Professione Veterinaria 3-2010:Professione 3-2010
26-01-2010
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laPROFESSIONE
Studi e valutazioni Focus
VETERINARIA 3 | 2010
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È possibile sostituire gli antibiotici sintetici con quelli naturali? di GAETANO BOLLINO Instytut Zootechniki, Dział Biotechnologii Rozrodu Zwierzçat, 32-083 Balice k. Krakowa, Polonia ra gli antibiotici di sintesi tuttora utilizzati ricordiamo: la gentamicina, la lincomicina, la penicillina, la streptomicina e la spectinomicina. In alternativa, la natura ci offre vegetali, minerali, pesci, insetti, batteri e tanti prodotti naturali da cui estrarre sostanze ad azione antibiotica. L’uso di piante e muffe particolari nella cura delle infezioni era già noto in molte culture antiche: Greca, Egiziana e Cinese. Le ricerche moderne iniziano con la scoperta casuale del lisozima nel 1922 da parte di Alexander Fleming, un batteriologo Scozzese, scopritore nel 1928 della penicillina naturale (penicillina G o benzil-penicillina), prodotta dal Penicillium notatum ed attiva principalmente verso cocchi Gram+, bacilli Gram+ (Corynebacterium e Listeria), anaerobi, Spirochete. Attualmente si conoscono molte sostanze ad azione antibiotica ed i loro meccanismi d’azione e tante altre di cui però non si sa ancora come agiscano. L’Helmholtz Centre (Germania) ha isolato da un micobatterio (fig. 1) tre sostanze: la myxopyronina, la corallopyronina e la ripostatina; che mostrano un’insolita propensione antibiotica. Queste tre sostanze agiscono inibendo l’RNA polimerasi, prevenendo così la trascrizione del DNA dell’agente patogeno. Esse attaccano l’enzima con una nuova strategia, legandolo in un sito mai sfruttato fino ad ora dagli altri antibiotici. L’attacco con l’enzima ne inibisce l’attività e quindi, viene bloccata così la successiva sintesi delle proteine dell’agente patogeno. Il grande vantaggio di queste sostanze è che agiscono anche su batteri resistenti agli antibiotici convenzionali. Un nuovo potente antibiotico in grado di sconfiggere la crescente resistenza dei batteri è la platensimicina; essa è prodotta dallo Streptomyces platensis, un microbo presente nel suolo sudafricano ed è un inibitore “FabF”, che blocca la produzione da parte dei batteri di acidi grassi a catena lunga, che consentono al batterio di costruire membrane e superfici. I ricercatori dell’Università di Swansea (Gran Bretagna), utilizzando la secrezione di larve di mosca, hanno realizzato un nuovo antibiotico attivo verso 12 ceppi di Stafilococcus aureus
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Figura 1 - Micobatterio.
Figura 2 - Hydra. mentre la Christian-Albrechts-University di Kiel (Germania) ha isolato dall’Hydra (fig. 2), un organismo pluricellulare che vive in acqua dolce un nuovo composto con proprietà antibiotiche, chiamato hydramicina-1. In una serie di esperimenti condotti in laboratorio si è osservato che la proteina è in grado di uccidere un largo spettro di batteri, andando ad interrompere la loro membrana. Anche I macrolidi naturali: – eritromicina (prodotta da Streptomyces erythreus); – oleandomicina (prodotta da Streptomyces antibioticus); – josamicina (prodotta da Streptomyces narbonensis); – midecamicina (prodotta da Streptomyces mycarofaciens); – spiramicina (prodotta da Streptomyces ambofaciens); – rosaramicina (prodotta da Micromonospora rosaria); sono considerati batteriostatici, ma su taluni microrganismi molto sensibili (Streptococchi e Pneumococchi) essi possono essere battericidi ad elevate concentrazioni. L’effetto antibatterico è dovuto alla loro fissazione sul recettore rRNA 23S sulle subunità 50S ribosomiali, che determina l’inibizione della sintesi delle proteine batteriche RNA-dipendenti sia in vivo che in vitro con potenza variabile. Essi risultano efficaci verso: cocchi Gram+ (Stafilococchi, Streptococchi e Pneumococchi); cocchi Gram(Neisseria); batteri Gram+ (Corynebacterium, B. antrhacis e Listeria); batteri Gram- (Campylobacter, Yersinia e Legionella) e batteri intracellulari (Chlamydia, Mycoplasma e Ureaplasma). La fosfomicina (l’acido 1,2 epossipropilfosfonico) è un antibiotico naturale a carattere acido isolato nel 1966 e prodotto da Streptomyces fradiae. È un antibiotico a largo spettro che presenta azione battericida, in vitro e in vivo, verso germi Gram+ (Stafilococcus, Streptococcus e Enterococcus) e Gram- (E. coli, Proteus, Pseudomonas, Salmonella, Shigella, Haemophylus, ecc.). Inoltre risulta attiva contro ceppi resistenti ad altri antibiotici, in particolare gli Stafilococchi penicillino-resistenti. Essa si lega alla fosfoenolpiruvasi che catalizza la reazione tra l’N-acetilglucosammina-UDP e l’acido fosfoenolpiruvico, inibendo così la sintesi della parete batterica. Oltre ai macrolidi, peptidi antimicrobici (fig. 3) sono stati isolati, oltre che dalle mucose, anche da una varietà di tessuti in molte specie ittiche. Sono definiti AMPs (antimicrobial peptides), ma anche CAPs (cationic antimicrobial peptides) dal momento che si tratta prevalentemente di proteine cationiche. Sono molecole piccole (da 12 a 50 aminoacidi) con un ampio spettro di attività contro i batteri.
