L’Escherichia coli e la Shigella sono responsabili di centinaia di milioni di infezioni in tutto il mondo ogni anno e rimangono tra le principali cause di malattie diarroiche mortali, soprattutto nei bambini. Nonostante decenni di ricerca, gli scienziati non hanno ancora sviluppato vaccini efficaci contro nessuno dei due patogeni. Una delle principali difficoltà risiede nel fatto che le caratteristiche batteriche tipicamente prese di mira dai vaccini variano notevolmente tra i diversi ceppi.
Ora, i ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno identificato una vulnerabilità biologica condivisa da questi pericolosi batteri intestinali, aprendo la possibilità di un singolo vaccino in grado di proteggere da entrambi.
Un team della WashU Medicine, in collaborazione con ricercatori dell’Università del Missouri e dell’International Centre for Diarrhoeal Disease Research in Bangladesh, ha scoperto che l’Escherichia coli enterotossigeno (la principale causa della diarrea del viaggiatore), la Shigella e diversi altri batteri patogeni dipendono da tre enzimi strettamente correlati per penetrare lo strato di muco protettivo dell’intestino e instaurare l’infezione.
Utilizzando campioni prelevati da pazienti infetti e da volontari esposti ai batteri, i ricercatori hanno dimostrato che gli anticorpi diretti contro una regione comune di questi enzimi possono neutralizzarli tutti e tre. Bloccando gli enzimi, gli anticorpi impediscono ai batteri di attraversare la barriera mucosa intestinale.
I risultati, pubblicati il 15 giugno su PNAS , suggeriscono che un futuro vaccino combinato potrebbe potenzialmente proteggere da molteplici cause principali di diarrea grave.
“Per una malattia così comune e così letale per i bambini piccoli, è sorprendente che non abbiamo ancora un vaccino contro nessuno di questi agenti patogeni”, ha affermato James M. Fleckenstein, MD, professore di medicina presso la Divisione di Malattie Infettive della WashU Medicine e coautore senior dello studio. “L’aspetto entusiasmante è che abbiamo individuato una sorta di tallone d’Achille, o punto debole, che entrambi condividono e che potremmo sfruttare per proteggere da entrambi.”
Come i patogeni intestinali riescono a superare le difese dell’organismo
Prima di poter causare malattie, i patogeni intestinali devono superare uno spesso strato di muco che riveste l’intestino. Questo rivestimento protettivo funge da barriera, tenendo lontani i microbi dannosi dai tessuti intestinali e contribuendo persino a mantenere in equilibrio i batteri benefici dell’organismo.
Secondo Fleckenstein, questa fase iniziale dell’infezione potrebbe offrire l’opportunità di arrestare la malattia prima che si manifesti, senza danneggiare i microrganismi benefici.
L’Escherichia coli (ETEC), che causa malattie gastrointestinali a differenza dei ceppi innocui di E. coli comunemente presenti nell’intestino, e la Shigella utilizzano enzimi strettamente correlati per scindere le proteine che conferiscono struttura al muco. Una volta superata questa barriera, i batteri possono rilasciare tossine che scatenano la diarrea.
Il laboratorio di Fleckenstein aveva precedentemente identificato uno di questi enzimi nell’Escherichia coli . L’enzima, noto come EatA, scompone un componente strutturale chiave del muco intestinale. Il nuovo studio ha rivelato che due enzimi simili, SepA e Pic, prodotti da Shigella e da altri batteri che causano diarrea, svolgono la stessa funzione.
Anticorpi che bloccano molteplici agenti patogeni
Lavorando con il coautore Ali Ellebedy, PhD, professore titolare della cattedra Leo Loeb presso il Dipartimento di Patologia e Immunologia della WashU Medicine, Fleckenstein e i suoi colleghi hanno isolato anticorpi da persone in Bangladesh che avevano contratto naturalmente infezioni da ETEC, nonché da volontari esposti intenzionalmente al batterio in studi controllati.
Il team ha scoperto che gli anticorpi in grado di bloccare EatA potevano anche neutralizzare SepA e Pic. Gli anticorpi sono proteine prodotte dal sistema immunitario che riconoscono bersagli specifici e si legano ad essi, aiutando l’organismo a eliminare le minacce.
Per comprendere meglio come funziona questa protezione, i biologi strutturali dell’Università del Missouri, tra cui il primo autore David P. Buckley, PhD, ricercatore post-dottorato, hanno utilizzato la microscopia crioelettronica, un metodo che congela rapidamente le molecole in modo da poterle visualizzare con un livello di dettaglio straordinario.
La loro analisi ha rivelato esattamente dove si legano gli anticorpi più efficaci. Gli anticorpi si sono diretti verso una regione condivisa da tutti e tre gli enzimi, spiegando come un singolo anticorpo possa disattivare il meccanismo di degradazione del muco utilizzato da più agenti patogeni. La scoperta fornisce inoltre agli sviluppatori di vaccini un bersaglio specifico che potrebbe essere utilizzato per stimolare risposte anticorpali protettive prima che si verifichi l’infezione.
“Questo studio identifica EatA come un valido candidato vaccinale in grado di fornire protezione contro molteplici agenti patogeni”, ha affermato Zachary Berndsen, PhD, professore assistente di biochimica presso l’Università del Missouri e coautore senior dello studio. “Identificando le regioni chiave di EatA che vengono prese di mira dagli anticorpi neutralizzanti in grado di inibirne la funzione enzimatica, abbiamo gettato le basi per una progettazione razionale del vaccino, un importante passo avanti verso lo sviluppo di terapie efficaci che hanno il potenziale di salvare molte vite”.
