Infezioni recidivanti delle vie urinarie: i batteri persistenti hanno un trucco

L’intestino umano è un habitat microbiologico molto ricco di biodiversità e spesso, squilibri nella crescita microbica uniti a pratiche igieniche scorrette, possono lasciar tracimare i residenti enterici nelle contigue vie urinarie. Le infezioni urinarie ricorrenti, di fatto, rappresentano una delle più dolorose e sgradevoli complicanze, in soggetti anziani e defedati.

In particolare, l’agente eziologico più frequente è il batterio Escherichia coli (Fig.1), ma non mancano anche generi diversi come Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Enterococcus, Pseudomonas.

E. coli nelle urine si riscontra in infezioni delle vie urogenitali.
Fig.1 – Escherichia coli nelle urine è indice di infezione delle vie urinarie.

Anatomia batterica: piccole macchine da infezione

I batteri che ospitiamo o combattiamo sono in realtà degli organismi unicellulari dotati di un proprio corredo genetico, con strumenti adatti alla sua espressione ed al metabolismo generale (organuli cellulari). Si tratta, infatti, di microscopici organismi, fatti e finiti. Rispetto ad una normale cellula appartenente ad un tessuto o ad un organismo più complesso, però, queste navicelle piene di vita devono potersi difendere dagli agenti esterni. E possono contare solo sulle proprie forze.

Per questo, oltre alla comune membrana cellulare semi-permeabile (membrana plasmatica), i batteri sono rivestiti anche da uno o due strati protettivi aggiuntivi. La membrana cellulare può, infatti, essere protetta da una parete cellulare e quest’ultima circondata da una capsula (Fig.2). La parete cellulare serve a dar forma e sostegno ad un organismo-cellula alla conquista del mondo. La capsula, invece, ha il compito di proteggerlo dalle peggiori condizioni ambientali in cui possa imbattersi.

Schematizzazione grafica dell'anatomia di in batterio causa di infezioni.
Fig.2- La capsula esterna si riscontra solo in alcuni perniciosi casi di infezione e conferisce al batterio una resistenza ai farmaci aggiuntiva. La capsula non è una struttura essenziale ma la sua presenza dipende dal mezzo in cui i batteri crescono.
Di solito i patogeni sono capsulati in vivo,
ma non in vitro.
Che farebbe un batterio senza la sua parete

La parete cellulare batterica è una struttura altamente specializzata. Composta da peptidoglicani, cioè composti proteici con ramificazioni zuccherine, essa protegge i batteri da fattori ambientali vitali, come l’osmolarità.

Si tratta di una grandezza fisica che misura la concentrazione di molecole (soluti) in un solvente che accoglie la cellula. Quando le molecole disciolte nel liquido interstiziale o ambientale sono superiori a quelle presenti in soluzione nella cellula, i liquidi cellulari tendono a migrare all’esterno. Le forze che guidano i liquidi mirano ad equilibrare le concentrazioni a cavallo della membrana. Così, la cellula perde liquidi vitali e avvizzisce.

Al contrario, se la cellula contiene liquidi più concentrati del mezzo in cui si trova immersa, i liquidi del mezzo provvederanno ad entrare nella cellula per diluirne il contenuto e raggiungere un pacifico equilibrio. Allora, la cellula si rigonfierà oltre il limite ed andrà incontro a lisi.

La parete cellulare, dunque, con la sua sola presenza, riduce l’estrema sensibilità e permeabilità della membra cellulare sottostante. Ma non basta.

I componenti zuccherini della parete batterica fungono anche da segnali di riconoscimento per il nostro sistema immunitario, come veri e propri indicatori di infiammazione in corso. La parete, infatti, è un target riconosciuto dalle sentinelle immunitarie e dai più comuni antibiotici, cioè i beta-lattamici (penicillina e cefalosporine).

Ed è qui che si gioca la partita tra invasori e farmaci: i batteri cambiano panni ed il preciso riconoscimento chimico dei farmaci antibiotici è neutralizzato.

Infezioni inestinguibili per “cambio d’abito”

I farmaci antibioti, quindi, mirano alla parete batterica per centrare il bersaglio. Bene, i batteri se ne liberano. Come una lucertola che, durante l’attacco di un predatore, preferisce perdere la coda e non la vita.

E’ dal 1960 che reports scientifici propongono questo postulato: i batteri responsabili di infezioni urinarie recidivanti potrebbero superare le fasi di attacco farmacologico adottando una forma mancante di parete. Si parla oggi di L-form (“lack”, l’inglese “mancanza”). Ma quei lavori erano scarsamente convincenti per ridotti strumenti diagnostici molecolari.

Infezioni urinarie da batteri “L-form”: lo studio

I ricercatori, guidati da Katarzyna M. Mickiewicz, hanno dimostrato che lo stato mancante di parete, nei batteri, possa essere indotto in colture cellulari (in vitro) in presenza di antibiotici, ma anche in modelli animali (in vivo).

