Evoluzione dei microbi sulla superficie della pelle

La pelle umana ospita milioni di microbi. Uno di questi microbi, Staphylococcus aureus, è un patogeno opportunista che può invadere chiazze di pelle colpite da eczema, noto anche come dermatite atopica. In un nuovo studio, i ricercatori del MIT e di altre istituzioni hanno scoperto che questo microbo può evolversi rapidamente all'interno del microbioma di una singola persona. Hanno scoperto che nelle persone con eczema, Staphylococcus aureus tende a evolversi in una variante con una mutazione in un gene specifico che lo aiuta a crescere più velocemente sulla pelle.

Questo studio segna la prima volta che gli scienziati hanno osservato direttamente questo tipo di rapida evoluzione in un microbo associato a una complessa malattia della pelle. I risultati potrebbero anche aiutare i ricercatori a sviluppare potenziali trattamenti che alleviano i sintomi dell'eczema prendendo di mira le varianti di S. aureus che hanno questo tipo di mutazione e che tendono a peggiorare i sintomi dell'eczema.

«Questo è il primo studio a dimostrare che i genotipi di Staphylococcus aureus stanno cambiando nelle persone con dermatite atopica», afferma la dottoressa Tami Lieberman (1), assistente professoressa di ingegneria civile e ambientale e membro dell'Institute for Medical Engineering and Science del MIT. «Per quanto ne so, questa è la prova più diretta dell'evoluzione adattativa nel microbioma cutaneo».

La professoressa Lieberman e la dottoressa Maria Teresa García-Romero, dermatologa e assistente professoressa presso l'Istituto Nazionale di Pediatria in Messico, sono le autrici senior dello studio, che appare su Cell Host and Microbe (2). Il dottor Felix Key, un ex postdoc del MIT che ora è capogruppo presso il Max Planck Institute for Infection Biology, è l'autore principale dell'articolo.

Adattamento batterico

Si stima che tra il 30 e il 60 percento delle persone porti S. aureus nelle narici, dove di solito è innocuo. Nelle persone con eczema, che colpisce circa 10 milioni di bambini e 16 milioni di adulti negli Stati Uniti, S. aureus si diffonde spesso alle chiazze di eczema e infetta la pelle.

«Quando c'è una rottura nella pelle, Staphylococcus aureus può trovare una nicchia dove può crescere e replicarsi», dice Lieberman. «Si pensa che i batteri contribuiscano alla patologia perché secernono tossine e reclutano cellule immunitarie, e questa reazione immunitaria danneggia ulteriormente la barriera cutanea».

In questo studio, i ricercatori hanno voluto esplorare come S. aureus è in grado di adattarsi a vivere sulla pelle dei pazienti con eczema.

«Questi microbi normalmente vivono nel naso e volevamo sapere se quando si trovano sulla pelle della dermatite atopica, hanno bisogno di cambiare per vivere lì? E possiamo imparare qualcosa su come questi batteri interagiscono con la pelle della dermatite atopica osservando la sua evoluzione?» si domanda la Liebermann.

Per rispondere a queste domande, i ricercatori hanno reclutato pazienti di età compresa tra 5 e 15 anni che erano in trattamento per eczema da moderato a grave. Hanno prelevato campioni dei microbi sulla loro pelle una volta al mese per tre mesi, e poi di nuovo a nove mesi. I campioni sono stati prelevati dalla parte posteriore delle ginocchia e all'interno dei gomiti (i siti più comuni colpiti dall'eczema), dagli avambracci, che di solito non sono interessati, e dalle narici.

Le cellule di S. aureus di ciascun sito campione sono state coltivate separatamente per creare fino a 10 colonie da ciascun campione e, una volta formate grandi colonie, i ricercatori hanno sequenziato i genomi delle cellule. Ciò ha prodotto quasi 1.500 colonie uniche, che hanno permesso ai ricercatori di osservare l'evoluzione delle cellule batteriche in modo molto più dettagliato di quanto fosse possibile in precedenza.

