Bakteriedrepende virus som alternativ til antibiotika

Ingar Olsen, Trude Handal og Per Løkken

Bakteriedrepende virus
som alternativ til antibiotika

Problemet antibiotikaresistens har nå nådd tannklinikker både i og utenfor Norge. Stadig flere rapporter viser resistensutvikling hos orale streptokokker og periodontale patogener som Prevotella intermedia og Porphyromonas gingivalis overfor betalaktamantibiotika (penicilliner, cefalosporiner), makrolider og tetracykliner. Sporadisk rapporteres også resistens blant Fusobacterium og Veillonella. Antibiotikaresistens vanskeliggjør behandlingen av orofaciale infeksjoner, og antibiotikasvikt er rapportert. Slike rapporter vil det bli flere av i årene fremover, og det er kommet en rekke forslag, bl.a. fra Sosial- og helsedepartementet til hvordan klinikeren skal hanskes med problemet. Skrekkscenariet er at den økende antibiotikaresistens skal føre til at bakterieinfeksjoner atter blir hyppige primære dødsårsaker. Denne artikkelen gjør rede for et gammelt behandlingsprinsipp som nå tiltrekker seg økende oppmerksomhet, nemlig bruk av bakterievirus (bakteriofager) som våre allierte i kampen mot bakterier. Bakteriofagbehandling er tidligere brukt mot antibiotikaresistente patogener bl.a. ved suppurative sårinfeksjoner, gastroenteritt, sepsis, osteomyelitt, empyem og pneumoni. I det prestisjetunge medisinske fagtidsskriftet Lancet ble det nylig påpekt at infeksjonsbehandling med bakteriofager kan ha fordeler fremfor antibiotika.

Antibiotikaresistens er et globalt problem som nå også har nådd tannklinikken (1–3). Stadig flere rapporter beskriver resistens hos viridansstreptokokker overfor betalaktamantibiotika, makrolider og tetracykliner og betalaktamaseproduksjon hos periodontale patogener som f.eks. Prevotella intermedia og Porphyromonas gingivalis (2, 3). Endog antibiotikasvikt er rapportert ved orofaciale infeksjoner (3). Situasjonen er bekymringsfull, og fra Sosial- og helsedepartementet er det kommet forslag til hvordan vi kan redusere resistensproblemet (4). I det velrenommerte medisinske tidsskriftet Lancet er det nylig blitt påpekt at bakteriofager kan ha fordeler fremfor antibiotika i behandlingen av bakterielle infeksjoner (5). I det følgende vil vi vurdere både fordeler og begrensninger ved slik behandling.

"Return of a killer"
Etter at bakteriofager var blitt oppdaget i 1915 av Frederick W. Twort og i 1917 av Felix d’Herelle ble de snart sett på som mirakelmedisin mot en rekke sykdommer. Lite var kjent om deres biologi, noe som førte til enkelte terapeutiske skivebommer. Da penicillin kom i bruk i 1940-årene, ble dette antibiotikum snart sett på som ufeilbarlig, og mange mistet derfor interessen for fagterapi.

Et halvt århundre etter at fagterapien ble kastet vrak på, er den på nytt i søkelyset. Det var i første rekke nobelprisvinner Joshua Lederberg som skapte ny interesse for fag gjennom en fargerik kommentar i Proceedings of the National Academy of Sciences, i 1996 (6). Som et mottrekk mot den økende antibiotikaresistens foreslo han at bakteriofagforskningen burde få en renessanse. Forslagets aktualitet er blitt forsterket ved at det nå opptrer såkalte "superbugs". Disse bakteriene, som har utviklet resistens mot de fleste antibiotika, truer med å bringe oss over i den postantibiotiske era. Fager i behandlingen av bakterier vi trodde kampen var vunnet mot, slik som stafylokokker, streptokokker og enterokokker, omtales nå håpefullt i litteraturen under titler som "The Virus that cures" og "Return of a killer" (7).

