חיידקים ונגיפים וגם שאר היצורונים המקיפים אותנו מכל עבר, משפיעים על חיינו מכל מיני כיוונים. בבלוג אספר על אלה המוזכרים מדי פעם בחדשות וגם לחדשות מדעיות הקשורות בהם. כמו כן אשתף אתכם גם בתמונות ודיווחים על יצורים גדולים יותר, שבהם אצפה בטבע. בלוג זה גם יהווה ארכיון לחומרים שכתבתי בעבר ורלוונטיים לנושא.

9.1.08

בקטריופאגים - לקטול חיידקים זו ההתמחות שלהם

לא קל לקטול חיידקים, אך יש נגיפים שמתמחים בכך. האם אפשר להיעזר בהם בטיפול או במניעה של מחלות הנגרמות על-ידי חיידקים?

יצור רב-תאי, כמונו למשל, נולד קטן, גדל, מעמיד צאצאים (או שלא) ובסופו של דבר מסיים את חייו. חיידקים, לעומת זאת, גדלים כל עוד יש להם מה לאכול (הדרישות של רבים מהם אינן בשמיים - רק מים, קצת מלחים וסוכרים), ולבסוף מתחלקים לשניים. סיום החיים אינו משהו המובנה בהם. אך בכל זאת, רבים מהם מסיימים את חייהם בדרכים טבעיות, ובאחת מהן אדון הפעם.

נגיפים תוקפי חיידקים
הבקטריופאגים - נגיפים התוקפים חיידקים - גורמים לפיצוץ (lysis) של תאי החיידקים שבהם הם מתרבים. העדויות הראשונות לקיומם פורסמו ב-1896, כאשר הבקטריולוג (חוקר החיידקים) האנגלי שעבד בהודו ארנסט הנקין (Hankin) טען שגורם מסתורי במימי נהרות הגנגס והג'ומנה גורם להיעלמות חיידקי הכולרה מהתרביות שחקר. הנקין הבין שגורם זה איננו חיידק, כיוון שסינן את המים וסילק מהם חיידקים. שנתיים אחר-כך צפה בתופעה דומה הבקטריולוג הרוסי ניקולאי גמליה (Gamaleya), בחיידקי Bacillus subtilis. תצפיות נוספות בתופעה המוזרה דווחו מדי פעם, אך לא היה להן המשך.

כשני עשורים אחר-כך, בשנת 1915, דיווח החוקר הבריטי פרדריק טווֹרְט (Twort) על בידוד מיקרואורגניזמים היכולים לעבור דרך מסננים המונעים מעבר חיידקים (כלומר קטנים מ-200 ננומטר), שבאמצעותם הצליח ליצור מוקדים צלולים על מרבד של חיידקים בצלחת.

מוקדים של בקטריופאגים
הבקטריופאגים, וגם נגיפים אחרים, הם קטנים מכדי להיראות בעין האנושית, ואף במיקרוסקופי האור הטובים ביותר (מלבד יוצאי דופן ספורים, כנגיף האבעבועות השחורות); כדי לראותם חייבים להשתמש במיקרוסקופים אלקטרונים. אך רוב הווירולוגים (חוקרי הנגיפים) אינם משתמשים במיקרוסקופ אלקטרונים לצורך עבודתם, אלא מתבוננים במוקדים של נגיפים על מרבדים צפופים של תאים, ומשתמשים בתכולתם של מוקדים אלה.




מוקדים צלולים בתרבית חיידקים
צילום: דרור בר-ניר

מוקדים של בקטריופאגים
מוקד נוצר כאשר על מרבד מתפתח של חיידקים (בצלחת פטרי) נמצא חיידק המודבק בבקטריופאג. כאשר הבקטריופאג מסיים להתרבות, החיידק מתפוצץ, והבקטריופאגים המשתחררים ממנו מדביקים את כל החיידקים השכנים. גם אלה מתפוצצים לאחר זמן ומדביקים את שכניהם, וכן הלאה. המשך התהליך היה גורם לכך שכל החיידקים בצלחת היו מתפוצצים, אלא שבקטריופאגים יכולים להתרבות בתוך חיידקים מתחלקים בלבד - וכשאלה מפסיקים להתחלק, נעצרים מחזורי ההדבקה של הבקטריופאג.

