Sensori contro i superbatteri

La diffusione di superbatteri resistenti agli antibiotici sta gettando in crisi l'assistenza sanitaria in tutto il mondo. Si stima che nel 2028 il numero di vittime di batteri multiresistenti sarà pari a quello registrato prima della scoperta della penicillina 100 anni prima, con costi che si aggireranno intorno ai miliardi. L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) definisce la "pandemia silenziosa" una delle maggiori minacce alla salute globale.

Lo sviluppo della resistenza è alimentato dall'uso frettoloso di antibiotici senza che l'agente patogeno di base sia stato precedentemente identificato. Questo non è del tutto incomprensibile: Durante la diagnosi si perde tempo prezioso utilizzando metodi che richiedono molto tempo, tanto che in situazioni di emergenza, ad esempio, spesso si decide di non aspettare i risultati di laboratorio. Il risultato possibile: Il trattamento rimane inefficace e aumenta il rischio di un ulteriore sviluppo di resistenza. I ricercatori dell'Empa stanno quindi lavorando insieme a partner clinici su strumenti diagnostici innovativi, come i sensori, in grado di individuare più rapidamente gli agenti patogeni resistenti e di consentire un trattamento personalizzato in tempo utile.

Un sensore luminoso indica la polmonite

I batteri multiresistenti sono particolarmente comuni nelle infezioni nosocomiali come la polmonite. Un agente patogeno che può causare tale polmonite è la Klebsiella pneumoniae. La ricercatrice dell'Empa Giorgia Giovannini del laboratorio Biomimetic Membranes and Textiles sta attualmente collaborando con l'Ospedale Cantonale di San Gallo per sviluppare un sensore per questo superbatterio che emette una luce fluorescente quando è presente un'infezione da Klebsiella.

Il sensore reagisce all'enzima ureasi, prodotto dai batteri. Nel progetto "Doorstep", i ricercatori stanno lavorando su particelle polimeriche che circondano un colorante fluorescente. Se l'ureasi batterica decompone il polimero, il colorante può sviluppare la sua luminosità. Il metodo diagnostico dovrebbe funzionare con un tampone della gola o un campione di espettorato. Ciò consentirebbe di identificare gli agenti patogeni che causano la polmonite nel giro di poche ore anziché di diversi giorni.

Il gesso mette in guardia dai germi delle ferite

Anche le ferite infette sono un'importante area di applicazione per la diagnosi rapida e precisa di agenti patogeni resistenti. Non solo causano dolore e danni ai tessuti, ma sono anche un terreno fertile per i superbatteri resistenti agli antibiotici. Un team guidato dai ricercatori dell'Empa Luciano Boesel e Giorgia Giovannini sta ora lanciando un progetto in collaborazione con l'Ospedale cantonale di San Gallo per sviluppare una medicazione multisensore per ferite. Si tratta di una medicazione basata su nanoparticelle di silice incorporate in un idrogel resistente fatto di polimeri biocompatibili. La tecnologia dei sensori deve essere integrata direttamente nel materiale della medicazione. Le nanoparticelle sono funzionalizzate con sostanze in grado di indicare in modo specifico i metaboliti di alcuni batteri.

I sensori sono progettati per reagire a patogeni della ferita particolarmente temibili, come lo Staphylococcus aureus, e indicare un cambiamento nell'equilibrio acido-base della ferita. Inoltre, dovrebbero indicare il rischio di resistenza agli antibiotici. Poiché i germi altamente patogeni della ferita sono dotati di un enzima specifico, la beta-lattamasi, che utilizzano per inattivare alcuni antibiotici, il sensore contiene coloranti che vengono scomposti da questo enzima. Se i batteri resistenti presenti nella ferita producono l'enzima, il sensore fornisce un chiaro avvertimento illuminandosi alla luce UV. Nella pratica clinica quotidiana, il sensore per ferite consente una diagnosi rapida ed economica e un trattamento personalizzato delle ferite. Il progetto ha potuto essere avviato grazie alle generose donazioni della Fondazione Philipp e Henny Bender, della Fondazione Blumenau-Léonie Hartmann, della Fondazione Hans Groeber e della Fondazione Räschle.

Facile individuazione nei campioni di urina

Un altro membro del regno batterico è lo Pseudomonas aeruginosa. Questo batterio a forma di bastoncino può causare diverse malattie, tra cui le infezioni del tratto urinario, ad esempio attraverso i cateteri urinari durante una degenza ospedaliera. Questi agenti patogeni sono spesso resistenti a diversi antibiotici. Un team di ricercatori dell'Empa e del Politecnico di Zurigo ha quindi sviluppato un metodo che utilizza nanoparticelle magnetiche per rilevare i batteri in modo rapido e preciso. Poiché le particelle magnetiche sono accoppiate a blocchi proteici che reagiscono esclusivamente con lo Pseudomonas aeruginosa, le cellule batteriche possono essere "pescate" in modo specifico dai campioni di urina utilizzando un campo magnetico.

Nella fase successiva, la sensibilità dei patogeni ai vari antibiotici viene analizzata con un metodo di chemiluminescenza. Se nella provetta sono presenti batteri resistenti, il campione emette luce. Se invece i germi possono essere uccisi con gli antibiotici, il campione rimane scuro. "Complessivamente, il test di resistenza richiede circa 30 minuti, rispetto ai diversi giorni necessari per la classica coltivazione di colture batteriche", spiega Qun Ren, capogruppo del laboratorio Biointerfaces dell'Empa a San Gallo. In questo modo è possibile determinare in breve tempo la terapia antibiotica appropriata, evitando così lo sviluppo di ulteriori resistenze.