(C.difficile-Immagine Credito Centri per il controllo delle malattie).
A volte, la scienza ti richiede di rimanere sveglio per due giorni di fila. Ma perdere il sonno è un piccolo sacrificio da fare, se vuoi saperne di più sui minuscoli batteri che ammalano mezzo milione di americani ogni anno, ne uccidono più di 14.000 e accumulano $ 4,8 miliardi di costi sanitari.
Questo è ciò che ha spinto un team di scienziati dell’Università del Michigan a lavorare 24 ore su 24 per studiare il batterio chiamato Clostridium difficile o C. difficile, la rovina degli Ospedali e delle case di cura. La maggior parte dei pazienti lo sviluppa dopo l’assunzione di antibiotici.
In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Infection and Immunity, i ricercatori spiegano per la prima volta esattamente come il C. difficile devasta le viscere degli animali in breve tempo e provoca grave diarrea e malattie pericolose per la vita negli esseri umani.
La combinazione di antibiotici e infezione da C. difficile ha cambiato completamente il microbioma – o comunità di batteri – nel colon. La colonna di sinistra mostra che il DNA di molte specie di batteri era presente senza antibiotici; i tre di destra mostrano come prima gli antibiotici, e poi il C. difficile, abbiano cambiato la popolazione.
Nonostante il pesante tributo che l’organismo richiede, nessun team era mai stato in grado di misurare l’attività del C. difficile nel tempo,in questo modo. Le loro scoperte potrebbero aiutare a migliorare la prevenzione e il trattamento delle infezioni da C.difficile.
Una corsia preferenziale per la malattia
I ricercatori hanno iniziato introducendo le spore di C. difficile nei topi attraverso la bocca, in modo simile a ciò che potrebbe accadere in un ambiente ospedaliero in cui abbondano le spore delle infezioni dei pazientii. Quindi, hanno studiato cosa è successo dopo che le spore sono entrate nel corpo, prelevando campioni intestinali a intervalli regolari e studiandoli in condizioni speciali. Gli animali avevano tutti ricevuto antibiotici.
Attraverso la loro sorveglianza di ore, i ricercatori hanno scoperto che il C. difficile impiegava solo circa 24 ore per passare da spore dure a cellule che producono tossine e che inducono diarrea fino all’altra estremità del tubo digerente, nell’intestino crasso.
I ricercatori mostrano anche che gli acidi biliari nell’intestino “risvegliano” le spore dei batteri dormienti e che crescono nelle cellule dell’intestino tenue entro 24 ore dall’esposizione.
Poiché gli antibiotici hanno interrotto la normale comunità intestinale di altri batteri, chiamata microbioma intestinale, le cellule di C.difficile potrebbero continuare la loro attività nell’intestino crasso e iniziare i loro effetti tossici sulle cellule che rivestono l’intestino. Quando hanno testato separatamente il contenuto dell’intestino tenue, hanno anche dimostrato che ciò accade indipendentemente dal fatto che gli animali abbiano ricevuto o meno antibiotici.
Nell’intestino crasso, hanno persino visto come le cellule di C.difficile formassero nuove spore, consentendo loro di sopravvivere all’uscita dal corpo nelle feci e di continuare a infettare un nuovo ospite.
“Se riusciamo a comprendere il processo utilizzato da batteri specifici per germinare e stabilirsi, potremmo essere in grado di intervenire in modo più efficace”, afferma Vincent Young, MD, Ph.D., autore senior del nuovo studio, Professore presso il UM Medical School e co-leader della Host Microbiome Initiative della scuola. “Supponiamo che gli antibiotici modifichino il microbioma intestinale, ma non sappiamo come ciò consenta a C.difficile di prendere piede e iniziare ad aumentare la crescita”.
Il primo autore Mark Koenigsknecht, Ph.D., un borsista post-dottorato nel laboratorio di Young che ora sta continuando la sua ricerca presso l’UM College of Pharmacy, è stato uno dei ricercatori che è stato sveglio tutta la notte per ottenere dati per l’esperimento.
