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May 18, 2023

Materiali bioingegnerizzati con tossicità antimicrobica selettiva in biomedicina

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Funghi e batteri affliggono gli esseri umani con innumerevoli infezioni e disturbi legati agli agenti patogeni. La maggior parte degli agenti microbicidi comunemente impiegati colpiscono i microrganismi commensali e patogeni senza discriminazione. Per distinguere e combattere le specie patogene della microflora, sono stati sviluppati nuovi antimicrobici che colpiscono selettivamente batteri e funghi specifici. Le caratteristiche della parete cellulare e i meccanismi antimicrobici in cui sono coinvolti questi microrganismi sono evidenziati nella presente revisione. Successivamente viene esaminata la progettazione degli antimicrobici che combattono selettivamente una specifica comunità di microbi, inclusi ceppi batterici Gram-positivi e Gram-negativi, nonché funghi. Infine, vengono esaminati i recenti progressi nella strategia di immunomodulazione antimicrobica che consente di trattare le infezioni da microrganismi con elevata specificità. Questi principi di base consentiranno all'appassionato lettore di progettare nuovi approcci e composti per applicazioni antibatteriche e antifungine.

Sebbene gli antibiotici siano stati sviluppati per combattere le malattie infettive, la resistenza microbica rimane una sfida globale costante [1,2,3]. La resistenza sviluppata dai microrganismi attraverso i loro sistemi di difesa minaccia la salute umana generando ceppi resistenti che sfuggono all’eradicazione anche da parte degli antibiotici più avanzati [4]. Gli antibiotici attualmente disponibili per combattere le infezioni microbiche stanno rapidamente diventando inefficaci a causa dello sviluppo di ceppi microbici resistenti ai farmaci. I nanomateriali antimicrobici rappresentano un approccio razionale alla lotta contro i microbi resistenti agli antibiotici [5, 6]. Una strategia ideale per affrontare queste malattie impegnative è lo sviluppo di materiali antimicrobici intelligenti con tossicità selettiva contro specifici microrganismi infettivi [7]. Alla luce di ciò, diverse ricerche sono state dedicate alla bioingegneria dei nanomateriali per mettere a punto e modificare la loro attività antibatterica contro uno specifico agente patogeno. Di conseguenza, un’ampia gamma di nanoparticelle è stata funzionalizzata con composti bioattivi per apportare tossicità selettiva contro batteri e funghi. La tossicità selettiva è la capacità degli antimicrobici di uccidere o inibire i microbi deleteri solo preservando la vitalità delle cellule ospiti o del microbioma sano [8].

La presente revisione riassume la progettazione di materiali intelligenti che prendono di mira selettivamente tipi specifici di microrganismi (Fig. 1). Vengono presentate le caratteristiche cellulari dei microbi, inclusi batteri Gram-positivi, batteri Gram-negativi e funghi, insieme a una discussione sui meccanismi antimicrobici coinvolti nella lotta contro questi microrganismi. I lettori vengono quindi introdotti alla progettazione di materiali avanzati con selettività. Oltre all’uccisione diretta dei microbi mediante nanomateriali intelligenti, vengono riepilogati anche gli studi più recenti sul trattamento delle infezioni da microrganismi attraverso modulazioni immunitarie. L'acquisizione di tali conoscenze offrirà importanti spunti al lettore appassionato sul controllo efficace delle infezioni microbiche con elevata selettività e bassi effetti collaterali.

Illustrazione schematica della tossicità selettiva di un materiale per combattere microbi specifici. I domini leganti la parete cellulare possono attaccare e uccidere selettivamente i batteri patogeni. A causa della presenza del ligando attaccato alle nanoparticelle d'argento, la nanopiattaforma può legarsi specificamente all'agente patogeno come ligandi mirati per discriminare i ceppi batterici e impartire prestazioni antibatteriche selettive

I batteri sono classificati in ceppi Gram-positivi e Gram-negativi. Le membrane interne o citoplasmatiche di entrambi i gruppi di batteri sono simili; mentre gli involucri cellulari esterni sono significativamente diversi, il che spiega la loro tolleranza e suscettibilità agli antimicrobici. Tali differenze spiegano la necessità di sviluppare strategie distintive per la loro eradicazione [9, 10].