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Apocalisse antibiotica, dall’Intelligenza artificiale un aiuto contro i Super-batteri

Perché ne stiamo parlando
Soluzioni nuove, come quelle basate sull’Intelligenza artificiale, potrebbero aiutare a risolvere problemi “vecchi”, diventati oggi ancora più urgenti, come l’antibiotico resistenza. Ne abbiamo parlato insieme a Jacopo Meldolesi, emerito di Farmacologia dell’Università “Vita-Salute San Raffaele” di Milano e Accademico dei Lincei.

Apocalisse antibiotica, dall'AI un aiuto contro i Super-batteri
Immagine generata utilizzando l'intelligenza artificiale

Un programma basato sull’Intelligenza Artificiale ha scoperto un nuovo antibiotico contro un batterio multiresistente, pericoloso soprattutto in ambiente ospedaliero. I ricercatori del MIT di Boston e della McMaster University, autori di questo risultato, hanno descritto i dettagli della loro scoperta sulla rivista Nature Chemical Biology. Il nuovo antibiotico potrebbe aiutare a combattere l’Acinetobacter baumannii (A. baumannii), una specie di batterio che si trova spesso negli ospedali e può portare a polmonite, meningite e altre gravi infezioni. “L’Acinetobacter può sopravvivere sulle maniglie e sulle attrezzature degli ospedali per lunghi periodi di tempo e può assorbire i geni della resistenza agli antibiotici dal suo ambiente. Ora è molto comune trovare forme di A. baumannii resistenti a quasi tutti gli antibiotici”, afferma Jonathan Stokes, ex postdoc del MIT che ora è assistente professore di biochimica e scienze biomediche presso la McMaster University. “Questa scoperta supporta ulteriormente la premessa che l’intelligenza artificiale possa accelerare ed espandere in modo significativo la nostra ricerca di nuovi antibiotici”, aggiunge James Collins, professore di ingegneria medica e scienze presso l’Istituto di ingegneria medica e scienza (IMES) e dipartimento di ingegneria biologica del MIT. “Sono entusiasta che questo lavoro dimostri che possiamo usare l’intelligenza artificiale per aiutare a combattere agenti patogeni problematici come A. baumanni”, aggiunge.

L’abuso di antibiotici favorisce l’insorgenza di Superbatteri

Questo obiettivo straordinario si staglia su un panorama assai preoccupante legato all’antibiotico-resistenza. “Bisogna innanzi tutto chiarire i termini della questione – spiega Jacopo Meldolesi, emerito di Farmacologia dell’Università “Vita-Salute San Raffaele” di Milano e Accademico dei Lincei – dall’introduzione degli antibiotici, il loro uso è cresciuto esponenzialmente, con conseguenze inizialmente inaspettate che dipendono dalle leggi dell’evoluzione. In buona sostanza l’uso degli antibiotici e quindi la distruzione dei batteri suscettibili a queste cure, ha involontariamente creato le condizioni affinché, col casuale sorgere di batteri resistenti agli antibiotici, questi si diffondessero e prosperassero a spese dei loro parenti ‘più deboli’. Il fatto che ancora oggi vi sia un sostanziale abuso degli antibiotici – spesso utilizzati  anche quando non strettamente necessari – continua ad aggravare il problema costringendoci ad azioni pronte e su vasta scala sia in termini di prevenzione che di ricerca di nuovi antibiotici in grado di far fronte a questa minaccia”. Secondo l’ultimo rapporto del Global burden of bacterial antimicrobial resistance, pubblicato sulla rivista The Lancet nel 2022, le morti nel mondo nel 2019 correlate all’antibiotico resistenza ammontavano a circa 4,95 milioni, e quelle attribuite effettivamente all’insorgenza di ceppi batterici resistenti a circa 1,27 milioni. Secondo tale studio i patogeni principali per le morti associate alla resistenza batterica sono stati Escherichia coli, seguito da Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Streptococcus pneumoniae, Acinetobacter baumannii, e Pseudomonas aeruginosa.

