Фаги заставляют бактерии производить биопрепараты в кишечнике

Пероральная доставка лекарств в организм остается предпочтительной как наименее инвазивная, но она не подходит для всех типов препаратов. Например, если лекарство необходимо в кишечнике, оно должно устоять в кислой и протеолитической среде верхнего отдела желудочно-кишечного тракта. Если нужна системная доставка, лекарство должно впитываться в значительных количествах. А ежедневный прием препаратов ассоциирован с несоблюдением режима.

Были предприняты попытки доставлять в кишечник микроорганизмы, которые производят биологические препараты в нижних отделах желудочно-кишечного тракта, но они вступают в конкуренцию с местными комменсальными бактериями. В новой работе исследователи из США показали, что генетически модифицированные вирулентные фаги можно использовать для перепрограммирования бактерий, которые будут экспрессировать и высвобождать терапевтические белки.

Сначала авторы проверили, приведет ли лизис бактерий, вызванный фагом, к высвобождению значительного количества внутриклеточного белка. Они заражали вирулентным фагом T4 бактерии Escherichia coli K-12, которые конститутивно экспрессируют особую форму зеленого флуоресцентного белка (superfolder green fluorescent protein, sfGFP). При лизисе бактерий в супернатанте значительно повышалось содержание sfGFP.

В следующих опытах целевой ген sfgfp вместе с различными промоторами помещался в фаг. Бактерии заражались фагами, после чего авторы наблюдали за флуоресценцией супернатанта. Без промотора или с сильным конститутивным бактериальным промотором флуоресценция значительно не росла. Лучше всего работали один ранний промотор и два поздних промотора фага, авторы остановились на промоторе gp22.

Далее опыты проводили на мышах. Бактерия E. coli K-12, изначально изолированная из человеческих фекалий, плохо колонизирует мышиный кишечник. Поэтому мышам сначала давали стрептомицин, потом — одну дозу кишечной палочки, далее — фаг T4 или T4::sfgfp. Через четыре дня бактерии и фаги все еще присутствовали в кишечнике, хотя уровень E. coli в фекалиях у некоторых мышей был ниже лимита детекции. В слизистой оболочке мышей наблюдалась флуоресценция при заражении фагом T4::sfgfp.

Авторы получили фаги, продуцирующие ингибитор сериновой протеазы (серпин). При язвенном колите инфильтрация нейтрофилов повышает активность эластазы нейтрофилов, что стимулирует воспаление и может нарушать работу терапевтических антител. Серпины регулируют активность эластазы нейтрофилов. Авторы получили фаги, кодирующие ген serpinb1a под контролем промотора gp22. Чтобы проверить активность серпина, его очистили из фаговой культуры и инкубировали с эластазой нейтрофилов. Действительно, активность серпина была сравнимой с ингибитором сивелестатом.

Мышиную модель колита колонизировали E. coli, после чего ввели фаг T4::serpin. Через девять дней мыши, получившие фаги, кодирующие серпин, набрали больше веса, чем получившие просто фаги. Активность эластазы нейтрофилов в фекалиях у них была ниже. А нейтрофилы кишечника у них экспрессировали больше CD24, маркера, связанного с подавлением воспаления.

Ранние исследования показали, что ежедневный прием бактерий, экспрессирующих эндогенный белок-шаперон, ClpB, подавляет набор веса в мышиной модели ожирения и у людей. Авторы получили фаг, кодирующий ген clpb. Такие фаги производят меньше потомков, так как ресурсы затрачиваются на синтез ClpB.

Мышиную модель индуцированного диетой ожирения колонизировали E. coli K-12. Три группы мышей получали буфер, T4 или T4::clpB. На третий день мышей перевели на высокожировую диету, чтобы вызвать ожирение. У кишечной палочки, заселявшей кишечник, не вырабатывалось устойчивости к фагу. Фаг T4::clpB повышал экспрессию ClpB, и мыши, получившие этот фаг, весили меньше, чем получившие буфер или T4. Также у них снижалась экспрессия провоспалительных цитокинов. Такая терапия не влияла на органы мыши при гистопатологическом анализе, не меняла уровни глюкозы, азота мочевины, креатинина, общего белка, не снижала разнообразие микробиоты кишечника.

Модифицированная кишечная палочка секретирует терапевтические нанотела в кишечнике