Bakteriofager
Bakteriofager er en klasse virus som infiserer bakterier. Hver enkelt type fag er meget spesifikk i sitt valg av bakterie som vertscelle. Bakteriofager kan ikke infisere celler fra organismer som er mer komplekse enn bakterier fordi overflate-egenskapene til slike celler ikke tillater faginvasjon (8). Fagene er bare ca. 1/40 av størrelsen til de fleste bakterier og finnes overalt hvor disse vokser. Det genetiske materialet er DNA eller RNA. Nukleinsyren kan være dobbelttrådet DNA, enkelttrådet DNA eller enkelttrådet RNA. Proteinkappen i bakteriofager har svært varierende oppbygning. Den kan være enkel med bare ett eller to gener for kappeproteiner. Andre fager er komplekse. Deres ikke-jordiske utseende: genfylte hoder, smale haler, basalplate, halepinner og edderkoppliknende ben (Fig. 1), tjener dem utmerket i rollen som uoppdragen husgjest.

Noen bakteriofager har en reproduktiv syklus med fire faser (Fig. 2 og 3). Disse ender med lyse av bakterien. Først bruker fagene bena til å feste seg til spesifikke reseptorer på bakteriens overflate. Deretter borer de halen inn i bakteriens cellevegg og injiserer sitt genmateriale i cellens cytoplasma (Fig. 2). Viruskromosomet tvinger så bakterien til å produsere nukleinsyrer og proteiner. Nye fager settes sammen fra disse komponentene. Snart er det produsert så mange nye datterceller av fagen – mer enn 100 i løpet av 30 min – at de får bakterieveggen til å briste. Derved ødelegges bakterien. De nydannede fagene kan så angripe andre bakterier og gjenta den lytiske syklus inntil det ikke er flere vertsceller igjen å "slakte". Slike fager kalles virulente fordi de ødelegger vertscellen.

En annen type fag tar ikke kontroll over verten når nye fager produseres. De ødelegger heller ikke vertscellen. I stedet forblir virusgenomet inne i vertscellen og reproduseres sammen med bakteriekromosomet. Herved produseres en klon av bakterier som ser helt normale ut. Hver av de infiserte bakteriene kan imidlertid produsere fager og lysere når omgivelsene stimulerer til dette. Denne relasjonen mellom fag og vert kalles lysogeni, og fagene som inngår, betegnes som tempererte. I fagterapi er det virulente fager som benyttes, ikke tempererte.

Farmakokinetikk – økologi
De selvreplikerende legemidler som benyttes ved fagterapi, har en farmakokinetikk som er svært forskjellig fra den til vanlige farmaka (9). En viktig forutsetning for vellykket fagterapi er at den starter når det er en optimal mengde bakterier til stede for fagenes formering. Denne kinetiske interaksjonsprosessen betegnes som farmakoøkologi: betydningen av relasjonen mellom mengden av angripere (fager) og mengden av bytte (bakterier) for behandlingsresultatet. Tidlig behandlingsstart gir ikke nødvendigvis et bedre resultat. Koadministrasjon av antibiotikum kan føre til at fagbehandlingen blir mindre effektiv enn når den gis alene (9). Det skal også nevnes at ved overflateapplikasjon fortsetter fagene å formere seg og penetrerer dypere inn i vevet så lenge det er bakterier til stede, snarere enn å reduseres raskt i konsentrasjon under overflaten slik tilfellet er med antibiotika.

Fagterapiens status i Øst-Europa
Etter at Vestens medisin for en stor del hadde gitt opp fagterapien, fortsatte arbeidet i det tidligere Sovjet-Unionen. Fagforskningen blomstret særlig opp etter 1923 da Institute of Bacteriophage, Microbiology and Virology ble etablert i Tbilisi, Georgia. Forskerne klarte etter hvert å finne ut hvilke fager som drepte hvilke bakterier, og ny teknologi gjorde dem i stand til å rense preparatene bedre. Kommuniststatenes isolasjon førte til at Vesten fikk lite informasjon om den meget omfattende og til dels vellykkede fagterapien i Øst-Europa. I Tbilisi og andre sentra ble det daglig produsert tonnevis av bakteriofager som ble distribuert til forebyggelse og behandling av mange typer infeksjoner. Fagene var en viktig del av sovjetisk medisin under 2. verdenskrig. Dette omtales nå i USA som "Joseph Stalin’s Cure for Strep" (10).
I Tbilisi er fagterapi rapportert å ha en suksessrate på 80 % ved enterokokkinfeksjoner. I Polen har man registrert en suksessrate ved fagterapi på 90 % ved infeksjoner forårsaket av Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumonia og Escherichia coli (5). Dette er noen av de bakteriene som hyppigst utvikler antibiotikaresistens i klinikken.

