בקטריופאג

בקטריופאג
מיון מדעי

בקטריופאג (בעברית: נגיף החיידק^[1]; קרוי גם בקטריופאג', ובקיצור פאג'; מאנגלית: Bacteriophage) הוא נגיף התוקף חיידקים.
השם בקטריופאג הוא הלחם של המילים "בקטריה" (חיידק) ו"פאגאין" (במקור מיוונית) שפירושה "לאכול", ומשמעותו "טורף חיידקים".

בקטריופאגים יכולים לשמש להשמדת חיידקים גורמי זיהומים ומחלות באופן דומה לאנטיביוטיקה, אך לעת עתה השימוש בהם בעולם המערבי מצומצם למדי. קיימות הערכות לפיהן בעתיד בקטריופאגים ישמשו באופן נרחב נגד זיהום חיידקי, על רקע התפתחות נרחבת של עמידות לאנטיביוטיקה בקרב חיידקים.

סוגי בקטריופאגים ומסלולי התרבות

כשאר הווירוסים, הבקטריופאג מורכב מחומצת גרעין (DNA ב-95% מהפאג'ים) וממעטפת חלבונית. רוב הבקטריופאגים מצוידים ב"זנב" המשמש לחדירה לתאי החיידקים; חדירה זו הכרחית להתרבותם. התרבות הנגיף בגוף החיידק יכולה להתרחש בשני מסלולים:

המסלול הליטי: הנגיף מזריק את ה-DNA המשמש כחומר התורשתי של הבקטריופאג אל החיידק. על בסיס אותו DNA, מנגנוני השעתוק והתרגום של החיידק מייצרים את מרכיביו השונים של הנגיף, ובתוך גוף החיידק נוצרים נגיפים חדשים רבים. על מנת לצאת מחוץ לחיידק הבקטריופאגים החדשים "מפוצצים" את המעטפת של החיידק (מבצעים ליזיס, המסה; מכאן שם המסלול), משתחררים אל הסביבה ומדביקים חיידקים אחרים.
המסלול הליזוגני: ה-DNA של הבקטריופאג חודר אל החיידק ומשתלב בכרומוזום החיידקי; מקטע ה-DNA הבקטריופאגי המשולב בכרומוזום החיידקי נקרא פרופאג'. כשתא החיידק מתחלק, גם מקטע ה-DNA שמכיל את הרצף המקודד למרכיבי הנגיף עובר שכפול. כך הפרופאג' הוכפל ועתה הוא נמצא בשני תאי הבת שנוצרו מתא החיידק המקורי. מצב זה יכול להתקיים זמן רב (הבקטריופאג נמצא במצב רדום) ומכאן יוצא כי חיידקים רבים יכילו בתוכם את הפרופאז'. לאחר זמן מה, לעיתים בשל שינויים בתנאי הסביבה של החיידק או בשל עקות שונות, עלול הפרופאג' לעבור שעתוק, ולעבור למצב הליטי שתואר קודם. ייתכן גם מצב שבו פאג'ים מסוימים יתרבו בתא החיידק ויצאו ממנו מבלי לפוצץ אותו (ללא ליזיס).

בקטריופאגים המתרבים רק במסלול הליטי מכונים פאג'ים אלימים ואילו בקטריופאגים המתרבים גם במסלול הליזוגני נקראים פאג'ים מתונים. הפאג'ים המתונים מתרבים לרוב במסלול הליזוגני, ולעיתים (כתוצאה מגירויים מגוונים) עוברים למסלול הליטי.

ציטוט שנון וידוע מאת המיקרוביולוג מארק מילר מתייחס למסלול הליטי: Bacteria don't die, they just phage away.

הבקטריופאג הנחקר ביותר בביולוגיה הוא הפאג' המתון למדא.

