Why do some bacteria resist antibiotics and how can we protect ourselves?

In our last article we talked about antibiotics and saw how they work. There are so many (fortunately!) drugs that allow us to ‘put a spoke in the wheels’ of microbial metabolisms, controlling their growth and enabling us to fight infection. However, things do not always work out as we would like, and we may come across antibiotic-resistant bacteria^.1

Antibiotic-resistant microorganisms are increasingly prevalent and have become a major source of concern for health control agencies around the world, which are watching them closely. Bacteria, in particular, are the ones of greatest concern. They are tiny, can be found all over the planet (in fact, they even live on and in ^us2), are very adaptable to various environmental conditions, and generally have an incredibly high duplication rate. This makes them extremely dangerous the moment they enter our bodies (as well as those of animals and plants of our interest) and start “fighting” against us. As long as we can keep them at bay with antibiotics, we can manage, but the moment our weapons start to become ineffective, we are really in trouble.

But how do bacteria become resistant to antibiotics? And how can we defend ourselves against these super-enemies?

Why some bacteria resist antibiotics

La resistenza agli antibiotici è un ottimo esempio di evoluzione guidata dalla selezione (in questo caso, la selezione può essere sia naturale sia artificiale). Vediamo come funziona. Può capitare che in una popolazione microbica che abita un certo ambiente si formino casualmente delle cellule con piccole variazioni rispetto alla media della popolazione: un amminoacido al posto di un altro, una proteina un po’ diversa, un enzima un po’ insolito… Tutte queste variazioni sono causate da uno o più cambiamenti delle istruzioni contenute nel DNA, cambiamenti chiamati “mutazioni”. Le mutazioni avvengono casualmente, per errori di copiatura o per l’azione di agenti mutageni, come le radiazioni o certi composti chimici. Poiché modificano il DNA, le mutazioni sono ereditabili da tutte le cellule figlie che si genereranno a partire da quella singola cellula che è stata mutata.

Nella maggior parte dei casi, le mutazioni sono errori che possono avere effetti deleteri per la cellula, rendendola meno efficiente, meno resistente, svantaggiata rispetto al resto della popolazione. In alcuni casi possono essere mutazioni neutrali, con un effetto trascurabile o addirittura nullo sulla vita della cellula. In altri casi ancora, di solito più rari, le mutazioni possono rivelarsi utili per la cellula, conferendole un vantaggio rispetto a tutte le altre.

Se la mutazione, per esempio, rende il batterio meno suscettibile a un antibiotico o gli consente di distruggerlo e neutralizzarlo, il microrganismo riesce a sopravvivere in caso di una esposizione a quell’antibiotico. Poiché tutte le altre cellule, non mutate e quindi sensibili, sono morte a causa dell’antibiotico, il batterio sopravvissuto ha ora tutte le risorse a sua disposizione senza competizione, quindi crescerà più velocemente, dando origine a una nuova popolazione di cloni, tutti resistenti a quell’antibiotico. La mutazione, seguita dalla pressione selettiva dell’esposizione all’antibiotico, ha causato quindi un’evoluzione della popolazione, cioè un suo cambiamento.

I batteri possono resistere agli antibiotici grazie a molti meccanismi, tra cui:

• Inattivazione del farmaco, spesso ad opera di specifici enzimi. Un esempio di questi enzimi sono le β-lattamasi, che distruggono le penicilline e le cefalosporine, i cosiddetti antibiotici β-lattamici. Per contrastarle, in alcuni casi si aggiunge all’antibiotico un’altra molecola, l’acido clavulanico, che pur non avendo di per sé una attività antibatterica, può essere usato per neutralizzare le β-lattamasi. Il suo sacrificio protegge le molecole di antibiotico dalla distruzione, così che possano continuare ad agire bloccando la sintesi della parete batterica.
• Modifiche della permeabilità di membrana, che rende più difficile all’antibiotico entrare dentro alla cellula per espletare la sua azione antibatterica sui bersagli intracellulari.
• Pompe di efflusso, proteine di membrana che selezionano le molecole estranee e le buttano fuori dalla cellula prima che possano aver svolto la loro azione antibiotica.
• Modificazione del bersaglio del farmaco, attraverso piccole mutazioni che rendono più difficile all’antibiotico legarsi al suo bersaglio oppure che consentano a quella struttura di continuare a lavorare anche nonostante la presenza del farmaco. Si possono anche attivare vie metaboliche alternative che sopperiscono a quelle interrotte dall’antibiotico.