Testimonianze provenienti dai bambini in Bangladesh
I risultati confermano precedenti ricerche condotte su bambini a Dacca, in Bangladesh. Tali studi avevano dimostrato che i bambini che sviluppavano naturalmente anticorpi contro EatA avevano meno probabilità di ammalarsi, mentre i bambini privi di questi anticorpi correvano un rischio maggiore di infezione.
Secondo i ricercatori, la necessità di vaccini efficaci si estende ben oltre i paesi in via di sviluppo. L’Escherichia coli enterotossigeno è stato collegato a importanti focolai di malattie di origine alimentare negli Stati Uniti. Poiché per molti laboratori clinici può essere difficile distinguerlo dai ceppi di E. coli innocui , le infezioni vengono spesso trascurate o sottostimate.
Fleckenstein ha inoltre osservato che l’eccessivo ricorso agli antibiotici per il trattamento di queste infezioni contribuisce al crescente problema della resistenza agli antibiotici, che può diffondersi a livello globale.
Verso lo sviluppo di un vaccino
Il team di ricerca sta ora adottando misure per sviluppare vaccini basati su questi risultati.
“Questi batteri si sono evoluti insieme a noi e sono diventati molto abili nel superare le nostre difese”, ha affermato Fleckenstein. “Se riusciamo a bloccare questo primo passaggio, abbiamo la possibilità di fermare queste infezioni prima ancora che si manifestino.”
Questo lavoro è stato finanziato dal National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) dei National Institutes of Health (NIH), con i numeri di sovvenzione R01 AI089894 e R01 AI126887, e dal Department of Veterans Affairs, con il numero di sovvenzione 5I01BX001469-05. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del NIH o del Department of Veterans Affairs.
Significato
L’Escherichia coli e la Shigella sono importanti agenti patogeni responsabili di diarrea nei paesi a basso e medio reddito, per i quali attualmente non esistono vaccini. Un vaccino combinato mirato a entrambi i patogeni sarebbe il più conveniente in termini di costi e faciliterebbe l’integrazione nei programmi di vaccinazione infantile esistenti, ma rimane un obiettivo ambizioso. Queste molecole SPATE sono altamente immunogeniche e contribuiscono alla virulenza dell’E. coli enterotossigeno , della Shigella e di altri patovar di E. coli . Gli studi presentati suggeriscono che questi enzimi che degradano la mucina rappresentano validi bersagli vaccinali che potrebbero consentire l’interruzione mirata di un meccanismo di virulenza condiviso da diversi importanti patogeni enterici.Abstract
Enterotossigen L’Escherichia coli (ETEC) e la Shigella sono i patogeni batterici diarroici più comuni tra i bambini piccoli delle regioni a basso e medio reddito. I patogeni enterici devono superare le formidabili difese dell’ospite, inclusa la barriera protettiva formata dal muco intestinale. L’ETEC produce una proteina di virulenza chiamata EatA, un membro della famiglia SPATE (Serine Protease Autotransporter of the Enterobacteriae ), dove il dominio passeggero secreto (EatA p ) degrada specificamente MUC2, il principale muco secreto dalle cellule caliciformi dell’intestino umano. In particolare, alcune specie di Shigella , così come altri patovar di E. coli diarroigeni , secernono omologhi di EatA noti come SepA e Pic. Qui dimostriamo che EatA, SepA e Pic sono mucinasi MUC2 funzionalmente ridondanti e che gli anticorpi monoclonali ricombinanti (mAb) derivati da plasmablasti di esseri umani infetti da ETEC possono inibire la degradazione di MUC2 da parte di tutte e tre le proteasi. Presentiamo le strutture cryo-EM di EatA e delle proteine SPATE correlate, SepA e Pic, complessate con porzioni di legame all’antigene frammentate di questi mAb per dimostrare che quelli che prendono di mira un epitopo centrale a β-elica condiviso da tutte e tre le molecole SPATE neutralizzano ampiamente la capacità di degradare MUC2. Questi mAb prevengono efficacemente la degradazione di MUC2 da parte di ciascuna SPATE così come la penetrazione del muco da parte di ETEC, Shigella flexneri ed Escherichia coli enteroaggregativo produttore di Pic (EAEC). Prevediamo che questi studi possano facilitare la progettazione razionale di vaccini in grado di proteggere ampiamente contro i principali patogeni enterici, prendendo di mira una caratteristica di virulenza comune.
Materiale fornito dalla Washington University di St. Louis . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
David P. Buckley, Marjahan Akhtar, Mahima Thapa, Aaron Schmitz, Jackson Turner, Tim J. Vickers, Nazia Khatoon, M. Hasanul Kaisar, Jonathan A. Coggin, Debayan Ganguli, Alaullah Sheikh, Renee M. Laird, Frédéric Poly, Chad K. Porter, Fernando Ruiz-Perez, Mark J. Miller, Fahima Chowdhury, Tafiqur R. Bhuiyan, Firdausi Qadri, Sergio Trillo-Muyo, Brendan Dolan, Sjoerd van der Post, Ali Ellebedy, Zachary T. Berndsen, James M. Fleckenstein. Human enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) infections elicit antibodies that broadly neutralize mucinases of pathogenic Escherichia coli and Shigella. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (25) DOI: 10.1073/pnas.2614012123
by 