(Dott. Andrea Setti)

L’AMR può essere definita uno stato di insensibilità o ridotta sensibilità ai chemioantibiotici che normalmente causano l’inibizione della crescita o la morte cellulare del microrganismo. I microrganismi, infatti, elaborano rapidamente sistemi di resistenza per poter sopravvivere. In natura gli antibiotici sono sintetizzati dai microrganismi per vincere nell’ambiente. E’ oramai chiaro che l’AMR nasce nel momento in cui nasce l’antibiotico (link a Emergence of antibiotic resistance). Ma quanti tipi di resistenza esistono?

• Naturale: condiziona la scelta del trattamento e il tipo di antibiotico da usare.
• Acquisita: condiziona l’efficacia del trattamento e dell’antibiotico utilizzato.

Le caratteristiche della resistenza naturale sono:

• i microrganismi sono naturalmente resistenti ai farmaci;
• mancano di struttura attaccabile dal microrganismo (micoplasmi-ßlattamine);
• sintetizzano enzimi che inattivano i farmaci (ßlattamasi produttori, gram-).

Mentre le caratteristiche della resistenza acquisita, posto che è su base genetica, cioè i microrganismi sensibili diventano resistenti, sono:

• induce mutazione a livello cromosomico;
• acquisisce materiale genetico trasferibile (fenomeno molto + grave);
• induce amplificazione genica;
• comporta selezione dei mutanti durante la terapia;
• comporta diffusione dei geni di resistenza tra i batteri;
• comporta diffusione dei ceppi resistenti tra i pazienti.

Quindi, ricapitolando la resistenza acquisita avviene per:

• per mutazione cromosomica;
• per trasferimento di materiale genetico;
• per amplificazione genica.

Mutazione Cromosomica

Quali sono le caratteristiche della mutazione cromosomica:

• viene trasmessa verticalmente alle cellule figlie;
• è un evento casuale che coinvolge di solito una sola specie batterica;
• la natura cromosomica ostacola la diffusione, cioè tende a diluire o esaurire (fenomeno molto meno grave);
• la mutazione in ogni gene avviene in 1 cellula/10⁷ (Il mutante compare in maniera casuale);
• le mutazioni che conferiscono resistenza sono selezionate;
• ogni cellula può originare una progenie di 109 cellule (miliardi), i microrganismi sensibili sono uccisi dagli antibiotici, mentre la progenie di mutanti si moltiplica;
• la selezione di questa popolazione può determinare il fallimento della terapia.

In buona sostanza: gli antibiotici uccidono i batteri sensibili, mentre quelli resistenti sopravvivono. Basta pensare al Concetto darwiniano: “quello più forte sopravvive“ (quello con la mutazione più favorevole).

Mutazione di tipo Extracromosomico

Si tratta di una resistenza acquisita, per trasferimento di materiale genetico extracromosomico, avviene orizzontalmente da donatore a ricevente e coinvolge specie batteriche diverse.

Si fonda su 3 meccanismi diversi:

• per trasduzione (fagi);
• per trasformazione (captazione frammenti DNA nudo);
• per coniugazione (plasmidi-trasposoni).

Amplificazione Genica

Nell’amplificazione genica il gene che determina la produzione di una normale struttura cellulare diventa multiplo. Le cellule che contengono più copie del gene sintetizzano una maggiore quantità del prodotto genico e se questo entra nel meccanismo d’azione del farmaco, lo ostacolano. Tali cellule sopravvivono a concentrazioni di farmaco che in condizioni normali sarebbero letali.

Va anche detto che le mutazioni in direzione della resistenza si verificano anche in assenza di farmaco. Il ruolo del farmaco è, infatti, quello di selezionare i resistenti.

Sir Alexander Fleming (Stoccolma 1945) nella lezione alla consegna del Nobel per la scoperta della penicillina, a proposito di uso corretto e necessario degli antibiotici, fissò i seguenti concetti: “treat at high doses, avoid to use dangerous sublethal doses, dead bugs don't mutate” (trattare ad alte dosi, evitare di usare dosi subletali pericolose, i microrganismi morti non mutano).

