Mappare l'evoluzione del principale fattore di virulenza dell'E. coli offre un obiettivo di farmaco raffinato.

15 giugno 2023

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dal Wellcome Trust Sanger Institute

In uno studio pubblicato oggi su Nature Communications, un team multicentrico guidato dal Wellcome Sanger Institute, dall'Università di Oslo, dall'Imperial College London e dall'UCL ha mappato per la prima volta la linea evolutiva e la distribuzione della popolazione della capsula protettiva esterna di Escherichia coli, responsabile della virulenza del batterio. Lo studio dimostra inoltre come il mirare alla stratificazione protettiva del batterio possa aiutare a trattare le infezioni extraintestinali. 

Questo nuovo lavoro si è concentrato su un particolare sottogruppo di E. coli con una capsula specifica - la barriera extracellulare che circonda un batterio - che gli scienziati hanno chiamato K1. E. coli con questo tipo di capsula sono noti per causare malattie invasive come infezioni del flusso sanguigno o dei reni, e meningite nei neonati. Ciò è dovuto al fatto che questa particolare copertura permette loro di imitare molecole già presenti nei tessuti umani ed entrare nel corpo inosservati.

I ricercatori presentano evidenze che il mirare alla capsula può essere usato come base di trattamento, aprendo la strada per prevenire gravi infezioni da E. coli.

E. coli è una causa comune di infezioni del tratto urinario e del flusso sanguigno e può causare meningite nei neonati prematuri e a termine, con una mortalità fino al 40%. Inoltre, l'aumento di E. coli ipervirulenti e multiresistenti negli ultimi dieci anni significa che lo sviluppo di strategie efficaci per prevenire e trattare E. coli è diventato urgente.

Comprendere l'anatomia del batterio e come questa gioca un ruolo nel causare malattie è la chiave per la prevenzione di gravi infezioni. Gli scienziati fino ad ora avevano una conoscenza di base della prevalenza, dell'evoluzione e delle proprietà funzionali della capsula K1, limitando la loro capacità di combattere le infezioni da E. coli.

I ricercatori del Wellcome Sanger Institute, dell'Università di Oslo, dell'Imperial College London e dell'UCL hanno ora mappato l'evoluzione di questo ceppo di E. coli, la sua prevalenza e distribuzione. Utilizzando la genomica di popolazione ad alta risoluzione, il sequenziamento del genoma completo e strumenti computazionali avanzati, hanno analizzato 5.065 campioni clinici provenienti da diversi paesi e periodi. I dati includevano grandi collezioni di campioni dal Regno Unito e dalla Norvegia, campioni di neonati e adulti di nuova generazione provenienti da sei paesi come Brasile, Messico e Laos tra gli altri e campioni dall'era pre-antibiotico - dal 1932 in poi.

Hanno scoperto che questa capsula specificamente virulenta - K1 - in realtà risale indietro nel tempo di circa 500 anni rispetto a quanto precedentemente immaginato. Ciò evidenzia l'importanza della capsula per la sopravvivenza del batterio e il ruolo della barriera extracellulare nel successo di E. coli come principale causa di infezioni extraintestinali.

Dott. Sergio Arredondo-Alonso, autore principale dello studio dell'Università di Oslo e del Wellcome Sanger Institute, ha detto: "È stato entusiasmante scoprire la possibilità di ricostruire la storia evolutiva della capsula K1 negli ultimi cinque secoli e vedere come i geni della capsula siano stati acquisiti più e più volte da molte diverse linee di questa specie patogena nel corso dei secoli. Poiché né la prevalenza né la storia di K1 erano conosciute, sembrava che stessimo entrando in un territorio veramente inesplorato e stessimo avanzando significativamente la comprensione di questa importante specie patogena."

Lo studio mostra anche che il 25% di tutti i ceppi di E. coli attuali responsabili di infezioni del sangue contiene le informazioni genetiche necessarie per sviluppare la capsula K1. Ottenere una storia evolutiva completa di questo ceppo permetterà ora ai ricercatori di capire come i batteri ottengono il materiale genetico responsabile della virulenza grave in primo luogo e di analizzare i modi per combatterli.

Utilizzando gli enzimi dei batteriofagi, virus che infettano e uccidono i batteri, i ricercatori sono stati in grado di rimuovere la barriera extracellulare dei batteri e renderla vulnerabile al sistema immunitario umano. I ricercatori hanno dimostrato in studi in vitro con il siero umano - una parte liquida del sangue comunemente utilizzata negli studi di laboratorio - che mirare a questa capsula può essere un modo per trattare ampiamente l'infezione da E. coli senza l'uso di antibiotici, coerentemente con le precedenti infezioni sperimentali negli animali.

Dr. Alex McCarthy, a senior author of the study from Imperial College London, said, 'We specifically demonstrated the advances made possible by combining experimental microbiology with population genomics and evolutionary modeling tools, to open a window into translating the findings into future clinical practice. We show that therapeutic targeting of the K1 capsule makes these pathogens more vulnerable to our immune system, and offers the possibility of preventing serious infections. For example, it could help treat newborn babies with meningitis caused by K1 E. coli, which is a rare but dangerous condition associated with high mortality and serious long-term adverse health effects.'

Professor Jukka Corander, a co-senior author of the study from the Wellcome Sanger Institute and the University of Oslo, said, 'Our research shows the importance of representative genomic surveys of pathogens over time and space. These studies will enable us to reconstruct the evolutionary history of successful bacterial lineages and pinpoint changes in their genetic make-up that can lead to their ability to spread and cause disease. Such knowledge is ultimately providing the basis for designing future interventions and therapies against these pathogens.'