Batteriofagi: antibatterici naturali per contrastare la multifarmaco resistenza

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INTRODUZIONE  
Quasi un decennio prima della scoperta della penicillina, la fagoterapia veniva 
sviluppata come trattamento per le infezioni batteriche. I fagi sono virus specifici per 
i batteri che sono stati usati come trattamento contro agenti patogeni già nel 1919 [1]. 
Essi costituiscono l'entità biologica più abbondante sulla terra e svolgono un ruolo 
cruciale nella regolazione delle popolazioni batteriche [2]. Gran parte della 
controversia che circonda la terapia fagica era dovuta alla scarsa documentazione 
riguardo l’utilizzo e al successo variabile della stessa. Le complicazioni 
nell'implementazione della terapia fagica derivavano da quanto poco si sapeva sui fagi 
al momento della loro scoperta. Infatti, la natura della loro esistenza era un argomento 
di contesa fino a quando non sono stati visualizzati dopo l'invenzione della 
microscopia elettronica [3]. Ostacoli logistici e tecnici nello sviluppo della terapia 
fagica hanno portato al suo abbandono dopo la scoperta degli antibiotici. Gli antibiotici 
hanno aiutato ad entrare in una nuova era in medicina, diventando rapidamente uno 
strumento medico indispensabile con tonnellate di antibiotici utilizzati globalmente tra 
medicina, agricoltura e orticoltura ogni anno [4,5]. Le ammonizioni di un ritorno all'era 
"pre-antibiotico" sono diventate organizzazioni sempre più comuni e normative come 
i centri per il controllo delle malattie (CDC)
1
 e che hanno dichiarato la resistenza agli 
antibiotici una minaccia per la salute globale [6, 7]. Negli Stati Uniti, le infezioni di S. 
aureus resistenti alla meticillina (MRSA)
2
 rappresentano da sole più decessi rispetto 
all'HIV/AIDS e alla tubercolosi combinati [8]. Dalla scoperta degli antibiotici, c'è stato 
un flusso costante di nuovi farmaci antibatterici in quello che è stato soprannominato 
il "gasdotto degli antibiotici". Tuttavia, a causa della velocità con cui i batteri evolvono 
la resistenza agli antibiotici, c'è stato meno interesse commerciale nella ricerca e nello 
sviluppo di nuovi composti. A partire dal 2000, l'incidenza di infezioni di K. 
pneumoniae resistenti ai carbapenemi, acquisite in ospedale, ha cominciato ad 
aumentare negli Stati Uniti; a causa della mancanza di opzioni terapeutiche, queste 
infezioni sono associate a un tasso di mortalità del 40%-50% [9]. Nella ricerca di 
 
1
 CDC Centers for Disease Control 
2
 MRSA Staphylococcus Aureus Meticillina-Resistente
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strategie alternative per la profilassi e il controllo dell'infezione batterica, uno dei 
suggerimenti più popolari consiste nel rivisitare la pratica della terapia fagica. I 
sostenitori della terapia fagica sono i diversi principali vantaggi che i fagi hanno 
rispetto agli antibiotici come la specificità dell’ospite, l’autoamplificazione, la 
degradazione del biofilm, e la bassa tossicità per gli esseri umani [10, 11]. A causa 
dello sviluppo di strumenti analitici in grado di studiare queste piccole entità 
biologiche (circa 25-200 Nm di lunghezza), come il sequenziamento di nuova 
generazione e la microscopia elettronica, il campo della biologia fagica sta 
raggiungendo solo ora la maturità. Questi progressi tecnologici hanno introdotto una 
rinascita della ricerca sulla terapia fagica come indicato da recenti studi clinici umani 
e ricerche sugli animali. Questa tesi mira a discutere l'uso storico della terapia fagica 
e la ricerca attuale sulla possibilità effettiva di controllare le infezioni dovute a batteri 
multiresistenti attraverso le preparazioni fagiche.
