- По прогнозам ВОЗ, к 2050 году устойчивость к противомикробным препаратам станет причиной 10 миллионов смертей в год и нанесёт значительный экономический ущерб.
- Проблема, вероятно, будет усугубляться и дальше, поскольку за последние десятилетия не было открыто почти ни одного нового антибиотика.
- Именно в этой области терапия бактериофагами, возрождённая искусственным интеллектом и микробиологией, может помочь решить проблему устойчивости к противомикробным препаратам.
Призрак пост-антибиотической эпохи, в которой обычные инфекции снова могут оказаться смертельными, поднимает свою голову.
Действительно, по прогнозам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) к 2050 году станет причиной 10 миллионов смертей в год и нанесёт значительный экономический ущерб.
В довершение ко всему, запасы новых антибиотиков почти исчерпаны, и за последние несколько десятилетий не было открыто почти ни одного нового антибиотика.
На смену этой пустоте приходит терапия бактериофагами, возрождённая искусственным интеллектом (ИИ) и современной микробиологией.
Невыполненное обещание бактериофагов
Эти бактериофаги — вирусы, которые заражают и размножаются только в бактериальных клетках и для краткости называются «фагами», — были впервые обнаружены и названы Феликсом д’Эрелем, франко-канадским учёным из Института Пастера в Париже, в 1917 году.
Фаги — самые распространённые биологические объекты на Земле. Они нацелены исключительно на бактерии и уничтожают их, делая их безвредными для любых клеток — человеческих или других. На самом деле в человеческом организме содержится больше фагов, чем собственных клеток.
Терапевтический принцип фаготерапии заключается в выделении определённых фагов из окружающей среды, выявлении тех, которые эффективны против конкретной патогенной бактерии (например, Salmonella), а затем в выращивании этих отобранных фагов до высокой концентрации для введения.
Однако этот ранний успех, продемонстрированный в работе д’Эреля, вскоре был омрачён появлением пенициллина, открытого Александром Флемингом в 1928 году, что положило начало эпохе антибиотиков. Эти новые «чудо-препараты» обладали широким спектром действия, были относительно просты в производстве и давали замечательные клинические результаты, быстро завоевав внимание медиков и промышленников.
Внедрение фаговой терапии столкнулось со значительными практическими трудностями из-за технологических ограничений начала и середины XX века. Из-за несовершенства технологий было сложно постоянно выделять определённые фаги, поскольку поиск нужного фага для конкретного штамма бактерий был невероятно трудоёмким процессом, выполняемым вручную.
Это, наряду с другими проблемами, связанными со стандартизацией методов лечения для достижения надёжного эффекта и масштабированием производства, представляло собой серьёзное препятствие. Кроме того, существующие нормативно-правовые базы, разработанные для химических препаратов, плохо подходили для этих биологических агентов.
Следовательно, по мере развития производства антибиотиков исследования и применение фагов во многих западных странах отошли на второй план. Однако нынешний глобальный кризис, вызванный устойчивостью к противомикробным препаратам и усугубляемый критически низким уровнем разработки новых антибиотиков, вновь привлек внимание учёных к фагам.
ИИ обеспечил современную революцию в микробиологии
В настоящее время поиск подходящего фага для пациента — это кропотливый ручной процесс. Ученые должны провести «фагограмму» — серию лабораторных тестов, которые похожи на подбор бесчисленного множества ключей к одному замку. Они физически смешивают каждый доступный фаг из своей библиотеки с конкретной бактериальной инфекцией пациента, чтобы определить, какой из них работает.
Чтобы найти наиболее подходящий фаг для одного пациента, потребовались бы сотни тысяч тестов, выполняемых вручную. Но лаборатории могут провести в лучшем случае несколько сотен тестов, что является одним из основных препятствий на пути к тому, чтобы фаговая терапия стала общепринятой медициной.
Однако последние достижения в области искусственного интеллекта (ИИ) могут помочь в решении таких проблем. Ожидается, что вскоре учёные смогут прогнозировать эффективность работы фага исключительно на основе его генетического кода, что ознаменует фундаментальный переход от ручных к цифровым моделям фагограмм.
