Batteri sottomarino: la nuova frontiera per la terapia antitumorale

Nel 1966 usciva un film di fantascienza “Viaggio allucinante” in cui un sottomarino si addentrava nel corpo umano per riparare un coagulo cerebrale. Questo scenario è ancora ben lontano e resta solo finzione, ma un piccolo passo in questa direzione è stato fatto per davvero, sono stati creati i batteri-sottomarino. Un gruppo di scienziati del Caltech – California Institute of Technology coordinato da Mikhail Shapiro ha creato dei batteri in grado di riflettere il segnale “sonar” e quindi di essere tracciati e seguiti nel nostro corpo grazie all’utilizzo di particolari radar. Questo è un primo passo verso un futuro che possa portare all’utilizzo dei batteri stessi allo scopo di trasportare farmaci; nello specifico farmaci probiotici per la cura delle malattie dell’intestino e farmaci antitumorali direttamente nelle cellule malate. Per realizzare questi batteri i ricercatori hanno modificato geneticamente una particolare specie di Escherichia coli che vive abitualmente nel nostro intestino per dotarlo di particolari vescicole di gas capaci di riflettere le onde sonore in modo simile a quanto fanno i sottomarini con i sonar (da qui il nome batteri-sottomarino). Nello specifico, il gruppo di ricercatori del Caltech è partito dall’osservazione, in alcuni batteri acquatici, di una particolare struttura, una vescicola piena di gas, che permetteva loro di galleggiare. Il passo successivo è stato quello di sfruttare la bolla per riflettere le onde sonore, rendendo così visibili le cellule e i batteri che la contengono. In questo modo, producendo particolari segnali, i ricercatori sono in grado seguire tutti gli spostamenti in tempo reale dei batteri. I primi test sui topi hanno dato risultati positivi, permettendo agli studiosi americani di localizzare i batteri grazie agli ultrasuoni.

 

 

      Batterio sottomarino contenente vescicole di gas

“Stiamo progettando cellule batteriche in modo che possano far rimbalzare le onde sonore e farci conoscere la loro posizione esatta nello stesso modo in cui una nave o un sottomarino fanno con i sonar quando un’altra nave la sta cercando”, afferma Mikhail Shapiro, professore di ingegneria chimica e assistente del professore Schlinger Scholar e ricercatore presso l’ Heritage Medical Research Institute.

“Vogliamo essere in grado di chiedere ai batteri, ‘Dove sei e come stai? Il primo passo è imparare a visualizzare e localizzare le cellule, il passo successivo è comunicare con loro in tempo reale”

Lo studio è stato oggetto della pubblicazione “Acoustic reporter gene for noninvasive imaging of microrganisms in mammalian hosts” pubblicata sulla rivista Nature lo scorso gennaio. L’idea di usare i batteri come medicina non è nuova. I probiotici sono stati sviluppati per trattare le patologie dell’intestino, come la malattia dell’intestino irritabile, e alcuni studi iniziali hanno dimostrato che i batteri possono essere utilizzati per colpire e distruggere le cellule tumorali. Ma visualizzare queste cellule batteriche e comunicare con loro – sia per raccogliere informazioni su ciò che sta accadendo nel corpo e dare istruzioni ai batteri su cosa fare dopo – non è ancora possibile. Le tecniche di imaging che si basano sulla luce, come scattare fotografie di cellule etichettate con un “gene reporter” che codifica per la proteina fluorescente verde, funzionano solo in campioni di tessuto rimossi dal corpo. Questo perché la luce non può penetrare nei tessuti più profondi come l’intestino, dove risiedono le cellule batteriche. Shapiro vuole risolvere questo problema con tecniche ad ultrasuoni poiché le onde sonore possono viaggiare più in profondità nei corpi. Dopo aver appreso l’esistenza di strutture proteiche piene di gas nei batteri marini che aiutano a regolare la galleggiabilità degli organismi, Shapiro ha ipotizzato che queste strutture, chiamate vescicole gassose, potessero rimbalzare le onde sonore in modo tale da renderle distinguibili da altri tipi di cellule. Infatti, Shapiro e i suoi colleghi hanno dimostrato che le vescicole gassose possono essere visualizzate con gli ultrasuoni nell’intestino e in altri tessuti dei topi. L’ obiettivo successivo del team era trasferire i geni per produrre vescicole di gas dai batteri che vivono nell’acqua in un diverso tipo di batteri: Escherichia coli, che è comunemente usato nelle terapie microbiche, come i probiotici.