Fagterapiens status i vestlige land
Fagterapi er fortsatt lite anerkjent som behandlingsmetode i Vesten, spesielt i USA. Dette kan bero på at utilstrekkelige vitenskapelige metoder ble tatt i bruk i fagterapiens første år, f.eks. undersøkelser uten kontrollgrupper, utilstrekkelig fjerning av endotoksiner fra preparatene som ble prøvet ut og mangelfull kontroll av fagenes viabilitet i preparatene etter tilsetting av steriliseringsmidler (5). Pionerene manglet høyhastighetssentrifuger som kunne fjerne biologisk debris. Slikt materiale kunne gjøre preparatene cytotoksiske. Enda viktigere, forskerne forstod ikke hvor kresne fagene er med hensyn til vert. Mens antibiotika kan virke mot mange forskjellige bakterier, søker hver fag sin spesifikke vert. Fager for over 100 forskjellige bakterieslekter er nå blitt isolert (11).

Fordeler ved fagbehandling
Mange forskere mener at fager kan spille en viktig rolle i behandlingen av bakterieinfeksjoner, og fagterapi er hevdet å ha en rekke fordeler fremfor tradisjonell antibakteriell behandling (Tabell 1). En av de viktigste fordelene er at pasientene spares for bivirkninger ved antibiotikabruk, spesielt resistensutvikling. Dette er ikke uvesentlig i en tid der global resistensutvikling truer folkehelsen.

Begrensninger ved fagbehandling
Fagterapi er dessverre ingen "magic bullet", og den er ikke uproblematisk (Tabell 2). Ettersom fager er så spesifikke i valg av vert, er det nødvendig med nøyaktig bakteriell diagnose. Tiden for diagnostikk kan være knapp ved alvorlige og raskt fremskridende infeksjoner. Man kan omgå problemet ved å kombinere ulike typer av fager i samme behandling. Derved kan de fleste, om ikke alle kjente stammer i en patogen bakterieart rammes. Ettersom fagene oppfattes som fremmede proteiner, fjernes de raskt fra blodet, spesielt i organer tilhørende det retikuloendoteliale system. Såkalte "lenge-sirkulerende" fagmutanter er derfor fremstilt i mus gjennom seriepassasjer (12). Slike fager var betydelig mer effektive enn villtypefager i behandlingen av dyr med ellers fatal bakteriemi.

Det kan ikke utelukkes at bakterier kan utvikle resistens mot fager. Fager muterer og replikerer imidlertid hurtigere enn bakterier og kan derfor utkonkurrere disse. I tilfeller der konsentrasjonen av bakterier er for lav, vil ikke replikering av fager foregå (9). Aktiv fagreplikering er altså mulig først når bakterietettheten overskrider et visst nivå.

Fremtidig bruk av fagterapi
Mellom 1917 og 1956 omhandlet ca. 800 publikasjoner medisinsk anvendelse av fager (13). Disse ble brukt til å kurere dysenteri, tyfus, paratyfus, kolera og infeksjoner i urinveiene, men de ble også ukritisk brukt mot ikke-bakterielle sykdommer som gallesten og eksem. Flere velkontrollerte kliniske forsøk har senere vist at fager kan være effektive i behandlingen av ulike antibiotikaresistente bakterieinfeksjoner hos mennesker, eksempelvis suppurative sårinfeksjoner, gastroenteritt, sepsis, osteomyelitt, empyem og pneumoni (14–17). En rekke data fra kliniske studier ble fremlagt ved årsmøtet i American Society for Microbiology (Los Angeles, CA, USA) 21.–25. mai, 2000. Her ble fagterapi langt på vei akseptert som et middel mot antibiotikaresistente bakterier.

Bakterien Vibrio vulnificus forårsaker alvorlig septikemi. Forskere ved University of Florida viste at når mus ble behandlet med en høy dose av jern (mange bakterier trenger jern) og infisert med V. vulnificus, døde gnagerne etter 24 timer (5). Når bakteriofager fra sjøvann ble gitt til dyrene, overlevde de. Slike funn sammen med det faktum at antibiotikaresistente bakterier utgjør en global trussel, har gjort at fagterapi nå prøves ut på nytt, denne gang med basis i moderne laboratorieteknikker og skikkelige kontroller. Hvis slike forsøk skulle vise seg positive, kan profylakse og terapi med fag overveies benyttet når bakterier er resistente mot antibiotika. Fagterapi blir da å betrakte som økologisk selvreplikerende farmakoterapi.