“Abbiamo introdotto 100 spore nella bocca dei topi e in sei ore siamo riusciti a trovare 1.000 cellule nel tratto intestinale”, osserva. “Abbiamo scelto questo ceppo di C.difficile per la sua rapida capacità di causare malattie negli animali, ma non pensavamo che sarebbe successo così rapidamente”.
Monitoraggio dell’effetto di C. difficile sull’intestino
Nella ricerca sono state utilizzate speciali camere prive di ossigeno
, che hanno dato ai ricercatori
la possibilità di studiare il microbioma intestinale
nell’ambiente anaerobico presente
all’interno del corpo.
Il team di messaggistica unificata ha utilizzato un modello murino sviluppato e un antibiotico comune nella classe delle cefalosporine.
Lavorando in strutture rese possibili dall’Host Microbiome Initiative, i ricercatori hanno prelevato campioni a intervalli regolari da sette diverse aree del tratto digerente dei topi. Hanno quindi trasportato i campioni in speciali strutture prive di ossigeno, chiamate camere anaerobiche, che hanno permesso loro di vedere la quantità e le forme di C. difficile presente in ciascuna regione intestinale.
Con l’aiuto di Patrick Schloss, Ph.D., Professore presso il Dipartimento di Microbiologia e Immunologia, i ricercatori hanno utilizzato l’analisi del DNA per vedere che aspetto aveva l’intero microbioma intestinale negli animali trattati con antibiotici e in quelli che non erano stati trattati. Gli antibiotici hanno davvero interrotto la comunità di batteri nell’intestino tenue e C. difficile è arrivato a dominare in 36 ore.
I ricercatori hanno anche esaminato il tratto intestinale al microscopio. La tossina prodotta dalle cellule di C.difficile nel loro stato vegetativo o in crescita, provoca un effetto sulle cellule che rivestono il tratto digestivo, causando perdite e provocando l’allarme tra le cellule del sistema immunitario vicine e portando alla diarrea. I cambiamenti cellulari sono stati osservati nell’intestino crasso circa 30 ore dopo l’introduzione delle spore.
Prossimi passi
Tre grafici che mostrano la velocità con cui
C. difficile ha preso il controllo delle viscere dei
topi trattati con antibiotici.
Koenigsknecht osserva che questa è la prima volta che i ricercatori hanno visto in un animale vivente che la produzione di tossine e la produzione di nuove spore di C. difficile in grado di sopravvivere al di fuori del corpo si verificano contemporaneamente. “Questa indicazione che i due processi sono collegati e che sono attivati da qualche fattore nel corpo, è intrigante”, dice Schlos.
“Ora, lo sforzo per capire quale sia questo segnale, se diversi ceppi di C. difficile agiscono in modo diverso e chi è più vulnerabile ai suoi effetti”, continua.
Vedi anche:Individuato un obiettivo chiave per la lotta contro il Clostridium difficile
Koenigsknecht ha collaborato con i Professori del College of Pharmacy per testare l’uso di un tubo che può essere inserito nel tratto digestivo umano e utilizzato per recuperare campioni in luoghi diversi, lungo il percorso. Sviluppato originariamente per testare come i farmaci vengono scomposti e utilizzati dall’organismo, potrebbe fornire una finestra completamente nuova sul microbioma umano.
“Ora che capiamo cosa sta facendo C.difficile, possiamo anche farci altre domande su come si accendono i macchinari all’interno della cellula”, dice Schlos.
Young osserva che ci sono molti modi in cui C. difficile potrebbe assumere il controllo di un intestino decimato da antibiotici. “Previene la crescita di altri batteri o li supera mangiando più velocemente? Comunica con le cellule del rivestimento intestinale? Stiamo cercando di capire l’interazione tra “batteri buoni” e “batteri cattivi” e il rivestimento dell’intestino”. Young è Professore associato di malattie infettive e di microbiologia e immunologia.
