Combattere la resistenza agli antibiotici con la terapia fagica 

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Con la pandemia da COVID-19 la parola "virus" è diventata per molti vero e proprio incubo. Non a caso, ogni qual volta ci imbattiamo nella notizia di un possibile nuovo virus infettivo, il livello di tensione sale alle stelle. Eppure in pochi sanno come il corpo umano ospiti di per sé all'incirca 380 trilioni di virus, e di come la maggior parte di essi sia totalmente innocua. Per provare a stemperare ulteriormente il clima attorno alla parola "virus", aggiungiamo che esiste un'antica famiglia di virus, appartenente al ceppo Duplodnaviria, che i ricercatori stanno addirittura usando come arma nella lotta contro le malattie infettive grazie alla terapia fagica.

Nel 1915, Frederick William Twort, un batteriologo inglese dell'Università di Londra, riferì la scoperta di un insolito "virus ultramicroscopico" (1). Twort stava studiando il virus del vaiolo nel tentativo di capire se fosse possibile preparare vaccini in vitro per la patologia. Questi vaccini, preparati nei vitelli, erano tipicamente contaminati da batteri di stafilococco. Quando Twort piastrò i vaccini per verifica, osservò delle piccole aree chiare sulle piastre di agar in cui i batteri non crescevano. Erano proprio queste aree la fonte del suo virus ultramicroscopico.

Due anni più tardi un microbiologo franco-canadese, Félix d'Hérelle, scoprì un fenomeno simile mettendo in coltura i batteri della Shigella da campioni fecali di pazienti con dissenteria bacillare. Egli chiamò il nuovo virus "un bactériophage obligatoire" (2). Poco dopo la sua scoperta, Félix scoprì che i batteriofagi (fagi) potevano essere utilizzati per trattare una grande varietà di infezioni batteriche, portando di fatto alla nascita della terapia fagica (3).

Questo approccio rivoluzionario non è stato nel tempo privo di controversie (3). Sebbene la terapia fagica sia stata ampiamente utilizzata fino alla Seconda Guerra Mondiale, la produzione industrializzata di antibiotici a partire dal dopoguerra ha fatto diminuire l'interesse per questo tipo di terapia. Da qualche anno a questa parte però la terapia fagica sta godendo di una nuova popolarità a causa dell'emergere di ceppi batterici resistenti agli antibiotici.

Fare ricorso alla terapia fagica quando gli antibiotici falliscono

Sabrina Green, PhD, è una ricercatrice post-doc presso il laboratorio di tecnologia genica della Katholieke Universiteit (KU) di Leuven, in Belgio. L'antichissima università, fondata nel 1425, ospita uno dei programmi di ricerca più importanti al mondo sulla terapia con batteriofagi. La ricerca di dottorato della dottoressa Green si è concentrata sulla patogenesi dell'E. coli extraintestinale multiresistente (MDR) e sullo sviluppo di sistemi modello per studiare questo agente patogeno. "Naturalmente, il passo successivo è stato quello di sviluppare una terapia o una prevenzione efficace per queste infezioni", spiega la dottoressa, "il che mi ha portato alla terapia con i fagi".

L'obiettivo del progetto della Dr. Green era quello di sradicare l'E. coli resistente agli antibiotici dall'intestino, senza danneggiare i ceppi di E. coli benefici che rappresentano una parte importante del microbioma umano. "I fagi sono perfetti per questo scopo perché sono altamente specifici", spiega Green. "Possono colpire i batteri di queste comunità complesse senza causare grandi cambiamenti al microbiota". I suoi esperimenti hanno dimostrato l'efficacia della terapia fagica nell'eradicazione dell'E. coli patogeno in modelli animali.

Lo step successivo era quello di riportare i risultati ottenuti in un contesto clinico. Gli studi sulla terapia con i fagi condotti fino a quel momento in tutto il mondo avevano dato risultati promettenti e la dottoressa Green sapeva come il trattamento fosse sicuro ed efficace. "Volevo dare a più persone la possibilità di accedere a questo trattamento, così abbiamo creato un centro fagico senza scopo di lucro a Houston, in Texas, per reperire e preparare i fagi per i pazienti con infezioni difficili da trattare". Attualmente, in Belgio, la dottoressa collabora con ricercatori che hanno trattato più di cento pazienti con la terapia fagica, e i loro risultati hanno dimostrato la sicurezza e l'efficacia di questo trattamento.

La terapia con i fagi offre un'ottima alternativa ai metodi convenzionali su pazienti che sviluppano infezioni da batteri resistenti agli antibiotici. Secondo la dottoressa Green, molto spesso questi pazienti non hanno opzioni terapeutiche valide. "Si trovano in un ciclo infinito di trattamenti antibiotici che li riporta sempre al punto di partenza", spiega. "A causa delle infezioni alcuni pazienti soffrono di dolori costanti, come le infezioni croniche del tratto urinario. Altri sono addirittura costretti a sottoporsi a interventi chirurgici, con il rischio di sviluppare ulteriori infezioni". È in questi casi che può subentrare la terapia fagica, a volte in combinazione con gli stessi antibiotici, che non devono per forza essere esclusi dai trattamenti.

