Microbioma polmonare-immagine: batterio Pseudomonas aeruginosa coltivato in laboratorio. (Immagine di iStock)
Nei prossimi 25 anni, oltre 39 milioni di persone in tutto il mondo potrebbero morire a causa di infezioni resistenti agli antibiotici. Con l’aumento dei superbatteri dovuto all’uso improprio e eccessivo di antibiotici, i ricercatori stanno cercando nuovi modi per combattere efficacemente le infezioni batteriche e salvare vite umane.
Ora, un team multidisciplinare di scienziati guidato dall’Università della California, Berkeley, sta lavorando a un sistema che utilizza probiotici, batteri benefici presenti nel nostro organismo e prebiotici, i nutrienti che supportano questi batteri buoni, per sopprimere i batteri nocivi. Finanziato da un finanziamento di 22,7 milioni di dollari del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti (HHS) attraverso l’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata per la Salute (ARPA-H), questo lavoro fa parte del progetto triennale PROTECT (Pro/Prebiotic Regulation for Optimized Treatment and Eradication of Clinical Threats).
Concentrandosi sul microbioma polmonare, i ricercatori mirano a identificare ceppi probiotici in grado di combattere Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, due patogeni mortali che spesso infettano le persone con fibrosi cistica o polmonite. In pratica, cercano batteri buoni che siano affamati di combattere.
“Il concetto è che possiamo assemblare e nutrire in modo differenziato un insieme di microbi polmonari ‘sani’ naturali e far sì che sostanzialmente ‘mangino il pranzo’ di qualsiasi agente patogeno invasore“, ha affermato Adam Arkin, Professore di bioingegneria presso l’Università della California a Berkeley e principale ricercatore dello studio. “In altre parole, mangiano letteralmente tutti i metaboliti di cui un agente patogeno ha bisogno per stabilirsi o propagarsi in quell’ambiente“.
Questo approccio unico, sebbene più complesso rispetto alla creazione di un nuovo antibiotico ad ampio spettro, potrebbe potenzialmente essere utilizzato per combattere le infezioni resistenti agli antibiotici in altre aree del corpo, come ferite o intestino. Ha anche il potere di cambiare il modo in cui trattiamo e preveniamo le infezioni batteriche in futuro, riducendo la nostra dipendenza dagli antibiotici.
Progettare il microbioma per combattere i patogeni
Arkin ha spiegato che i batteri presenti nel nostro corpo si dividono in tre categorie: passeggeri, amici o nemici. Quelli considerati passeggeri si limitano a starsene lì, a fare quello che fanno e a non darci fastidio. Gli amici ci aiutano a digerire il cibo, a moderare il nostro sistema immunitario e a proteggerci dagli agenti patogeni. Poi ci sono i nemici, gli agenti patogeni che possono danneggiarci.
Attribuisce a Kelsey Hern, ex dottoranda nel suo laboratorio e ora postdoc alla Northwestern University, l’idea di consentire ai batteri buoni di prevalere sui batteri cattivi. Hern, ricercatrice principale del progetto ARPA-H, descrive la strategia come ecologica piuttosto che combattiva, più simile a un’eliminazione delle erbacce in un giardino. Nutrendo selettivamente i microbi benefici, il team elimina di fatto il buffet di nutrienti di cui i patogeni hanno bisogno per sopravvivere.
“Kelsey si è chiesta se fosse possibile costruire una comunità autosufficiente che volesse davvero vivere dentro di noi e che fornisse una barriera protettiva contro i patogeni”, ha detto Arkin. “E questo le ha portato a un’idea: come si costruisce una comunità che si ama ma che si nutre dei patogeni?“
Analizzando il genoma dei batteri, Hern ha capito come selezionare i batteri giusti per il compito: dovevano mangiare cibi specifici, in modo da competere con il patogeno preso di mira, ma non tra loro.
“Volevamo utilizzare la nostra conoscenza dell’ecologia del microbioma polmonare per progettare comunità che lavorassero insieme per inibire il patogeno“, ha affermato Hern. “Dato che i polmoni hanno un flusso di nutrienti in entrata e in uscita piuttosto strettamente controllato, siamo stati in grado di modellare questa ecologia semplicemente misurando quali nutrienti polmonari i microbi possono consumare“.
Per creare un probiotico, i ricercatori prelevano prima i batteri da pazienti sani e li analizzano in laboratorio per verificarne la sicurezza e per esaminarne altre caratteristiche. Quindi li inseriscono in un terreno di coltura, un ambiente che simula il polmone. Se i ricercatori riescono a dimostrare che i batteri crescono bene insieme e competono con il patogeno, i batteri diventeranno la formulazione del probiotico.
Come fase finale del progetto ARPA-H, i ricercatori inseriscono il probiotico in un nebulizzatore, come quelli usati dalle persone affette da asma, in modo che i batteri benefici possano essere inalati e trasportati ai polmoni.
