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Esplosione di biofilm con virus
Quando i batteri si uniscono in comunità appiccicose e resistenti ai farmaci chiamate biofilm, può essere quasi impossibile sradicarli usando gli antibiotici convenzionali. Comunemente presenti su dispositivi medici come cateteri, i biofilm possono causare gengiviti e infezioni croniche dell'orecchio. Possono anche causare problemi ambientali e industriali, intasando i tubi dell'acqua.
Biofilm esplosivi: I virus appositamente progettati (mostrati sopra come esagoni) rompono le comunità batteriche chiamate biofilm, che possono ostruire gli scarichi e causare infezioni croniche. I virus producono enzimi (mostrati in rosso) che dissolvono i carboidrati legando insieme i batteri. I virus infettano anche le cellule batteriche (indicate come ovali), facendole scoppiare e morire.
Gli ingegneri biomedici della Boston University hanno progettato un nuovo mezzo altamente efficace per disperdere e uccidere i batteri che vivono nei biofilm. Guidato da biologo sintetico James Collins , il team ha progettato virus che attaccano i biofilm su due fronti: uccidendo i batteri che vivono in essi e dissolvendo i carboidrati che li tengono insieme. Se tali virus che attaccano i batteri si dimostreranno sicuri per l'uso industriale e clinico, afferma Collins, i ricercatori potrebbero sviluppare scorte di diversi tipi di virus, ciascuno su misura per attaccare un diverso tipo di biofilm.
Collins ha progettato un virus in grado di disperdere più del 99 percento dei E. coli in un biofilm modello. Helen Blackwell , un chimico dell'Università del Wisconsin-Madison, crede che questo sia un enorme risultato: non ho visto niente di così efficace come questo approccio. Viene descritto il virus ingegnerizzato di Collins in linea nel diario Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
I batteri che vivono in comune nei biofilm sono mille volte più resistenti agli antibiotici rispetto ai batteri che nuotano liberamente, afferma Collins. Sono protetti da un'impalcatura appiccicosa di carboidrati chiamata matrice. La matrice blocca gli antibiotici e le cellule del sistema immunitario umano e fornisce persino qualcosa come un primitivo sistema circolatorio per i batteri.
In alcuni casi, comprese alcune infezioni croniche dell'orecchio nei bambini e infezioni polmonari croniche nei pazienti con fibrosi cistica, il tessuto che ospita un biofilm deve essere semplicemente tagliato. (Vedi Biofilm da incolpare per le infezioni croniche dell'orecchio.) Grandi dosi di antibiotici di solito possono sradicare queste infezioni, dice Blackwell. Ma osserva che c'è qualche preoccupazione che le infezioni da biofilm resistenti ai farmaci stiano diventando più comuni e che l'uso di antibiotici sembra indurre la formazione di biofilm.
Una cosa che mi piace dell'approccio [di Collins] è che è su due fronti, dice Filippo Stewart , direttore del Centro per l'ingegneria dei biofilm alla Montana State University. I [virus] uccidono i batteri, ma prendono di mira anche la matrice del biofilm.
L'approccio di Collins consiste nel selezionare un virus che prenda già di mira i batteri di interesse, come ad esempio E. coli o Stafilococco . Quindi introduce nel virus un gene per un enzima che dissolve il principale componente carboidrato della matrice del biofilm che protegge i batteri. Esistono virus specializzati per infettare ogni specie batterica. Questi virus si replicano all'interno delle cellule batteriche, quindi le aprono, uccidendo i batteri e si diffondono ad altre cellule batteriche. Ma non danneggiano cellule animali o batteri diversi dal tipo a cui sono destinati.
I virus presenti in natura possono attaccare i biofilm. Ma Collins ha dimostrato che dare a un virus un gene per dissolvere la matrice ha aumentato l'efficacia del virus di 4,5 ordini di grandezza.
Il virus proof-of-concept di Collins è su misura per un particolare tipo di E. coli biofilm. Ci sono molte specie e ceppi di batteri là fuori, dice, e un singolo biofilm potrebbe supportare più specie e ceppi batterici. In misura minore, c'è anche una certa diversità nei componenti della matrice del biofilm. Tuttavia, Collins afferma che, a causa dell'aumento della velocità e del calo dei prezzi delle tecnologie di sequenziamento e sintesi del DNA, non sarebbe difficile sviluppare un virus su misura per ogni tipo di biofilm.
La tecnica virale di Collins sembra superare alcuni dei problemi con le tecniche chimiche. Blackwell, che sta progettando piccole molecole per interrompere le vie di segnalazione batteriche che mantengono i biofilm, afferma che la consegna di sostanze chimiche che distruggono il biofilm come gli enzimi è stato un grosso ostacolo. (Vedi il profilo TR35 Young Innovator di Blackwell.)
I virus come quelli sviluppati da Collins sono stati usati per decenni per curare le infezioni nell'Europa orientale e in Russia. Ma nessuno è stato ancora approvato per l'uso clinico negli Stati Uniti. Tuttavia, la FDA ha approvato un cocktail di virus da utilizzare come additivo alimentare.
I rischi di tali virus non sono chiari, ma si teme che possano provocare una risposta immunitaria pericolosa. Uno dei motivi per cui potrebbero non essere stati ampiamente studiati per il loro potenziale nel trattamento delle infezioni, afferma Collins, è che finora gli antibiotici sono stati sufficienti. Ma con l'emergere di ceppi batterici multiresistenti negli ospedali, un certo numero di aziende stanno cercando virus, dice.
È probabile che i virus vengano approvati per l'uso industriale, per il quale le normative non sono così rigide, prima di essere portati in clinica. Per le applicazioni industriali in cui non li metti nel corpo di qualcuno, questi virus potrebbero avere un enorme impatto sul controllo del biofilm in luoghi come tubi dell'acqua e scarichi, afferma Blackwell.