Per avere un’idea di come il farmaco possa selezionare i microrganismi resistenti, basta guardare questo video ( “The Evolution of Bacteria on a “Mega-Plate” Petri Dish (Kishony Lab) https://news.harvard.edu/gazette/story/2016/09/a-cinematic-approach-to-drug-resistance/”), realizzato dalla “Courtesy of Harvard Medical School and Technion”, nel 2016. In questo video, che viene definito “un approccio cinematografico alla resistenza ai farmaci”, Roy Kishony dimostra come la piastra MEGA sia un "potente esempio di quanto sia facile per i batteri diventare resistenti agli antibiotici", con una capsula di Petri standard. In un coup de théâtre ispirato alla magia di Hollywood, gli scienziati della Harvard Medical School e del Technion-Israel Institute of Technology hanno progettato un modo semplice per osservare come i batteri si muovono man mano che diventano resistenti ai farmaci.

Gli esperimenti, descritti nel numero di Science del 9 settembre 2016, sono pensati per fornire il primo assaggio su larga scala delle manovre dei batteri quando incontrano dosi sempre più elevate di antibiotici e si adattano per sopravvivere e prosperare in essi.

Per fare ciò, il team ha costruito una capsula di Petri da 2 a 4 piedi e l'ha riempita con 14 litri di agar, una sostanza gelatinosa derivata dalle alghe comunemente usata nei laboratori per nutrire gli organismi mentre crescono.

Per osservare come il batterio Escherichia coli si è adattato a dosi sempre più elevate di antibiotici, i ricercatori hanno diviso il piatto in sezioni e lo hanno saturato con varie dosi di farmaci. I bordi più esterni del piatto erano privi di qualsiasi farmaco. La sezione successiva conteneva una piccola quantità di antibiotico - appena sopra il minimo necessario per uccidere i batteri - e ogni sezione successiva rappresentava un aumento della dose di 10 volte, con il centro del piatto contenente 1.000 volte più antibiotico dell'area con dose più bassa.

Nel giro di due settimane, una telecamera montata sul soffitto sopra la parabola ha scattato istantanee che i ricercatori hanno inserito in un montaggio video. Il risultato? Una visualizzazione potente e senza fronzoli di movimento batterico, morte e sopravvivenza; evoluzione al lavoro, visibile ad occhio nudo.

Il dispositivo, soprannominato la piastra Microbial Evolution e Growth Arena (MEGA), rappresenta una piattaforma semplice e più realistica per esplorare l'interazione tra spazio e sfide evolutive che costringono gli organismi a cambiare o morire, hanno detto i ricercatori.

"Conosciamo un po’ i meccanismi di difesa interna che i batteri usano per sfuggire agli antibiotici, ma non sappiamo molto dei loro movimenti fisici attraverso lo spazio mentre si adattano per sopravvivere in diversi ambienti", ha detto il primo autore dello studio Michael Baym, un ricercatore borsista in biologia dei sistemi presso HMS.

I ricercatori avvertono che la loro gigantesca capsula di Petri non è pensata per rispecchiare perfettamente come i batteri si adattano e prosperano nel mondo reale e in ambito ospedaliero, ma imita gli ambienti del mondo reale che i batteri incontrano più da vicino di quanto possano fare le culture di laboratorio tradizionali. Questo, nell'evoluzione batterica, dicono i ricercatori, per lo spazio, le dimensioni e la conformazione di tale gigantesca capsula di Petri. Spostarsi in ambienti con diversi livelli di forza antibiotica rappresenta una sfida diversa per gli organismi rispetto a quella che affrontano negli esperimenti di laboratorio tradizionali che coinvolgono minuscole piastre con dosi omogenee di farmaci. "Questa è una straordinaria dimostrazione della rapidità con cui i microbi si evolvono", sostiene Lieberman, che era uno studente laureato nel laboratorio di Kishony al momento della ricerca e ora è ricercatore post-dottorato presso il MIT. "Quando viene mostrato il video, i biologi evoluzionisti riconoscono immediatamente i concetti a cui hanno pensato in astratto, mentre i non specialisti iniziano immediatamente a porre domande davvero valide". Nell'arco di 10 giorni, i batteri hanno prodotto ceppi mutanti in grado di sopravvivere a una dose dell'antibiotico trimetoprim 1.000 volte superiore a quella che ha ucciso i loro progenitori. Quando i ricercatori hanno usato un altro antibiotico, la ciprofloxacina, i batteri hanno sviluppato una resistenza di 100.000 volte alla dose iniziale.
Il lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione del National Institutes of Health e dal Consiglio europeo della ricerca.

Si ringrazia il GDL Farmaco FNOVI