La resistenza agli antibiotici è una delle minacce più urgenti al mondo per la salute pubblica. Solo negli Stati Uniti, decine di migliaia di decessi risultano ogni anno da ceppi resistenti ai farmaci di batteri comuni come Staphylococcus aureus e Enterococcus faecium, che possono causare infezioni nosocomiali praticamente incurabili. Si stanno sviluppando pericolosamente poche nuove classi di antibiotici per combattere le infezioni che sono diventate resistenti ai trattamenti tradizionali, e portare sul mercato nuovi farmaci potrebbe richiedere decenni.

I ricercatori della UC San Francisco stanno affrontando la resistenza agli antibiotici utilizzando un approccio diverso:ridisegnare le molecole di antibiotici esistenti per eludere i meccanismi di resistenza di un batterio. Ideando una serie di pezzi LEGO molecolari che possono essere modificati e uniti per formare molecole più grandi, i ricercatori hanno creato quella che sperano sia la prima di tante "ricostruzioni" di farmaci che erano stati accantonati a causa della resistenza agli antibiotici. La ricerca è stata pubblicata il 23 settembre 2020, in Natura.

"L'obiettivo è quello di far rivivere classi di farmaci che non sono state in grado di esprimere il loro pieno potenziale, specialmente quelli che hanno già dimostrato di essere sicuri negli esseri umani, "ha detto Ian Seiple, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il Dipartimento di Chimica Farmaceutica della Scuola di Farmacia della UCSF e l'Istituto di ricerca cardiovascolare (CVRI), e autore principale della carta. "Se possiamo farlo, elimina la necessità di inventare continuamente nuove classi di farmaci in grado di superare i batteri resistenti. La riprogettazione dei farmaci esistenti potrebbe essere uno strumento vitale in questo sforzo".

Nel lavoro descritto nel nuovo Natura carta, Seiple e il suo collaboratore James Fraser, dottorato di ricerca un professore nel Dipartimento di Bioingegneria e Scienze Terapeutiche della Scuola di Farmacia della Scuola di Farmacia UCSF, hanno dimostrato questo approccio con una classe di antibiotici chiamati streptogramine. Fino a poco tempo fa, le streptogramine erano molto efficaci contro le infezioni da S. aureus, finché i batteri non svilupparono un meccanismo di resistenza intelligente.

Le streptogramine disabilitano i batteri gommando le opere nel ribosoma batterico, rendendo impossibile per i batteri produrre proteine. Ma i batteri resistenti alle streptogramine producono proteine ​​chiamate virginiamicina acetiltransferasi (Vats), che riconoscono questi antibiotici quando entrano nella cellula batterica. I Vats afferrano il farmaco e lo disattivano chimicamente prima che possa legarsi al ribosoma, rendendolo inutile.

Streptogramine, come la maggior parte degli altri antibiotici, sono derivati ​​da composti antibiotici naturali prodotti da altri organismi (di solito batteri) che vengono poi modificati per ottimizzare le loro prestazioni nel corpo umano. Seiple immaginò che dovesse esserci anche un modo per apportare ulteriori modifiche alla molecola del farmaco che le avrebbe consentito di eludere la cattura da parte delle proteine ​​del tino.

Seiple ha deciso di costruire nuove streptogramine da zero, piuttosto che modificare le strutture esistenti. Per facilitare il processo di costruzione, Qi Li, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato nel laboratorio Seiple e co-primo autore dell'articolo, ha creato sette moduli molecolari che possono essere modificati secondo necessità per costruire una serie di variazioni sulla molecola della streptogramina.

"Questo sistema ci consente di manipolare gli elementi costitutivi in ​​modi che non sarebbero possibili in natura, " ha detto Seiple. "Ci fornisce un percorso efficiente per riprogettare queste molecole da zero, e abbiamo molta più libertà di essere creativi nel modo in cui modifichiamo le strutture".

Una volta che Seiple e Li hanno avuto i loro elementi costitutivi, il passo successivo è stato quello di ottenere una visione a livello molecolare della chimica coinvolta per capire meglio come modificare e mettere insieme quei LEGO molecolari.

Per quello, Seiple ha collaborato con Fraser, specializzato nella creazione di modelli visivi di molecole biologiche.

"Il contributo del mio laboratorio è stato quello di dire, 'Ora che hai i sette pezzi, quale di essi dovremmo modificare e in che modo?'" disse Fraser, il cui lavoro sul progetto è stato sostenuto dall'inaugurale Sanghvi-Agarwal Innovation Award.

Per ottenere risposte a questa domanda, Jenna Pellegrino, uno studente laureato nel Fraser Group e co-primo autore della carta, utilizzato due tecniche complementari, criomicroscopia elettronica e cristallografia a raggi X, per creare immagini tridimensionali del farmaco a risoluzione quasi atomica, così come il suo bersaglio il ribosoma batterico, e la sua nemesi, la proteina Vat.

Utilizzando i modelli, Li, Pellegrino, Seiple, e Fraser ha potuto vedere quali parti della molecola della streptogramina sono essenziali per la funzione dell'antibiotico. Quindi Li era libero di giocherellare con le regioni non essenziali del farmaco per trovare modifiche che impedissero a Vats di interagire con il farmaco, pur consentendogli di legarsi ai suoi bersagli ribosomiali e disabilitare il batterio.

Il team ha scoperto che due dei sette elementi costitutivi sembravano offrire siti potenzialmente interessanti per la modifica. Hanno apportato variazioni al farmaco che conteneva modifiche in quelle regioni e hanno scoperto che queste variazioni avevano attività in dozzine di ceppi di batteri patogeni. I ricercatori hanno anche testato il loro candidato più promettente contro S. aureus resistente alla streptogramina in topi infetti, e ha scoperto che era oltre 10 volte più efficace di altri antibiotici streptogramine.

Seiple sottolinea che le conoscenze acquisite attraverso questi esperimenti collaborativi possono essere applicate alla modifica di molti altri antibiotici.

"Abbiamo appreso dei meccanismi che altre classi di antibiotici usano per legarsi allo stesso bersaglio, " ha detto. "Inoltre, abbiamo stabilito un flusso di lavoro per l'utilizzo della chimica per superare la resistenza agli antibiotici che non hanno raggiunto il loro potenziale".

Seiple continuerà a perfezionare queste streptogramine sintetiche e quindi spera di spostare il lavoro nel settore privato, dove gli antibiotici riprogettati potrebbero essere ulteriormente sviluppati e testati in prove umane. Lui e Fraser hanno in programma di continuare a lavorare insieme per far rivivere altri antibiotici che sono stati accantonati a causa della resistenza microbica, perfezionare una serie di strumenti che possono aiutare i ricercatori a stare un passo avanti rispetto all'evoluzione batterica.

"È una corsa agli armamenti senza fine con i batteri, " ha detto Fraser. "Ma studiando le strutture coinvolte, prima che sorga la resistenza, possiamo avere un'idea di quali saranno i potenziali meccanismi di resistenza. Questa intuizione sarà una guida per creare antibiotici a cui i batteri non possono resistere".