Metalli antibatterici: dal cavallo di Troia agli zombie

I metalli hanno da sempre avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo della civiltà, e fin dai tempi antichi sono in uso per le loro capacità di prevenire contaminazioni batteriche (i.e. agenti antibatterici). Già i Persiani, e successivamente i Fenici, i Greci e i Romani, usavano recipienti di rame o di argento per la conservazione di bevande e cibi. Così facevano i coloni in Nord America inserendo monete d’argento nelle loro borracce.

Teiera in rame, metallo con azione antibatterica
Figura 1. Teiera in rame, metallo con azione antibatterica

I metalli come agenti antibatterici hanno anche trovato applicazione nell’agricoltura. Nel 1880 il micologo francese Pierre-Marie-Alexis Millardet elaborò una miscela fungicida a base di solfato rameico (CuSO4) e calce spenta (Ca(OH)2), chiamata miscela di Bordeaux o poltiglia bordolese. Non solo in agricoltura, ma anche nel campo medico i metalli giocano un ruolo fondamentale.

Nel papiro Edwin Smith, il più antico trattato di medicina giunto sino ai giorni nostri e datato 1600 a.C., si fa riferimento all’uso di un sale di rame come astringente. Anche l’argento ha trovato ampio impiego in medicina, ad esempio in fili per suturare le ferite post-parto, oppure sottoforma di nitrato d’argento (AgNO3) per la prevenzione di congiuntivite neonatale.

Papiro Edwin Smith, risalente al 1600 a.C., è il più antico trattato di medicina (antibatterici)
Figura 2. Il Papiro Edwin Smith, risalente al 1600 a.C., è il più antico trattato di medicina giunto sino ai giorni nostri

 

Negli ultimi due secoli, molteplici metalli sono stati adoperati per curare varie patologie come la lebbra, la tubercolosi, la sifilide, la gonorrea. All’epoca si faceva anche uso di metalli oggi considerati estremamente tossici e dannosi, come l’arsenico e il mercurio.

Nel 1928 Alexander Fleming scoprì il primo antibiotico, la penicillina, e da allora l’uso dei metalli come agenti antibatterici è caduto in disuso, fino ad oggi. L’imminente minaccia di batteri multiresistenti, ossia resistenti a diverse terapie antibiotiche, impone alla ricerca di trovare nuove strategie.

Metalli antibatterici: come funzionano?

Solo nell’ultimo decennio sono stati compresi, anche se solo in parte, i meccanismi con cui i metalli interagiscono con le cellule (batteriche e non). Alcuni metalli possono disturbare processi biologici di enorme importanza per la crescita della cellula. Alcuni possono causare danni irreparabili alla membrana cellulare causando la fuoriuscita dei liquidi cellulari (è come un palloncino pieno d’acqua che viene bucato). Altri metalli sono genotossici, ossia in grado di interagire con la sequenza e la struttura del DNA, provocando danni gravissimi al materiale genetico della cellula. Inoltre, molti metalli sono in grado di indurre un’ingente produzione di agenti altamente tossici, i cosiddetti ROS (Reactive Oxygen Species, come perossidi e radicali liberi). È importante notare come questi meccanismi antibatterici non siano mutuamente esclusivi, e spesso la morte del batterio è il risultato di una loro combinazione.

Strategie innovative per combattere batteri antibiotico-resistenti

L’argento zombie

I ricercatori hanno scoperto un particolare fenomeno, soprannominato poi “effetto zombie”, che coinvolge l’argento. Alcuni batteri, uccisi da ioni d’argento, sono stati poi in grado di uccidere altri batteri vivi. La scoperta coinvolge il batterio Pseudomonas aeruginosa, responsabile di diverse infezioni nell’uomo. La microscopia elettronica ha poi svelato l’arcano. I batteri morti possono fungere da deposito di ioni di argento, come delle spugne in grado di assorbire e poi rilasciare l’agente antibatterico.

Nanoparticelle di argento e batteri
Figura 3. Immagini al microscopio elettronico (SEM). A sinistra, nanoparticelle di argento con azione antibatterica e con diverse forme. A destra, il batterio Pseudomonas aeruginosa responsabile di diverse infezioni gravi nell’uomo
Il gallio leggendario

Il gallio, un metallo raro e soffice che fonde in mano a 29.8°C, è già in uso clinico come agente diagnostico; ha però anche attività antibatterica. Gli scienziati hanno scoperto che il gallio (Ga3+) è molto simile chimicamente (ma non uguale) al ferro (Fe3+). Il ferro è un micro-nutriente estremamente importante per la vita di una cellula perchè coinvolto in diversi processi biologicamente fondamentali (trasporto di ossigeno, metabolismo ossidativo, proliferazione cellulare, reazioni catalitiche).
Sfruttando questa somiglianza chimica, il gallio può sostituire il ferro (da qui il nome della strategia Cavallo di Troia) ed entrare nella cellula batterica. Non essendo però simile in tutto, interferisce con le attività vitali della cellula, portandola alla morte.

Con l’aumento globale della resistenza dei batteri alle terapie antibiotiche e la mancanza di nuovi efficaci antibiotici, è necessario concentrare la ricerca moderna su terapie basate su metalli antibatterici. Diversi studi sono attualmente in fase clinica, ma la potenziale tossicità per l’uomo impone un approccio ponderato e coscienzioso. La scienza moderna è e sarà in grado di fornire nuove soluzioni a nuovi problemi.

Se vuoi approfondire l’argomento batteri (e virus, considerata l’attuale situazione mondiale), ti consiglio il seguente ebook “Virus e Batteri, il nemico invisibile” di Michele La Placa. Purtroppo scomparso nel 2015, fu Ordinario di Microbiologia all’Ospedale Sant’Orsola di Bologna. Docente brillante apprezzatissimo dai suoi studenti e dai suoi colleghi. Contribuì significativamente allo studio del mondo invisibile dei virus.

Fonti:
J. Lemire, Nature Reviews Microbiology, 2013
A. Cochis, ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019
R. B.-K. Wakshlak, ACS Omega, 2019

Ludovico Andrea Alberta

Mi chiamo Ludovico e ho iniziato da poco (Settembre 2020) a scrivere per The Science Lab. Sono laureato magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all'Università di Milano - Bicocca. Attualmente mi trovo a Dresda (Germania) per il mio dottorato. Mi occupo, insieme ai miei colleghi del progetto BIOREMIA ETN, di sviluppare nuovi potenziali materiali per impianti ortopedici. Io nello specifico studio e ricerco leghe innovative di titanio con azione antibatterica. (Se vuoi saperne di più, visita il sito www.bioremia.eu)