I ricercatori di IBM e dell'Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) hanno annunciato un nuovo idrogel antimicrobico, in grado di disgregare i biofilm malati ed eliminare i batteri farmaco-resistenti al solo contatto. L’idrogel sintetico, che si forma spontaneamente quando viene riscaldato a temperatura corporea, è il primo a essere realizzato in forma biodegradabile, biocompatibile e atossica, risultando uno strumento ideale per combattere i gravi rischi per la salute a cui sono esposti gli operatori ospedalieri, i visitatori e i pazienti.
Di solito utilizzati per disinfettare varie superfici, gli antimicrobici si trovano nei tradizionali prodotti per la casa, come l’alcol e la candeggina. Tuttavia, il passaggio dalla pulizia dei piani di lavoro al trattamento di infezioni cutanee o malattie infettive farmaco-resistenti nell’organismo si rivela una sfida complessa, poiché gli antibiotici tradizionali diventano meno efficaci e molti disinfettanti per le superfici domestiche non sono idonei ad applicazioni biologiche.
Ora invece è stato sviluppato un idrogel antimicrobico sintetico rimodellabile, costituito per oltre il 90% di acqua, che - se commercializzato - risulterebbe ideale per applicazioni come creme o sostanze terapeutiche iniettabili per la cicatrizzazione delle ferite, rivestimenti di impianti e cateteri, infezioni cutanee o perfino barriere per gli orifizi. Capaci di creare colonie pressoché su qualsiasi tessuto o superficie, i biofilm microbici (raggruppamenti adesivi di cellule malate, presenti nell’80% delle infezioni) persistono in diversi siti dell’organismo umano, soprattutto in associazione ad apparecchiature e dispositivi medici.
Contribuiscono in misura significativa alle infezioni ospedaliere, che figurano tra le prime cinque cause di morte (top five leading causes of death) negli Stati Uniti e sono responsabili fino a 11 miliardi di dollari di spesa sanitaria ogni anno.
Nonostante la sterilizzazione e le tecniche di asepsi avanzate, le infezioni associate ai dispositivi medici non sono state completamente eliminate. Ciò è dovuto, in parte, allo sviluppo di batteri farmaco-resistenti.
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| A sx un biofilm di MRSA: dopo l'applicazione dell'idrogel il biofilm è stato distrutto (a dx) |
Secondo il CDC, la resistenza agli antibiotici negli USA costa una cifra stimata in 20 miliardi di dollari l’anno in spese sanitarie, oltre a 8 milioni di giorni supplementari di degenza ospedaliera.
Attraverso l’adattamento preciso dei polimeri, i ricercatori hanno progettato macromolecole, strutture molecolari contenenti un grande numero di atomi, che associano caratteristiche di idrosolubilità, carica positiva e biodegradabilità. Quando vengono miscelati con acqua e riscaldati a temperatura corporea, i polimeri si assemblano autonomamente, gonfiandosi fino a formare un gel sintetico facile da manipolare.
Questa capacità di grande interesse deriva dalle interazioni di autoassociazione che creano un effetto di “cerniera molecolare”. Così come le cerniere collegano tra loro i denti, anche i brevi segmenti sui nuovi polimeri si uniscono, addensando la soluzione a base acquosa in idrogel rimodellabili ed elastici. Presentando molte delle caratteristiche dei polimeri idrosolubili senza essere liberamente dissolti, tali materiali possono restare in posizione in condizioni fisiologiche, pur continuando a dimostrare attività antimicrobica.
“Si tratta di un approccio radicalmente diverso alla lotta contro i biofilm farmaco-resistenti. Se confrontata con le capacità dei moderni antibiotici e idrogel, questa nuova tecnologia ha un immenso potenziale”, spiega James Hedrick, Advanced Organic Materials Scientist, della Ricerca IBM. “Questa nuova tecnologia fa la sua comparsa in un momento cruciale, in cui le tecniche chimiche e biologiche tradizionali per combattere i batteri farmaco-resistenti e le malattie infettive sono sempre più problematiche”.
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| Soluzione polimerica in gel dopo averla riscaldata a temperatura corporea è iniettabile |
Se applicato alle superfici contaminate, la carica positiva dell’idrogel attira tutte le membrane microbiche a carica negativa, come la forza gravitazionale in un buco nero. Tuttavia, a differenza della maggior parte degli antibiotici e degli idrogel, che hanno come bersaglio il meccanismo interno dei batteri per impedirne la replicazione, questo idrogel uccide i batteri mediante la disgregazione della membrana, precludendo così la comparsa di resistenza.
“Ci siamo impegnati a sviluppare una terapia più efficace contro i superbatteri dalla minaccia letale di infezione costituita da questi microbi a rapida mutazione e dall'assenza di nuovi farmaci antimicrobici in grado di combatterli. Utilizzando i materiali polimerici economici e versatili sviluppati insieme a IBM, ora possiamo sferrare un attacco migliore e su più fronti ai biofilm farmaco-resistenti, che aiuterà a migliorare gli esisti per la medicina e la salute”, spiega il Dr. Yi-Yan Yang, Group Leader, Institute of Bioengineering and Nanotechnology, Singapore.
Il progetto dedicato ai polimeri per la nanomedicina, avviato dai centri di Ricerca IBM solo quattro anni fa con l’intento di migliorare la salute umana, nasce da decenni di sviluppo di materiali tradizionalmente impiegati per le tecnologie a semiconduttore. Questo progresso espanderà il campo d’azione del programma di collaborazione tra IBM e IBN, consentendo agli scienziati di portare avanti simultaneamente diversi metodi per la creazione di materiali in grado di migliorare la medicina e lo sviluppo dei farmaci.
Una collaborazione tra industria e ricerca di questa portata riunisce le menti e le risorse di diverse istituzioni scientifiche di punta, per affrontare le sfide complesse nel trasformare soluzioni pratiche di nanomedicina in realtà. Questa ricerca è stata pubblicata di recente sulla rivista peer-reviewed AngewandteChemie (http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/%28ISSN%291521-3773). Per maggiori informazioni, inclusi immagini e video ad alta risoluzione che illustrano la scoperta http://ibmhydrogels.tumblr.com/.
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