כתוצאה מכך נוצר מוקד - עיגול צלול, חסר חיידקים, על המרבד העכור של החיידקים הצפופים. כל מוקד כזה התחיל בבקטריופאג בודד שהדביק חיידק אחד. כל מוקד מכיל מיליוני בקטריופאגים - כולם צאצאיו של אותו נגיף ראשון, שאמנם אינם נראים בעין, אך ניתנים לאיסוף ולהמשך העבודה.


עוד לפני כן, במקסיקו, בשנת 1910, נתקל הבקטריולוג הקנדי-צרפתי פליקס דְהֵרל (d'Herelle), שחקר מחלה קטלנית של ארבה, בתופעה דומה - הופעת מוקדים צלולים על מרבדי החיידקים שבודד מהחרקים. אך רק ב-1917, כשעבר למכון פסטר בפריז וניסה לפתח חיסון כנגד חיידקי Shigella שגרמו לשלשולים (מחלת הדיזנטריה) בקרב החיילים הצרפתים במלחמת העולם הראשונה, ושב ונתקל בתופעה, הבין דהרל שלפניו נגיפים התוקפים חיידקים, והוא שהמציא להם את השם "בקטריופאגים" - אוכלי החיידקים (פאגוס ביוונית פירושו "אוכל"), וטבע את השם "מוקדים" (plaques) למוקדים הנקיים מחיידקים.

דהרל היה הראשון שהעלה את הרעיון להשתמש בבקטריופאגים כאמצעי לטיפול במחלות הנגרמות על-ידי חיידקים. ב-1919 הצליחה קבוצתו של דהרל לטפל בהצלחה בכמה חולי דיזנטריה בתרחיף של נגיפים, שאותו הכינו על-ידי הוספת תכולתו של מוקד צלול למבחנה ובה תרחיף של חיידקים גדלים. את התרחיף שתו תחילה החוקרים בעצמם, כדי לוודא את בטיחותו. דהרל ועמיתיו ערכו גם ניסיונות מוצלחים בטיפול באמצעות נגיפים בחולי כולרה ודֶבר בהודו.

קבוצה נוספת שהחלה לטפל בהצלחה בזיהומים חיידקיים, בעיקר בפצעי ניתוחים שהזדהמו בסטפילוקוקים, היתה קבוצתם של ריצ'רד ברוינוף (Bruynoghe) וג'וזף מייסין (Maisin). הכיוון נראה מבטיח - בשנות הארבעים של המאה ה-20 ייצרו שתי חברות גדולות, לוראל בצרפת ואלי לילי בארצות-הברית, בסך-הכל תריסר תכשירים מסחריים של בקטריופאגים שונים.

מה שעצר את התפתחות התחום, לפחות במה שמכונה היום "המערב", היה גילוי החומרים האנטיביוטיים. החומרים האנטיביוטיים הצטיירו בעיני רבים כתרופת הפלאים שתפתור את בעיית המחלות החיידקיות, והצורך בבקטריופאגים כתרופה נוגדת-חיידקים נדחה הצדה. במקביל החלו להשתמש בבקטריופאגים ככלי מחקר עיקריים בביולוגיה המולקולרית, ודהרל נחשב לאחד ממייסדיה.

בברית-המועצות, בגרורותיה ובצאצאיה המדיניים המשיכו לפתח ולהשתמש בבקטריופאגים לריפוי מחלות. שני מכונים הובילו את המחקר בתחום הטיפול באדם: מכון הירצפלד (Hirszfeld) בפולין, שנוסד ב-1952, ומכון אליאבה (Eliava) בגאורגיה (גרוזיה), שפליקס דהרל היה בין מייסדיו ב-1923, ואף היה משתקע בו אלמלא נאסר המייסד והמנהל, הבקטריולוג גאורגי אליאבה (Eliava), ב-1937 על-ידי משטרו של סטאלין.

