PPBS: i batteri fotosintetici viola come agenti contro il cancro

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Il potenziale ruolo dei batteri fotosintetici viola PPBS

I PPSB (“natural purple photosynthetic bacteria”, ossia batteri fotosintetici di colore viola) sono potenziali agenti di immunoteragnostica, cioè la diagnosi e cura di tumori. Potrebbero essere utilizzati nelle terapie NIR (near infrared light, una luce di frequenza simile agli infrarossi). I PPBS esposti a luce di tipo NIR possono diventare anticancerogeni multifunzionali. Questi batteri possono fungere da generatori di ROS (radicali di ossigeno), possono essere usati nella conversione fototermica come reagenti luminosi, oltre che marcatori per la NIR di tipo 1 e 2.

Sono quindi organismi non patogeni in grado di fungere da marcatori tumorali altamente specifici. La varietà dei tipi di tumore e la mancanza di cure specifiche rendono arduo lo sviluppo di terapie mirate ed efficaci. Un team di scienziati del JAIST (Japan Advanced Institute of Science and Technology) ha elaborato un metodo di opto teranostica basato sui batteri PPBS. Il Professore Associato Eijiro Miyako e il suo gruppo hanno scoperto le potenzialità di questi organismi.

Aspetti biologici dei PPBS

I batteri fotosintetici viola sono tendenzialmente trovati in ambiente marino. Sono microorganismi anossigenici, cioè autori di fotosintesi senza produzione di ossigeno. Essi infatti sono soprattutto produttori di idrogeni e molecole PHA e sono già studiati per scopi di produzione industriale. Sono proteobatteri Gram-negativi e la loro colorazione violacea, ma che può variare dal viola al rosso fino a marrone ed arancione, è dovuta al mix di batterioclorofilla e carotenoidi. Questi sono i due principali gruppi di pigmenti all’interno di questi batteri.

La particolarità che li rende appetibili alle tecniche di finestra bio-ottica (generalmente indicate in inglese come bio-optical window), tecniche di screening tramite fluorescenza, si cela nella loro membrana. Nella membrana microbica interna è irta di nanocomplessi, deformazioni della stessa all’interno delle quali si trovano i pigmenti, che permettono l’assorbimento della luce (Fig.1).

Utilizzo terapeutico dei PPBS

Essendo questi batteri dei naturali “raccoglitori di luce” possono essere utilizzati sia come marcatori nelle diagnosi di tumore, sia come marcatori per le terapie NIR di tipo 1 e 2. Quest’ultime consistono nell’utilizzo appunto di infrarossi. Il near-red è la parte del campo infrarosso più vicina a quella della luce visibile ad occhio umano in termini di lunghezza d’onda. Essi possono essere usati come vero e proprio laser a scopo terapeutico. Di fatti molti studi dimostrano i benefici delle terapie NIR in diversi campi, dalla cura della pelle ai tumori della retina, fino addirittura ad un potenziale utilizzo contro la neurodegenerazione nei casi di malattie come Parkinson e Alzheimer.

I PPBS, in quanto batteri non patogeni e ottimi marcatori per questo tipo di luce potrebbero essere usati come materiale per la terapia NIR, utili come “puntatori” per far sì che il laser raggiunga la zona desiderata, anche nel caso di tumori in profondità nel tessuto. Questo metodo è assolutamente non-invasivo e non ha pesanti effetti collaterali come chemio e radioterapia (Fig.1).

Struttura dei PPBS e applicazione di essi nella opto teranostica.
Figura 1: Struttura dei PPBS e applicazione di essi nella opto teranostica. Fonte: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1748013221000256-ga1_lrg.jpg

Altri utilizzi

Per quanto riguarda l’uso dei PPBS per la diagnostica, essi appunto, in quanto reagenti luminosi, possono essere utilizzati efficientemente nella fotoacustica. Questo metodo si basa sui cromofori/fluorofori, agenti che, debitamente eccitati dalla luce, emettono energia meccanica sotto forma di ultrasuoni. Gli ultrasuoni, rilevati da opportuni piezoelettrici, vengono utilizzati per generare immagini ad alta risoluzione in grado di fornire informazioni biomediche, strutturali e funzionali su specifiche regioni anatomiche di interesse. I PPBS grazie alla loro capacità di immagazzinare energia luminosa possono fungere da agenti di contrasto per questa tecnica (Fig.2).

Funzionamento di risoluzione fotoacustica.
Figura 2: Funzionamento di risoluzione fotoacustica.
Fonte: https://www.knowledge-share.eu/brevetto/agente-di-contrasto-per-diagnostica-fotoacustica/

Infine, i batteri fotosintetici eccitati dalla luce emettono calore e radicali di ossigeno (ROS) inducendo un’attivazione immunologica (risposta immunitaria naturale) nella zona di tessuto dove si trovano. Questo sicuramente incrementa la loro funzionalità per varie cure, permettendo al sistema immunitario di andare incontro alla terapia stessa.

Conclusione

In generale possiamo affermare che il team giapponese ha dato conferma di diversi aspetti dei PPBS:

  1. Non sono patogeni e sono marcatori specifici;
  2. Possono essere usati per la diagnostica e la terapia tumorale come NIR, senza aggiungere reagenti chimici o manipolazione genetica degli stessi microorganismi;
  3. Possono proliferare naturalmente in un medium di basso costo e qualità. La loro produzione non è quindi un problema economico.

Il lavoro del team è stato supportato dalla Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI.

Fonti

  • Japan Advanced Institute of Science and Technology. “Photosynthetic bacteria-based cancer optotheranostics.” ScienceDaily. ScienceDaily, 16 February 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210216094314.htm>
  • Xi Yang, Satoru Komatsu, Sheethal Reghu, Eijiro Miyako. Optically activatable photosynthetic bacteria-based highly tumor specific immunotheranosticsNano Today, 2021; 37: 101100 DOI: 10.1016/j.nantod.2021.101100
  • Volume 37, April 2021, 101100. Journal home page for Nano Today. Optically activatable photosynthetic bacteria-based highly tumor specific immunotheranostics
  • https://www.knowledge-share.eu/brevetto/agente-di-contrasto-per-diagnostica-fotoacustica/
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