Streptomyces

Streptomyces è un genere di batteri Gram-positivi che cresce in vari ambienti, con una forma filamentosa simile ai funghi. La differenziazione morfologica di Streptomyces comporta la formazione di uno strato di ife che può differenziarsi in una catena di spore. Questo processo è unico tra i Gram-positivi e richiede un metabolismo specializzato e coordinato. La proprietà più interessante di Streptomyces è la capacità di produrre metaboliti secondari bioattivi come antifungini, antivirali, antitumorali, anti-ipertensivi, e soprattutto antibiotici e immunosoppressori.1-3 Un’altra caratteristica del genere è il complesso sviluppo multicellulare, in cui le spore che germinano formano ife, con micelio aereo multinucleare, che forma setti a intervalli regolari, creando una catena di spore non nucleate.4

Quando una spora trova condizioni favorevoli di temperatura, nutrienti e umidità, si forma il tubo germinale e si sviluppa l’ife. Le ife aeree seguono, e un insieme di stadi avvia l’organizzazione di vari processi come la crescita e il ciclo cellulare. La cellula esporogenica può contenere 50 o più copie del cromosoma; l’ordine, la posizione e la segregazione dei cromosomi durante la sporulazione è lineare, che coinvolge almeno due sistemi (ParAB e FtsK), che portano alla differenziazione e alla settatura delle cellule apicali in catene di spore. Diversi altri geni che sono essenziali per la sporulazione di ife aeree sono stati riportati in S. coelicolor, per esempio, i geni whiG, whiH, whiI, whiA, whiB, e whiD. La spiegazione della presenza di spore in Streptomyces è probabilmente che questi frammenti sono apparsi miceliali sotto pressione selettiva, che potrebbe comportare la necessità di sopravvivere al di fuori delle piante e degli invertebrati, o in ambienti estremi.

La capacità delle spore di sopravvivere in questi ambienti ostili deve essere stata aumentata grazie al pigmento e all’aroma presente nelle spore in alcune specie,5 che stimola lo sviluppo cellulare e la produzione di metaboliti secondari.6 Un altro punto importante è la punta dell’ifa, che è considerata la regione più importante dove le proteine di membrana e i lipidi possono essere secreti, specialmente nella zona apicale della crescita.7 In alcuni Streptomyces, il metabolismo secondario e la differenziazione possono essere correlati.8,9 Filogeneticamente, gli Streptomyces fanno parte degli Actinobacteria, un gruppo di Gram-positivi il cui materiale genetico (DNA) è ricco di GC (70%) rispetto ad altri batteri come Escherichia coli (50%). La grande importanza data agli Streptomyces è in parte dovuta al fatto che questi sono tra i microrganismi del suolo più numerosi e versatili, dato il loro grande tasso di produzione di metaboliti e i loro processi di biotrasformazione, la loro capacità di degradare lignocellulosa e chitina, e il loro ruolo fondamentale nei cicli biologici della materia organica.10 Due specie di Streptomyces sono state particolarmente studiate: S. griseus, il primo Streptomyces ad essere utilizzato per la produzione industriale di un antibiotico – la streptomicina, e S. coelicolor, il più utilizzato negli studi genetici. Vari ceppi sono stati sequenziati e i loro genomi sono stati mappati (Tabella 1).

Il genoma di S. coelicolor, per esempio, codifica un gran numero di proteine secrete (819), tra cui 60 proteasi, 13 chitinasi/citosanasi, otto cellulasi/endoglucanasi, tre amilasi e due pactatoliasi. Gli Streptomyces sono anche importanti nella decomposizione iniziale del materiale organico, soprattutto le specie saprofite.11

La produzione della maggior parte degli antibiotici è specifica della specie, e questi metaboliti secondari sono importanti perché gli Streptomyces spp. possano competere con altri microrganismi che possono entrare in contatto, o anche all’interno dello stesso genere. Un altro importante processo che coinvolge la produzione di antibiotici è la simbiosi tra Streptomyces e piante, in quanto l’antibiotico protegge la pianta dai patogeni, e gli essudati vegetali permettono lo sviluppo di Streptomyces.12 I dati in letteratura suggeriscono che alcuni antibiotici sono nati come molecole segnale, che sono in grado di indurre cambiamenti nell’espressione di alcuni geni che non sono legati a una risposta allo stress.11