At fagterapi nå dukker opp som et mulig behandlingsalternativ også for tannleger, illustreres ved at det allerede er kommet på markedet et fagprodukt, PhageDent, for periodontal applikasjon (18). Om, hvordan og på hvilke indikasjoner vi innen odontologien kan og bør alliere oss med bakteriedrepende virus (fig. 4), er imidlertid et uavklart problem.

Tabell 1. Fordeler med fagterapi fremfor tradisjonell antibakteriell behandling

Tabell 2. Begrensninger ved fagterapi

Addendum
Interesserte lesere som ikke har tilgang på bibliotektjeneste, kan lese mer om fagterapi på Internett (20, 21).

Referanser

1. Handal T, Olsen I. Antimicrobial resistance with focus on beta-lactamases. Eur J Oral Sci 2000; 108: 163–74.

2. Handal T, Caugant DA, Olsen I. ß-Lactamases from subgingival bacteria isolated from refractory periodontitis in Norway. 17th Annual Meeting of the Scandinavian Society for Antimicrobial Chemotherapy, Bergen [abstract]. 2000; p. 9.
   

3. Pallasch TJ. Global antibiotic resistance and its impact on the dental community. CDA J 2000; 28: 215–33.
   

4. Hareide B, Aavitsland P, Høiby EA, redaktører. Plan for å motvirke antibiotikaresistens. Oslo: Statens institutt for folkehelse; 1999.

5. Pirisi A. Phage therapy – advantages over antibiotics? Lancet 2000; 356: 1418.

6. Lederberg J. Commentary. Smaller fleas… ad infinitum: therapeutic bacteriophage redux. Proc Natl Acad Sci USA 1996; 93: 3167–8.

7. Koerner BI. Return of a killer. Phages may once again fight tough bacterial infections. US News World Rep 1998; nov. 2: pp. 4.
   

8. Lorch A. Bacteriophages: an alternative to antibiotics? Biotechnol Dev Mon 1999; no 39: 14–7.
   

9. Payne RJH, Jansen VAA. Phage therapy: the peculiar kinetics of self-replicating pharmaceuticals. Clin Pharmacol Ther 2000; 68: 225–30.
   

10. Osborne L. Joseph Stalin’s Cure for Strep. The New York Times Magazine 2000, February 6, 50–5.
    

11. Ackermann HW. Frequency of morphological phage descriptions in 1995. Arch Virol 1996; 141: 209–18.
    

12. Merril CR, Biswas B, Carlton R, Jensen NC, Creed GJ, Zullo S, et al. Long-circulating bacteriophage as antibacterial agents. Proc Natl Acad Sci USA 1996; 93: 3188–92.
    

13. Carlton RM. Phage therapy: past history and future prospects. Arch Immunol Ther Exp (Warsz) 1999; 47: 267–74.
    

14. Alisky J, Iczkowski K, Rapoport A, Troitsky N. Bacteriophages show promise as antimicrobial agents. J Infect 1998; 36: 5–15.
    

15. Barrow PA, Soothill JS. Bacteriophage therapy and prophylaxis: rediscovery and renewed assessment of potential. Trends Microbiol 1997; 5: 268–71.
    

16. Slopek S, Durlakowa I, Weber-Dabrowska B, Kucharewicz-Krukowska A, Dabrowski M, Bisikiewicz R. Results of bacteriophage treatment of suppurative bacterial infections. I. General evaluation of the results. Arch Immunol Ther Exp (Warsz) 1983; 31: 267–91.
    

17. Mazacek M, Petera A, Mach J. Die Bakteriophagie in der Therapie und Prophylaxe der Infektionskrankheiten. Zentralbl Bakteriol Orig 1969; 211: 385– 94.
    

18. Shishniashvili TE. The use of ”Phagedent” for treatment of parodontium disease. Experiment Clin Med 1999; no 2, 128–9.
    

19. Olsen I, Namork E, Myhrvold V. Electron microscopy of phages in serotypes of Actinobacillus actinomycetemcomitans. Oral Microbiol Immunol 1993; 8: 383–5.
    

20. Evergreen State College, Olympia, WA, USA. (des. 2000).
    

21. Evergreen State College, Olympia, WA, USA. (des. 2000).

Addresse: Institutt for oral biologi, P.B. 1052 Blindern, N-0316 Oslo.
E-post:

Nor Tannlegeforen Tid 2001; 111: 14–7.

Nøkkelord: Antibiotika; Infeksjon; Mikrobiologi; Virus