4-6 Domani - Rossi - Recenti Progressi in Medicina

Domani
Vol. 96, N. 1, Gennaio 2005
I sistemi “quorum sensing” in patologia infettiva
Giuliano Rossi
Riassunto. Recentemente è stata scoperta e studiata l’esistenza di intercomunicazioni
tra cellula e cellula batterica, i cosiddetti sistemi “quorum sensing”. È brevemente discusso il ruolo di questi sistemi nelle infezioni da Gram-negativi e Gram-positivi e le possibili applicazioni nella terapia delle infezioni batteriche.
Parole chiave. Autoinduttori, intercomunicazioni batteriche, sistemi “quorum sensing”.
Summary. “Quorum sensing” systems in infective pathology.
Recently the existence of bacterial cell-cell intercommunications, the so called “quorum sensing” systems, has been discovered and studied. The role that these systems play
in the infections by Gram-negative and Gram-positive bacteria and the promising therapeutic applications are briefly discussed.
Key words. Autoinducers, bacterial intercommunications, “quorum sensing” systems.
È stato recentemente dimostrato che i batteri
non si comportano come individui isolati, ma possono comunicare tra loro e agire in gruppi mediante un sistema di monitoraggio e di coordinamento detto “quorum sensing” (QS), cioè sensibilità e controllo del livello (per l’appunto del
“quorum”) della densità della popolazione batterica1,2. Questo sistema d’intercomunicazione consente ai batteri di resistere all’ambiente esterno e
di sopravvivervi ed è strettamente collegato all’altro aspetto delle interazioni batteriche, detto
dei “biofilm”, che, mediante la formazione di una
matrice extracellulare, porta a una modificazione
del fenotipo batterico, dando luogo alla costituzione di uno strato protettivo che rende il batterio resistente agli antibiotici 3,4.
Gli studi sui meccanismi che presiedono alla
formazione dei biofilm e che regolano i sistemi QS
hanno grande rilevanza per le importanti implicazioni nella prevenzione e nella terapia delle infezioni batteriche. Le ricerche attualmente in corso
in molti laboratori mirano ad approfondire queste
conoscenze al fine di trovare nuovi mezzi che interferiscano in questi meccanismi.
Le intercomunicazioni batteriche che costituiscono i sistemi QS si attuano attraverso la misura
delle concentrazioni di molecole segnalatrici, dette
autoinduttori, prodotte dagli stessi batteri e immesse nell’ambiente extracellulare 5.
Primario Medico f.r., Ospedale San Filippo Neri, Roma.
Pervenuto il 3 novembre 2004.
I sistemi QS sono di due tipi: i sistemi QS di tipo Lux I/Lux R, caratteristici dei batteri Gram-negativi, e quelli di tipo oligopeptidico a due componenti, dei batteri Gram-positivi 6. Vi sono peraltro
alcune specie batteriche nelle quali possono essere presenti sistemi QS che si osservano sia nei
Gram-negativi che nei Gram-positivi (ad esempio,
Vibrio harveyi) 7.
Nei batteri Gram-negativi il sistema QS è rappresentato da proteine enzimatiche Lux I-simili che
sintetizzano autoinduttori costituiti da acil-omoserin-lattone (AHL), che, dopo la sintesi, diffondono
all’esterno nella cellula batterica 2. Ciascuna specie
di batteri Gram-negativi produce uno o più autoinduttori AHL. La concentrazione di AHL aumenta
con l’aumento della densità delle cellule batteriche
nel mezzo, fino a raggiungere un valore soglia (il
“quorum”). A questo punto l’AHL reagisce con il recettore Lux R, che a sua volta provoca l’attivazione
di un fattore di trascrizione positiva, controllando
l’espressione di geni regolati dal sistema QS 8.
Il sistema QS dei batteri Gram-negativi è implicato nella regolazione di molti processi biologici, come la produzione di fattori di virulenza e di
metaboliti 9,10, ed è correlato alla formazione di biofilm. Infatti la matrice extracellulare dei biofilm
rappresenta un terreno adatto all’accumulo di molecole segnale e un ambiente protettivo perché il
batterio produca fattori di virulenza fino a che venga raggiunto un numero di cellule batteriche
(“quorum”) così da superare le difese dell’ospite 2,8.
G. Rossi: I sistemi “quorum sensing” in patologia infettiva
Il sistema QS dei batteri Gram-positivi si basa sulla produzione di autoinduttori polipetidici,
definiti “autoinduttori peptidici” (AIP) e sulla loro immissione nell’ambiente esterno al batterio.