“Volevamo insegnare a Escherichia coli a produrre da sé le vescicole di gas”, dice Shapiro. “Volevo farlo da quando ci siamo resi conto del potenziale delle vescicole gassose, ma abbiamo incontrato alcuni ostacoli lungo il percorso e quando abbiamo finalmente ottenuto il funzionamento del sistema, siamo rimasti estasiati”.

Una delle sfide che il team ha affrontato ha riguardato il trasferimento dei geni per le vescicole gassose in Escherichia coli. Inizialmente hanno provato a trasferire geni isolati da un batterio acquatico chiamato Anabaena flos-aquae, ma questo non ha funzionato – Escherichia coli non è riuscito a produrre le vescicole. Il secondo tentativo è stato realizzato usando i geni isolati da un parente più stretto di E. coli, il batterio  Bacillus megaterium. Questa strategia però non ha avuto successo, perché le vescicole di gas risultanti erano troppo piccole per disperdere efficacemente le onde sonore. Alla fine, il team ha provato un mix di geni di entrambe le specie, e ha funzionato. I geni delle vescicole gassose codificano per proteine ​​che agiscono come mattoni o gru nella costruzione della struttura della vescicola finale, alcune delle proteine ​​sono i mattoni delle vescicole, mentre altri aiutano ad assemblare effettivamente le strutture.

“Essenzialmente, abbiamo capito che abbiamo bisogno dei mattoni di Anabaena flos-aquae e delle gru di Bacillus megaterium affinché Escherichia coli sia in grado di produrre vescicole di gas”, dice Bourdeau, collaboratore di Shapiro. Successivi esperimenti condotti dal team hanno dimostrato che Escherichia coli ingegnerizzato potrebbe essere effettivamente localizzato all’interno del fegato dei topi mediante ultrasuoni.

“Questo è il primo gene reporter da poter utilizzare per le tecniche ecografiche”, afferma Shapiro. “Speriamo che alla fine gli ultrasuoni realizzino ciò che le proteine ​​fluorescenti hanno fatto per le tecniche di imaging basate sulla luce, il che significa davvero rivoluzionare l’imaging delle cellule in modi che prima non erano possibili”.

I ricercatori sostengono che la tecnologia dovrebbe essere presto disponibile per gli scienziati che fanno ricerche sugli animali, anche se ci vorranno molti più anni per sviluppare il metodo per l’uso nell’uomo.

Fonti:

Bourdeau RW, Lee-Gosselin A, Lakshmanan A, Farhadi A, Kumar SR, Nety SP, Shapiro MG. Acoustic reporter gene for noninvasive imaging of microrganisms in mammalian hosts. Nature. 2018 Jan 3; 553(7686):86-90.

Caltech.eu – California Institute of Technology.

Maria Giovanna Borzacchiello

Sono Dottore di ricerca in Scienze Biochimiche e Biotecnologiche. Appassionata di microbiologia, collaboro a progetti di ricerca finalizzati all’utilizzo dei batteri per la produzione di molecole biologicamente attive di interesse farmaceutico ed applicativo

Informazioni su Maria Giovanna Borzacchiello 3 Articoli
Sono Dottore di ricerca in Scienze Biochimiche e Biotecnologiche. Appassionata di microbiologia, collaboro a progetti di ricerca finalizzati all'utilizzo dei batteri per la produzione di molecole biologicamente attive di interesse farmaceutico ed applicativo

Commenta per primo

Rispondi