Таким образом, мы приближаемся к разработке по-настоящему персонализированных и высокоэффективных способов борьбы с инфекциями с помощью терапии бактериофагами, что значительно повышает шансы на успех, особенно в тех случаях, когда предыдущие методы лечения не помогли.
Более того, понимание ИИ генетики фагов и прогнозируемых взаимодействий выходит за рамки определения оптимальных одиночных фагов, поскольку он может помочь в разработке «коктейлей» из фагов — то есть комбинаций фагов, необходимых для наиболее эффективного уничтожения бактерий-мишеней.
Это будет иметь решающее значение для разработки дальнейших методов лечения, поскольку бактерии генетически очень разнообразны, и один вид часто включает в себя множество штаммов, каждый из которых имеет свои особенности. Более того, их способность к адаптации означает, что устойчивость к отдельным терапевтическим средствам является постоянной угрозой.
Однако алгоритмы искусственного интеллекта уже могут помочь в решении таких проблем, создавая и ускоряя процесс разработки многофаговых коктейлей с высокой степенью сложности. В результате получается мощное терапевтическое средство, которое не только эффективно против широкого спектра бактериальных видов, но и значительно снижает вероятность возникновения резистентности.
Именно с этой задачей мы сталкиваемся в Phagos. Как объясняет наш технический директор Адель Джеймс: «Синергия между искусственным интеллектом и микробиологией коренным образом меняет подход к фаговой терапии. Теперь мы разрабатываем узкоспециализированные решения для борьбы с развивающимися бактериальными инфекциями за несколько недель, а не за годы. Это намного быстрее, чем обычно требуется для разработки нового лекарства».
Однако эти сложные модели ИИ могут быть созданы и масштабированы только благодаря не менее впечатляющим достижениям в области современной микробиологии и биоинженерии. Сложные автоматизированные платформы для высокопроизводительного скрининга позволяют быстро оценивать бесчисленные взаимодействия между фагами и бактериями. Затем эти обширные данные эффективно обрабатываются с помощью передовых инструментов биоинформатики, которые помогают выявить наиболее эффективные и специфичные фаги.
В то же время геномные инструменты позволяют составить карту ДНК этих отобранных фагов, что даёт нам полное представление об их сильных сторонах. Наконец, автоматизированные системы для работы с жидкостями значительно ускоряют и повышают точность процессов тестирования и подготовки к производству, открывая путь к масштабируемому производству.
Прокладывая путь в эпоху после антибиотиков
Сближение искусственного интеллекта и передовой микробиологии — это не просто теория; оно даёт ощутимые результаты, которые свидетельствуют о переходе от чрезмерной зависимости от традиционных антибиотиков. Это «возрождение фагов» уже демонстрирует свою практическую ценность в критически важных областях и указывает на более устойчивое будущее в борьбе с бактериальными угрозами.
В сельском хозяйстве, где устойчивость к противомикробным препаратам представляет значительную угрозу для наших систем производства продуктов питания, фаги предлагают целенаправленный метод борьбы с бактериальными заболеваниями. Например, было доказано, что фаги очень эффективны в борьбе с такими патогенами, как кишечная палочка на птицефермах. Это также значительно снижает потребность в антибиотиках, что приводит к повышению безопасности продуктов питания и уменьшению влияния устойчивости к противомикробным препаратам в этом секторе.
Когда речь заходит о здоровье человека, фаги обеспечивают новую линию защиты от инфекций с множественной лекарственной устойчивостью, когда другие методы лечения не помогают. Например, в заметном исследовании 2024 года, опубликованном в журналеNature Microbiology, были рассмотрены 100 последовательных случаев лечения бактериофагами сложных инфекций. Результаты показали клиническое улучшение в 77% случаев этих трудноизлечимых инфекций с полным уничтожением бактерий в 61% случаев.
Для того чтобы фаговая терапия действительно развивалась, необходимы специальные правила, обеспечивающие как безопасность, так и доступ пациентов. Продолжение инвестиций в исследования и разработки также жизненно важно для развития науки, поддержки надёжных клинических испытаний и, в конечном счёте, масштабирования производства.
Важно отметить, что сотрудничество между научными кругами, промышленностью и регулирующими органами будет иметь ключевое значение для стандартизации подходов и интеграции фагов в наши основные стратегии борьбы с устойчивостью к противомикробным препаратам.