Una collaborazione multidisciplinare
Arkin ha spiegato che, quando gli scienziati stavano progettando il progetto ARPA-H, si sono resi conto che sarebbero state necessarie competenze interdisciplinari per comprendere meglio il funzionamento di questi microbiomi ingegnerizzati una volta all’interno del corpo. Un team di medici, veterinari, microbiologi e biologi sintetici si è riunito per cercare di realizzare questo progetto.
“Il nostro collega, Karsten Zengler, è stato l’esperto che poteva fornirci una comprensione molto più approfondita del funzionamento di questi batteri in situ”, ha affermato Arkin. “Lui e il suo team dell’UC San Diego hanno sviluppato queste metodologie ingegnose per scrutare in profondità le cellule mentre operano nei polmoni. E si possono vedere quali sistemi si attivano per nutrirsi e per crescere, ad esempio”.
Secondo Arkin, i medici scienziati dell’UC San Diego hanno fornito una comprensione più approfondita delle esigenze dei pazienti affetti da fibrosi cistica e polmonite e dei patogeni che li infettano. Insieme, i ricercatori hanno lavorato per identificare metodi di trattamento praticabili e modi per testarli adeguatamente su modelli animali.
Risultati preliminari promettenti
Sebbene i risultati del team siano ancora preliminari, sono promettenti. “Abbiamo dimostrato che se inseriamo le colonie di batteri nei topi, possiamo proteggerli dal patogeno”, ha detto Arkin. “Quindi è stato un effetto positivo e forte, ma non perfetto”.
Non è perfetto, perché il tempismo è fondamentale. La persona che riceve la dose potrebbe non avere in quel momento il cibo giusto per nutrire i batteri buoni, impedendo loro di attecchire.
I ricercatori hanno iniziato a studiare dei modi per creare una sorta di zaino per i batteri, uno zaino carico di cibo, o prebiotici, sufficiente ad aiutarli a sopravvivere finché il cibo non sarà disponibile nel corpo del ricevente.
“Stiamo quindi lavorando a un modo per aumentare l’affidabilità del trattamento”, ha detto Arkin. “Ci siamo anche resi conto che non è del tutto chiaro per quanto tempo questi batteri buoni persistono nell’organismo. In altre parole, qual è il programma di dosaggio?“.
La durata della permanenza dei batteri ingegnerizzati nell’organismo dipende da molti fattori, ma una cosa è certa: non rimarranno lì per sempre. Il microbioma polmonare è in continuo cambiamento.
“È come essere in un aeroporto. Sei lì, ma prima o poi te ne vai”, ha detto Arkin. “Quindi, quanto spesso bisogna rimetterli a posto? Stiamo cercando dei modi per scoprirlo.”
Inizialmente, i ricercatori pensavano di aver trovato la soluzione perfetta. Gli organismi producono una molecola che può essere rilevata nelle urine o nell’alito, quindi un’idea era quella di fornire al paziente un etilometro da usare e, se il valore fosse stato basso, avrebbe saputo di dover ripetere l’operazione. Ma c’era un intoppo.
“A quanto pare, ai medici questo non piace perché i pazienti non sono collaborativi; se si impongono loro troppi passaggi, non li eseguono correttamente“, ha affermato Arkin. Inoltre, Hern ha osservato che non è facile ottenere uno spettrometro di massa portatile per misurare il segnale del respiro, anche se questo potrebbe essere possibile in futuro con alcuni progressi hardware. Nel frattempo, i ricercatori continueranno a studiare metodi semplici che consentano ai pazienti di valutare le esigenze di dosaggio.
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Ridurre la nostra dipendenza dagli antibiotici
Per molti versi, questa ricerca rappresenta un potenziale cambio di paradigma nel nostro approccio alla lotta alle infezioni. “Penso che ci sia un potenziale reale in questo”, ha affermato Arkin. “Non solo per questa applicazione nei polmoni, ma anche per altre“.
Arkin ha osservato che il suo team non è il primo a pensare di modificare il microbioma per combattere le infezioni. Tuttavia, per molti anni, i ricercatori hanno faticato a tracciare l’attività di questi batteri all’interno di un organismo vivente e a osservarne il comportamento per un lungo periodo di tempo. Ora, grazie ai recenti progressi tecnologici, i ricercatori possono compiere il passo successivo.
“Le nostre tecnologie di misurazione sono migliorate negli ultimi quindici anni, quindi abbiamo acquisito una comprensione molto più approfondita di come operano i microbiomi in situ“, ha affermato. “Inoltre, le persone sono diventate più interessate ad assumere probiotici. Quindi ci sono molti fattori in gioco che possono metterci in una posizione favorevole”.
Fonte: UC Berkeley