Batteriofagi: applicazioni biotecnologiche
I batteriofagi, i virus che infettano e distruggono i batteri, trovano numerose applicazioni in campo biotecnologico: biosensori di batteri nei cibi, agenti di controllo biologico in agricoltura, acquacoltura.
Oggi, data l’inesorabile diffusione dei batteri resistenti agli antibiotici, i batteriofagi stanno ridestando interesse come agenti antibatterici naturali che potrebbero essere utilizzati in alternativa o in combinazione agli antibiotici. In questo articolo approfondiremo queste applicazioni.
Batteriofagi: applicazioni mediche
Storia dell’utilizzo dei batteriofagi in campo sanitario
I fagi, virus che predano i batteri, sono diventati noti agli scienziati nei primi decenni del ‘900. Subito si materializzò l’intenzione di utilizzarli come potenziali terapie antibatteriche sui pazienti, e questa intenzione fu concretizzata nel secolo scorso. I primi prodotti a base di fagi destinati all’uso umano furono infatti sviluppati nei laboratori dell’industria parigina dello scopritore, Felix d’Herelle. L’azienda in futuro diventerà nota come L’Oréal. Anche Eli Lilly, famosa industria farmaceutica americana, negli anni ’40 si dedicò allo sviluppo di prodotti a base di batteriofagi.
Negli stessi anni la penicillina (scoperta nel 1928) ed altri antibiotici derivati, furono introdotti in commercio e oscurarono i batteriofagi in popolarità. Gli antibiotici erano più semplici da sintetizzare rispetto ai batteriofagi, agenti biologici più complessi, ed eclissarono le alternative nell’Europa occidentale e nel Nord America. La ricerca sulla terapia fagica continuerà invece nei paesi dell’Unione Sovietica, specialmente Georgia e Polonia, dove l’approvvigionamento di antibiotici non era sufficiente.
Per un maggior approfondimento sulla storia dei batteriofagi:
La resistenza antibiotica come stimolo alla ripresa della terapia con i fagi
A causa dell’uso diffuso e spesso a sproposito degli antibiotici i batteri hanno sviluppato antibiotico resistenza. Sono cioè diventate sempre più prevalenti delle specie di batteri patogene i cui geni target dell’antibiotico sono mutati in modo da non essere più riconoscibili. Abbiamo visto nell’articolo “Resistenza antimicrobica: un problema urgente” come la corsa alla scoperta di nuovi antibiotici non è abbastanza celere per contrastare il fenomeno, ed è quindi sempre più necessario e urgente trovare soluzioni alternative al problema della resistenza antibiotica, considerata un’emergenza sanitaria del nostro secolo.
Qualunque agente antibatterico è stato quindi ripreso in considerazione, inclusi i batteriofagi. A testimonianza del rinnovato interesse, anche la Comunità Europea ha finanziato un progetto di ricerca chiamato PhagoBurn (2013-2017) per valutare il potenziale clinico dell’uso dei batteriofagi per combattere le infezioni da Escherichia Coli e Pseudomonas aeruginosa nelle ferite da bruciatura. Nonostante le difficoltà tecniche e burocratiche per portare a termine il progetto ed il relativo trial clinico, Phagoburn ha riportato risultati incoraggianti e non sono stati osservati effetti avversi.
La terapia con i batteriofagi
Efficacia della terapia con batteriofagi
Recentemente, sono stati riportati altri casi che dimostrano come la terapia fagica possa essere utile nel risolvere delle infezioni altrimenti incurabili con gli antibiotici. Studi animali dimostrano un’ampia efficacia della terapia fagica somministrata tramite aerosol nel combattere alcune infezioni polmonari. Nel 2008, l’uso compassionevole di una terapia fagica è stato applicato con successo su un bambino di cinque anni affetto da fibrosi cistica che non rispondeva più agli antibiotici. L’articolo di Kortright (et al.) nelle referenze mostra almeno 5 casi di uso compassionevole della terapia fagica con esito positivo pubblicati tra il 2011 ed il 2018, e tre trial clinici, che, come il progetto Phagoburn, mostrano un rinnovato interesse nei confronti di questo tipo di terapia.
Difficoltà, sostenitori e limiti delle terapie con batteriofagi
La terapia fagica trova però alcune difficoltà nel venire alla luce, trovando sia resistenze che sostegno da parte della comunità scientifica e dell’industria farmaceutica. Vediamo insieme le questioni principali:
Difficoltà di raggiungimento delle sedi di azione nel corpo del paziente
I fagi sono grosse organizzazioni biologiche simil-viventi invece che piccole molecole di sintesi, ed esiste un problema nella loro amministrazione e diffusione sistemica nel paziente. Per questo le terapie fagiche potrebbero essere quindi più adatte per curare infezioni in parti più accessibili del paziente, come le vie respiratorie, il tratto gastrointestinale o ferite superficiali.
Cambiamento nella flora microbica dell’ospite
La terapia fagica potrebbe mutare la composizione microbica del luogo di somministrazione. La terapia fagica è particolarmente promettente per curare le infezioni gastrointestinali. L’intestino contiene al suo interno un variegato ecosistema di microorganismi residenti (batteri, funghi, virus, parassiti, etc.) il cui buon funzionamento è importantissimo per mantenere la salute. Quando la popolazione batterica intestinale residente è perturbata da un ciclo di antibiotici che mirano indistintamente a un’ampia classe di batteri, si ha un conseguente disequilibrio tra i ceppi (disbiosi), che può portare un effetto negativo per la salute. Si pensi alle candidosi o alle cistiti recidivanti. Inoltre, l’utilizzo di antibiotici, come anticipato, può portare allo sviluppo di batteri sempre più resistenti. D’altro canto, la terapia fagica presenta alcuni vantaggi: ha una specificità maggiore per il suo target batterico, alterando il microbiota molto meno di un antibiotico che agisce in modo generico anche su batteri “buoni”.