Questi autoinduttori sono costituiti da aminoacidi che possono contenere variazioni nella
struttura delle catene laterali 6. A differenza dei
batteri Gram-negativi, la membrana dei batteri
Gram-positivi non è permeabile agli AIP, ma necessita di oligopeptidi di membrana trasportatori per facilitare l’immissione degli AIP nell’ambiente esterno 2.
I progressi consentiti nelle conoscenze sui sistemi QS hanno indotto a prospettare e studiare
nuove possibilità di farmacoterapia antibatterica
diretta verso questi sistemi 8,11.
Le ricerche sono state indirizzate a: 1) inibire la
produzione di molecole segnale autoinduttrici, 2)
inibirne la disseminazione fuori della cellula batterica e 3) inibirne l’interazione con il recettore.
L’inibizione della produzione di molecole segnale autoinduttrici è diretta a inibire la sintesi
di AHL. Questa sintesi comporta una serie di reazioni biochimiche che implicano: a) l’S-adenil-metionina (SAM) come donatrice di amino-gruppi
per la produzione dell’anello omoserin-lattone di
AHL; b) una proteina vettrice di radicali acilici
(ACP), come precursore della catena acilica di
AHL 12. Per inibire la produzione di AHL sono
stati studiati vari analoghi della SAM, come Sadenosil-omocisteina, S-adenosil–cisteina e sinefungina, che si sono rivelati efficaci nell’inibizione della sintesi di AHL prodotto da Pseudomonas
aeruginosa 12. È stato inoltre osservato che alcuni macrolidi, a concentrazione inibitrice subliminale, sono in grado di inibire la sintesi di AHL di
P. aeruginosa 13.
L’inibizione della disseminazione di autoinduttori fuori della cellula batterica e quindi delle comunicazioni interbatteriche che danno luogo al sistema
QS, potrebbe essere attuata riducendo la concentrazione delle molecole segnale nel mezzo ambiente. Ad
esempio, AHL può subire un’idrolisi alcalina ad alti
valori di pH 14. Inoltre alcuni batteri possono degradare specificamente le molecole di AHL, come Bacillus spp., che produce un enzima (AiiA) che le idrolizza 15. L’espressione del gene per AiiA in Erwinia
carotovora (un patogeno vegetale) dà luogo a ridotto
rilascio di AHL, con conseguente ridotta attività pectolitica extracellulare; è stato anche rilevato che
piante transgeniche che esprimono AiiA sono meno
sensibili all’infezione da E. carotovora 15,16. Queste ed
altre analoghe osservazioni inducono a ritenere che
questi meccanismi di degradazione di autoinduttori
possano essere utilizzati nella prevenzione di infezioni da batteri che producono sistemi QS.
L’inibizione di un sistema QS, attraverso il blocco dell’interazione degli autoinduttori con i recettori specifici, può essere ottenuta con molecole antagoniste che competano con l’autoinduttore nel legame con il recettore. Vari analoghi di AHL sono
stati studiati in vitro a questo fine. Sono stati sperimentati analoghi costituiti da modificazioni della
5
catena acilica di AHL, aumentandone la lunghezza
con uno o due gruppi metilenici, oppure variandone la rotazione così da modificarne la flessibilità 8.
È stata anche studiata la possibilità di modificare il gruppo omoserin-lattone di AHL, ottenendo
isomeri chirali, in quanto AHL naturali sono L-isomeri, mentre i D-isomeri sono privi di attività autoinduttrice 8.
Recenti studi hanno indicato che alcuni organismi superiori, come piante e funghi, contengono sostanze che inibiscono sistemi QS mediati da
AHL e possono essere adoperati per inibire l’interazione degli autoinduttori con i recettori specifici 8. Inoltre, l’inibizione dei sistemi QS può essere ottenuta con composti furanonici alogenati
che sono prodotti da macroalghe come Delisea
pulchra e che consistono generalmente in un
anello furanico con una catena laterale acilica.
Questi composti furanonici interferiscono nei segnali biologici dei batteri esplicando attività competitiva mediante uno spostamento delle molecole di AHL dal recettore Lux R. Essi inibiscono la
produzione di fattori di virulenza di P. aeruginosa controllati da AHL 17.
