Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un peptide sintetico che può rendere nuovamente sensibili agli antibiotici i batteri multiresistenti se usati insieme agli antibiotici tradizionali, offrendo speranza per la prospettiva di una strategia di trattamento combinato per affrontare alcune infezioni tolleranti agli antibiotici.

Da solo, il peptide antimicrobico sintetico può anche uccidere i batteri che sono diventati resistenti agli antibiotici.

Ogni anno, circa 700, 000 persone nel mondo muoiono di malattie resistenti agli antibiotici, secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità. In assenza di nuove terapie, le infezioni causate da superbatteri resistenti potrebbero uccidere altri 10 milioni di persone ogni anno in tutto il mondo entro il 2050, superando il cancro. La resistenza agli antibiotici si manifesta nei batteri quando sono in grado di riconoscere e prevenire farmaci che altrimenti li ucciderebbero, dal passaggio attraverso la loro parete cellulare.

Questa minaccia è accelerata dallo sviluppo della pandemia di COVID-19, con i pazienti ricoverati in ospedale che spesso ricevono antibiotici per tenere sotto controllo le infezioni batteriche secondarie, amplificando l'opportunità per i patogeni resistenti di emergere e diffondersi.

Il team di NTU Singapore, guidato dal Professore Associato Kimberly Kline e dalla Professoressa Mary Chan, sviluppato un peptide antimicrobico noto come CSM5-K5 comprendente unità ripetute di chitosano, uno zucchero trovato nei gusci dei crostacei che ha una somiglianza strutturale con la parete cellulare batterica, e unità ripetute dell'amminoacido lisina.

Gli scienziati ritengono che la somiglianza strutturale del chitosano con la parete cellulare batterica aiuti il ​​peptide a interagire con esso e ad inserirsi in esso, causando difetti nella parete e nella membrana che alla fine uccidono i batteri.

Il team ha testato il peptide su biofilm, che sono strati viscidi di batteri che possono aderire a superfici come tessuti viventi o dispositivi medici negli ospedali, e che sono difficili da penetrare per gli antibiotici tradizionali.

Sia nei biofilm preformati in laboratorio che nei biofilm formati sulle ferite nei topi, il peptide sviluppato da NTU ha ucciso almeno il 90% dei ceppi batterici in quattro o cinque ore.

In esperimenti separati, quando CSM5-K5 è stato utilizzato con antibiotici a cui i batteri sono altrimenti resistenti, più batteri sono stati uccisi rispetto a quando CSM5-K5 è stato usato da solo, suggerendo che il peptide rendesse i batteri suscettibili agli antibiotici. Anche la quantità di antibiotici utilizzata in questa terapia di combinazione era a una concentrazione inferiore a quella comunemente prescritta.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Malattie infettive ACS a maggio.

Assoc Prof Kimberly Kline, un Principal Investigator presso il Singapore Centre for Environmental Life Sciences Engineering (SCELSE) presso NTU, ha dichiarato:"I nostri risultati mostrano che il nostro peptide antimicrobico è efficace se usato da solo o in combinazione con antibiotici convenzionali per combattere i batteri multiresistenti. La sua potenza aumenta se usato con antibiotici, ripristinando nuovamente la sensibilità dei batteri ai farmaci. Ma ancora più importante, abbiamo scoperto che i batteri che abbiamo testato hanno sviluppato poca o nessuna resistenza contro il nostro peptide, rendendolo un'aggiunta efficace e fattibile agli antibiotici come una valida strategia di trattamento combinato mentre il mondo è alle prese con l'aumento della resistenza agli antibiotici".

Professoressa Mary Chan, direttore del Centro di bioingegneria antimicrobica di NTU, ha dichiarato:"Mentre gli sforzi sono concentrati sulla gestione della pandemia di COVID-19, dobbiamo anche ricordare che la resistenza agli antibiotici continua ad essere un problema crescente, dove le infezioni batteriche secondarie che si sviluppano nei pazienti potrebbero complicare le cose, costituire una minaccia nelle strutture sanitarie. Ad esempio, le infezioni respiratorie virali potrebbero consentire ai batteri di entrare più facilmente nei polmoni, portando a polmonite batterica, che è comunemente associato a COVID-19".

Come funziona il peptide antimicrobico

peptidi antimicrobici, che portano una carica elettrica positiva, tipicamente funzionano legandosi alle membrane batteriche caricate negativamente, distruggendo la membrana e causando la morte dei batteri. Più un peptide è caricato positivamente, più è efficiente nel legarsi ai batteri e quindi ucciderli.

Però, anche la tossicità del peptide per l'ospite aumenta in linea con la carica positiva del peptide:danneggia le cellule dell'organismo ospite mentre uccide i batteri. Di conseguenza, i peptidi antimicrobici ingegnerizzati fino ad oggi hanno riscontrato un successo limitato, ha detto Assoc Prof Kline, che è anche della Scuola di Scienze Biologiche NTU.

Il peptide progettato dal team NTU, chiamato CSM5-K5, è in grado di raggrupparsi per formare nanoparticelle quando viene applicato a biofilm di batteri. Questo raggruppamento si traduce in un effetto distruttivo più concentrato sulla parete cellulare batterica rispetto all'attività di singole catene di peptidi, il che significa che ha un'elevata attività antibatterica ma senza causare danni indebiti alle cellule sane.

Per esaminare l'efficacia di CSM5-K5 da solo, gli scienziati della NTU hanno sviluppato biofilm separati comprendenti Staphylococcus aureus resistente alla meticillina, comunemente noto come superbatterio MRSA; un ceppo altamente virulento multiresistente di Escherichia coli (MDR E. Coli); e Enterococcus faecalis resistente alla vancomicina (VRE). MRSA e VRE sono classificati come gravi minacce dai Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie.

Negli esperimenti di laboratorio, CSM5-K5 ha ucciso più del 99 percento dei batteri del biofilm dopo quattro ore di trattamento. Nelle ferite infette sui topi, il peptide antimicrobico sviluppato da NTU ha ucciso più del 90% dei batteri.

Quando CSM5-K5 è stato utilizzato con antibiotici convenzionali, il team NTU ha scoperto che l'approccio combinato ha portato a un'ulteriore riduzione dei batteri sia nei biofilm formati in laboratorio che nelle ferite infette nei topi rispetto a quando è stato utilizzato solo CSM5-K5, suggerendo che il peptide antimicrobico ha reso i batteri sensibili ai farmaci a cui sarebbero altrimenti resistenti.

Ma ancora più importante, il team NTU ha scoperto che i tre ceppi di batteri studiati (MRSA, VRE e MDR E. coli) hanno sviluppato poca o nessuna resistenza contro CSM5-K5. Mentre MRSA ha sviluppato una resistenza di basso livello contro CSM5-K5, questo ha reso l'MRSA più sensibile al farmaco a cui è altrimenti resistente.

Il professor Chan ha dichiarato:"Lo sviluppo di nuovi farmaci da solo non è più sufficiente per combattere le infezioni batteriche difficili da trattare, poiché i batteri continuano a evolversi e superano in astuzia gli antibiotici/ È importante cercare modi innovativi per affrontare le infezioni batteriche difficili da trattare associate alla resistenza agli antibiotici e ai biofilm, come affrontare i meccanismi di difesa dei batteri. Un metodo più efficace ed economico per combattere i batteri è attraverso un approccio di terapia combinata come il nostro".

Il prossimo passo in avanti per il team è esplorare come un tale approccio di terapia combinata possa essere utilizzato per le malattie rare o per la medicazione delle ferite.