Può la terapia fagica causare cambiamenti significativi al normale microbioma umano? Nei suoi esperimenti con i fagi di E. coli la dottoressa Green non ha riscontrato cambiamenti significativi nel microbioma, ma non esclude la possibilità che si possano verificare dei cambiamenti. Ad ogni modo, dice, "se si confrontano i cambiamenti nel microbioma con i cambiamenti significativi che si verificano con l'uso di antibiotici, è chiaro come i fagi rimangano un approccio migliore per una terapia mirata".

Le alternative alla terapia fagica

Come possiamo trattare le malattie infettive causate da batteri MDR se non ci sono fagi naturali disponibili per colpire i batteri patogeni? Un approccio che si sta rivelando promettente è l'uso della tecnologia di genome editing CRISPR-Cas9 per creare batteriofagi modificati. Eligo Bioscience (Parigi, Francia) è un'azienda che utilizza approcci di targeting basati su CRISPR per colpire batteri patogeni, come lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) e ceppi patogeni di Cutibacterium acnes (4). Altre aziende che commercializzano la terapia fagica sono BiomX (Ness Ziona, Israele), Armata Pharmaceuticals (Los Angeles, California), Adaptive Phage Therapeutics (Gaithersburg, Maryland, US) e SNIPR Biome (Copenhagen, Danimarca).

Un'alternativa terapeutica per le infezioni batteriche resistenti ai farmaci è rappresentata dalle endolisine, enzimi codificati da fagi che lisciano i batteri idrolizzando in modo specifico la parete cellulare dei batteri Gram-positivi. Le endolisine si sono dimostrate efficaci nella lotta a diversi patogeni Gram-positivi comuni, tra cui MRSA, Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae e Clostridium perfringens (5, 6).

A causa del loro strato protettivo di lipopolisaccaridi esterni, per i batteri Gram-negativi è invece necessario un approccio con endolisine modificate. "Dovremmo ingegnerizzarli per fargli attraversare la membrana esterna", dice la dottoressa Green. "Alcuni lavori di Rob Lavigne, Yves Briers e altri hanno dimostrato come questo sia un approccio molto efficace". (7)

Il futuro della terapia fagica

Il progetto a cui sta lavorando ora la dottoressa Green prevede il sequenziamento e l'analisi dei genomi di campioni batterici provenienti da pazienti che hanno ricevuto una terapia fagica. Allo stesso tempo, Green sta sviluppando una terapia fagica per una malattia infiammatoria più complessa chiamata hidradenitis suppurativa, in cui i pazienti sviluppano noduli dolorosi in profondità nella pelle. "I pazienti affetti da questa malattia presentano lesioni molto fastidiose e vengono costantemente sottoposti a un trattamento antibiotico", spiega. Una review su questa ricerca è ora disponibile come preprint (8).

Cosa riserva il futuro alla terapia fagica? "Quando penso al futuro", dice Green, "penso a un articolo che ho letto di Jean-Paul Pirnay intitolato "Phage therapy in the year 2035'". (9) Nell'articolo l'autore immagina un futuro in cui viene inventato un dispositivo in grado di produrre e purificare i fagi in loco, utilizzando l'intelligenza artificiale (AI) per generare il fago corretto e mirato specificamente ai batteri che causano la malattia. Per la dottoressa Green "Le sfide che abbiamo oggi saranno risolte quando investiremo nella tecnologia, l'unico fattore in grado di far progredire il campo della terapia fagica".

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Riferimenti:

1. Twort, F.W. (1915) An investigation on the nature of ultra-microscopic viruses. Lancet 186(4814), 1241–1243.
2. d’Hérelle, F. (1917) On an invisible microbe antagonistic to dysentery bacilli. C. R. Acad. Sci. 165, 373–375.
3. Fruciano, D.E. and Bourne, S. (2007) Phage as an antimicrobial agent: d’Herelle’s heretical theories and their role in the decline of phage prophylaxis in the West. Can. J. Infect. Dis. Med. Microbiol. 18(1), 19-26.
4. Johnson, B. (2023) Microbiome-friendly phages join the campaign for better antimicrobials. Nat. Biotechnol. 41, 438–439.
5. Venhorst, J. et al. (2022) Battling enteropathogenic Clostridia: phage therapy for Clostridioides difficile and Clostridium perfringens. Front. Microbiol. 13, 891790.
6. Liu, H. et al. (2023) Therapeutic potential of bacteriophage endolysins for infections caused by Gram‑positive bacteria. J. Biomed. Sci. 30, 29.
7. Gerstmans, H. et al. (2016) From endolysins to Artilysin®s: novel enzyme-based approaches to kill drug-resistant bacteria. Biochem. Soc. Trans. 44, 123–128.
8. Bens, L. et al. (2023) Phage therapy for hidradenitis suppurativa: a unique challenge and opportunity for personalized treatment of a complex, inflammatory disease. Clin. Exp. Dermatol. DOI: 10.1093/ced/llad207
9. Pirnay, J.P. (2020) Phage therapy in the year 2035. Front. Microbiol. 11, 1171.

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