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CAPITOLO 1- NOZIONI DI BASE SUI FAGI E SULLA TERAPIA FAGICA 
1.1 STORIA DELLA TERAPIA FAGICA 
I fagi furono scoperti nel 1915 dal microbiologo britannico Frederick Twort, e, 
indipendentemente nel 1917, dal microbiologo franco-canadese Felix d'Hérelle. 
Frederick Twort descrisse per la prima volta la caratteristica zona di lisi associata 
all'infezione fagica, ma fu Felix D'Hérelle che identificò la fonte di questo fenomeno, 
attribuì le placche ai virus batterici [1]. Twort non ha perseguito la sua scoperta, mentre 
d'Hérelle ha studiato sistematicamente la natura dei batteriofagi e ha esaminato la loro 
capacità di funzionare come agenti terapeutici. D’Hérelle dimostrò la terapia fagica, 
propose che il fenomeno fosse dovuto a batteri parassitati a causa di un’infezione 
virale, promuoveva con fermezza l'idea che i fagi erano virus vivi (figura 1), non 
"enzimi" come molti ricercatori pensavano nella sua era. Anche il nome "batteriofagi" 
è stato proposto da d'Hérelle; derivava dalle parole "batteri" e "fagi". È stato anche 
d'Hérelle che ha concepito l'idea di utilizzare i fagi terapeuticamente ed è responsabile 
Figura 1 Rappresentazione di un virus batteriofagico
7 
del primo uso clinico documentato dei fagi nel 1919 presso l'Hôpital des Enfants-
malades a Parigi dove i fagi sono stati utilizzati con successo per il trattamento di 4 
casi pediatrici di dissenteria batterica [1]. In particolare, d'Hérelle usava sospensioni 
di fago per trattare infezioni come la dissenteria, che all’epoca non aveva altro 
trattamento consistentemente efficace. In seguito a tale successo, diversi laboratori e 
società commerciali negli Stati Uniti, in Francia e in Germania hanno realizzato 
preparazioni fagiche. Tali preparati sono stati usati con successo contro i problemi 
intestinali (ad esempio dissenteria, diarrea, tifoide) e le infezioni purulente-settiche, 
come le complicazioni infettive di ustioni, ferite e infiammazione degli organi. [12]. 
Nonostante l'ampio uso negli anni '30, la ricerca sulla terapia fagica e le applicazioni 
cliniche furono in gran parte abbandonate dal mondo occidentale dopo la Seconda 
guerra mondiale. Questo abbandono potrebbe essere attribuito alla scoperta e 
all'introduzione diffusa di antibiotici ad ampio spettro, insieme ai successi contrastanti 
dell'approccio ai fagi in quel periodo (una conseguenza della scarsa conoscenza di base 
della biologia dei fagi), alla carenza di dati provenienti dalle sperimentazioni cliniche 
e alle eccessive aspettative derivanti dall'iperbole commerciale. [12] Sono stati fatti 
molti errori durante queste prime prove di terapia fagica e la maggior parte di essi può 
essere attribuita a una scarsa comprensione della natura biologica dei fagi. I protocolli 
di purificazione e conservazione rudimentali hanno provocato bassi titoli fagici attivi 
e contaminazione da antigeni batterici, e sono stati utilizzati per il trattamento i fagi 
privi di infettività per i batteri bersaglio. Inoltre, la somministrazione fagica al sito di 
infezione è stata confusa a causa dei limiti medici di quel tempo. Ad esempio, il ruolo 
della risposta immunitaria innata del paziente nel rimuovere il fago attivo e diminuire 
l'efficacia della terapia fagica è stato osservato solo recentemente come un 
meccanismo fisiologico potenzialmente confondente [13]. L'avvento degli antibiotici 
a metà del XX secolo, insieme a una migliore comprensione delle malattie e dei servizi 
igienico-sanitari, ha rivoluzionato l'assistenza sanitaria e ha drasticamente migliorato 
sia la qualità della vita che l'aspettativa di vita nel mondo industrializzato. Nel 1900, 
l'aspettativa di vita per gli uomini e le donne negli Stati Uniti era di 46 e 48 anni, 