בעקבות הופעת זנים עמידים לחומרים אנטיביוטיים של חיידקים פתוגנים רבים, החל גם המערב לשוב לאופציה הנגיפית. לאופציה הנגיפית יש יתרון על האופציה האנטיביוטית (הדועכת) גם בכך שהפגיעה הנגיפית היא ייחודית מאוד ואפשר לכוונה לחיידק הפתוגני בלבד, בעוד שהחומרים האנטיביוטיים פוגעים באופן בלתי ייחודי, ולכן מזיקים גם לחיידקי הפלורה הטבעית, שלהם חשיבות רבה לבריאות המטופל. פגיעה בחיידקים אלה עשויה לגרום למחלה חיידקית משנית, למשל דלקת המעיים החמורה (pseudomembranous colitis) שגורם החיידק Clostridium difficile, המשגשג בעקבות הפגיעה בפלורת החיידקים התקינה של המעיים.

לטיפול בנגיפים יתרון נוסף: כאשר מתפתחת עמידות של חיידקי המטרה כלפי הבקטריופאג (בדרך-כלל כתוצאה ממוטציה בחלבון המעטפת המשמש קולטן לנגיף), אפשר לאתר בזמן קצר יחסית נגיף אחר, או מוטנט של אותו הנגיף, שיקטלו את החיידק. מציאת אנטיביוטיקה חדשה היא תהליך ממושך ויקר יותר.

חסרונו של השימוש בבקטריופאגים הוא, בין השאר, בקושי לפגוע בחיידקים שהם טפילים תוך-תאיים, למשל הכלמידיות והריקֶציות. מכיוון שחיידקים אלה נמצאים בתוך תאי המארח, לא ברור עדיין איך יצליחו להביא את הבקטריופאגים עד אליהם.

הבקטריופאג כמזרק ל-DNA
הבקטריופאגים, הדומים במרבית תכונותיהם לנגיפים האנימליים (נגיפים התוקפים בעלי-חיים), נאלצים להתגבר על בעיה מיוחדת. תאי מרבית החיידקים מוקפים בדופן קשיחה שאינה מאפשרת חדירת נגיפים. כדי להתגבר על הבעיה מצוידים חלק מהבקטריופאגים במבנה מיוחד: לקופסית החלבונית העוטפת את החומר התורשתי של הנגיף מחובר צינור חלול, העטוף בזנב חלבוני שיכול להתכווץ. לאחר היצמדות הנגיף לחלבון מיוחד במעטפת של החיידק, מתכווץ הזנב החלבוני, ואז חודר הצינור, כמו מחט של מזרק, דרך הדופן והממברנה אל תוך תא החיידק. דרך הצינור מועבר החומר התורשתי אל תוך החיידק - המעטפת של הנגיף נשארת מחוץ לתא, כפי שרואים באיור.



מימין: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של בקטריופאג. משמאל: תרשים של העברת החומר התורשתי אל תוך החיידק

חלקים מה-DNA משועתקים מיד ומתורגמים לחלבוני המעטפת של הנגיף. בד בבד מוכפל החומר התורשתי הנגיפי, לעתים במאות עותקים. בתוך דקות אחדות מתמלא התא החיידקי בעשרות עד מאות בקטריופאגים. החיידק מתפוצץ, וכל הבקטריופאגים מתפרצים החוצה ו"מחפשים" להם קרבנות חדשים.

מגוון של בקטריופאגים ושיטה לזיהוי חיידקים
בהמשך המחקר נמצאו בקטריופאגים רבים, והתברר שמרביתם ייחודיים למאכסן, ואפילו לזנים מסוימים של אותו מאכסן, ורק מיעוטם יכולים להדביק מאכסנים שונים. הנגיפים הייחודיים מכונים בדרך-כלל על שם המאכסן שלהם בצירוף כינוי כלשהו. Coliphage λ ו-coliphage T4, למשל, הם נגיפים של Escherichia coli. Staphylophages הם נגיפים המדביקים סטפילוקוקים.