Una somministrazione univoca anzichè dosi ripetute
Idealmente, la terapia fagica potrebbe dover essere somministrata solo una volta. I batteriofagi, infatti, si replicheranno fino a che troveranno i loro batteri target e si esauriranno una volta estinti tutti i batteri nocivi.
La potenziale resistenza alla terapia con batteriofagi
Un altro punto critico sollevato dagli scienziati è che, come per gli antibiotici, i batteri possono sviluppare resistenza contro i batteriofagi. Per questo motivo sarebbe opportuno capitalizzare l’odierna conoscenza dei meccanismi di sviluppo e mantenimento della resistenza antimicrobica, magari organizzando terapie combinate o mirate a invertire questi meccanismi.
Applicazioni nel controllo della contaminazione dei cibi
La contaminazione dei cibi da parte di batteri costituisce un grave pericolo globale. L’Organizzazione Mondiale della Sanità stima, infatti, che ogni anno 600 milioni di persone nel mondo si ammalino a causa del consumo di cibo contaminato e che 420.000 di queste muoiano. È quindi fondamentale individuare i batteri tossici nei cibi tramite metodi rapidi, efficaci e sensibili.
I metodi correnti di coltura batterica su terreni predisposti sono efficaci e sensibili, ma mancano in rapidità. Infatti, potrebbero volerci anche giorni per permettere una crescita batterica da campione che sia sufficiente alla detezione del batterio. Molto spesso questi tempi non sono nemmeno compatibili con la scadenza dei prodotti alimentari che vengono controllati.
I batteriofagi come spia di contaminazione batterica
I batteriofagi potrebbero quindi rivelarsi utilissimi per individuare i batteri, essendo molto specifici per le loro prede e, allo stesso tempo, poco costosi da produrre. Inoltre, dato che i batteriofagi lisano, cioè rompono, i loro batteri target, potrebbero essere usati anche come concomitante metodo di controllo della crescita batterica nel cibo. Per rendere visibile, misurabile la presenza dei batteri tossici tramite batteriofagi sono stati costruiti dei cosiddetti “biosensori”.
Il metodo si basa sull’esposizione del campione alimentare ad un numero definito di fagi. Se dopo un certo tempo, si analizza il campione e si trova un numero di fagi superiore a quello iniziale, vuol dire che questi hanno trovato i loro batteri target all’interno dei quali proliferare e replicarsi. Quindi l’aumento del numero di fagi accerta indirettamente la presenza del batterio.
Tramite dei metodi di manipolazione genetica, è possibile inoltre far esprimere ai fagi in replicazione una sostanza fluorescente (detti nel campo “reporter phages”), che agevolerebbe ulteriormente l’individuazione dei campioni positivi.
I batteriofagi come sistema per l’eliminazione dei batteri nei cibi
Oltre ad essere utili per individuare i batteri dagli alimenti, i batteriofagi possono essere anche utilizzati per eliminarli, soprattutto quando gli antibiotici non sono più sufficienti dato lo sviluppo di antibiotico-resistenza da parte dei target. Questi metodi sono già in uso. L’agenzia regolatoria Statunitense Food and Drug Administration (FDA), ha approvato l’uso di diversi prodotti contenenti un cocktail di fagi contro Listeria monocytogenes o Salmonella Typhimurium.
I batteriofagi come disinfettante nella prevenzione della contaminazione batterica
Non solo nel controllo dei cibi, ma i batteriofagi sono utili anche negli step precedenti della filiera produttiva: agricoltura e acquacoltura. L’utilizzo dei batteriofagi potrebbe significativamente ridurre l’utilizzo di antibiotici in agricoltura, incrementando la resa dei campi, riducendo l’impatto ambientale e favorendo i prodotti “antibiotic-free”. Inoltre, i batteriofagi specifici possono essere impiegati per curare alcune malattie batteriche che colpiscono i pesci di allevamento per uso alimentare come il branzino, la trota, l’orata e il salmone.
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Fonti e note:
- Jassim SAA, Limoges RG (2017) Bacteriophages: Practical Applications for Nature’s Biocontrol. Springer International Publishing, Cham
- Stone E, Campbell K, Grant I, McAuliffe O (2019) Understanding and exploiting phage–host interactions. Viruses 11
- Paczesny J, Richter Ł, Hołyst R (2020) Recent progress in the detection of bacteria using bacteriophages: A review. Viruses 12
- Kortright KE, Chan BK, Koff JL, Turner PE (2019) Phage Therapy: A Renewed Approach to Combat Antibiotic-Resistant Bacteria.
- Brives C, Pourraz J (2020) Phage therapy as a potential solution in the fight against AMR: obstacles and possible futures.
- Harada LK, Silva EC, Campos WF, et al (2018) Biotechnological applications of bacteriophages: State of the art. Microbiol. Res. 212–213:38–58
- Final Report Summary – PHAGOBURN (Evaluation of phage therapy for the treatment of Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa burn wound infections (Phase I-II clinical trial)) | FP7 | CORDIS |
- Svircev A, Roach D, Castle A. Framing the future with bacteriophages in agriculture. Viruses 2018;10:1–13.