rispettivamente, e le principali cause di morte erano le malattie infettive, molte delle 
quali erano batteriche (ad esempio, colera, difterite, febbre tifoide, peste, tubercolosi,
8 
tifo, scarlattina, pertosse e sifilide) [14]. Sebbene eclissato in gran parte dalla medicina 
occidentale con l’avvento degli antibiotici, l’uso dei fagi come trattamento di scelta 
per le infezioni batteriche è persistito in varie regioni del mondo [15]. Ciò include, in 
particolare, l'ex Repubblica sovietica della Georgia, dove i fagi sono spesso usati come 
standard di cura per le infezioni batteriche. Inoltre, vi è il centro di fagologia a 
Breslavia, in Polonia, dove i fagi sono utilizzati per trattare infezioni batteriche 
particolarmente croniche che si sono dimostrate resistenti al trattamento antibiotico 
[16]. La terapia fagica è fiorita nelle repubbliche dell'ex Unione Sovietica, nonostante 
l'adozione di altri antibatterici. I fagi sono rimasti una parte standard dei sistemi 
sanitari nell'URSS anche durante gli anni '60 e '70, quando gli antibiotici erano al loro 
apice in Occidente. Nell'ex Unione Sovietica, i preparati fagici continuavano a essere 
usati per la terapia, la profilassi e la diagnosi di molte infezioni batteriche. Questo 
abbandono potrebbe essere attribuito alla scoperta e all'introduzione diffusa di 
antibiotici ad ampio spettro, ma anche ai successi contrastanti dell'approccio ai fagi 
(una conseguenza della scarsa conoscenza di base della biologia dei fagi), alla carenza 
di dati provenienti dalle sperimentazioni cliniche e alle eccessive aspettative derivanti 
dall'enfatizzazione commerciale. [14] Le preparazioni fagiche sono state ampiamente 
usate contro gli agenti patogeni batterici in dermatologia, stomatologia, 
otorinolaringoiatria, oftalmologia, ginecologia, pediatria, chirurgia, gastroenterologia, 
urologia e pneumologia [17]. Diverse strutture produttive producevano fagi in diverse 
forme medicinali. Uno dei più noti centri di studio batteriofagico e la produzione di 
preparati di fagi terapeutici è stato l'Istituto di Tbilisi di batteriofagia, microbiologia e 
virologia nella Repubblica di Georgia, fondata nel 1923 dallo scienziato georgiano 
Georgi Eliava e dal pioniere canadese francese dei fagi Felix d'Herelle. Dalla sua 
nascita al 1990, l'Istituto ha fornito l'intera Unione Sovietica con le preparazioni 
fagiche contro le varie complicazioni contagiose. Dal 1990 e il crollo dell'URSS, 
l'Istituto opera sotto il nome del suo fondatore, Eliava. L’Istituto Eliava ha prodotto 
fagi per il trattamento e la profilassi delle infezioni purulenti settiche e intestinali. Le 
preparazioni fagiche prodotte erano ampiamente disponibili e facili da applicare da 
percorsi differenti: oralmente (liquidi e compresse), localmente (in tamponi, risciacqui 
e creme), direttamente, come aerosol o infusioni intrapleurali, da nebulizzatore, e per
9 
via endovenosa. I preparati sono stati sottoposti a vaste sperimentazioni precliniche e 
cliniche, e sono stati pubblicati molti articoli e documenti sulla corretta applicazione 
dei preparati batteriofagici [17, 18]. Tuttavia, gli standard sovietici delle relazioni 
sperimentali cliniche non sono conformi alle norme e agli standard approvati a livello 
internazionale. Inoltre, la letteratura scientifica Sovietica (pubblicata principalmente 
in russo e georgiano) era spesso indisponibile per il resto del mondo. Presi insieme, 
questi fattori sono sembrati essere causa di diffidenza e apprensione nell'approvazione 
internazionale dei virus batterici per il trattamento. Una delle ragioni dell'insuccesso 
della terapia fagica è stata la difficoltà a identificare con precisione gli agenti eziologici 
o l'assenza di protocolli stabiliti per i test in vitro della suscettibilità batterica ai fagi. 
