Dalla pelle di squalo agli stent: la scoperta italiana che blocca i batteri

C'è una storia lunga milioni di anni dietro una scoperta italiana pubblicata il mese scorso su Nature Communications. Vediamo insieme di cosa si tratta.

Pelle di squalo e ali di libellula

Nel 2002, Anthony Brennan, ingegnere dei materiali all'Università della Florida, stava lavorando su commissione dell'ufficio ricerca della Marina americana su come impedire ad alghe e organismi marini di incrostarsi sugli scafi dei sottomarini. Cercando quale animale marino di grandi dimensioni non soffrisse di questo problema — il cosiddetto biofouling — trovò la risposta nei libri di biologia marina: lo squalo era il solo animale marino a lento movimento che non si incrostava mai. Scoprì che la superficie della sua pelle non era liscia ma ricoperta di minuscole scaglie con creste parallele, i denticoli dermali, alte circa 3 micrometri. Nessuna sostanza chimica, nessuna secrezione: era la geometria stessa a impedire ai batteri di attaccarsi, perturbando il sottile strato di fluido a contatto con la pelle e privando i microrganismi della zona di flusso lento in cui normalmente si ancorano.

Qualche anno dopo, un'altra osservazione sorprendente arrivò dagli insetti. Le ali di libellule e cicale, osservate a scala nanometrica, rivelarono una foresta di micropilastri capaci di uccidere i batteri per puro contatto meccanico: la membrana batterica, aderendo alla superficie, si distende nelle depressioni tra i pilastri fino a lacerarsi, come una pellicola plastica calata su un letto di chiodi invisibili. Nessun antibiotico, nessun metallo tossico, solo forma e pressione.

Due scoperte che hanno aperto, nell'ultimo ventennio, un filone di ricerca radicalmente alternativo all'approccio chimico: eliminare i batteri attraverso la topografia fisica dei materiali.

Il peso delle infezioni da presidio

La posta in gioco è enorme, e i numeri italiani sono tra i più allarmanti d'Europa. L'Italia conta il poco lusinghiero conto di 11.000 morti l'anno. Un primato negativo confermato anche dalla dimensione del fenomeno: circa 1 paziente su 15 contrae un'infezione durante un ricovero, per un totale di 530.000 casi ogni anno, un dato che pone il nostro Paese all'ultimo posto tra tutti gli Stati europei con costi diretti per il servizio sanitario nazionale pari a 2,5 miliardi di euro e 2,7 milioni di posti letto occupati ogni anno.

Un quadro che i dati della piattaforma nazionale Resistimit — che monitora i pazienti colpiti da batteri gram-negativi in 40 ospedali italiani — riporta tassi di mortalità che vanno dal 22-23% per Klebsiella pneumoniae, al 37% per Acinetobacter baumannii, fino al 43% per Stenotrophomonas maltophilia.

Dietro molte di queste statistiche c’è biofilm batterico cresciuto su cateteri venosi, stent biliari o urinari, protesi articolari, valvole cardiache artificiali che una volta formatosi, è protetto da uno scudo polisaccaridico che lo rende fino a mille volte più resistente agli antibiotici rispetto agli stessi batteri in forma libera.

L'intuizione italiana: rughe che sfruttano il flusso

I ricercatori italiani hanno percorso una strada che sintetizza e supera le intuizioni biomimetiche precedenti. Invece di replicare i nanopilastri degli insetti — efficaci ma difficili da produrre su scala industriale — o i denticoli dello squalo, hanno sfruttato un fenomeno fisico chiamato buckling: il flacciamento elastico spontaneo che si produce quando uno strato rigido è depositato su un substrato più morbido e compresso, generando superfici naturalmente pieghettate, simili alla corteccia cerebrale o alla pelle di un frutto essiccato.

La differenza concettuale rispetto ai modelli biologici precedenti è importante. I nanopilastri delle libellule funzionano in condizioni statiche, uccidendo i batteri che vi si posano. Le micro rughe da buckling sono invece progettate per lavorare in presenza di flusso che è esattamente la condizione reale in cui stazionano stent, cateteri e impianti dentro il corpo umano. Invece di combattere il flusso o ignorarlo, lo usano come alleato: le pieghe perturbano il campo di velocità del fluido nell'immediata vicinanza della superficie, creano gradienti e zone di ricircolo che destabilizzano i batteri prima che riescano ad ancorarsi e riducono meccanicamente la superficie di contatto disponibile per fissarsi.

I risultati

I ricercatori hanno così testato l'adesione di Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus su “rughe” di diverse dimensioni, esposte a diverse frequenze di flusso arrivando a risultati netti: rughe sinusoidali con lunghezza d'onda di 2 micrometri, orientate perpendicolarmente alla direzione del flusso, riducono la colonizzazione batterica di oltre il 70%; rughe con profilo più marcato di 5 micrometri ottengono riduzioni superiori al 90% e sopprimono la formazione del biofilm di oltre l'85% rispetto a superfici piane di controllo. L'efficacia si mantiene anche in condizioni di flusso pulsatile, che mimano più fedelmente la realtà biologica, come il battito cardiaco nei vasi sanguigni.

Il vantaggio decisivo rispetto ai rivestimenti antimicrobici tradizionali è la durabilità: non c'è nessuna sostanza che si esaurisca o che eserciti pressione selettiva sui batteri favorendo l'insorgenza di ceppi resistenti. La geometria è stabile nel tempo, e il processo di fabbricazione per buckling spontaneo è scalabile e compatibile con i polimeri già in uso nei dispositivi medici.

La strada da percorrere

Restano passaggi importanti prima che questa tecnologia entri in sala operatoria. Gli esperimenti sono stati condotti in sistemi microfluidici in vitro, e la risposta biologica, reale dovuta alla complessità dei fluidi corporei, potrà differire. Le rughe andranno ottimizzate per i materiali specifici di ciascun dispositivo e verificate per biocompatibilità a lungo termine.

Eppure, in un'epoca in cui la resistenza antimicrobica si candida a diventare la prima causa di morte globale entro il 2050, c'è qualcosa di profondamente promettente nell'idea che la soluzione possa venire non da una nuova molecola, ma dalla forma stessa delle cose. La natura ci aveva già mostrato la via sulla pelle di uno squalo, sull'ala di una libellula. I ricercatori italiani hanno trovato un modo per tradurla in un oggetto che stia dentro un corpo umano e le spese per la ricerca potranno concentrarsi anche su questa via così promettente.

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