Figura 3 - Sintesi di peptidi antimicrobici nei pesci. Nei mammiferi è stata individuata una famiglia di peptidi a largo spettro di attività antimicrobica, le defensine, immagazzinate nei granuli citoplasmatici dei neutrofili e nelle cellule di Paneth dell’intestino tenue. Dalla farfalla Hyalophora cecropia sono state isolate le cecropine, caratterizzate da un’intensa attività antimicrobica; peptidi analoghi, come le ceruleine, le tachichinine, le bradichinine ed i peptidi oppioidi sono stati scoperti in numerose specie di anfibi, come la rana Xenopus laevis. Tra le molecole ad attività antimicrobica di origine vegetale ricordiamo: la puroindolina a (PINA) e la puroindolina b (PINB), presenti in alcuni compartimenti della cariosside di frumento, le fitoalessine, la PR-proteins, la chitinasi, la B-glucanasi, gli inibitori di proteasi, le proteine che inattivano i ribosomi e le proteine ricche in cisteina. Quest’ultime sono caratterizzate dalla presenza di numerosi ponti disolfuro, che conferiscono loro una struttura tridimensionale molto stabile e la capacità di agire in maniera specifica contro le membrane degli organismi bersaglio. Pur variando considerevolmente nel numero di residui, che va dai 10 ai 40 amminoacidi, i peptidi antimicrobici presentano delle caratteristiche comuni. Sono infatti cationici (ricchi di residui di lisina e arginina) e di natura anfipatica. Le membrane batteriche invece, sono ricche di fosfolipidi anionici, come la fosfatidilserina ed il fosfatidilglicerolo. Questa differente composizione delle membrane e il potenziale di membrana più negativo all’interno della cellula batterica, determina l’interazione del peptide carico positivamente con la membrana batterica stessa. Nel caso di batteri Gram-negativi è stato visto che inizialmente il peptide interagisce con le molecole polianioniche di lipopolisaccaride della membrana esterna ed è poi in grado di permeabilizzarla e di essere captato all’interno.
Nel caso dei batteri Gram-positivi il peptide è invece probabilmente attratto dagli acidi teicoici e teicuronici e da altri gruppi anionici che si trovano esternamente allo strato di peptidoglicano. I peptidi sono quindi in grado di inibire le normali funzioni della membrana batterica, dissolvendola come se fossero dei detergenti, determinando la formazione di canali ionici o pori oppure la comparsa di difetti. A tali avvenimenti seguono l’inibizione della sintesi del DNA e delle proteine, eventi che determinano la morte cellulare. Sono stati proposti 4 principali meccanismi generali per spiegare l’effetto conseguente all’interazione dei peptidi con la membrana citoplasmatica: 1) depolarizzazione della membrana; 2) inserimento del peptide nella membrana; 3) formazione di pori con conseguente perdita del contenuto intracellulare; 4) danni specifici ad organuli intracellulari fondamentali. Inoltre diverse caratteristiche dei peptidi antimicrobici li rendono particolarmente interessanti come potenziali strumenti terapeutici: a) dimostrano ampio spettro di attività contro i batteri; b) uccidono rapidamente (99,9% dei batteri trattati in 20 minuti) e manifestano sinergie con gli antibiotici convenzionali; c) sono efficaci contro famiglie di batteri resistenti agli antibiotici; d) non consentono la selezione di mutanti resistenti. La tirocidina A e la gramicidina S sono invece antibiotici polipeptidici isolati da colonie di Bacillus brevis. L’attività antibatterica di questi dipende dalla loro capacità di disorganizzare la membrana plasmatica (fig. 4) che determina come conseguenza un aumento incontrollato della permeabilità, dovuto alla forma-
TABELLA 1 Sostanza
Specie
Tessuto/Organo
Hepcidin
Pseudopleuronectes, americanus, Salmo salar, Paralychthys, olivaceus, Danio rerio, Morone chrysops x M. saxatilis
Esofago, Stomaco, Fegato, Sangue, Cute, Muscolo, Branchie, Leucociti, Cuore, Rene, Organi addominali
LEAP-2
Ictalurus punctatus, Ictalurus furcatus, Oncorhynchus mykiss
Branchie, Rene, Milza, Intestino, Fegato, Muscolo, Cute
Parasin
Parasilurus asotus
Cute
Pardaxin
Pardachirus marmoratus
Cute
Peptide cationico
Oncorhynchus mykiss
Cute, Eritrociti
Piscidin
Famiglia Moronidae, Famiglia Scianidae, Mastociti, Cute, Branchie, Percoidei Intestino
Pleurocidin
Pleuronectes americanus, Pseudopleuronectes americanus
Cute, Branchie, Milza, Intestino, Fegato