Lo stafilococco aureo resistente alla meticillina (MRSA) è uno degli agenti infettivi più comuni responsabili della guarigione ritardata delle ferite, nonché tra le cause principali associate alla complicazione delle ulcere del piede diabetico (DFU), con circa un caso di amputazione degli arti inferiori su sei. Recenti evidenze suggeriscono che i batteri commensali possono favorire la cicatrizzazione delle lesioni, ad esempio, attraverso la produzione di IL-1β, ma il loro ruolo rimane poco compreso.
Ora, un team dell’Università della California, a San Diego, ha scoperto che Staphylococcus aureus ritarda la riparazione tissutale attivando il sistema di quorum sensing agr, che aumenta la densità batterica e sopprime geni metabolici dei cheratinociti, riducendone la proliferazione, al contrario del commensale Staphylococcus omini, che ne preserva integrità e funzionalità. Secondo lo studio, pubblicato a ottobre sul Journal of Clinical Investigation, il blocco della comunicazione batterica potrebbe rappresentare una futura strategia terapeutica senza antibiotici.
Staphylococcus aureus induce la downregulation del metabolismo dei lipidi nei cheratinociti
I ricercatori hanno testato un modello di ferita cutanea, inoculando quantità uguali di S. aureus o S. omini – un ceppo commensale cutaneo di Staphylococcus. In base all’esame istologico, effettuato al settimo giorno, S. aureus ha rallentato la guarigione e ridotto l’espressione di geni implicati nel metabolismo dei lipidi e nella sintesi degli acidi grassi. L’RNA-Seq ha permesso di individuare 19 cluster cellulari a 24 ore di distanza dalla lesione e dall’esposizione agli stafilococchi. Sulla base dei primi tre geni espressi, della posizione morfologica e dell’analisi del percorso funzionale i sottogruppi 0, 4, 6, 10, 11, 12 e 18 erano attribuibili ai cheratinociti. I geni coinvolti nel metabolismo dei lipidi e degli acidi grassi (cluster 4) erano espressi solo in presenza di S. omini mentre, nel caso di S. aureus, prevalevano i geni di difesa dell’ospite (cluster 11), che hanno riportato una disregolazione simile alle DFU umane con cicatrizzazione compromessa – per un totale di 73 geni in comune.
A dosi elevate è citotossico
I cheratinociti umani sono stati esposti a volumi crescenti di colture di stafilococchi. Nello specifico, S. aureus ha inibito migrazione e proliferazione di tali cellule già a basse concentrazioni – anche nei cheratinociti umani neonatali primari (NHEK) – mentre a dosi elevate ha indotto il rilascio di lattato deidrogenasi (LDH), rivelandosi citotossico. S. omini, invece, non ha avuto alcun effetto significativo: l’RNA-Seq in massa degli NHEK ha mostrato trascrittomi simili ai controlli, con una sovraregolazione dei geni associati al metabolismo degli α-amminoacidi e alle vie di apoptosi, tra cui SCD, ELOVL3 ed ELOVL4. Al contrario, nelle cellule infettate con S. aureus prevalevano geni associati alla difesa dell’ospite e ai percorsi di adesione cellula-cellula – al pari dei modelli murini e dei campioni DFU, in cui i geni coinvolti nella sintesi dei trigliceridi e degli acidi grassi, come ELOVL4, erano soppressi.
S. aureus compromette la proliferazione dei cheratinociti solo in presenza di agr
La maggiore patogenicità di S. aureus è dovuta all’espressione di RNAIII (effettore intracellulare del sistema quorum-sensing nell’S. aureus) nelle DFU infette, un regolatore chiave nell’attivazione del quorum sensing mediato da agr – un meccanismo che permette ai batteri di aumentare la propria densità nelle ferite. Nei modelli murini, il ceppo privo di agr mostrava una carica batterica ridotta e non interferiva con la rimarginazione, che avveniva entro sette giorni. L’analisi trascrizionale dell’RNA-Seq a singola cellula ha identificato 29 cluster cellulari e tre marker, con la prevalenza di cellule mieloidi in presenza di S. aureus. Le ferite non infette avevano la conta cellulare più alta in tutti i cluster tranne il 5 – costituito da geni di difesa dell’ospite – il più abbondante nelle ferite con S. aureus privo di agr, che ha indotto anche la downregulation dei geni che codificano per gli enzimi implicati per la biosintesi degli acidi grassi (cluster 6). Tuttavia, la deplezione di agr ha ridotto la citotossicità e ripristinato integrità di membrana dei cheratinociti, l’espressione di geni associati alla sintesi lipidica – con la sovraregolazione della proteina ELOVL4 – e la migrazione NHEK – con una maggiore espressione di KI67 e il ripristino dei geni FOSS, JUNIO e JUNB implicati nel ciclo cellulare.
I geni controllati da agr che ostacolano la guarigione
Per individuare i fattori regolati da agr responsabili del danno cellulare, i ricercatori hanno analizzato le tossine e le moduline solubili in fenolo (PSM). L’eliminazione dell’operone psmα ha accelerato la chiusura della ferita e riattivato l’espressione di diversi geni della biosintesi lipidica nei NHEK, riportando la proliferazione cellulare a livelli vicini alla norma. La delezione di altri geni regolati da agr — come hla, psmA, psmB ohld — ha bloccato il rilascio di LDH – annullando la citotossicità – emigliorato la permeabilità cellulare. Infine, i cheratinociti sono stati trattati con quattro peptidi sintetici PSMα, ciascuno dei quali con effetti specifici su permeabilità, migrazione, proliferazione e biosintesi lipidica. PSMα2 ePSMα3 sono risultati i più citotossici, mentre PSMα1 e PSMα4 hanno influenzato la funzione cellulare in modo opposto ma con un impatto simile sull’espressione dei geni lipidici.
Conclusioni
Comprendere come i microbi interferiscono con i processi rigenerativi della pelle significa non solo chiarire i meccanismi alla base delle ferite croniche, ma anche individuare nuove vie terapeutiche capaci di favorire la riparazione tissutale senza ricorrere all’uso degli antibiotici. L’inibizione del sistema agr emerge come una strategia particolarmente promettente, soprattutto di fronte alla crescente resistenza agli antimicrobici di S. aureus.