טרנסדוקציה

בקטריופאגים מהווים את אחת הדרכים שבעזרתן יכול DNA לעבור מחיידק לחיידק. מעבר DNA באמצעות פאג'ים נקרא טרנסדוקציה (בעברית: התמרה) (מעבר DNA ללא תיווך של פאג' נקרא קוניוגציה). תהליך זה מתרחש במסלול הליטי:

לפני שהפאג' משמיד את תא החיידק, הוא ממיס את הכרומוזום החיידקי ומפרקו לפיסות DNA קצרות.
כמה מפיסות אלו משתלבות ב-DNA של הפאג'ים הנמצאים בתוך התא.
הפאג'ים משמידים את התא, משתחררים לסביבה ומדביקים חיידקים חדשים.
ה-DNA הפאג'י, הכולל פיסת DNA מכרומוזום החיידק המקורי, מבצע שחלוף עם ה-DNA הכרומוזומלי של החיידק הנוכחי. הגנים החדשים, שמקורם בתא החיידק הראשון, מחליפים את הגנים הקיימים.

במקרים רבים מקודדים הגנים החדשים לחלבונים בעלי השפעה גדולה על תכונות החיידק. דבר זה מתרחש, למשל, בתופעת העמידות החיידקית בפני אנטיביוטיקה. טרנסדוקציה היא הדרך העיקרית בה מעבירים החיידקים ביניהם גנים המקנים עמידות.

גילוי תופעת הטרנסדוקציה (ב-1952) פתח עולם חדש של אפשרויות בתחומי הביוטכנולוגיה וההנדסה הגנטית; גם כיום נעשה שימוש נרחב בפאג'ים בשני תחומים אלו. חומצות הגרעין אף הן התגלו תוך שימוש בבקטריופאגים.

ההיסטוריה של גילוי הבקטריופאגים והשימוש בהם

גילוי

הפאג'ים התגלו בתקופת מלחמת העולם הראשונה על ידי המיקרוביולוג האנגלי פרדריק טוורט והביולוג הקנדי ממוצא צרפתי, פליקס ד'ארל (Felix d'Hérelle), ממכון פסטר בפריז. ד'ארל אפיין אותם והעניק להם את שמם במאמר שכתב ב-1917, וצפה מהפכה בטיפול במחלות מידבקות.

ד'ארל גילה את הבקטריופאגים בזמן שעבד ב-1910 בחצי האי יוקטן במקסיקו. הוא הבחין בהם בבדיקת צואת חרק הארבה שפשט באותם ימים על השדות ביוקטן. ד'ארל אסף כמה חרקים חולים ובדק את צואתם. הוא הגיע למסקנה שהם סובלים מהרעלת דם שנגרמה מחיידק. ד'ארל מרח חלק מהצואה על צלוחיות האגר כדי לגדל תרבית, והבחין בכתמים עגולים בהירים על המשטח, דבר שהצביע על תמותת החיידקים באותם אזורים, מסקנתו הייתה כי דבר מה "זולל" את החיידקים.

עם שובו למכון פסטר, ב-1915 חזר ד'ארל על הניסוי. הפעם השתמש בצואת חיילים צרפתים מיחידה פריזאית שסבלה ממכת דיזנטריה ואותה תוצאה נתקבלה שוב ללא התערבות חיצונית. באותה שנה הגיע לתוצאות דומות גם פרדריק טוורט, שעסק בחקר גידול נגיפים. גם הוא גילה, די במקרה, שהבקטריות שהתרבו על גבי צלוחיות המעבדה שלו נעלמו כליל.

גילוי הפאג'ים לצד החיידקים אותם הם משמידים מבוסס על כך שנגיף יתרבה בכמויות גדולות כאשר הוא פוגש כמות פונדקאים גדולה שלו, ועל כן ניתן לאתר פאג'ים התוקפים חיידק מסוים, באמצעות ריכוז כמות גדולה של חיידקים מסוג מסוים (לדוגמה, בביוב של בתי חולים).

לפני גילוי פניצילין

בתחילה השתמש ד'ארל בהצלחה בפאג'ים למיגור מגפת טיפוס שפקדה עופות. מ-1919 ואילך טיפל בפאג'ים בבני אדם. ב-1925 ד'ארל קיבל תואר דוקטור לשם כבוד מאוניברסיטת ליידן הוותיקה בהולנד ואת אות ליבנהוק.

ד'ארל גם עבד במצרים במחלקת התברואה באלכסנדריה והשתמש בפאג'ים כדי לרפא עולי רגל מוסלמים שחזרו ממכה ומאל-מדינה. משם עבר להודו וכשחזר משם הוצעה לו משרת פרופסור באוניברסיטת ייל.

