生きた抗生物質: ブデロビブリオ菌は人間の病原体を攻撃して破壊します

ハンナは、2022 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2017 年にワシントン大学で神経科学の博士号を取得し、2020 年にグローバル ジャーナリズムのダラ ラナ フェローシップを修了しました。

1941年、チャールズ・フレッチャーの患者の一人が敗血症で死にかけていた。 オックスフォードのラドクリフ診療所の内科医フレッチャー氏は、「彼の顔と眼窩（そのために片目が切除された）に複数の膿瘍があった…彼はひどく痛がっており、絶望的で情けないほどの病状だった」と書いている(1)。

他の病院であれば、医師は患者を快適にさせること以外には何もできなかったでしょう。 しかしフレッチャー氏は、オックスフォード大学の薬学者ハワード・フローリー氏が研究中の新薬の有効性をテストしたいと熱望していることを知っていた。 2月12日、フレッチャーの患者はペニシリンによる治療を受けた最初の患者となった。

フレッチャー氏によると、数日後、患者は「大幅に良くなった」という。 残念ながら、研究者らはこの薬を十分に早く製造できず、供給がなくなった後に患者は死亡した。 この不安定な最初の試みにもかかわらず、フレッチャーはこの一見奇跡的な薬によって多くの患者の命が救われるのを目撃し続けました。

悲しいことに、細菌が反撃し始めるまでに時間はかかりませんでした。 1942 年までに、研究者らはすでに入院患者からペニシリン耐性黄色ブドウ球菌の菌株を特定していました (2)。 現在、世界中で抗生物質耐性菌が原因で年間 100 万人以上が死亡していると推定されています (3)。

研究者たちが抗菌薬耐性の危機の増大に対処しようと奔走する中、思いがけない原因、つまり他の細菌からの助けが見つかるかもしれません。 ヒトの病原菌を含め、仲間の細菌を追い詰めて食い荒らす特定の細菌種は、生きた抗生物質として機能する可能性があります。 これらの捕食性細菌は、耐性の発現を回避する方法で病原体を攻撃することで、従来の抗生物質が効かなかった場合に希望をもたらす可能性がある。

ブデロビブリオ バクテリオヴォルスという種は、土壌サンプル中のバクテリオファージを探索していた科学者によって 1962 年に偶然発見されました (4)。 研究者がブデロビブリオと呼ぶところのブデロビブリオは、一見すると特に目立った存在ではない。 透過型電子顕微鏡写真で撮影した画像では、この細菌は細長い尾を持つソーセージのように見えます。

しかし、この細菌は、他のほとんどの細菌が持たない能力を持っています。それは、他の細菌を強力に狩るということです。 ブデロビブリオは体長わずか 0.5 ミクロンほどと小さく、はるかに大きな獲物に比べると小さく見えます (5)。 ブデロビブリオ細菌が別の細菌に遭遇すると、獲物の表面に付着します。 まだよく理解されていないプロセスを通じて、潜在的な獲物を評価し、それが良い餌になるかどうかを判断します。

バーミンガム大学の構造生物学者アンドリュー・ラバリング氏は、「彼らが行動を開始したら、最初の仕事は外膜に穴を開けることだ」と語る。 「その後、彼らは穴から自分自身を引き抜きます。その後、もちろん、すべての食べ物を分け合いたくないので、後ろの穴を塞ぎます。」 次の数時間にわたって、この捕食性細菌は獲物を内側から食い荒らして増殖し、最終的には飛び出し、もう一方の細菌の死んだ殻を残します。

ブデロビブリオの異常な行動と神秘的な生物学的メカニズムは、選ばれた科学者グループの想像力を魅了しました。 「捕食性細菌は進化という観点から見ると美しいです」とラバリング氏は言う。 ラバリング氏やノッティンガム大学の微生物学者エリザベス・ソケット氏などの研究者は、この自然の奇妙さの抗菌力の可能性を高く評価するようになりました。

この分野の先駆者の一人であるソケットは、微生物学の基本的な疑問に答えているときにブデロビブリオに出会いました。 「通常、細菌はお互いをうまく避け合うので、これらの細菌が実際に他の細菌と衝突する可能性があるという事実に非常に興味がありました」と彼女は語った。

2000 年代初頭に抗菌薬耐性病原体に関する懸念が高まる中、ソケット氏は、入手可能な抗生物質に対する耐性を急速に高めている病原体を殺す全く新しい方法として、ブデロビブリオが潜在的な解決策を提供できないか考え始めました。 ブデロビブリオは、多くの致死性のヒト病原体を含むグループであるグラム陰性菌を捕食します。 少なくとも研究室では、コリスチン、カルバペネム、アミノグリコシドなどのさまざまな種類の抗生物質に耐性のある病原体は、ブデロビブリオによって簡単に死滅します (6-8)。