Nei confronti dei sistemi QS dei batteri Grampositivi, gli studi in corso mirano a identificare le
possibilità di interferire nell’attività degli AIP
bloccandone il legame con i recettori; tali ricerche
sono rivolte soprattutto ai sistemi QS di Staphylococcus spp. e Streptococcus spp.18.
Questi studi, tuttora in fase di sviluppo, hanno
indicato la possibilità di disporre di mezzi alternativi a quelli tradizionali oggi adoperati contro le infezioni batteriche, utilizzando un notevole numero di
composti chimici, che, interferendo con i sistemi QS,
possano rappresentare validi farmaci antibatterici.
Conoscenze di base
I batteri non si comportano come individui isolati, ma
possono comunicare tra loro mediante sistemi di monitoraggio detti di “quorum sensing” (QS), cioè sensibilità e controllo del livello (“quorum”) della densità
della popolazione batterica.
Analogamente alla formazione di biofilm, i sistemi QS
consentono ai batteri di resistere all’ambiente esterno
e superare le difese dell’ospite.
Prospettive cliniche
Nell’intento di trovare nuovi mezzi per il controllo delle infezioni batteriche, alternativi agli antibiotici, le
ricerche sono attualmente indirizzate a:
1) inibire la sintesi di autoinduttori
2) inibire la diffusione degli autoinduttori nell’ambiene esterno
3) inibire l’interazione degli autorinduttori con i loro
recettori specifici sulla cellula batterica.
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Recenti Progressi in Medicina, 96, 1, 2005
Bibliografia
1. Greenberg EP. Bacterial communication and group
behavior. J Clin Invest 2003; 112: 1288.
2. Federle MJ, Bassler BL. Interspecies communication in bacteria. J Clin Invest 2003; 112: 1291.
3. Donlan RM. Biofilm formation: a clinically relevant
microbiological process. Clin Infect Dis 2001; 33: 387.
4. Rossi G. I biofilm in patologia infettiva. Recenti Prog
Med 2003; 94: 537.
5. Miller MB, Bassler BL. Quorum sensing in bacteria.
Annu Rev Microbiol 2001; 55: 165.
6. Lazazzera BA, Grossman AD. The ins and outs of
the peptide signaling. Trend Microbiol 1998; 6: 288.
7. Bassler BL, Wright M, Showalter RE, et al. Intercellular signaling in Vibrio harveyi sequence and
function of genes regulating expression of luminescence. Mol Microbiol 1993; 9: 773.
8. Hentzer M, Givskov M. Pharmacological inhibition
of quorum sensing for the treatment of chronic bacterial infections. J Clin Invest 2003; 112: 1300.
9. Passador L, Cook JM, Gambello MJ, et al. Expression
of Pseudomonas aeruginosa virulence genes requires
cell-to-cell communication. Science 1993; 260: 1127.
10. Lewenza S, Conway B, Greemberg EP, et al. Quorum
sensing in Burkholderia cepacia: identification of the
Lux RI homologs CepRI. J Bacteriol 1999; 181: 748.
Indirizzo per la corrispondenza:
Prof. Giuliano Rossi
Via Otricoli, 42
00181 Roma
11. Hartman G, Wise R. Quorum sensing potential
means of treating gram-negative infections? Lancet
1998; 351: 848.
12. Parsek MR, Val DL, Hanzelka BL, et al. Acyl homoserine-lactone quorum sensing signal generation.
Proc Natl Acad Sci USA 1999; 96: 4360.
13. Takeda K. Azithromycin inhibits quorum sensing in
Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob Agents Chemother 2001; 45: 1930.
14. Yates EA. N-acylhomoserine lactones undergo lactonolysis in a pH-temperature – and acyl chain length
– dependent manner during growth of Yersinia pseudotuberculosis and Pseudomonas aeruginosa. Infect
Immun 2002; 70: 5635.
15. Dong YH, Xu JL, Li XZ, et al. AiiA, an enzyme that
inactivates the acylthomoserine lactone quorum sensing signal and attenuates the virulence of Erwinia
carotovora. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 3526.
16. Dong YH. Quenching quorum-sensing dependent
bacterial infection by an N-acyl homoserine lactonase. Nature 2001; 411: 813.
17. Smith RS, Iglewski BH. Pseudomonas aeruginosa
quorum sensing as a potential antimicrobial target.
J Clin Invest 2003; 112: 1460.
18. Yarwood JM, Schlievert PM. Quorum sensing in
Staphylococcus infections. J Clin Invest 2003; 112:
1620.