השימוש בפאגים היה אקראי למדי, וזאת כיוון שנתגלעו בעיות בהפיכת התגלית לתרופה. בעת הכיבוש הבריטי בהודו, קצינים בריטים שפכו ריכוזים של פאג'ים בתוך בארות נגועות בכולרה, אבל השימוש לא הניב תוצאות מובהקות, שיעודדו את המשך המחקר במערב. בעיה מרכזית נבעה מכך שישנם מאות סוגי פאג'ים, וכל אחד מהם הורג רק סוג אחד של חיידק. הטורף והנטרף חייבים להתאים זה לזה באופן מוחלט. יותר מזה, התגלו בעיות בהליך הטיהור. כשהפאג'ים פורצים החוצה מתא המותקף על ידו, הם משאירים פסולת שעלולה לגרום לזיהום קטלני. טכנולוגיות הטיהור שהיו קיימות בתחילת המאה לא הצליחו להתמודד עם הבעיות האלה.

בשנות ה-30 החלו חברות התרופות הגדולות לפתח את "תרופת הפלא" החדשה, בין היתר החברה האמריקאית "אלי לילי" ייצרה בשנות ה-30 תרופה בקטריופאגית ושיווקה אותה בארצות הברית.

גילוי הפניצילין ב-1928 והכנסתו לשימוש המוני בשנות ה-40, ובהמשך גילוי סוגי אנטיביוטיקה נוספים, השכיחו את הבקטריופאגים בעיקר באמריקה ובמערב אירופה, בהיות הפניצילין קל לשימוש וקוטל-כל, אך מדענים סובייטים המשיכו את המחקר והפיתוח של תרופות מבוססות פאג'ים בברית המועצות.

חקר הפאג'ים במכון אליאבה

ב-1934 נענה פליקס ד'ארל להזמנה של סטלין להצטרף למכון לבקטריולוגיה בטביליסי, שהוקם ב-1923 על ידי מיקרוביולוג גאורגי, גיאורגי אליאבה (George Eliava). האחרון התיידד עם ד'ארל בעת ביקורו במכון פסטר והתוודע לבקטריופאגים רק בשנת 1926. ד'ארל נשאר בטביליסי כשנה לסירוגין, היה לקומוניסט ומעריץ של סטלין, ואף הקדיש לסטלין את אחד מספריו, "הבקטריופאג ותופעת ההחלמה", שנכתב ויצא לאור בטביליסי ב-1935.

מכון אליאבה לבקטריופאגים, מיקרוביולוגיה ווירולוגיה, מומן על ידי סטלין, למטרות ביצוע מחקר, דגימה וייצור של פאג'ים. ברבות השנים הפך למרכז עולמי לחקר שימושים רפואיים בפאג'ים. אחת מהצלחותיו הראשונות של המכון הייתה בפיתוח פאג' רב עוצמה למלחמה בדיזנטריה, שבו השתמש הצבא האדום במהלך מלחמת העולם השנייה ובשנים שלאחר מכן. המכון החל לספק פאג'ים מתאימים וממוקדים למחלות ספציפיות, עבור בתי חולים ברחבי הגוש הקומוניסטי. עם השנים הפך מכון אליאבה לספריית הפאג'ים הגדולה בעולם, עם "מוזיאון" קבע של למעלה מ-300 סוגי פאג'ים. בשנות השמונים המאוחרות הגיע צוות המכון לשיא של כ-1,200 מדענים העוסקים במחקר ופיתוח וכ-2 טון פאג'ים שיוצרו מדי יום.

בהתחשב בבעיות הכרוכות בביצוע עבודה מדעית בגאורגיה, נראים ההישגים של מכון אליאבה יוצאים מגדר הרגיל. ובמיוחד, יצירת טיפול תוך ורידי לחיידק מהמין Staphylococcus aureus.

אליאבה עצמו חוסל ב־1937 על ידי המשטרה החשאית הרוסית, על רקע סכסוך רומנטי בינו לבין לברנטי בריה. בעקבות אירוע זה חזר ד'ארל לעבודתו במכון פסטר בצרפת. ד'ארל, שמת ב-1949, היה מועמד 30 פעם לפרס נובל, אך מעולם לא זכה בו.

