I farmaci che ci hanno protetto dai batteri ubiquitari per più di settant'anni stanno lentamente perdendo la loro presa e abbiamo bisogno di una nuova arma per combattere le infezioni. I batteri patogeni stanno diventando immuni agli antibiotici che una volta li uccidevano, anche ai farmaci che un tempo erano considerati l'ultima linea di difesa.
I batteri resistenti agli antibiotici (resistenti agli antibiotici) uccidono circa l'uno per cento delle persone che infettano, anche nei paesi sviluppati. E se questo viene ignorato, uccideranno cinque volte più persone ogni anno.
"Molte cose che diamo per scontate al momento, come un taglio cesareo, o la sostituzione dell'anca, o i trapianti di organi, senza antibiotici, diventeranno molto difficili", afferma François Franceschi, responsabile dei programmi di sviluppo terapeutico nel dipartimento di batteriologia e micologia dell'Istituto nazionale di allergia e malattie infettive.
Le persone con un sistema immunitario indebolito sono particolarmente vulnerabili, ma nel mondo post-antibiotico tutti senza eccezioni saranno a rischio.
"La gente dice che nell'era post-antibiotica, gli antibiotici non saranno più in grado di aiutarci con il più piccolo graffio", afferma Cesar de la Fuente, bioingegnere presso il Massachusetts Institute of Technology.
Per combattere i batteri resistenti, ci rivolgiamo a nuovi alleati, come i virus, che attaccano solo i batteri; nanoparticelle e minuscole proteine prodotte dal sistema immunitario di vari organismi. Ogni strumento ha i suoi vantaggi e svantaggi, motivo per cui gli scienziati stanno studiando una varietà di approcci.
"Molte persone sul campo stanno attualmente cercando strategie alternative da aggiungere al nostro arsenale", afferma Timothy Lu, anche lui del MIT. "Non è che ognuno di loro stia cercando di inventare il proprio proiettile d'argento che ci salverà dai batteri per il resto della nostra vita, ma piuttosto studiando il problema da diverse angolazioni".
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Ecco alcuni modi in cui possiamo aiutarci a trattare i batteri indesiderati.
Disarmare gli invasori
I batteri non devono sempre essere uccisi per neutralizzarli. Alcuni trattamenti prendono di mira indirettamente i germi privandoli delle loro armi. I batteri saranno presenti, ma le conseguenze dell'infezione non saranno gravi e il sistema immunitario avrà la possibilità di combattere l'infezione da solo.
Se il tuo farmaco non uccide effettivamente i batteri, avranno meno incentivi a costruire resistenza ad esso. Ci vorrà più tempo per lo sviluppo della resistenza perché i batteri non combatteranno attivamente il farmaco, dice Franceschi.
Molti batteri rilasciano tossine che danneggiano le cellule ospiti. Uno dei tipi più comuni di tossine è chiamato formazione di pori, che perfora i buchi nelle cellule. È isolato da Staphylococcus aureus resistente alla meticillina, Escherichia coli, Listeria, batteri dell'antrace e veleno di serpenti, scorpioni e anemoni di mare.
Liangfang Zhang ha scoperto come eliminare queste tossine. "Togli le armi e diventano molto più deboli", dice Zhang, un nanoingegnere presso l'Università della California, San Diego. Ricopre le nanoparticelle con un dolce bersaglio - membrane composte da globuli rossi. Il globulo rosso agisce come un'esca, aspirando la tossina che altrimenti attaccherebbe le cellule sane. "È come una spugna che succhia le tossine", spiega Zhang.
Nel suo primo studio, ha dimostrato che le nano-spugne assorbivano le tossine senza danneggiare i topi. Il lavoro di Zhang con le nanoparticelle come esche quest'anno è stato uno dei 24 progetti a ricevere finanziamenti dal National Institutes of Health. Spera di iniziare le sperimentazioni cliniche sugli esseri umani già nel prossimo anno.
Le nanoparticelle, che sono spesso realizzate con plastica o metalli come l'argento, possono anche indebolire i batteri distruggendo le loro membrane cellulari protettive o causando danni al DNA. Le nanoparticelle sono facili da lavorare perché si costruiscono da sole. "Tu controlli la temperatura, il solvente e tutto il resto, e queste molecole si assemblano in una nanoparticella", dice Zhang.
Le nanoparticelle possono essere più costose degli antibiotici tradizionali. E anche portarli nel posto giusto nel corpo può essere una sfida. Un'altra sfida è assicurarsi che le nanoparticelle siano realizzate con materiali che non suscitino una risposta immunitaria immediata e si rompano nel tempo in modo che non si accumulino nel corpo.
Rimangono delle domande sulla sicurezza a lungo termine di alcune di queste cose, dice Lou.
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Possono essere applicati trattamenti alternativi per rendere più efficaci gli antibiotici esistenti. Ad esempio, gli scienziati stanno ora studiando come utilizzare le nanoparticelle per fornire farmaci antitumorali e antibiotici.