Usando questa tecnica, i ricercatori hanno scoperto che la maggior parte dei pazienti manteneva un unico lignaggio di S. aureus, cioè era molto raro che un nuovo ceppo arrivasse dall'ambiente o da un'altra persona e sostituisse il ceppo esistente di S. aureus. Tuttavia, all'interno di ogni lignaggio, durante i nove mesi dello studio si è verificata una grande quantità di mutazioni ed evoluzioni.

«Nonostante la stabilità a livello di lignaggio, vediamo molte dinamiche a livello dell'intero genoma, dove nuove mutazioni sorgono costantemente in questi batteri e poi si diffondono in tutto il corpo», dice Lieberman.

Molte di queste mutazioni sono sorte in un gene chiamato capD, che codifica un enzima necessario per sintetizzare il polisaccaride capsulare, un rivestimento che protegge S. aureus dal riconoscimento da parte delle cellule immunitarie. In due dei sei pazienti sottoposti a campionamento profondo, le cellule con mutazioni capD hanno assunto l'intera popolazione del microbioma cutaneo di S. aureus, hanno scoperto i ricercatori. Altri pazienti sono stati colonizzati con ceppi inizialmente privi di una copia funzionale del capDD, per un totale del 22% dei pazienti privi di capD alla fine dello studio. In un paziente, quattro diverse mutazioni di capD sono sorte indipendentemente in diversi campioni di S. aureus, prima che una di queste varianti diventasse dominante e si diffondesse nell'intero microbioma.

Trattamento mirato

Nei test su cellule batteriche che crescono in un piatto di laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che le mutazioni di capD hanno permesso a S. aureus di crescere più velocemente dei ceppi di S. aureus con un normale gene capD. La sintesi del polisaccaride capsulare richiede molta energia, quindi quando le cellule non devono produrla, hanno più carburante per alimentare la propria crescita. I ricercatori ipotizzano inoltre che la perdita della capsula possa consentire ai microbi di aderire meglio alla pelle perché le proteine che consentono loro di aderire alla pelle sono più esposte.

I ricercatori hanno anche analizzato quasi 300 genomi pubblicamente disponibili di batteri isolati da persone con e senza eczema e hanno scoperto che le persone con eczema avevano molte più probabilità di avere varianti di S. aureus che non potevano produrre il polisaccaride capsulare rispetto alle persone senza eczema.

L'eczema viene solitamente trattato con creme idratanti o steroidi topici e i medici possono prescrivere antibiotici se sembra che la pelle sia infetta. I ricercatori sperano che le loro scoperte possano portare allo sviluppo di trattamenti che riducono i sintomi dell'eczema prendendo di mira le varianti di S. aureus con mutazioni nel polisaccaride capsulare.

«I nostri risultati in questo studio forniscono indizi su come lo Staphylococcus aureus si sta evolvendo all'interno degli ospiti e rivelano alcune delle caratteristiche che potrebbero aiutare i batteri a rimanere sulla pelle e generare malattie rispetto alla possibilità di essere eliminati», afferma la dottoressa García-Romero. «In futuro, le varianti di S. aureus con mutazioni nel polisaccaride capsulare potrebbero essere un obiettivo rilevante per potenziali trattamenti».

Il laboratorio della professoressa Lieberman sta ora lavorando allo sviluppo di probiotici che potrebbero essere utilizzati per colpire i ceppi di S. aureus negativi alla capsula. Il suo laboratorio sta anche studiando se i ceppi di S. aureus con mutazioni capD hanno maggiori probabilità di diffondersi ad altri membri della famiglia di un paziente con eczema.

La ricerca è stata finanziata dal MISTI Global Seed Funds, dal National Institutes of Health degli Stati Uniti, dal Burroughs Wellcome Fund, dal programma del ministero delle imposte del governo messicano per la ricerca sanitaria e lo sviluppo tecnologico e da una borsa di studio della German Research Foundation.

Riferimenti:

(1) Tami Lieberman

(2) On-person adaptive evolution of Staphylococcus aureus during treatment for atopic dermatitis

Descrizione foto: Un'immagine SEM che mostra quattro batteri Staphylococcus aureus di colore giallo, a forma di sferoide. - Credit: National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists track evolution of microbes on the skin’s surface