MALDI TOFF: nuova frontiera alla lotta microbica in clinica

Abbey Shuto, affascinante tecnico di laboratorio dark del telefilm:”NCIS” risolve i crimini grazie al suo spettrometro di massa; questo strumento è recentemente uscito dai laboratori dei ricercatori puri per approdare nell'ambito della comune pratica clinica, dove stava diventando un alleato sempre più insostituibile nella lotta contro infezioni microbiche di vario tipo.

I fans del telefilm poliziesco NCIS conoscono bene il personaggio del tecnico di laboratorio Abbey Shuto: estroversa, geniale ed eclettica, Abbey aiuta gli altri agenti grazie al suo spettrometro di massa e spesso i risultati delle analisi che effettua con questo strumento sono determinanti per scoprire il colpevole di un crimine e risolvere il caso.

Nella pratica clinica il medico deve comportarsi un pò come farebbe Abbey: deve esaminare i sintomi del paziente (“gli indizi”), indagare sul suo stile di vita, sulle sue esperienze e scoprire cosi’ la possibile causa della patologia che lo affligge (“il colpevole”); per poter confermare la sua diagnosi preliminare il medico ha a sua disposizione numerose tecnologie analitiche che utilizzano strumenti sofisticati, frutto della moderna ricerca scientifica, tra cui proprio lo spettrometro di massa.

Quest’ultimo si è rivelato, negli ultimi anni, un alleato prezioso nella lotta alle infezioni microbiche di vario tipo in clinica: grazie allo spettrometro di massa di tipo MALDI TOF infatti è attualmente possibile identificare con certezza e precisione il tipo ed il ceppo di microrganismo responsabile di una certa patologia, prelevando semplicemente un campione di fluidi corporei dal paziente (quali sangue, urina o fluido cerebrospinale) e sottoponendolo all’analisi spettrometrica anche senza trattamenti preliminari.

A partire da quando l’FDA, nel 2013, ha autorizzato l’utilizzo della tecnologia MALDI TOF in pratica clinica per l’identificazione dei microrganismi patogeni responsabili delle infezioni più comuni (e non solo), lo spettrometro di massa è approdato negli ospedali di molti paesi (soprattutto Stati Uniti ed altri dell’area atlantica), entrando a far parte delle consuete e comuni tecniche analitiche diagnostiche accanto a saggi più tradizionali (quali il test di Kirky Bauer, detto anche antibiogramma, o le colture in vitro su terreni selettivi), tuttora utilizzati ma in misura sempre minore: l’analisi con lo spettrometro infatti ha numerosi vantaggi, tra i quali la rapidità con cui permette di ottenere i risultati (circa mezz’ora, contro i 2-3 giorni richiesti invece dalle altre tecniche classiche di fenotipizzazione).

MALDI TOF è un acronimo che significa:” Matrix assisted laser desorption/ionization time of flight”; esistono infatti vari tipi diversi di spettrometria di massa, che differiscono solitamente tra loro per pochi aspetti.

La MALDI TOF è  quella maggiormente utilizzata nei laboratori di tutto il mondo; senza entrare nei dettagli, piuttosto complessi, di questa metodica, se ne presenteranno i lineamenti generali semplificati per permettere al lettore di farsi almeno un’idea approssimativa dei suoi principi base (Fig.1)

(Fig.1) Schema generale di uno spettrometro di massa di tipo MALDI TOF

Come si vede in figura campione da analizzare, posizionato su un’apposita matrice, viene colpito da un raggio laser che provoca la frammentazione delle sue molecole e la successiva ionizzazione dei frammenti ottenuti; queste particelle, dotate ora di carica elettrica uniforme, vengono poi convogliate all’interno di un campo elettrico che le accelera e le indirizza attraverso un percorso obbligato sino ad un sensore, che misura il rapporto massa/carica elettrica di ogni singola particella.

Il sensore invia poi un segnale ad un computer che codifica tale segnale (tramite un software apposito) in un picco su di un sistema di riferimento cartesiano; si ottiene cosi’ alla fine un tracciato (detto:”Spettro”) formato da un insieme di picchi come quello riportato di seguito (Fig.2).

(Fig.2) Spettro di massa di ioni monocarica ottenuto con spettrometro: MALDI/TOFMS. Spettro di massa del batterio intero Escherichia coli. Sugli assi cartesiano sono riportati, per ogni valore registrato dal sensore di rapporto massa carica (m/z), l’abbondanza relativa di quella specie molecolare riscontrata nel campione.

Ogni spettro è cosi’ distintivo ed unico per un particolare microrganismo, in base ovviamente alla sua specifica composizione molecolare.

Confrontando lo spettro ottenuto con quelli presenti in appositi database, è possibile identificare tutti i microrganismi individualmente presenti in esso, essendo lo spettro nient’altro che “l’impronta digitale” (per rimanere metaforicamente nell’ambito della criminologia) caratteristica delle biomolecole costitutive degli stessi (acidi nucleici, lipidi di membrana, proteine, enzimi, etc…).

Lo spettrometro è uno strumento estremamente versatile e può analizzare un ampio range di campioni diversi; grazie a esso è possibile identificare tutte le specie microbiche responsabili delle più conosciute patologie infettive: batteri aerobi ed anaerobi (gram positivi e gram negativi); lieviti; micobatteri…nonchè virus o prioni; oppure ancora è possibile analizzare un campione per cercarvi la presenza di caratteristici biomarkers (molecole tipiche, quali tossine o anticorpi di risposta) che connotano le loro infezioni.

L’unico limite è rappresentato dalla disponibilità, nei database internazionali degli operatori sanitari, dello spettro corrispondente a quello investigato che si vuole confrontare: tuttavia, essendo la metodica MALDI TOF in uso già da anni in tutti i laboratori di ricerca scientifica del mondo per la caratterizzazione proprio di strutture molecolari ed avendo tale tecnica, dalla sua esportazione in ambito medico, conosciuto una crescita a dir poco esponenziale, il rischio è davvero ai minimi termini; tanto più che sono sorti e stanno sorgendo numerosi centri specializzati proprio nella creazione di intere librerie di database di spettri molecolari ed inoltre i più moderni strumenti MALDI TOF consentono di creare la propria libreria personale e di condividerla online con gli altri operatori sanitari, aziende ospedaliere e centri di ricerca.

E’ ovviamente possibile inoltre usare questa tecnica in combinazione con quelle tradizionali, incubando ad esempio in coltura su terreno selettivo il campione prelevato dal paziente ed andando poi a caratterizzare l’identità microbica della coltura ottenuta, potenziando cosi’ ulteriormente il grado comunque già elevato di sensibilità e precisione dello strumento.

L’intero processo è comunque ormai interamente automatizzabile, rapido ed a fronte dell’investimento iniziale necessario per l’acquisto dello strumento, anche più conveniente economicamente rispetto alle altre tecniche tradizionali sul lungo periodo(per una semplice considerazione sui suoi costi:https://www.technologynetworks.com/diagnostics/articles/mass-spectrometry-in-the-clinic-287907)

La conoscenza dell’agente patogeno responsabile è indispensabile al medico per scegliere il trattamento terapeutico più efficace cui sottoporre il paziente; grazie all’applicazione diagnostica della metodica MALDI TOF, numerosi studi medico ospedalieri hanno dimostrato un aumento della possibilità di sopravvivenza dei pazienti, dovuto alla scelta della corretta terapia farmacologica cui sono stati sottoposti ed inoltre una considerevole riduzione dell’uso improprio di antibiotici (problematica questa sempre più sentita, a causa dell’aumento di casi d’infezione di ceppi microbici antibiotico resistenti, specie in ambito ospedaliero).

Crediti per le immagini

Immagine in evidenza:

Schema generale di uno spettrometro MALDI TOF (Fig.1):

https://www.researchgate.net/figure/MALDI-TOF-mass-spectrometry-operation-schematic-Fig-is-used-with-permission-of-Mayo_fig6_303560156

Spettro dell’intero batterio Escherichia coli (Fig.2):

https://slideplayer.it/slide/1011205/

 

Sitografia di riferimento:

https://www.technologynetworks.com/diagnostics/articles/mass-spectrometry-in-the-clinic-287907

Per approfondire ulteriormente:

https://www.technologynetworks.com/immunology/articles/clinical-microbial-identification-by-maldi-tof-mass-spectrometry-303222

Laureando in Biotecnologie Farmaceutiche presso l’Università degli studi di Milano; appassionato di Microbiologia, Farmacologia e Biologia in generale.
Amo la musica (specie l’Epic Metal ma spazio volentieri anche in altri generi), sono un accanito lettore di romanzi Fantasy, un discreto cuoco (a quanto dicono..!) e mi piace fare lunghi giri in bicicletta per le campagne del mio paese.

Informazioni su Simone Rinaldi 9 Articoli
Laureando in Biotecnologie Farmaceutiche presso l'Università degli studi di Milano; appassionato di Microbiologia, Farmacologia e Biologia in generale. Amo la musica (specie l'Epic Metal ma spazio volentieri anche in altri generi), sono un accanito lettore di romanzi Fantasy, un discreto cuoco (a quanto dicono..!) e mi piace fare lunghi giri in bicicletta per le campagne del mio paese.

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