Fagi: biologia molecolare ed ingegneria genetica per dare “un colpo di coda” ai batteri resistenti

I batteriofagi sono in circolazione dal 1915 e anche il loro uso come antibatterici è molto antico. Nonostante i buoni risultati iniziali, la mancanza di un buon progetto di sperimentazione e i risultati variabili ottenuti, così come il verificarsi della rivoluzione antibiotica, combinati per spingere i fagi fuori dai riflettori. Tuttavia, la resistenza ai farmaci di numerosi antibiotici comunemente usati ha stimolato un nuovo interesse per questa terapia antibatterica altamente specifica ed efficace. I fagi identificano specificamente i batteri bersaglio, si attaccano ad essi con le loro fibre della coda, il che provoca una rapida lisi o distruzione della parete cellulare batterica. Questa proprietà è preziosa per un attacco antibatterico che utilizza meccanismi indipendenti dagli antibiotici. Ciò potrebbe significare che possono distruggere i ceppi batterici resistenti a più farmaci. Inoltre, si concentrano sul batterio stesso, evitando danni non intenzionali o involontari al corpo. Lasciano soli i normali batteri sani, non causano tossicità significativa a causa della loro natura biologica e consentono al processo di sviluppo di essere più snello ed economico. Si replicano ma scompaiono una volta completata l’attività. L’ingegneria dei fagi è necessaria per migliorare la diversità dei fagi disponibili per l’attacco inserendo modificazioni geniche su una struttura comune di fibre di coda dell’impalcatura. Aiuta anche a superare i meccanismi batterici che causano la resistenza dei fagi e a interrompere i biofilm batterici che indeboliscono la capacità del fagi di attaccarsi ai batteri bersaglio così come i cosiddetti meccanismi anti-patogeni volti a ridurre la virulenza batterica o il potenziale di sopravvivenza.

Il primo di questi fagi è stato messo in azione nel 2015. Era un fago T7 diretto contro E. coli in natura. Gli scienziati hanno scoperto che potevano inserire geni specifici nel fago T7 che codificano altri tipi di fibre di coda, la proteina che aiuta i fagi a legarsi specificamente ai recettori della superficie cellulare sulla cellula ospite bersaglio. Ciò consentirebbe loro di modificare il fago per renderlo selettivo contro qualsiasi batterio scelto. Tuttavia, il processo di ingegneria non è stato né efficiente né rapido. Quindi continuarono a lavorare per affinare un metodo che avrebbe permesso loro di creare fagi su misura per combattere qualsiasi batterio desiderato. Un approccio ha avuto successo e costituisce la base dell’attuale strategia di attacco basata sui fagi. Il presente studio presenta una strategia per modificare rapidamente la composizione genetica del fago per stimolare l’uccisione di vari ceppi distinti del batterio intestinale Escherichia coli. I ricercatori del MIT dietro questo studio hanno prodotto mutazioni nella proteina della fibra della coda mediante la quale il virus si blocca alla cellula batterica. Queste mutazioni possono essere adattate per ampliare l’intervallo dell’ospite contro il quale il fago può agire e contemporaneamente ridurre la capacità del batterio di attivare meccanismi protettivi contro l’infezione del fago. L’approccio delle fibre di coda si basa sulla capacità di questa tecnica di sintetizzare e testare un gran numero di tipi di fibre di coda. La struttura della fibra della coda è già nota da precedenti ricerche ed è costituita da proteine ​​in un arrangiamento chiamato beta-foglio. I fogli beta all’interno della proteina sono collegati da anelli.

Gli scienziati hanno lanciato un programma sistematico di cambiamento degli aminoacidi all’interno del segmento proteico che forma gli anelli lasciando intatti i fogli beta. Ciò ha lasciato la struttura proteica in gran parte invariata pur consentendo loro di armeggiare con regioni ben definite della fibra della coda che determinano il modo in cui il fago interagisce con il batterio. Infine, hanno trovato circa 10 milioni di varianti di fibre di coda, che sono state vagliate utilizzando diversi ceppi di E. coli che mostravano resistenza alle infezioni con il fago originale. Ad esempio, un ceppo presentava geni recettori lipopolisaccaridici mutanti (LPS), che portavano a recettori mancanti o corti. Ciò li ha resi resistenti ai fagi naturali, ma suscettibili ad alcuni dei fagi ingegnerizzati. La prova proveniva da diversi fagi modificati che erano letali per l’Escherichia Coli colta. Tra questi, un fago ha anche sradicato con successo due ceppi nella pelle di topo infetto, che ha resistito all’uccisione dei fagi naturali. Il team non vede l’ora di utilizzare la stessa strategia per superare altri meccanismi di resistenza dei fagi osservati con E. coli. Ciò darà origine a nuovi ceppi di fagi contro altri organismi nocivi. Inoltre, i fagi sono strumenti efficaci per combattere i problemi di salute causati da determinati batteri intestinali specifici. Alcuni fagi sono già stati approvati dalla FDA degli Stati Uniti per sradicare i batteri patogeni dal cibo, ma il loro uso nel trattamento delle malattie infettive è limitato a causa della difficoltà di identificare i fagi appropriati selettivi per i batteri bersaglio. Il vantaggio principale è che i fagi forniscono un’arma di base che può essere personalizzata per uccidere e abbattere i livelli di batteri all’interno di un ecosistema complesso in modo mirato.

Ecco perchè la ricerca attuale si concentra sullo sviluppo di uno scaffold virale o di un framework di base che può essere facilmente modificato, in base alle esigenze per uccidere un diverso ceppo batterico o per superare altri tipi di resistenza batterica dei fagi. Gli svantaggi che devono essere gestiti nell’azione antibatterica basata sui fagi comprendono le loro grandi dimensioni e l’immunogenicità, che provoca un rapido riconoscimento e perdita di efficacia. Inoltre, il trasferimento genico tra ospiti batterici può consentire l’emergere di nuovi batteri resistenti ai fagi e, peggio ancora, la resistenza agli antibiotici o una maggiore capacità di colonizzare e infettare gli ospiti umani.

  • A cura del Dr Gianfrancesco Cormaci, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Yehl K et al., Lu TK. Cell Stem Cell. 2019 Oct 3; 179(2):459-469.

Almagro JC et al., Pérez-Tapia SM. Antibodies 2019 Aug 23; 8(3).

Fong K, Tremblay DM et al., Wang S. Viruses. 2019 Sep 14;11(9).

Informazioni su Dott. Gianfrancesco Cormaci 1714 Articoli
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry specialty in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Detentore di un brevetto sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of a patent concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica, salute e benessere sui siti web salutesicilia.com e medicomunicare.it

Commenta per primo