Gli antibiotici sono distribuiti in tutto il corpo e sono tossici a dosi elevate. Con l'aiuto delle nanoparticelle, potrebbero essere rilasciate dosi concentrate di farmaci. Migliaia di molecole di farmaci potrebbero essere spinte all'interno di una singola nanoparticella.
"Possono facilmente attaccarsi alla membrana e rilasciare gradualmente i farmaci direttamente sui batteri", dice Zhang. Di conseguenza, un carico più efficace potrebbe essere mirato in modo più accurato senza aumentare la dose totale del farmaco. In questo modo, il meccanismo di resistenza batterica potrebbe essere soppresso: semplicemente non svilupperebbero resistenza contro antibiotici ad azione puntuale.
Il problema con le nanoparticelle, come molti altri strumenti, è che il sistema immunitario le vede come una minaccia. “Sono di dimensioni molto simili ai virus. Il nostro corpo imparerà a difendersi da queste nanoparticelle, o virus, se non le proteggi."
Zhang ei suoi colleghi hanno camuffato nanoparticelle in giacche fatte di membrane piastriniche, le cellule che aiutano la coagulazione del sangue. Dal lato, le nanoparticelle sono simili a queste cellule del sangue in miniatura. Alcuni batteri sono attratti dalle piastrine: con il loro aiuto vengono mascherati dal sistema immunitario. Le nanoparticelle rivestite di piastrine potrebbero giocare due volte, reclutando invasori per farle esplodere con un farmaco.
Tutte le nanoparticelle rilasceranno farmaci in presenza di batteri, dice Zhang. Con l'aiuto di particelle rivestite di piastrine, ha già curato topi infettati dal ceppo multi-antibiotico di MRSA.
Attacco diretto
A volte, però, le mezze misure non aiutano. Esistono alternative agli antibiotici tradizionali che possono uccidere i batteri. Una strategia consiste nel creare versioni artificiali di peptidi antimicrobici (AMP), che fanno parte della risposta immunitaria innata in microbi, piante e animali (come i diavoli della Tasmania). Questi componenti attaccano la membrana dell'agente patogeno e provocano il caos all'interno della cellula.
Come parte di un recente progetto, de la Fuente ha lavorato con Lou e altri per selezionare un AMP non tossico trovato in semplici animali marini chiamati tunicati. Gli scienziati hanno aggiunto diversi amminoacidi all'impostazione di base, migliorandone la capacità di trattare i topi infettati da ceppi di E. coli o MRSA resistenti agli antibiotici. L'AMP fortificato rafforza anche il sistema immunitario del roditore, riduce l'infiammazione e richiede aiuto sotto forma di globuli bianchi.
I peptidi antimicrobici possono sconfiggere un'ampia gamma di agenti patogeni e i batteri hanno difficoltà a sviluppare resistenza a loro. "Rispetto agli antibiotici convenzionali, questi peptidi sono più efficaci in molti casi", afferma de la Fuente.
Gli AMP sono costituiti da catene relativamente corte di aminoacidi, i mattoni delle proteine. Pertanto, sono abbastanza semplici (anche se costosi) da costruire. "Dobbiamo ancora ridurre i costi", afferma de la Fuente. Gli scienziati stanno esplorando modi per rendere gli AMP più economici programmando i microbi in modo che non si affidino a una macchina e lasciano che i microbi lo facciano da soli.
Tuttavia, ci sono preoccupazioni che AMP possa attaccare le cellule dell'ospite. E come con molte alternative antibiotiche, inviare peptidi nel posto giusto in una concentrazione sufficientemente elevata da rimanere efficaci può essere una sfida. A breve termine, l'applicazione locale è più probabile, ha detto de la Fuente. Questi peptidi potrebbero essere incorporati, ad esempio, in una crema che potrebbe essere applicata a una ferita aperta o al sito di un'infezione sulla pelle. Potrebbero anche essere usati per coprire tavoli, computer, strumenti chirurgici o cateteri per impedire ai germi di colonizzarli.
Risensibilizzazione
Un altro modo per indebolire i batteri è liberarli dalla resistenza che hanno sviluppato agli antibiotici. Per tali missioni, potrebbero essere utilizzati virus specializzati nel mangiare batteri, batteriofagi.
I batteriofagi sono estremamente efficaci assassini di batteri, ma attraverso l'ingegneria genetica gli scienziati potrebbero fornire loro nuove capacità, incluso il ripristino della sensibilità dei batteri ai farmaci tradizionali.
I batteriofagi riprogrammati possono diventare ossessionati dai batteri che trasportano geni che conferiscono resistenza agli antibiotici, rimuovono questa capacità o uccidono i batteri. Quando i microbi resistenti vengono distrutti o resi innocui, la popolazione rimanente sarà vulnerabile agli antibiotici.