הייחודיות של ההדבקה מאפשרת למעבדות, המחזיקות מגוון רב של בקטריופאגים, לזהות ולהבדיל בין הזנים השונים המעורבים במגפות ובהתפרצויות של מחלות חיידקיות.

התרומה הבקטריופאגית לאלימות החיידקית
עד כה הכרנו את הבקטריופאגים הקוטלים תמיד את החיידקים המאכסנים אותם. ואולם, לחלק מהבקטריופאגים יש תכונה נוספת - הם יכולים להישאר בתא המאכסן במצב רדום, המכונה פרופאג (prophage), תוך שהם מהווים בעצם חלק מהגנום החיידקי. אך כאשר החיידק נפגע, הם יכולים "להתעורר" ולעבור למצב ה"קטלני" (הליטי), להתרבות, להיחלץ מהחיידק ולחפש מאכסנים אחרים. מסתבר שבקטריופאגים כאלה, במצב הפרופאג, נושאים עמם לעתים גנים הבאים לידי ביטוי בחיידק.

יש חיידקים שהפרופאגים מהווים חלק משמעותי (20-10%) מהגנום שלהם. הזן הפתוגני של E. coli, O157:H7, למשל, מכיל 18 פרופאגים שונים, המהווים כ-16% מהגנום. יש שגנים אלה מקנים לחיידקים את היכולת לגרום מחלות: רעלנים של חיידקים שמקורם בגנים של פרופאגים מקנים ל-Clostridium botulinum את היכולת לגרום לבוטוליזם, ולחיידק Corynebacterium diphtheriae את היכולת לגרום לקרמת (דיפטריה). גם לחיידק Streptococcus pyogenes, הגורם לדלקת הגרון ולפעמים גם למחלות חמורות יותר, מתווסף לעתים פרופאג המקודד לרעלן הגורם לפריחה האופיינית של מחלת השנית (סקרלטינה). גם דיזנטריה נגרמת על-ידי זנים מכילי פרופאגים מקודדי רעלנים של E. coli ו-Shigella. צמדנים חלבוניים שמקורם בפרופאגים מאפשרים ל-Streptoccoccus mitis (המוכר לנו כגורם העששת) להצמד לטסיות הדם ובאמצעותן להגיע לקרום הלב ולגרום שם לדלקת. ליכולת החדירה לתאים של זני Salmonella אחראית מערכת העברה שמקורה בפרופאג.


לסיכום
בקטריופאגים הם טפילים של חיידקים, שלרוב גורמים למותם. בתקופה הנוכחית, לקראת סוף העידן האנטיביוטי, ייתכן שבקטריופאגים יחליפו את החומרים האנטיביוטיים כטיפול בחולים במחלות חיידקיות. לנגיפים במצב "רדום" יש תרומה גנטית משמעותית לחיידק המאכסן, ויש שהם מקנים לו תכונות חדשות, התורמות ליכולתו לגרום מחלה.

והעיקר שנהיה בריאים.

קישורים

מאמר מסכם (באנגלית) בנושא הריפוי באמצעות בקטריופאגים:
A. Sulakvelidze, Z. Alavidze and J.G. Morris (2001), Bacteriophage Therapy, Antimicrobial Agents and Chemotherapy 45(3): 649-659.

ש. מ. ששא (2004), הטיפול בבקטריופאגים בזיהום מחיידקים , "הרפואה" 143, 121-125.

שתי כתבות מעיתון "הארץ" באתר "הידען":
תנו לפאגים לנצח - הבקטריופאגים - התרומה של גרוזיה למדע, אביבה לורי (יולי 2005).
האם הבקטריופאגים יהיו התחליף לאנטיביוטיקה? - לורנס אוסבורן, כתבה מה"ניו-יורק טיימס", תורגמה ב"הארץ" (אפריל 2000).

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 113, עמ' 67-64, ינואר 2008.


אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה