Phần 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở thực tiễn và cơ sở khoa học của đề tài
2.1.4. Tổng quan về thực khuẩn thể (bacteriophage)
2.1.4.1. Lịch sử phát hiện
Thực khuẩn thể (bacteriophage/phage) được phát hiện một cách độc lập bởi Twort vào năm 1915 và d’Hérelle năm 1917. Phage được tìm thấy và phân lập ở bất kì nơi đâu có vi khuẩn sinh sống, theo ước tính có khoảng 1032 loại phage trên hành tinh. Trong suốt những năm 1920 – 1930, thực khuẩn thể dành được nhiều sự chú ý từ các nhà khoa học nhưng những nghiên cứu thời kỳ này không dựa trên một cơ sở rõ ràng về bản chất của thực khuẩn thể. Đến năm 1930, kháng sinh penicilin lần đầu tiên được sử dụng trong việc điều trị nhiễm trùng và được phổ biến rộng rãi.
Liệu pháp phage không còn được chú ý nhiều như trước. Mặc dù thuốc kháng sinh
đem lại nhiều lợi ích cho việc điều trị nhiễm khuẩn nhưng do sự lạm dụng thuốc, vi khuẩn ngày càng thích nghi và xuất hiện nhiều chủng có thể kháng lại thuốc kháng sinh. Đến những năm cuối thế kỉ 20, các nhà khoa học cũng như các tổ chức lại dành sự quan tâm cho thể thực khuẩn như một biện pháp nhằm thay thế kháng sinh trong lĩnh vực y học, thú y, nông nghiệp (John B et al., 2007).
2.1.4.2. Đặc điểm của thực khuẩn thể
Thực khuẩn thể có mặt ở hầu hết những nơi mà vi khuẩn được tìm thấy, và là yếu tố quan trọng trong điều hòa sự đa dạng và phân bố của vi khuẩn. Hệ gen của thực khuẩn thể có thể là DNA hoặc RNA mạch đơn, mạch kép hay mạch vòng và chỉ có một bản copy duy nhất. Tính phong phú của thể thực khuẩn được phản ánh ở cả đặc điểm hình thái và hệ gen. Hình thái của thể thực khuẩn rất đa dạng từ đơn giản như dạng icosahedral (khối 20 mặt, mỗi mặt là tam giác đều), dạng sợi đến những dạng phức tạp hơn gồm đuôi kết hợp với phần đầu dạng icosahedral (John B et al., 2007).
2.1.4.3. Phân loại thực khuẩn thển
Cho đến nay, chưa có một hệ thống phân loại thực khuẩn thể nào được thực sự chấp nhận bởi vẫn còn thiếu các dữ liệu về mối quan hệ giữa các thực khuẩn thể và do đó thực khuẩn thể cũng không có tên gọi theo đúng quy cách như ở các vi sinh vật khác. Một trong những cách phân loại thực khuẩn thể trước đây là dựa vào vật chủ mà chúng nhiễm. Tuy nhiên, cách phân loại này chỉ tiện lợi cho bác sĩ và các nhà dịch tễ học. Nhờ việc các kiến thức về các đặc điểm lý, hoá, sinh học của virus ngày càng được tích luỹ nên Uỷ ban Quốc tế về phân loại virus ( ICTV- International Committee of Taxonomy of Viruses) đã đề nghị một hệ thống phân loại virus dựa vào các đặc điểm cấu trúc của hạt virus (virion) cũng như axit nucleic của virus thay vì dựa trên vật chủ và dịch tễ học. Số lượng virus được phân loại theo hình thái học đã lên tới hơn 5500 (Phạm Văn Ty, 2007). Việc phân loại thực khuẩn thể hiện nay được phát triển từ hệ thống phân loại được đề xuất bởi radley, được cho trong bảng 9.1 (Ackermann HW, 2009).
Bảng 2.2 .Phương pháp phân loại thực khuẩn thể theo Ackermann (2009)
Họ phage Genome Đặc điểm
Phage có đuôi
Họ Myoviridae (đuôi co rút được)
ADN kép, dạng thẳng,
Đầu hình đa diện đều hoặc hơi dài (110x80nm).Đuôi có đĩa cổ, đĩa gốc, gai, lông.
Họ Siphoviridae (đuôi dài không co được)
ADN kép, dạng thẳng
Đầu có đường kính 60nm.Đuôi không co được, có thể dài đến 570nm.Không phá vỡ ADN ký chủ.
Họ Podoviridae (đuôi ngắn)
ADN kép, dạng thẳng
Đầu có đường kính 60nm. Đuôi ngắn (17x8nm) với 6 sợi lông đuôi
Phage hình khối
Họ Microviridae ADN đơn, khép vòng
Virion hình đa diện (25-27nm) có bướu ở 12 đỉnh.Không có vỏ ngoài.
Họ Corticoviridae (nhóm phage PM2)
ADN kép, khép vòng
Virion đều, đường kính 60nm.Lipid nằm giữa các lớp vỏ protein.Không có vỏ ngoài, không có đuôi, gai ở đỉnh.
Họ Tectiviridae (Phage có hai vỏ capsit)
ADN kép, dạng thẳng
Virion có đường kính 60nm chứa lipid ngoài.Hai vỏ capsid, vỏ ngoài cứng, vỏ trong mềm.Sau khi tiêm ADN, xuất hiện cấu trúc đuôi dài khoảng 60nm.
SH1 ADN kép Virion có cấu trúc giống như
Tectiviruses và chứa lipid.
STIV ADN kép
STIV có cấu trúc tương tự như Tectiviruses, Adenoviruses và Phycodnaviruses.
Họ Leviviridae
ARN đơn, (+), dạng dải
Capsid đa diện, đường kính 24nm.