既知のすべての耐性遺伝子を 1 つの細菌に組み込むことができ、ブデロビブリオはとにかくそれを食べるでしょう。 - アンドリュー・ラバリング、バーミンガム大学

「彼らは、攻撃している細胞の抗生物質耐性など気にしていません」とラバリング氏は言う。 「つまり、既知の耐性遺伝子をすべて 1 つの細菌に組み込むことができます。そうすれば、ブデロビブリオ菌はとにかくそれを食べるでしょう。それらは、薬が作用するのと同じようには機能しません。」

実際、Bdellovibrio は、さまざまなタイプの付着因子、つまり細胞表面タンパク質を使用して、他の細菌細胞を認識して結合する多くの方法を備えています。 「ブデロビブリオは鉤縄だけを持っているわけではありません」とソケット氏は語った。 「彼らはグラップリングフック、ブルータック（接着パテ）、そしてハンマーと釘を持っています...接着剤を1つノックアウトしたとしても、獲物に付着できないブデロビブリオは得られません。そして実際、あなたはそうすることができます何人か倒しても大きな効果は得られません。」 他の細菌にとって、このような多様な兵器から身を守るために突然変異を進化させることは重大な課題であり、これは細菌が従来の抗生物質よりもブデロビブリオに対する耐性を獲得することがはるかに難しいことを意味します(9)。

2000 年代半ばまでに、科学者たちは、ブデロビブリオスが大腸菌やサルモネラ菌などのグラム陰性病原体を in vitro で殺す能力があることを決定的に実証しました (10,11)。 しかし、捕食性細菌が有用な治療法となり得るかどうかという問題は未解決のままであった。

答えを見つける唯一の方法は、生体内で実験することです。 温血動物の治療薬としてのブデロビブリオの最初の試験では、ソケット氏の研究グループは、人獣共通感染症の専門知識を持つ同じくノッティンガム大学の微生物学者ロバート・アターベリー氏と協力した。 結果は有望なものでした。 この捕食性細菌は、以前に定着していた雛のサルモネラ菌の量を大幅に減少させた。 他の細菌を捕食する能力を取り除くために遺伝子改変されたブデロビブリオ株は、サルモネラ菌の定着を効果的に減少させず、その活性は別のメカニズムではなく捕食によるものであるという考えを裏付けています。 最後に、鳥の腸内微生物叢は治療によって変化しましたが、鳥の成長と全体的な健康には明らかな影響はありませんでした(12)。

これらの心強い初期結果を受けて、ソケット氏は、ブデロビブリオが宿主内で正確に何をしているのか、また宿主の免疫系とどのように相互作用するのかをさらに知りたいと考えた。それは、捕食性細菌治療薬の安全性と有効性の両方に大きな影響を与える可能性がある。 しかし、ニワトリの腸内での細胞間の相互作用を視覚化することは困難です。 「そこで私たちは、ゼブラフィッシュ幼生における病原体実験の先駆者であるセルジュ・モストウウィ氏（現在はロンドン衛生熱帯医学大学院に在籍）に出会い、より不透明なニワトリから透明なゼブラフィッシュへと移行しました」とソケット氏は語った。

将来的には、捕食者がどのように獲物に固執するかを理解することで、明確な殺害範囲を備えた特注の捕食者を用意できれば便利になるでしょう。 - アンドリュー・ラバリング、バーミンガム大学

モストウウィの研究グループのメンバーであるソケット・ウィリスとアレックス・ウィリスは、緑色蛍光タンパク質でタグ付けされた病原性シゲラ・フレックスネリ細菌をゼブラフィッシュ幼生の後脳に注入した。 これらの魚の一部には、赤いタグが付いたブデロビブリオも注入されました。 赤ワインに感染した幼虫を顕微鏡で調べたところ、緑色蛍光病原体が広がり、最終的には魚の約70パーセントが死滅することが観察された。 赤いブデロビブリオを投与したもう一方のグループでは、捕食性細菌が赤癬菌を攻撃して排除し、約 60% の魚が生き残りました。 研究チームは、ゼブラフィッシュ自体の内部で活動している大きな緑色の病原体を、小さな赤い捕食者が見つけて侵入するという劇的な顕微鏡の光景を目撃した。

重要なのは、研究者らは、ブデロビブリオと免疫系が互いに対立するのではなく、協力して機能するようであることを観察したことです。 免疫不全状態のゼブラフィッシュに病原体と捕食者を投与した場合、免疫系と捕食性細菌の両方で病原体と戦うことができる魚に比べて、生き残る可能性はわずか約半分でした(7)。 ブデロビブリオと宿主免疫系との相対的な調和は有望である。ブデロビブリオは、病原体と戦うことができないほど急速に殺されることはなく、最終的に宿主動物に害を及ぼす極端な免疫反応を引き起こすこともないようだ。

モストウウィ、ウィリスらとのゼブラフィッシュの研究とは別に、ソケットはラバリングと協力して、捕食性細菌がどのようにして獲物に付着して攻撃するのか、またどのようにして自身の細胞成分を損傷することなく効率的に獲物を溶解するのかという重要な疑問に答えてきた。 彼らはまた、ブデロビブリオが獲物に付着するために使用するタンパク質も研究しており、それがいつか特定の種類の獲物に対する性癖を備えた特注の捕食者につながる可能性があるとラバリング氏は述べた。 「将来的には、捕食者がどのように獲物に固執するかを理解することで、明確な殺害範囲を備えた特注の捕食者を用意できれば便利になるだろう」と同氏は述べた。

透明なゼブラフィッシュ幼生は細胞間相互作用を視覚化するのに優れていますが、科学者にとっては、ヒトで実験する前に、哺乳類でブデロビブリオがどのように動作するかを理解することが重要です。 ラトガース大学の微生物学者ダニエル・カドゥーリ氏は、その任務に取り組んでいる。

2015 年、Kadouri は、生きた哺乳類におけるブデロビブリオの安全性についての最初の詳細な研究の 1 つを発表しました。 カドゥーリの研究チームがこの捕食性細菌をマウスに静脈内または気道経由で投与したところ、細菌は一過性の炎症反応を引き起こしましたが、マウスの全体的な健康や生存には悪影響を及ぼしていないようでした(13)。 次に、Kadouri 氏は、肺炎桿菌感染症に対するブデロビブリオ治療の効果を調査しました。 人間においては、この種は致命的な医療関連感染症の主な原因となっています。 ラットを用いた Kadouri の実験では、ブデロビブリオは肺内のこの病原体の量を大幅に減少させました (14)。

しかし、ブデロビブリオ菌は血液中の感染症に対してあまり効果がありませんでした。 科学者がクレブシエラ菌を血液中に注射したところ、捕食性細菌は血中の病原体のレベルを低下させず、肝臓や脾臓などの他の臓器への感染の拡大を防ぐことはできませんでした(15)。

「血液中には他にも多くの細胞が浮遊しており、これらは実際におとりとして機能する可能性があります。ブデロビブリオは、ほとんどの場合、物にぶつかるだけで、捕食できる場合は捕食します」とカドゥーリ氏は述べた。 人間の血球など、捕食できない細胞が周囲にたくさんあると、捕食できる種に近づくことが難しくなる可能性があります。

カドゥーリ氏は、血液中には捕食を阻害する因子も存在する可能性があるが、それが何なのかはまだ完全には明らかになっていないと述べた。 この仮説を裏付けるものとして、同年にソケットによって発表された実験では、ヒト血清によってブデロビブリオが病原体を追い詰めて殺す速度が大幅に遅くなることを示した(16)。

これらの理由から、カドゥリ氏は、肺や創傷感染などの局所感染症には捕食性細菌が最も有用であると考えています。 カドゥーリ氏は、ピッツバーグ大学の微生物学者ロバート・シャンクス氏と協力して、抗生物質耐性のある眼感染症の治療にブデロビブリオを使用する可能性も模索している。

研究者たちは、捕食性細菌がいつ、どこで、どのような組み合わせで最も大きな影響を与える可能性があるかをまだ調査中です。 ソケット氏は、ブデロビブリオは第一選択の治療法ではなく、非常に重篤な感染症患者にとっての最後の手段、つまり「消火器のような」治療法になると考えている。 カドゥーリ氏は、捕食性細菌は単独の治療法ではないかもしれないが、バクテリオファージなどの他の感染制御剤と組み合わせると最も効果を発揮する可能性があると述べた。

ブデロビブリオの安全性に関する初期の動物研究は有望でしたが、研究者はブデロビブリオが哺乳類の免疫系およびマイクロバイオームとどのように相互作用するかをさらに調査する必要があります。 「ブデロビブリオの体内での運命と寿命、そしてそれによって引き起こされる免疫刺激については、治療として使用する前に多くの理解が必要です」とソケット氏は述べた。

さらに、ブデロビブリオは生きた治療薬であるため、医療用途として承認される前に大きな規制上の課題が生じることがカドゥーリ氏は予想している。 それにもかかわらず、研究を続けることで、科学者たちは、この治療法がいつか、人類が致命的な抗生物質耐性感染症と戦うのを助ける新たな武器となることを期待しています。

ハンナは、2022 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2017 年にワシントン大学で神経科学の博士号を取得し、2020 年にグローバル ジャーナリズムのダラ ラナ フェローシップを修了しました。