Antibiotici

Nonostante il successo della scoperta degli antibiotici, e i progressi nel processo della loro produzione, le malattie infettive rimangono ancora la seconda causa di morte nel mondo, e le infezioni batteriche causano circa 17 milioni di morti all’anno, colpendo soprattutto bambini e anziani. La storia degli antibiotici derivati da Streptomyces è iniziata con la scoperta della streptotricina nel 1942, e con la scoperta della streptomicina due anni dopo, gli scienziati hanno intensificato la ricerca di antibiotici all’interno del genere. Oggi, l’80% degli antibiotici proviene dal genere Streptomyces, e gli attinomiceti sono i più importanti.16 Questo può essere visto nella Fig. 1.

Meccanismo d’azione degli antibiotici

La base molecolare di questa azione è ben compresa e i bersagli principali sono ben noti. Sono classificati in base all’interazione degli antibiotici che mirano a funzioni cellulari essenziali, il principio fondamentale per inibire la crescita batterica.17 Questo è un processo complesso che inizia con l’interazione fisica della molecola e i suoi bersagli specifici e coinvolge cambiamenti biochimici, molecolari e strutturali, agendo su molteplici bersagli cellulari come: 1) replicazione del DNA, 2) sintesi dell’RNA, 3) sintesi della parete cellulare e 4) sintesi delle proteine (Fig. 2).

Replicazione del DNA

La girasi del DNA (topoisomerasi) controlla la topologia del DNA catalizzando il modello di scissione e il legame del DNA. Questa reazione è importante per la sintesi del DNA e la trascrizione dell’mRNA, e il complesso scissione topoisomerasi-DNA impedisce la replicazione, portando alla morte dei batteri.18-20

Sintesi dell’RNA

La RNA polimerasi DNA-dipendente media il processo di trascrizione ed è il principale regolatore dell’espressione genica nei procarioti. Il processo enzimatico è essenziale per la crescita cellulare, rendendolo un bersaglio attraente per gli antibiotici. Un esempio è la rifamicina, che inibisce la sintesi dell’RNA utilizzando una connessione stabile con alta affinità alla subunità β nel canale RNA/DNA, separando il sito attivo inibendo l’inizio della trascrizione e bloccando il percorso di crescita della catena ribonucleotidica.18-20

Sintesi della parete cellulare

La parete cellulare batterica è costituita da peptidoglicano, che aiuta a mantenere la pressione osmotica, conferendo capacità di sopravvivenza in ambienti diversi. La biosintesi del peptidoglicano comporta tre fasi: la prima fase avviene nel citoplasma, dove vengono sintetizzati precursori a basso peso molecolare. Nel secondo stadio, la sintesi della parete cellulare è catalizzata da enzimi legati alla membrana; e nel terzo stadio l’antibiotico agisce impedendo i β-lattami e la polimerizzazione della sintesi dei glicani degli enzimi della parete cellulare, agendo sui transpetidi.18-20

Sintesi delle proteine

Il processo di traduzione dell’mRNA avviene in tre fasi: iniziazione, allungamento e terminazione che coinvolgono i ribosomi citoplasmatici e altri componenti. Il ribosoma è composto da due subunità (50S e 30S), che sono i bersagli del principale antibiotico che inibisce la sintesi proteica. I macrolidi agiscono bloccando la subunità 50S, impedendo la formazione della catena peptidica: la tetraciclina nella subunità 30S agisce bloccando l’accesso dell’aminoacil tRNA-ribosoma; la spectinomicina interferisce con la stabilità del legame peptidil-tRNA al ribosoma; e la streptomicina, la kanamicina e la gentamicina agiscono nel 16S rRNA che è parte della subunità del ribosoma 30S.18-20

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica agisce come barriera di diffusione per acqua, ioni e nutrienti. I sistemi di trasporto sono composti principalmente da lipidi, proteine e lipoproteine. La daptomicina si inserisce nella membrana citoplasmatica dei batteri in modo calcio-dipendente, formando canali ionici e innescando il rilascio di potassio intracellulare. Diversi antibiotici possono causare la rottura della membrana. Questi agenti possono essere divisi in agenti cationici, anionici e neutri. I composti più noti sono la polimixina B e il colistemetato (polimixina E). Le polimixine non sono molto usate perché sono tossiche per i reni e per il sistema nervoso.18-20 L’ultimo antibiotico lanciato nel 2006 dalla Merck (platensimicina) ha un meccanismo d’azione diverso dai precedenti, poiché agisce inibendo le beta-ketoacil sintasi I / II (FabF / B), che sono enzimi chiave nella produzione di acidi grassi, necessari per la membrana cellulare batterica.13