שימושים במדינות ברית המועצות לשעבר

ברפובליקות הקווקז, שם התנאים הסניטריים מתאימים למחלות מעיים, היו ממהרים לרסס את הסביבה בפאג'ים כאשר החלה התפרצות של מחלה. בצבא הגאורגי מחזיק כל חייל תרסיס פאג'ים נגד פצעים וכוויות, במקום יוד, ובבתי החולים מנקים משטחים בריכוזי פאג'ים. שימוש בפאג'ים באזורים אלו מיוחס לנגישות הנמוכה לאנטיביוטיקה בארצות ברית המועצות לשעבר.

פאג'ים כעזר מחקרי במחקר ה־DNA

לאחר מלחמת העולם השנייה שימשו הפאג'ים כעזר מחקרי חשוב במחקר הDNA. המבנה המולקולרי הפשוט שלהם איפשר לחוקרים הצצה לעולמם הפנימי של הגנים. סר פרנסיס קריק ומקס דלבריק, שניים מאדריכלי תאוריית ה-DNA, היו חוקרי פאג'. חקר הפאג' תרם רבות לפענוח הביולוגיה המולקולרית באותה תקופה בה נעלמו הפאג'ים מזירת הרפואה באמריקה ובמערב אירופה.

ההכרה המאוחרת

המחקר והעבודה על הפאג'ים נמשכה בתקופת המלחמה הקרה מבלי שהמערב היה מודע לה. תרמה לכך העובדה שכל המחקר נכתב בשפה הגאורגית, הזרה למערב. כמו כן השיטה לא נבדקה באופן עקבי, הניסויים לא נעשו בסטנדרטים מערביים (לדוגמה, בוצעו ישירות על בני אדם) ולא היו קבילים במערב. הניסוי הקרוב ביותר לסטנדרטים מערביים בוצע בפולין של שנות ה-80 ותוצאותיו הראו מובהקות סטטיסטית גבוהה.

גם המכון בטביליסי ספג משברים שהביאו אותו לירידת פעילותו. מלחמת האזרחים בגאורגיה בתחילת שנות ה-90, ומשבר החשמל שנגרם בעטיה גרם לכך שהמוסד עבר לתאורה בנרות. מחצית מספריית הפאג'ים שנמצאה במקררי המוסד, אבדה בעקבות הפסקות החשמל. המימון הסובייטי הופסק, ומחיר אמפולת פאג'ים האמיר והפך אותו ללא מסחרי.

כיום

בעקבות חשיפה בבי.בי.סי בשנת 1997, זכה המכון למספר מיזמים של שיתופי פעולה עם חוקרי פאג'ים בריטיים. בין מגלי העניין הייתה נאט"ו, שהתעניינה בתחבושת המכילה קוקטייל של 5–9 פאג'ים המיועדת לטיפול בפצעי כוויה מזוהמים (בה השתמשו החיילים הרוסים בצ'צ'ניה).

עם זאת, קשיים שונים מעכבים פיתוח פאג'ים באופן מסחרי בארצות המערב, לדוגמה, קושי ברישום פטנט על סוג פאג', בשל הרבגוניות והמגוון הרב שלהם. ישנן הערכות לפיהן על רקע התעצמות עמידות החיידקים לאנטיביוטיקה, יחל פיתוח נרחב של פאג'ים.

חברות רבות לוטשות עיניים לשוק המתהווה:

חברת "אינטראליטיקס" מבולטימור שבארצות הברית זכתה באישור FDA ראשון לטכנולוגיה זו ביוני 2002.^[2]
חברה אמריקנית אחרת מלונג איילנד בשם אקספננטיאל ביותרפיקס גייסה 17 מיליון דולר למחקר בתחום.
חברת פאג' תרפאוטיקס מסיאטל שהונפקה בארצות הברית.
חברה ישראלית שהוקמה בשנת 2000 בשם פאג' ביוטק (אורכב 30.04.2015 בארכיון Wayback Machine). החברה ניסתה לייצר תרופות על בסיס פאג'ים, אך התייאשה מהמכשולים הרגולטוריים ברישום תרופת ביולוגית גנריות.