Họ Cystoviridae
(nhóm phage φ6) ARN kép Virion đồng đều, đường kính 75nm, được bao bọc bởi vỏ ngoài lipid.
Phage dạng sợi
Họ Inoviridae
ADN đơn (+), khép vòng
Phage hình gậy hoặc sợi, capsid xoắn.Không làm tan tế bào chủ.
Lipothrixviridae ADN kép
Virion virus có hình que dài với lớp vỏ lipoprotein.
Rudiviridae ADN kép Virion có hình que thẳng, không có vỏ, giống với virus khảm thuốc lá.
Phage đa hình thái
Plasmaviridae ADN kép, khép kín
Virion được bọc vỏ ngoài chứa lipid, đường kính 50-150nm bên trong có lõi nhỏ đậm đặc.Hình thái thay đổi chút ít.
Fuselloviridae ADN kép Virion có hình con quay và không có vỏ capsid.
Salterprovirus ADN kép
Hai thành viên của chi này được biết đến là His1 và His2. Virion có hình con quay.
Guttaviridae ADN kép Virion có hình giọt nước và có
Ampullaviridae ADN kép
Virion có cấu trúc rất đặc trưng và rất độc đáo với lớp áp choàng hình chai bên ngoài, cơ thể bên trong hình nón và nucleocapsid hình xoắn trôn ốc.
Bicaudaviridae ADN kép
Virion bắt đầu quá trình thực thể với hình dạng là hình bầu dục hoặc hình mũi tên, bên trong chứa nucleocapsid hình xoắn trôn ốc và mọc đuôi phụ ở hai đầu.
Globuloviridae ADN kép
Virion có dạng hình cầu, vỏ có chứa lipid và nucleocapsid hình xoắn ốc.Trừ việc genome của chúng chứa ADN, chúng giống như Paramyxiviruses.
2.1.4.4. Ứng dụng của phage
Trước thời đại kháng sinh, liệu pháp thực khuẩn thể, một phương pháp sử dụng thực khuẩn thể để điều trị các bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở Liên Xô và các nước Đông Âu. Từ năm 1928, Fleming tìm ra kháng sinh đầu tiên là penicillin và trong suốt những năm sau đó- là thời kì vàng kim của thuốc kháng sinh thì liệu pháp thực khuẩn thể không được quan tâm nữa. Cho tới những năm gần đây, việc sử dụng tràn lan các loại thuốc kháng sinh dẫn đến tình trạng kháng thuốc ở vi khuẩn thì nhân loại lại quay về sử dụng liệu pháp phage.
Bản chất của liệu pháp này là sự xâm nhập, nhân lên và tiêu diệt tế bào vi khuẩn theo 2 cơ chế là lytic và lysogentic. Chu kì lytic là quá trình sinh tan, sau khi phage tiếp xúc với tế bào vi khuẩn, chúng bơm nucleic acid vào bên trong tế bào.
Nhờ hệ thống phiên mã dịch mã của tế bào mà nucleic acid của phage được tổng hợp. Sau khi tổng hợp xong các thành phần, chúng lắp ráp các thành phần lại với nhau tạo thành phage hoàn chỉnh và ồ ạt giải phóng ra bên ngoài, gây dung giải tế bào vi khuẩn. Còn đối với chu kì lysogentic, hệ gen của phage tiếp hợp vào hệ gen của tế bào vi khuẩn, tồn tại và phân chia cùng với genome vi khuẩn qua nhiều thế hệ (Fenton M et al., 2010).
Hình 2.2: Quá trình lytic (sinh tan) và lysogentic (tiềm tan) của thể thực khuẩn khi xâm nhiễm vi khuẩn ( John B et al., 2007).
Ngành công nghiệp thực phẩm là một lĩnh vực tiềm năng ứng dụng thể thực khuẩn vào việc bảo quản thực phẩm. Năm 2006 Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kì ( FDA) đã cho phép sử dụng thực khuẩn thể để chống lại vi khuẩn Listeria monocytogenes gây ô nhiễm thịt và gia cầm. Tiềm năng lâm sàng của liệu pháp phage cũng rất lớn, những chỉ định cho điều trị phage được đánh giá là có hiệu quả với nhiễm trùng vết thương gây ra bởi vi khuẩn (P. aeruginosa, S. aureus …).
Một loại cocktail phage, BFC-1, có chứa thực khuẩn cụ thể cho các chủng P.
aeruginosa và S. aureus hiện đang được đánh giá là điều trị các vết thương bỏng (Merabishvili et al., 2009). Hướng nghiên cứu mới của liệu pháp này là chống nhiễm trùng đường ruột bằng cách uống phage. Nestle, công ty thực phẩm Thụy Sỹ, đã tiến hành một giai đoạn I thử nghiệm an toàn của T4 phage trên người tình nguyện khỏe mạnh và gần đây bắt đầu một thử nghiệm lâm sàng cho việc sử dụng các thực khuẩn trong dung dịch bù nước theo đường uống cho trẻ tiêu chảy (Bruttin và Brussow , 2005).
Liệu pháp này tuyệt đối an toàn cho người và vật nuôi. Tuy nhiên phổ hoạt động hẹp hay độ đặc hiệu cao của phage mà yêu cầu cần chẩn đoán chính xác tác nhân lây nhiễm. Liệu pháp thực khuẩn thể cũng có nguy cơ làm phát triển tính kháng cao của vi khuẩn nhiễm trùng. Giải pháp thay thế cho việc sử dụng toàn bộ thực khuẩn thể là việc chỉ sử dụng protein của thực khuẩn thể, đó là lysins. Đây là enzyme có hoạt tính mạnh nhằm tiêu diệt các tế bào vi khuẩn. Phát triển sức đề kháng của vi khuẩn đối với lysins chưa được báo cáo (Fischetti VA et al., 2010).