Resistenza

Secondo Nikaido20 ogni anno vengono prodotte 100.000 tonnellate di antibiotici, che vengono utilizzati in agricoltura, cibo e salute. Il loro uso ha avuto un impatto sulle popolazioni di batteri, inducendo la resistenza agli antibiotici. Questa resistenza può essere dovuta a cambiamenti genetici come la mutazione o l’acquisizione di geni di resistenza attraverso il trasferimento orizzontale, che si verifica più spesso in organismi di diversa tassonomia.21,22 Le mutazioni possono causare cambiamenti nel sito d’azione del farmaco, ostacolando l’azione dell’antibiotico.23 La maggior parte dei geni di resistenza sono nello stesso cluster del gene di biosintesi dell’antibiotico.24 In natura, la funzione principale degli antibiotici è quella di inibire i competitori, che sono indotti a inattivare questi composti tramite modifiche chimiche (idrolisi), e cambiamenti nel sito d’azione e nella permeabilità di membrana.25 Uno studio condotto su Streptomyces provenienti dal suolo urbano ha mostrato che la maggior parte dei ceppi sono resistenti a più antibiotici, suggerendo che questi geni sono frequenti in questo ambiente.20 Molti geni di resistenza si trovano su plasmidi (plasmide A), che possono essere passati per coniugazione a un ceppo suscettibile; questi plasmidi sono stabili e possono esprimere il gene di resistenza.26 La suscettibilità a un particolare antibiotico può essere influenzata dallo stato fisiologico dei batteri e dalla concentrazione dell’antibiotico; ciò può essere osservato nei biofilm attraverso un meccanismo noto come formazione di persister – piccole sottopopolazioni di batteri sopravvivono alla concentrazione letale di antibiotico senza alcun meccanismo di resistenza specifico, anche se questo meccanismo non produce una resistenza di alto livello.27

I microorganismi che crescono in un biofilm sono associati a infezioni umane croniche e ricorrenti e sono resistenti agli agenti antimicrobici.28 La diffusione di ceppi resistenti non è solo legata all’uso di antibiotici, ma anche alla migrazione di persone, che disperdono ceppi resistenti tra le persone in comunità remote dove l’uso di antibiotici è molto limitato.24 A causa della difficoltà di ottenere nuovi antibiotici, l’industria farmaceutica ha apportato modifiche agli antibiotici esistenti; questi semisintetici sono più efficienti e meno suscettibili all’inattivazione da parte di enzimi che causano resistenza. Questa pratica è diventata la strategia per gli attuali antibiotici usati oggi ed è conosciuta come la seconda, terza e quarta generazione di antibiotici.29,30

Genoma e nuovi antibiotici

Con la disponibilità di genomi di un gran numero di patogeni, centinaia di geni sono stati valutati come bersagli per nuovi antibiotici. Un gene è riconosciuto come essenziale quando il batterio non può sopravvivere se il gene è inattivo, e può diventare un bersaglio quando una piccola molecola può alterare la sua attività.31 L’analisi genetica ha dimostrato che un gene può codificare una funzione che è importante in un batterio ma non in un altro.32 167 geni sono stati determinati come essenziali per la crescita batterica e sono potenziali bersagli per nuovi antibiotici.33,34 GlaxoSmithKline ha condotto studi con l’antibiotico GKS299423 che agisce sulla topoisomerasi II, al fine di impedire ai batteri di sviluppare resistenza.35

Uso

La domanda mondiale di antibatterici (antibiotici) è in costante crescita. Dalla loro scoperta nel XX secolo, gli antibiotici hanno sostanzialmente ridotto la minaccia delle malattie infettive. L’uso di questi “farmaci miracolosi”, combinato con i miglioramenti nei servizi igienici, nelle abitazioni, nel cibo, e l’avvento dei programmi di immunizzazione di massa, ha portato a un drammatico calo dei decessi per malattie che una volta erano diffuse e spesso fatali. Nel corso degli anni, gli antibiotici hanno salvato vite e alleviato la sofferenza di milioni di persone. Tenendo sotto controllo molte gravi malattie infettive, questi farmaci hanno anche contribuito all’aumento dell’aspettativa di vita nell’ultima parte del XX secolo.

La crescente resistenza degli organismi patogeni, che porta a gravi forme di infezione difficili da trattare, ha ulteriormente complicato la situazione, come nel caso della Klebsiella pneumoniae resistente ai carbapenemi,36,37 e di altri microrganismi.38 Le infezioni causate da batteri resistenti non rispondono al trattamento, con conseguente malattia prolungata e maggior rischio di morte. I fallimenti del trattamento portano anche a lunghi periodi di infettività con alti tassi di resistenza, che aumentano il numero di persone infette che circolano nella comunità e quindi espongono la popolazione al rischio di contrarre un ceppo multi-farmaco-resistente.39

Quando i batteri diventano resistenti agli antibiotici di prima generazione, il trattamento deve essere cambiato con farmaci di seconda o terza generazione, che sono spesso molto più costosi e talvolta tossici. Per esempio, il farmaco necessario per trattare Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae e Mycobacterium tuberculosis multiresistenti può costare 100 volte di più dei farmaci di prima generazione usati per trattare forme non resistenti. La cosa più preoccupante è che la resistenza a quasi tutti gli antibiotici è aumentata.

Anche se l’industria farmaceutica ha intensificato gli sforzi per sviluppare nuovi farmaci per sostituire quelli in uso, le tendenze attuali suggeriscono che alcune infezioni non avranno terapie efficaci nei prossimi dieci anni. L’uso degli antibiotici è il fattore critico nella selezione della resistenza.40,41 Paradossalmente, il sottoutilizzo per mancanza di accesso e trattamento inadeguato può giocare un ruolo importante quanto il sovrautilizzo. Per queste ragioni, un uso corretto è una priorità per prevenire l’emergere e la diffusione della resistenza batterica. I fattori legati ai pazienti sono le cause principali dell’uso inappropriato degli antibiotici. Per esempio, molti pazienti credono che i nuovi e costosi farmaci siano più efficaci di quelli più vecchi.

Oltre a causare spese inutili, questa percezione incoraggia la selezione della resistenza a questi nuovi farmaci, così come ai vecchi farmaci della loro classe.42 L’automedicazione con antibiotici è un altro importante fattore che contribuisce alla resistenza, perché i pazienti possono non assumere quantità adeguate di farmaco. In molti paesi in via di sviluppo, gli antibiotici vengono acquistati in singole dosi e presi solo fino a quando il paziente si sente meglio, il che può avvenire prima che i batteri vengano eliminati.43

I medici possono essere spinti a prescrivere antibiotici per soddisfare le aspettative dei pazienti, anche in assenza di indicazioni appropriate, o dall’influenza dei produttori. Alcuni medici tendono a prescrivere antibiotici per curare le infezioni virali, rendendoli inefficaci contro altre infezioni. In alcuni contesti culturali, gli antibiotici somministrati per iniezione sono considerati più efficaci delle formulazioni orali. Gli ospedali sono una componente critica del problema della resistenza antimicrobica in tutto il mondo.14,44 La combinazione di pazienti altamente suscettibili, pazienti con infezioni gravi e l’uso intenso e prolungato di antibiotici ha portato a infezioni nosocomiali altamente resistenti, che sono difficili da controllare, rendendo costosa l’eradicazione dell’agente patogeno.

Nel settembre 2001, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha lanciato la prima strategia globale per combattere i gravi problemi causati dall’emergere e dalla diffusione della resistenza antimicrobica. Conosciuta come Strategia globale dell’OMS per il contenimento della resistenza antimicrobica,45 la strategia riconosce che la resistenza antimicrobica è un problema globale che deve essere affrontato in tutti i paesi. Nessuna nazione, per quanto efficace, può chiudere i suoi confini ai batteri resistenti, quindi è necessario un controllo adeguato in tutti i luoghi. Gran parte della responsabilità ricade sui governi nazionali, con una strategia e un’attenzione particolare agli interventi che coinvolgono l’introduzione di leggi e politiche che regolano lo sviluppo, le licenze, la distribuzione e la vendita di antibiotici.46

Trovare nuovi antibiotici efficaci contro la resistenza batterica non è impossibile, ma è un’area di ricerca complessa e impegnativa. È anche un’area che non è stata l’obiettivo primario dell’industria farmaceutica negli ultimi anni, perché gli antibiotici rappresentano generalmente un ritorno relativamente basso dell’investimento, e gli alti standard per lo sviluppo dei farmaci sono anche fattori che influenzano questa mancanza di interesse.