Le classiche colture cellulari sono state allestite grazie a campioni urinari di 30 pazienti anziani affetti da infezioni urinarie recidivanti. In particolare, i ricercatori hanno selezionato tra questi, il paziente identificato dal codice 343 per specifici approfondimenti d’indagine. La scelta di questo soggetto è stata dettata dal fatto che esso fosse sotto trattamento antibiotico con fosfomicina, antibiotico con dimostate capacità di indurre la L-form batterica e la sua proliferazione.

La tipizzazione genetica (MLST) dei microrganismi isolati in coltura, ha rivelato prevalenza di Escherichia coli, classificati come ceppo ST144. Quando il paziente è stato posto in terapia antibiotica con amoxicillina, la carica batterica rilevata da esami colturali è apparsa dieci volte inferiore alla rilevazione in acuto. In successivi prelievi urinari, poi, quando il soggetto ha subìto un ciclo farmacologico a base di cefalexina, è apparso un nuovo ceppo di E. coli implicato nelle infezioni urinarie recidivanti: ST782. I due ceppi sono risultati contemporaneamente presenti, in rapporto che è passato in breve da 1:5 ad 1:2, sempre a favore di ST782. Curiosamente, la carica batterica urinaria è tornata a crescere ( >1 × 105/ml) a trattamento con fosfomicina concluso. I ceppi responsabili della recidiva sono stati proprio ST144 ed ST782.

Il Pesce Zebra: un’affidabile freccia al nostro arco

Il modello animale che ha confermato il meccanismo di trasformazione fenotipica dei batteri da muniti di parete batterica a mancanti della stessa, per sfuggire all’attacco antibiotico, è corrisposto a larve di Pesce Zebra (Danio rerio). Esso è uno dei vertebrati maggiormente utilizzati in studi genetici e di biologia dello sviluppo. Il motivo principale è l’elevato numero di embrioni trasparenti prodotti al di fuori del corpo materno (Fig.3).

Le infezioni urinarie sono studiate con l'ausilio di una specie ittica molto favorevole, il Danio rerio.
Fig.3 – Danio rerio consente un confronto diretto dei risultati biologici per la conservazione elevata della sua disposizione d’organo rispetto agli esseri umani.

Antibiotici ed infezioni sempre più resistenti

Gli antibiotici sono impiegati di routine sia in trattamenti antimicrobici in acuto che per prevenire le recidive. Tuttavia, essi possono, occasionalmente, anche fallire nel risolvere l’infezione. La ricomparsa, infatti, della carica batterica può essere dovuta sì a re-infezione, ma anche ad una certa tenacia batterica. Effettivamente, spesso la inspiegabile sopravvivenza batterica durante un trattamento antibiotico può essere facilitata dalla creazione di un serbatoio. Scorte microbiche quiescenti intracellulari possono, dunque, riscontrarsi nell’epitelio della vescica: sono noti come “Persisters“.

A trattamento concluso, di fatto, i batteri possono riprendere la propria replicazione nefasta, fino ad infezione conclamata in piena regola.

Batteri resistenti L-form: nudi alla meta!

Accanto, dunque, alle classiche ed acclarate forme “persisters“, da oggi si deve tener conto anche delle forme “trasformiste” prive di parete, le L-form batteriche. I risultati ottenuti in questo freschissimo lavoro di ricerca suggeriscono che un tale cambio d’abito batterico è chiaramente responsabile della inefficacia dell’attacco antibiotico, che perde il bersaglio. Questo si manifesta, poi, come ricorrenza ostinata delle infezioni, urinarie e non solo.

La transizione da cellula con parete batterica a cellula priva di questa riguarda molti tipi cellulari, in realtà. Le L-form, però, risultano più lente nella propria maturazione: dopo tutto, pur di salvarsi, hanno rimunciato ad un fondamentale strato protettivo. Per sopravvivere, dunque, non possono che sperare in magnanime e compiacenti, spesso fortuite, condizioni di osmolarità idonee. Come detto in precedenza, se il mezzo liquido esterno non è in equilibrio di concentrazione con loro, le cellule prive di parete saranno terribilmente vulnerabili a rigonfiamento e ad avvizzimento.

Ultime prove analitiche, nello studio di Mickiewicz e colleghi, hanno posto, infatti, il ceppo di Escherichia coli ST782 in incubazione con fosfomicina, sia in condizioni di osmolarità favorevoli che sconvenienti. In assenza di osmo-protezione, le cellule si dividedono e replicano in vari cicli cellulari in 2 ore abbondanti. In condizioni osmolari favorevoli, invece, dopo vari cicli replicativi, le cellule si sono convertite in L-form ed hanno proseguito la propria crescita con questo nuovo aspetto fenotipico. La loro completa maturazione si è registrata dopo solo 3 ore. Inoltre, poste queste L-form batteriche in nuove condizioni di osmo-protezione e senza antibiotico, le cellule in 40 minuti hanno lentamente ripristinato la propria parete batterica, in successivi cicli replicativi.

Eccole lì, le cellule batteriche originarie nuovamente pronte a dar battaglia a pieno regime allo sfortunato e debilitato ospite.

Riferimenti bibliografici

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