Lo studio dei batteri patogeni rappresenta una straordinaria arma per comprendere da una parte i complessi circuiti regolativi alla base della loro virulenza, dall' altra le strategie messe in atto da essi per dialogare con il sistema immunitario dell'ospite, evaderlo ed eventualmente per resistere a terapie antibiotiche. Quest'ultimo aspetto, in particolare, rappresenta un tema caldo ed attuale in quanto la presenza di patogeni resistenti agli antibiotici è divenuta una pericolosa minaccia per la salute pubblica globale. I batteri hanno modi innovativi e versatili per resistere agli antibiotici e ad altri elementi tossici e l'attivazione delle pompe ad efflusso dell'antibiotico rappresentano uno di essi.
Il nostro sistema modello è costituito da Shigella, un batterio patogeno responsabile nell'uomo di una malattia fatale prevalentemente nei bambini nei paesi in via di sviluppo.
Il progetto che presentiamo è dedicato allo studio delle pompe ad efflusso presenti nel genoma di Shigella per capire se e come siano coinvolte nella patogenesi del batterio e nella mancata risposta alle terapie antibiotiche. La caratterizzazione delle pompe ad efflusso riveste un ruolo importante non solo per poter meglio comprendere l'adattamento di Shigella alla vita intracellulare ma anche, a più lungo termine, per poter ripristinare , grazie all'identificazione di inibitori specifici, l'attività dell'antibiotico stesso.
Shigella è un batterio estremamente ben adattato all'uomo che rappresenta il suo solo ospite conosciuto ed è capace di indurre la patologia di cui è responsabile, la dissenteria bacillare, con una minima dose infettiva (Sansonetti, 2001). Sempre più frequentemente il quadro clinico precario determinato dalla shigellosi viene compromesso dall'insorgere dell'antibiotico-resistenza. Vista la rilevanza che Shigella riveste nella mortalità infantile soprattutto nei paesi in via di sviluppo, numerosi studi in questi anni hanno contribuito a capire il processo di patogenicità di questo batterio, a decifrarne l'organizzazione del genoma (The et al., 2016), la regolazione dei geni di virulenza in risposta all' ambiente dell'ospite (Di Martino et al., 2016) e il ruolo di Shigella nell' attivazione del sistema immunitario (Ashida et al., 2015). Numerosi sono anche i laboratori che hanno cercato, finora senza successo, di allestire un vaccino idoneo per vaccinare la popolazioni soprattutto nei paesi con limitate condizione igieniche. Alla luce di questi dati, la terapia antibiotica riveste ancora un ruolo fondamentale per debellare la malattia, ma quest'approccio è fortemente indebolito dall' insorgenza, in molti casi, di ceppi antibiotico resistenti (The et al., 2016).
Il lavoro di ricerca si inserisce quindi nell'ambito dell'analisi delle pompe ad efflusso che sono coinvolte nei fenomeni di resistenza multipla agli antibiotici (MDR) cercando però con un approccio nuovo di capirne il loro potenziale ruolo nella virulenza del batterio o, meglio, nell'adattamento del batterio al suo ospite.
I risultati che ho ottenuto, relativi all' analisi comparativa della presenza delle pompe ad efflusso in Shigella rispetto ad E. coli così come quelli riguardanti i livelli di espressione nelle cellule epiteliali e nei macrofagi, contribuiscono a definire quali siano e come vengano utilizzate le pompe in questo batterio patogeno. Molto limitati sono gli studi relativi alle pompe ad efflusso in Shigella e i dati presenti prendono in considerazione solo il fenomeno dell'antibiotico resistenza con esperimenti condotti in condizioni di laboratorio. Solo recentemente stanno arrivando in letteratura dati relativi all' espressione delle pompe in risposta alle poliammine (Leuzzi et al., 2015) o alla bile (Nickerson et al., 2017) ottenuti studiando Shigella durante il suo processo di infezione. Il lavoro che sto svolgendo offre quindi una nuova prospettiva negli studi delle interazioni tra Shigella e le cellule infettate mettendo in evidenza come il batterio sia in grado di rispondere all'ambiente ostico dell'ospite esprimendo dei complessi sistemi proteici in grado di eliminare eventuali composti tossici e contemporaneamente influenzare il profilo di antibiotico resistenza.
In questo senso lo studio che sto svolgendo si ricollega ad analisi svolte in altri batteri patogeni di grande rilevanza come Salmonella, Vibrio cholerae o Listeria monocytogenes (Alcado-Rico et al., 2016) cercando di dare una visione complessiva del ruolo delle pompe nella vita del batterio. Questo aspetto è particolarmente rilevante in Shigella, un batterio con elevato gene decay, nel quale vengono silenziati molti geni non più utili nel batterio durante la sua vita intracellulare. I dati quindi relativi al mantenimento di ben 14 sistemi genetici coinvolti nella sintesi delle pompe fanno ritenere che questi geni possano conferire un vantaggio selettivo al batterio e migliorarne la fitness nell'ospite.
In prospettiva lo studio delle pompe ad efflusso si presenta come stimolante e promettente non solo per approfondire le conoscenze su un batterio cosi ancora mortale nei paesi più poveri ma anche per l'allestimento di nuove terapie antibatteriche.
Referenze
Ashida H, Mimuro H, Sasakawa C. 2015. Shigella manipulates host immune responses by delivering effector proteins with specific roles. Front Immunol. 6:219.
Di Martino ML, Romilly C, Wagner EG, Colonna B, Prosseda G. 2016. One Gene and Two Proteins: a Leaderless mRNA Supports the Translation of a Shorter Form of the Shigella VirF Regulator. MBio.
Leuzzi A, Di Martino ML, Campilongo R, Falconi M, Barbagallo M, Marcocci L, Pietrangeli P, Casalino M, Grossi M, Micheli G, Colonna B, Prosseda G. 2015. Multifactor Regulation of the MdtJI Polyamine Transporter in Shigella. PLoS One. 27;10:e0136744
Nickerson KP, Chanin RB, Sistrunk JR, Rasko DA, Fink PJ, Barry EM, Nataro JP, Faherty CS. 2017. Analysis of Shigella flexneri Resistance, Biofilm Formation, and Transcriptional Profile in Response to Bile Salts. Infect Immun.
Sansonetti PJ. 2001. Rupture, invasion and inflammatory destruction of the intestinal barrier by Shigella, making sense of prokaryote-eukaryote cross-talks. FEMS Microbiol Rev.25:3-14.
The HC, Thanh DP, Holt KE, Thomson NR, Baker S. 2016. The genomic signatures of Shigella evolution, adaptation and geographical spread. Nat Rev Microbiol. 14:235-50.