Nonostante le tendenze di crescita previste per il mercato globale degli antibiotici, il loro successo a lungo termine è principalmente influenzato da due fattori principali – la resistenza e la concorrenza dei generici. La resistenza agli antibiotici costringe a ridurre l’uso. L’aumento della resistenza agli antibiotici rende difficile la cura delle infezioni. Un grande svantaggio è la difficoltà dell’industria di trovare nuovi antibiotici – quelli in uso sono generalmente modifiche in corso per produrre nuove forme. Nonostante i vantaggi che le grandi aziende hanno nello sviluppo di nuovi antibiotici: a) bersagli ben definiti, b) modalità di ricerca efficacemente stabilite, c) biomarcatori per il monitoraggio, d) strumenti sofisticati per studiare il dosaggio, ed e) approvazione più rapida da parte delle agenzie di regolamentazione, hanno dato priorità ad altre malattie, perché il ritorno sugli investimenti per gli antibiotici è basso, nonostante rappresentino un mercato di 45 miliardi di dollari, secondo solo ai farmaci per problemi cardiovascolari e del sistema nervoso centrale.47 Un altro problema è la concorrenza dei generici a prezzi molto più bassi.48 In alcuni casi le grandi aziende hanno trasferito alle piccole imprese la responsabilità di sviluppare nuovi antibiotici, come la daptomicina, sviluppata da Cubist e data in licenza a Lilly.49

Perspettive

Nonostante questo scenario, alcune aziende hanno stabilito una posizione sociale e la responsabilità di mantenere lo sviluppo di nuovi antibiotici. Un esempio è il potenziale di tali partnership nella lotta contro la tubercolosi (TB). Oggi, la tubercolosi resistente ai farmaci colpisce mezzo milione di persone all’anno, richiede due anni per essere curata, viene curata solo nella metà dei casi e si verifica principalmente nelle aree in cui l’indice di sviluppo umano è basso.

Per accelerare lo sviluppo di nuovi trattamenti, un’importante collaborazione, la TB Alliance, sta esplorando meccanismi di finanziamento creativi e supporto per la fase finale degli studi clinici. Un’altra importante azione è la raccolta di microrganismi in diversi ambienti, come quelli marini, per l’isolamento di nuove sostanze; questi studi hanno raggiunto importanti risultati valutando questi attinomiceti ambientali.30,50 Un’altra iniziativa è l’Amazon Biotechnology Center-CBA, che ha studiato i microrganismi della regione amazzonica, poiché questa regione, con la sua alta diversità di microrganismi, ha la capacità di produrre nuovi antibiotici; ottimi risultati sono stati raggiunti soprattutto per quanto riguarda il Mycobacterium tuberculosis.

È ancora necessaria una regolamentazione dell’uso degli antibiotici per incoraggiare le aziende farmaceutiche a investire nello sviluppo di nuovi antibiotici. La sfida principale rimane a livello normativo, per trovare una soluzione che garantisca la redditività commerciale dello sviluppo degli antibiotici. La fusione di queste aziende ha un impatto immediato, riducendo il numero di gruppi di ricerca e sviluppo concorrenti; tali cambiamenti causano spesso una revisione strategica delle aree terapeutiche di ricerca e sviluppo, dove lo sviluppo di nuovi antibiotici deve competere con altre aree che possono essere più interessanti dal punto di vista commerciale.

Al contrario del primo antibiotico, dove la modalità d’azione molecolare era sconosciuta fino a dopo la sua introduzione sul mercato, le tecnologie si sono evolute (genomica funzionale), permettendo la valutazione dell’interazione tra il meccanismo d’azione dell’antibiotico bersaglio e lo sviluppo della resistenza specifica dei batteri.51,52 Nonostante i progetti di sequenziamento degli organismi patogeni e lo studio di nuovi bersagli, sono stati ottenuti pochi successi.53,54 Da un punto di vista tecnico, le aziende che rimangono impegnate nella ricerca di nuovi antibiotici utilizzando le nuove tecnologie avranno successo; le sfide sono grandi, ma non insormontabili.

Conflitto di interessi

Tutti gli autori dichiarano di non avere conflitti di interessi.