Nel 2021 in Italia sono morte oltre 56mila persone per infezioni resistenti

Per la Regione Europea i decessi attribuibili alla resistenza microbica sono stati nel 2020 (ultimo dato disponibile ECDC) oltre 35mila. Per quando riguarda l’Italia: i dati forniti dal nostro Paese per il 2021 tracciano un quadro di circa 56.600 casi totali di infezioni resistenti. Sempre per quel che riguarda l’Italia, un terzo delle sole infezioni correlate all’assistenza (ICA), le cosiddette infezioni ospedaliere,  ha come causa un batterio resistente agli antibiotici con un gravame totale di 259 milioni di euro in costi diretti e 28 milioni in costi indiretti annui (fonte analisi Centro di Studi Economici e internazionali C.E.I.S. dell’Università di Roma Tor Vergata). Esiste una relazione certa tra il consumo eccessivo e inappropriato di antibiotici e l’insorgenza del fenomeno della resistenza, presente sia nel mondo umano sia nel mondo animale. Ed entro il 2050, proprio i batteri super resistenti agli antibiotici potrebbero divenire la prima causa di morte nel mondo, prima di infarto e ictus, come ripetuto a più riprese da diversi esperti.

L’abuso di antibiotici è strettamente legato alle infezioni resistenti

La sensibilizzazione sul problema a dire il vero nel tempo qualche frutto lo ha dato: l’analisi dell’andamento temporale dei consumi di antibiotici in Italia, pubblicata all’interno del Rapporto Nazionale dell’AIFA per il 2021 (ultimo pubblicato) sull’uso degli antibiotici in Italia, mostra una leggera ma costante riduzione tra il 2013 e il 2019 (Δ% 2019-2013: -14,4%) e un notevole decremento nel 2020 (Δ% 2020 2019: -23,6%) che si conferma, anche se in misura minore, nel 2021 (-4% rispetto al 2020 e -37,4% rispetto al 2013). Va però sottolineato che le riduzioni osservate sono da attribuire in gran parte all’impatto della pandemia da SARS-CoV-2, che di contro non ha portato ad un miglioramento dell’appropriatezza prescrittiva.  Nonostante le riduzioni registrate nel 2021 rispetto al 2020, si continua ad osservare un’ampia variabilità regionale, con un consumo maggiore al Sud (15,3 DDD) rispetto al Nord (8,7 DDD) e al Centro (12,0 DDD). Nonostante i consumi più bassi, nelle regioni del Nord (-6,1%) si registrano le riduzioni maggiori, mentre al Sud, nonostante i consumi elevati, si registrano riduzioni più contenute (-2,2%). In più vanno considerati altre due questioni: la prima è l’appropriatezza dell’uso degli antibiotici e la seconda il rapporto tra uso di antibiotici e numero di decessi da infezioni resistenti. Quanto al primo dei due punti, dall’analisi dei dati della Medicina Generale sulle prescrizioni ambulatoriali di antibiotici per specifiche patologie infettive del Rapporto AIFA, è emersa una prevalenza di uso inappropriato che supera il 24% per quasi tutte le condizioni cliniche studiate (influenza, raffreddore comune, laringotracheite, faringite e tonsillite, cistite non complicata). Nel 2021 le stime osservate sono stata tutte in aumento rispetto all’anno precedente, in modo più evidente per le infezioni delle prime vie respiratorie, ad eccezione della cistite non complicata nelle donne. Quanto al secondo punto, al calo dell’uso degli antibiotici hanno fatto comunque da contraltare in Italia alti livelli di decessi legati a infezioni resistenti. Il fenomeno si spiega sulla base del fatto che il nostro paese soffre di un elevato utilizzo di antibiotici ad alto livello di rischio di generare resistenza.

