I peptidi antimicrobici: nuove armi per combattere l'AMR in sanità

L’antimicrobico-resistenza: importante problematica emergente e globale

Le malattie da infezione rappresentano ancora una delle principali problematiche per la sanità mondiale. Per oltre 60 anni infatti l’uso di farmaci antimicrobici e la disponibilità di vaccini sicuri ed efficaci hanno drasticamente diminuito la loro diffusione. Tuttavia, queste ottimistiche previsioni sono state molto presto riviste a causa del drammatico aumento di incidenza e prevalenza di malattie emergenti e riemergenti, spesso causate da agenti eziologici caratterizzati da un’intrinseca o acquisita resistenza agli agenti antinfettivi. Sebbene gli antimicrobici siano stati a lungo un efficace metodo di controllo delle malattie da infezione, la loro efficacia sta diminuendo nel tempo, con aumento del fenomeno dell’antimicrobico-resistenza. Per tale motivo, i ricercatori stanno cercando di trovare strategie terapeutiche alternative e nuove molecole dotate di meccanismi d’azione diversi dai farmaci attualmente in uso, come: metallo-antibiotici, lipoproteine, peptidi antimicrobici.

WHO pathogen list

Nel 2017, il WHO ha diramato una “priority pathogen list” indicando quali siano i patogeni batterici per cui andrebbero concentrandosi gli sforzi dei ricercatori causa aumento dell’antimicrobico-resistenza (Figura 1), mentre il 25 ottobre 2022 ha diramato la stessa nei confronti dei patogeni fungini, la cui problematica interessa principalmente lo scarso arsenale a disposizione nei loro confronti, oltre che per l’aumento della loro diffusione (Figura 2).

*Figura 1 – Lista di patogeni batterici prioritari, per guidare la ricerca, la scoperta e lo sviluppo di nuovi antibiotici contro microrganismi antimicrobico-resistenti [Fonte: WHO.int]*

*Figura 2 – Lista di patogeni fungini prioritari, per guidare la ricerca, lo sviluppo e le azioni di sanità pubblica [Fonte: WHO.int].*

Cosa sono i peptidi antimicrobici

I peptidi antimicrobici (antimicrobial peptides, AMP) sono stati ritenuti, fin dalla loro scoperta negli anni ’40, una potenziale alternativa agli antibiotici convenzionali. L’interesse terapeutico è legato principalmente alla loro attività nei confronti di microrganismi resistenti ai farmaci e/o produttori di biofilm. Gli AMP costituiscono un vasto ed eterogeneo gruppo di molecole, isolate per la prima volta in insetti ed anfibi, poi identificate in tutti gli esseri viventi, compreso l’uomo.

Grazie alle loro caratteristiche, gli AMP sono molecole interessanti per applicazioni traslazionali nel contesto dell’antimicrobico-resistenza e decine di essi sono attualmente in fase di valutazione in studi clinici (Koo e Seo, 2019; Boparai e Sharma, 2020).

Caratteristiche

Le caratteristiche dei peptidi sono state enormemente studiate, e che possono venire così descritte (Figura 3):

Sequenze molto corte (meno di 50 residui), nella maggior parte dei casi tra i 10 ed i 30 residui;
Quattro classi strutturali principali; α-elica, foglietto-β, peptidi-αβ e peptidi non-αβ;
Carica netta (da +16 a – 6): carica positiva netta intermedia (intorno a +6) correlata con la potenza e la selettività del peptide;
Idrofobicità (~ 50%) dei residui come finestra ottimale in efficacia;
Proprietà di auto-associarsi;
Elicità;
Presenza di amminoacidi quali Prolina, Arginina o Lisina che ne influenza l’attività;
Meccanismi di azione:

a) Permeabilizzanti la membrana

b) Non-litici.

*Figura 3 – Caratteristiche dei peptidi correlate ad una efficace attività antimicrobica [Fonte: Lima et al., 2021].*

I primi peptidi antimicrobici naturali

Per difendersi dalla costante invasione di batteri, funghi e virus, gli organismi più complessi (dagli insetti all’uomo) producono peptidi antimicrobici (AMP) come meccanismo di difesa dell’immunità innata. Sir Alexander Fleming, medico e biologo scozzese famoso in tutto il mondo per la scoperta, nel 1928, della Penicillina, alcuni anni prima (1922) aveva scoperto una proteina antimicrobica batteriolitica presente nelle secrezioni nasali, che chiamò “Lisozima” (Fleming, 1922). Negli anni dal 1940 al 1960 i crescenti progressi nelle metodiche di purificazione e analisi dei peptidi ha portato ad accelerare la scoperta e la caratterizzazione di nuove molecole bioattive, compresi gli AMP, tra cui la Gramicidina S, primo AMP ciclico isolato dai batteri e utilizzato clinicamente per uso topico nel bendaggio in infezioni di tipo cronico (Gause e Brazhnikova, 1944).

Durante gli anni ’60 del secolo scorso, con la scoperta della melittina, già isolata venti anni prima dal veleno delle api da miele, i peptidi antimicrobici scoperti negli animali hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica (Habermann, 1972), e nel periodo tra la fine degli anni ’80 e l’inizio degli anni ’90, lo studio degli AMP naturali ha subito una svolta, grazie all’utilizzo dei primi dispositivi informatici.