Un altro metodo che consente ai batteri di resistere agli antibiotici è secernendo composti che creano un biofilm attraverso il quale il farmaco non può penetrare. È possibile creare batteriofagi che mangiano il biofilm.
In natura, i batteriofagi possono uccidere direttamente i batteri. Alcuni di loro inseriscono il loro DNA nei batteri e per liberarsi mangiano semplicemente attraverso la parete cellulare, facendo esplodere la cellula, dice Lu. Altri agiscono come parassiti.
I batteriofagi sono stati scoperti circa cento anni fa. Gli antibiotici li hanno sostituiti negli Stati Uniti, ma continuano ad essere utilizzati in Russia e in alcuni paesi dell'Europa orientale. Man mano che i batteri resistenti agli antibiotici crescono, gli scienziati si rivolgono nuovamente ai batteriofagi: sono altrettanto efficaci nel trattamento delle persone, solo gli studi clinici non lo hanno ancora confermato.
Uno dei vantaggi di questi virus è che possono replicarsi. Puoi metterne solo una piccola quantità e uccidere molti batteri. E poiché hanno bisogno di cellule viventi per riprodursi, smetteranno di riprodursi non appena tutte le cellule dell'ospite saranno distrutte.
Tuttavia, come altre alternative, i batteriofagi possono innescare una risposta del sistema immunitario. "Se si inietta un virus o un peptide estraneo nel corpo umano, c'è sempre la possibilità che ne derivi una reazione", dice Lu. Un'altra preoccupazione è che alcuni fagi possono raccogliere geni associati alla resistenza agli antibiotici e trasmetterli ad altri batteri.
Ma è improbabile che danneggino i tessuti umani. I batteriofagi non si moltiplicano nelle cellule umane. Abbiamo un sacco di batteriofagi dentro di noi - è difficile dire che ci sono estranei.
Contatto personale
Diversi trattamenti alternativi potrebbero essere personalizzati per mirare a germi specifici. Anche in questo caso, i batteriofagi sono candidati ideali. "Sono essenzialmente il nemico naturale dei batteri", dice Lu. Di solito, "se trovi i batteri, trovi anche i batteriofagi".
Gli antibiotici tradizionali spesso uccidono i batteri indiscriminatamente, anche nel microbioma naturale del nostro corpo, che svolge un ruolo importante per la nostra salute. È un bombardamento a tappeto che uccide tutto.
I virus offrono un approccio più personalizzato. "Puoi provare a mantenere i batteri buoni mentre uccidi i batteri cattivi", dice Lu.
Tuttavia, questa specificità è anche un'arma a doppio taglio. Per coprire un numero sufficiente di batteri diversi che possono infettare un paziente, molti virus dovranno essere mescolati nel cocktail. Sebbene i batteriofagi non siano molto costosi da coltivare, i cocktail di una varietà di virus sono tutta un'altra cosa.
Lou sta lavorando a cocktail di batteriofagi costruiti su foreste sicure. Determinando l'area che i batteriofagi dovrebbero infettare, è possibile attaccare diversi batteri, dirigere i batteriofagi in direzioni diverse. Resta solo da capire come farlo.
Comunque sia, è difficile creare un farmaco efficace senza sapere cosa sta causando l'infezione. Se vai dal tuo medico, non sarà in grado di fornirti un trattamento a spettro ristretto se non sa quali batteri ti stanno infastidendo.
I medici hanno bisogno di metodi diagnostici più rapidi in modo che possano capire il tipo di batteri bersaglio e quanto siano resistenti agli antibiotici tradizionali. Lu ei suoi colleghi stanno lavorando per creare una diagnostica rapida ed economica. Quando infettano i loro batteri bersaglio, lo accendono con la stessa proteina che usano le lucciole. Basta dare il campione di batteriofago al paziente e "puoi dire se il campione è luminoso o meno, i batteri sono presenti o meno", dice Lu.
Ampio arsenale
Queste non sono tutte le armi che aggiungiamo al nostro arsenale. Gli scienziati stanno esplorando altre opzioni, come inviare altri batteri per combattere gli agenti patogeni, trovare nuovi antibiotici e usare anticorpi e altro ancora.
"Difficilmente puoi fare affidamento su un metodo o una tecnologia per sradicare l'intero problema", afferma Zhang. Studiare i superbatteri da diverse angolazioni, combinando nuove tattiche e metodi di trattamento tradizionali, amplierà il nostro arsenale.
Ci vorranno diversi anni prima che i nuovi strumenti siano approvati per un uso diffuso. E per un po 'di tempo, metodi antimicrobici alternativi verranno utilizzati solo quando gli antibiotici non funzioneranno più. L'economicità e l'efficacia degli antibiotici è la ragione principale per cui sono difficili da rifiutare. Ma a lungo termine, questa sarà l'unica opzione.
ILYA KHEL