Intelligenza artificiale e nuovi antibiotici

Come sottolineano questi dati, “è la prevenzione il primo fronte sul quale bisogna impegnarsi – continua il prof. Meldolesi” “Ancora troppo spesso si ha un uso indiscriminato, scorretto e eccessivo di antibiotici che aggrava e aggraverà enormemente il problema, quando invece con una adeguata campagna di sensibilizzazione si possono ottenere validi risultati. Sensibilizzazione che deve rivolgersi non solo ai pazienti ma anche e soprattutto agli operatori della sanità”. Ma la sola prevenzione comunque oramai non è più sufficiente: è necessario un approccio di contrasto attivo ai batteri resistenti. Da qui le speranze che vengono dall’applicazione dell’Intelligenza Artificiale nell’individuazione di nuovi antibiotici che possano superare le resistenze e nello specifico dallo studio dei ricercatori del MIT e della McMaster University. Grazie all’apprendimento automatico nel loro lavoro di ricerca hanno addestrato l’IA a valutare le proprietà antibatteriche di diverse molecole. Per ottenere dati di addestramento per il loro modello computazionale, i ricercatori hanno prima esposto l’A. baumannii coltivato in laboratorio a circa 7.500 diversi composti chimici per vedere quali avrebbero potuto inibire la crescita del microbo. Quindi hanno inserito la struttura di ogni molecola nel modello della loro Intelligenza Artificiale. Hanno anche detto all’IA se ciascuna struttura poteva inibire o meno la crescita batterica. Questo ha permesso all’algoritmo di imparare quali caratteristiche chimiche fossero associate all’inibizione della crescita batterica. Una volta che il modello è stato addestrato, i ricercatori lo hanno utilizzato per analizzare una serie di 6.680 composti mai visti prima, provenienti dal Drug Repurposing Hub del Broad Institute. Questa analisi, che ha richiesto meno di due ore, ha prodotto alcune centinaia di risultati. Di questi, i ricercatori ne hanno scelti 240 da testare sperimentalmente in laboratorio, concentrandosi su composti con strutture diverse da quelle di antibiotici o molecole utilizzati per i dati di addestramento. Quei test hanno prodotto nove antibiotici, incluso uno molto potente.

Meldolesi: “Serve grande sforzo internazionale”

Questo composto, che era stato originariamente esplorato come potenziale farmaco per il diabete, si è rivelato estremamente efficace nell’uccidere l’A. baumannii ma non ha avuto alcun effetto su altre specie di batteri tra cui Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus e Enterobacteriaceae resistenti ai carbapenemi. Questa capacità di uccisione a “spettro ristretto” è una caratteristica molto desiderabile per gli antibiotici perché riduce al minimo il rischio che i batteri diffondano rapidamente la resistenza contro il farmaco. Un altro vantaggio è che il farmaco probabilmente risparmierebbe i batteri benefici che vivono nell’intestino umano. I ricercatori hanno dimostrato che il farmaco, che hanno chiamato abaucina (abaucin), funziona contro una varietà di ceppi di A. baumannii resistenti ai farmaci. Naturalmente è ancora presto per la diffusione di questo prodotto, ma la tecnica rappresenta un’arma molto promettente per futuri sviluppi farmacologici. “Questi risultati sono straordinari – ha commentato il prof. Meldolesi – ma bisogna sicuramente fare di più. Soprattutto a livello pubblico. Bisogna colmare le lacune lasciate dalla ricerca delle case farmaceutiche con un grande sforzo internazionale che guardi anche al di là del profitto. Solo così si può sperare di affrontare questa sfida che riguarda tutti”.

Keypoints

  • Un nuovo studio ha permesso di individuare con l’Intelligenza Artificiale un potenziale farmaco contro uno dei cosiddetti “super batteri”
  • I “superbatteri” sono batteri comunemente resistenti agli antibiotici
  • L’Intelligenza Artificiale è stata addestrata a individuare tra migliaia di composti chimici quelli che potevano avere le caratteristiche desiderate
  • Una volta addestrata, l’Intelligenza artificiale ha svolto il suo lavoro in sole due ore
  • In Italia di recente è calato il consumo di antibiotici, ma sono molto preoccupanti i numeri sui decessi legati alle infezioni resistenti e quelli sul cattivo uso degli antibiotici
  • Bisogna agire in via preventiva con una adeguata sensibilizzazione degli operatori sanitari, con una consistente riduzione dell’uso degli antibiotici soprattutto quando non strettamente necessari

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