Peptidi “immunitari”

Nel 1985, gli AMP HNP1, HNP2 e HNP3 sono stati scoperti nei neutrofili umani. Questi peptidi sono considerati parte del sistema immunitario innato e sono anche state le prime alfa-defensine trovate nei mammiferi. L’importanza del sistema immunitario come fonte di peptidi antimicrobici è stata ulteriormente rafforzata dalla scoperta delle prime catelicidine (LL-37) in cellule mieloidi di mammifero (Zanetti et al., 1985). In aggiunta, il Peptide Antimicrobico Tracheale (TAP), un peptide ricco di Cys, con attività antibatterica ed antifungina, è stato isolato dalla mucosa tracheale dei mammiferi nel 1991 e rappresenta la prima beta-defensina conosciuta (Diamond et al., 1991).

Peptidi antimicrobici semi-sintetici e sintetici

Le molecole naturali sono state per molti anni la migliore fonte di nuovi AMP però diversi problemi quali la scarsa stabilità, influenzata da proteasi delle cellule ospiti, la scarsa selettività ed idrosolubilità, l’attività emolitica e la tossicità per le cellule dell’ospite; tali caratteristiche hanno limitato fortemente negli anni il loro utilizzo nonostante promettenti per combattere l’antimicrobico-resistenza. In questo contesto, AMP sintetici sono emersi come molecole importanti per poter risolvere i problemi presentati dagli AMP naturali (Li et al., 2021).

A tale scopo, vengono applicate principalmente due strategie: progettazione di nuove molecole a partire da quelle già isolate con lo scopo di potenziarne le caratteristiche, oppure implementazione di strutture di trasporto. Nel primo caso, alcune modifiche includono l’aggiunta di residui idrofobici e cationici per una maggiore attività antimicrobica, l’uso di D-amminoacidi, la ciclizzazione o l’acetilazione per il miglioramento della stabilità per un loro utilizzo in vivo. Invece, nella seconda strategia vengono applicate strutture quali materiali polimerici, surfattanti oppure sistemi di auto-assemblaggio dei peptidi (Kumar et al., 2018).

Conclusioni

Molecole a corta sequenza, facilmente manipolabili stanno sempre più mostrando interesse anche grazie alla loro alta riscontrabilità in natura e dalla promettente efficacia in studi preliminari in vitro. Nel 2018, nel database DRAMP (data repository AMPs) sono stati registrati ben 4.849 peptidi antimicrobici (Fan et al., 2016), anche se soltanto 27 sono entrati in trials clinici e altri 10 erano in fase pre-clinica pochi anni fa (Koo e Seo, 2019).

Tra questi, molte sono molecole naturali e altre di natura sintetica, spesso derivanti da peptidi già descritti e che mostrano caratteristiche nuove e promettenti. Metodi di progettazione in silico inoltre, grazie a piattaforme bioinformatiche sviluppate nell’era post-genomica, ne aumentano le proprie potenzialità.

Molecole nuove quindi risultano sempre più necessarie, ricordando le stime indicate dall’analisi dell’economista inglese O’Neil (2014): le infezioni dovute a microrganismi emergenti determineranno la morte di 10 milioni di persone ogni anno entro il 2050 specie a causa della resistenza multipla agli antimicrobici, rispetto alle 700 mila stimate nel 2014, superando tra l’altro quelle previste per il cancro (8,2 milioni) con una spesa pubblica che supererà i 100 trilioni di dollari.

Referenze:

Koo H.B., Seo J.. 2019. Antimicrobial peptides under clinical investigation. Pept. Sci; 111:e24122. doi: 10.1002/pep2.24122.
Boparai J.K., Sharma P.K. 2020. Mini Review on Antimicrobial Peptides, Sources, Mechanism and Recent Applications. Protein Pept. Lett.; 27(1):4-16. doi: 10.2174/0929866526666190822165812.
Lima P.G., Oliveira J.T.A., Amaral J.L., Freitas C.D.T., Souza P.F.N. 2021. Synthetic antimicrobial peptides: Characteristics, design, and potential as alternative molecules to overcome microbial resistance. Life Sciences; 278:119647. doi:10.1016/j.lfs.2021.119647.
Fleming A. 1922. On a remarkable bacteriolytic element found in tissues and secretions. Proc. R. Soc. Lond. Ser. B; 93:306–317. https://doi.org/10.1098/rspb.1922.0023.
Gause G.F., Brazhnikova M.G. 1944. Gramicidin S and its use in the Treatment of Infected Wounds. Nature; 154:703. doi: 10.1038/154703a0.
Habermann E. 1972. Bee and Wasp Venoms. Science; 177:314–322. doi: 10.1126/science.177.4046.314.
Zanetti M., Gennaro R., Romeo D. 1995. Cathelicidins: A novel protein family with a common proregion and a variable C-terminal antimicrobial domain. FEBS Lett; 374:1–5. doi: 10.1016/0014-5793(95)01050-O.
Diamond G., Zasloff M., Eck H., Brasseur M., Maloy W.L., Bevins C.L. 1991. Tracheal antimicrobial peptide, a cysteine-rich peptide from mammalian tracheal mucosa: Peptide isolation and cloning of a cDNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA; 88:3952–3956. doi: 10.1073/pnas.88.9.3952.
Li W., Separovic F., O’Brien-Simpson N.M., Wade J.D. 2021. Chemically modified and conjugated antimicrobial peptides against superbugs. Chem. Soc. Rev.; 50: 4932-4973, doi: 10.1039/d0cs01026j.
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Fan L., Sun J., Zhou M., Zhou J., Lao X., Zheng H., Xu H. 2016. DRAMP: A comprehensive data repository of antimicrobial peptides. Sci. Rep.; 6:24482. doi: 10.1038/srep24482.
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