаги – взаимодействуют с родственными видами бактерий; б) моновалентные – взаимодействуют с одним определенным видом; в) типовые фаги – взаимодействуют с отдельными вариантами (типами) данного вида бактерий.

 Фаги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги проникают в клетку, размножаются в ней и вызывают ее лизис. Умеренные фаги проникают в клетку и  встраиваются в хромосому бактерии. Лизис при этом не происходит. Встроенный в хромосому бактерии фаг называется профагом. Бактериальные клетки, содержащие профаг, называются лизогенными, а само явление – лизогения. Лизогенные  бактерии имеют дополнительные свойства (образование токсинов и др). Изменение свойств называется фаговой конверсией. Под влиянием УФ лучей и химических веществ профаг может превращаться в вирулентный фаг. Это явление называется индукцией фага.

Умеренные фаги – мощный фактор изменчивости микроорганизмов и могут  нанести вред микробиологическому производству

Получение и  применение бактериофагов. Для получения препаратов бактериофагов используют проверенные производственные штаммы фагов и соответствующие им типичные культуры бактерий. В бактериальную культуру в жидкой питательной среде вносят маточную взвесь фага.  После просветления  (лизиса) культуру фильтруют через бактериальные фильтры, и фильтрат вносят в свежую культуру соответствующих бактерий и т.д. После накопления достаточного количества фага лизированную им культуру бактерий вновь фильтруют,  и получают препарат фага.

Таким образом, препараты  фагов получают путем многократного пассирования через чувствительную бактериальную культуру, а сами препараты фагов – фильтраты бульонных культур лизированных ими бактерий. Это прозрачные жидкости светло-желтого цвета, а также на их основе готовят другие лекарственные формы - таблетки с кислотоустойчивым покрытием, мази, аэрозоли, свечи.

 Применение фагов  основано на их строгой специфичности. Они используются для:

а) диагностики инфекционных заболеваний (диагностические препараты): с помощью известного фага можно определить вид или подвид бактериальной культуры;

б) лечения и профилактики заболеваний (лечебно-профилактические препараты).

Лечебно-профилактические препараты бактериофагов.

В настоящее время  в Российской Федерации выпускают  бактериофаги для лечения и профилактики кишечных инфекций: дизентерийный поливалентный, сальмонеллезный поливалентный групп АВСДЕ, брюшнотифозный и бактериофаги против основных возбудителей гнойно-воспалительных заболеваний: стафилококковый, стрептококковый, синегнойный, протейный, клебсиеллезный, коли-фаг. Разработаны комбинированные препараты: коли-протейный, пиобактериофаг (против стафилококков, стрептококков, клебсиелл, протея, синегнойной и кишечной палочек), интести–бактериофаг (против шигелл, сальмонелл, стафилококков, энтерококков, кишечной и синегнойной палочек, протея).

 Поливалентные препараты – смеси из нескольких фагов против различных типов одного вида бактерий. Комбинированные препараты – смеси из фагов против бактерий разных видов.

Механизм действия: 1) лизис (гибель) бактерий в очаге воспаления; 2) стимуляция иммунитета.

 Преимущества: 1) специфичность действия (вызывают гибель определенного вида бактерий); 2) не подавляют нормальную микрофлору организма человека, как антибиотики; 3) нет противопоказаний и осложнений; 4) можно использовать в сочетании с другими лекарственными средствами; 5) активны против бактерий, устойчивых к антибиотикам; 6) можно использовать для профилактики заболеваний.

Недостатки: 1)  быстро выводятся из организма; 2) срок годности  12 – 24 мес; 3) хранятся при температуре +2 - 10°С.

Важное условие успешного применения бактериофагов: чувствительность возбудителя к данному бактериофагу. Лечение фагами нужно начинать в первые дни заболевания. Вводить препараты нужно в места локализации возбудителя.

Препараты назначают внутрь (через  рот и в виде клизм), местно для  орошения ран и слизистых оболочек, вводят в полости матки, мочевого пузыря, уха, придаточных пазух, в брюшную и плевральную полости, а также в полости абсцессов после удаления гноя и экссудата. Так как бактериофаги разрушаются  кислотами, поэтому препараты, которые назначают для приема через рот, имеют кислотоустойчивое покрытие.

Отсутствие противопоказаний и  осложнений, возможность использования  в сочетании с другими средствами, в том числе антибиотиками, активность в отношении антибиотикорезистентных  штаммов и адаптация бактериофагов  к современным возбудителям – все это позволяет оценить препараты бактериофагов как высокоэффективное и перспективное средство экстренной терапии гнойно-септических и кишечных инфекций.