Al contrario, gli antibiotici ad ampio spettro hanno agito più efficacemente in assenza 
di una diagnosi confermata di un agente patogeno specifico, ciò ha portato al declino 
dell'interesse nei fagi terapeutici. L'attuale aumento dell'incidenza della resistenza agli 
antibiotici nei batteri umani e animali è stato il fenomeno che ha riattivato il possibile 
ruolo dei fagi come alternativa terapeutica ad essi [2, 20, 21]. Nel 2015 si è tenuto un 
incontro organizzato dall'Agenzia Europea dei Medicinali (EMA) per discutere il 
possibile ruolo della fagoterapia nel trattamento dei batteri multi-resistenti [22]. Molti 
paesi, compresi quelli considerati "sviluppati", stanno segnalando gravi problemi di 
resistenza ai farmaci. Negli Stati Uniti, la resistenza ai farmaci da Staphylococcus 
aureus è diventata un grave problema di salute negli ospedali e una crescente 
preoccupazione nelle palestre, nei licei scolastici e in altri contesti comunitari. [12] La 
resistenza microbica è più evidente in malattie diarroiche batteriche, infezioni del tratto 
respiratorio, meningite, infezioni trasmesse sessualmente e infezioni acquisite in 
ospedale; esempi importanti includono Streptococcus pneumoniae resistente alla 
penicillina, Enterococchi resistenti alla vancomicina, Salmonelle multi-resistenti e 
Mycobacterium tuberculosis multi-resistente. Infezioni causate da questi agenti 
patogeni spesso non riescono a rispondere al trattamento convenzionale. La resistenza 
agli antibiotici è un importante problema globale. L'Organizzazione mondiale della 
sanità (OMS), il Centro per il Controllo delle Malattie (CDC), gli Istituti Nazionali di 
Sanità (NIH), la Fondazione Gates e altri enti hanno cercato di attirare l'attenzione
10 
della popolazione riguardo la crescente crisi. Il CDC
3
 ha definito il tempo attuale l'era 
"post-antibiotico" [23] perché la resistenza a quasi ogni antibiotico disponibile 
abbonda, e le infezioni multi-farmaco resistenti (MDR) sono sempre più comuni 
(figura 2). Questo problema deriva da una varietà di fattori, tra cui l'uso agricolo 
diffuso di antibiotici, prescrizione inadeguata di antibiotici, una diminuzione del 
numero di nuovi antibiotici che entrano nel mercato, e la maggiore selezione positiva 
di resistenza multifarmaco quando acquisita attraverso lo scambio procariotico 
naturale di materiale genetico [24]. Un altro insieme di problemi che accompagnano 
l’aumento della resistenza agli antibiotici è collegato all'effetto combinato di pratiche 
inadeguate di controllo delle infezioni, in particolare nelle strutture ospedaliere, e 
all'abuso diffuso o all'abuso di antibiotici in contesti ospedalieri e comunitari. È stato 
riferito che negli ospedali statunitensi vengono somministrati 190 milioni di dosi di 
antibiotici ogni giorno. Tra i pazienti non ospedalizzati, ogni anno oltre 133 milioni di 
cicli di antibiotici vengono prescritti dai medici. Si stima che il 50% di queste ultime 
prescrizioni non siano necessarie perché vengono prescritte per raffreddori, tosse e 
altre infezioni virali, non sensibili all’attività antibiotica. Il recente aumento dei ceppi 
batterici resistenti agli antibiotici è diventato una seria minaccia per il trattamento delle 
malattie infettive. Il tempo dallo sviluppo della resistenza agli antibiotici varia per 
ciascun antibiotico. Per la penicillina, la prima comparsa di resistenza è stata osservata 
 
3
 (CDC) Centro per il Controllo delle Malattie 
 Figura 2 Resistenza agli antibiotici e conseguenze.