How to protect yourself from ultraresistant bacteria?

Come fare, quindi, a difenderci da batteri che sono così bravi ad evitare le nostre armi? Una corretta terapia richiederebbe come prima cosa di identificare il microrganismo responsabile dell’infezione. Solo così facendo si potrà scegliere l’antibiotico giusto per quel tipo di patogeno.³ Spesso capita che vengano prescritti antibiotici ad ampio spettro, cioè attivi contro un gran numero di specie batteriche diverse, per iniziare al più presto la terapia farmacologia. Sarebbe però molto meglio fare prima un esame laboratoriale, chiamato antibiogramma, per verificare la sensibilità di quel particolare ceppo batterico ai vari antibiotici.

Nella foto seguente si vede un esempio di antibiogramma preparato da alcuni studenti della mia scuola. Non è perfetto, ma si nota che intorno ai dischetti imbevuti di antibiotici non crescono batteri, e il terreno di coltura rimane quindi limpido, generando un alone di inibizione. Quando la concentrazione di antibiotico che ha diffuso dal dischetto centrale è insufficiente a fermare la crescita microbica, ecco che tornano a crescere le cellule, fino a ricoprire tutto il resto della superficie. Misurando i diametri degli aloni di inibizione si può confrontare l’efficacia di diversi antibiotici e stabilire quale è il più efficace contro quel ceppo patogeno.⁴

Antibiotic-resistant bacteria: what to do about it

Il crescente numero di ceppi batterici resistenti a molte classi di antibiotici sta destando forti preoccupazioni a livello mondiale. Se da un lato è importante che procedano sempre di più la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci antibatterici, dall’altro è più che mai importante che si impari a usare bene quelli che già abbiamo a nostra disposizione, per evitare che si sviluppino altri ceppi resistenti.

È fondamentale che l’antibiotico sia sempre prescritto da un medico e che non venga assunto in caso di infezioni virali (come il comune raffreddore, che è causato da virus, contro i quali gli antibiotici non hanno nessuna azione). Rispettare le indicazioni orarie relative a quando assumere i farmaci è un modo per ottenerne il massimo beneficio riducendo il rischio che si selezionino batteri antibiotico-resistenti.⁵

Anche se non siamo ricercatori, tutti possiamo dare il nostro contributo per continuare a mantenere efficaci i farmaci antibiotici.

Sources:

1. In questo articolo abbiamo utilizzato la parola antibiotico nel senso lato del termine, senza distinguere tra antibiotici di origine naturale e chemioterapici sintetici. Trovate una breve trattazione della differenza tra questi due tipi di armi a nostra disposizione nell’articolo precedente
2. Il ruolo del microbiota nel nostro organismo è descritto brevemente in questo articolo
3. Per esempio, infezioni da batteri Gram-positivi e da batteri Gram-negativi andrebbero trattate con farmaci diversi. Per sapere cosa distingue questi due tipi di batteri, potete consultare questo articolo
4. Fabio Fanti, Biologia, microbiologia e biotecnologie. Microrganismi, ambiente e salute. Zanichelli, 2012
5. Per quanto riguarda invece la durata della terapia antibiotica, la comunità scientifica sta raccogliendo dati per prendere decisioni basate su evidenze sperimentali. Un articolo che approfondisce la questione si trova qua