*Francesca Mondello,
*Antonietta Girolamo,
**Maura Di Vito
La crescente frequenza di infezioni microbiche resistenti agli antibiotici in medicina umana, medicina veterinaria, agricoltura e nel settore zootecnico, dovuta al grande e talvolta inappropriato uso degli antibiotici, dimostra chiaramente che sono fondamentali nuove molecole sicure ed efficaci, a sostegno delle sempre più limitate opzioni terapeutiche, per affrontare questa grave problematica di salute pubblica: l’antibiotico-resistenza.
Le sostanze o prodotti naturali comprendono un gruppo ampio e diversificato di sostanze provenienti da animali, piante, suolo, acqua e mondo microbico. Il termine comprende estratti complessi, ma anche componenti isolati derivati da tali estratti e include inoltre vitamine, minerali e probiotici (https://nccih.nih.gov/grants/naturalproducts).
Storicamente, quasi tutte le preparazioni medicinali sono state ottenute da sostanze naturali e poi utilizzate come rimedi potenziali o effettivi contro una notevole vastità di malattie. Considerando solo il mondo vegetale, attualmente oltre 35.000 specie vegetali sono utilizzate per scopi medicinali in tutto il mondo (“herbal medicines” secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità – OMS e il National Center for Complementary and Integrative Health – NCCIH), ma si stima che esistano circa 420.000 specie vegetali per le quali si hanno conoscenze ancora molto limitate. Nella medicina occidentale convenzionale, circa l’80% dei farmaci antimicrobici, cardiovascolari, immunosoppressori e antitumorali contengono uno o più ingredienti derivati dalle piante o sviluppati sinteticamente da esse (Pan S.Y. et al., 2013) (tabella 1).
L’OMS (https://www.who.int/traditional-complementary-integrative-medicine/en/) stima che i farmaci a base di erbe medicinali forniscano assistenza sanitaria primaria per circa 3,5 – 4 miliardi di persone in tutto il mondo e circa l’85% della medicina tradizionale comporta l’impiego di estratti vegetali (Pan S.Y. et al., 2013).
Nel loro ecosistema, le piante sono continuamente esposte a una vasta gamma di stress e condizioni ostili. I fattori di stress che influenzano la “fitness” delle piante includono fattori ambientali cosiddetti abiotici (come carenza di nutrienti, ipossia / anossia, siccità, salinità, mancanza di ossigeno, fluttuazioni di temperatura, alta intensità della luce), fattori ambientali derivati da attività antropogeniche (come pesticidi, inquinanti, aumento delle radiazioni UV) e fattori bioticiquali batteri, funghi, virus, nematodi, insetti ed erbivori. A causa della loro struttura sessile e delle continue sollecitazioni stressanti le piante hanno imparato a co-evolversi con i loro nemici naturali e a resistere ai loro attacchi per oltre 350 milioni di anni. Sebbene prive di un sistema immunitario paragonabile a quello degli animali, esse si sono evolute in modo sorprendente con una serie di difese chimiche denominate metaboliti secondari contro predatori, per la competizione interspecifica o per facilitare i processi riproduttivi. Questi composti possono essere o costitutivi, immagazzinati in forme inattiva, o inducibili in risposta all’attacco di agenti patogeni. I primi sono conosciuti come fitoanticipine e i secondi come fitoalessine. Alcune fitoanticipine (comprese le saponine, glicosidi cianogenici e glucosinolati) si trovano sulla superficie della pianta, mentre altre sono presenti in vacuoli o organelli e vengono rilasciate tramite idrolisi enzimatica dopo l’attacco da parte dei patogeni. Le fitoalessine (inclusi terpenoidi, glicosteroidi, flavonoidi e polifenoli) sono piccole molecole sintetizzate e accumulate nella pianta dopo il riconoscimento di particolari molecole dette elicitori che segnalano alla pianta l’attacco dell’aggressore. Quindi comprendere come le piante si difendono è essenziale non solo per proteggere le nostre risorse alimentari, ma anche per trarre dalla loro ricca composizione chimica, eventuali farmaci e /o potenziali rimedi terapeutici.
La figura 1 riporta dal 1800 a oggi alcuni esempi di molecole derivate da sostanze naturali che hanno cambiato la storia della medicina e i vari premi Nobel assegnati per le scoperte in tale campo: dalla morfina usata come analgesico ed estratta dai semi di Papaver somniferum da un apprendista farmacista Friedrich Sertürner di 21 anni nel 1805 (Hamilton G.R. et al., 2000), al chinino, antimalarico, scoperto in Chincona officinalis nel 1920, passando poi alla scoperta della penicillina, estratta dal fungo Penicillum notatum nel 1928, fino alla scoperta di altri antibiotici quali ad esempio la streptomicina nel 1943 da Streptomyces griseus.
Un problema in crescita
Tra le sostanze di origine naturale, la scoperta degli antibiotici di origine microbica, nella cosiddetta epoca d’oro della metà del 20° secolo, ha permesso la realizzazione di procedure mediche come farmaci salvavita, per esempio per interventi chirurgici complessi, protesi d’anca, chemioterapie antitumorali, trapianti d’organo e altro. Tuttavia la crescente frequenza di infezioni microbiche resistenti agli antibiotici in medicina umana, medicina veterinaria, agricoltura e nel settore zootecnico, dovuta al grande e talvolta inappropriato uso degli antibiotici, dimostra chiaramente che sono fondamentali nuove molecole sicure ed efficaci, a sostegno delle sempre più limitate opzioni terapeutiche, per affrontare questa grave problematica di salute pubblica: l’antibiotico-resistenza.
Attualmente negli USA almeno 2 milioni di persone contraggono infezioni resistenti agli antibiotici e, di queste, ogni anno ne muoiono 23.000 (https://www.cdc.gov/drugresistance/index.html); mentre si stima che ogni anno, nell’Unione Europea le infezioni resistenti ai medicinali siano responsabili del decesso di almeno 33.000 pazienti (un terzo solo in Italia) con un costo maggiore di 1,5 miliardi di euro in spese sanitarie supplementari e in perdita di produttività. Questi risultati sono estrapolati dalla rivista Lancet Infectious Diseases in merito a dati del 2015 ottenuti, per cinque infezioni resistenti, dal network di sorveglianza dell’European Centre for Disease Prevention and Control. Nel lavoro gli autori sottolineano come il numero di decessi europei sia pari a quello dovuto a HIV, tubercolosi e influenza insieme e, come l’aumento delle infezioni antibiotico-resistenti sia largamente dovuto a Escherichia coli produttore di β-lattamasi ad ampio spettro (ESBL) e a Klebsiella pneumoniae produttore di carbapenemasi (Tacconelli E., Pezzani M.D., 2019;Cassini A. et al., 2019).
L’OMS ha messo chiaramente in evidenza che i batteri patogeni multi-resistenti potrebbero, molto probabilmente, portare il mondo alla rinascita di una nuova epoca pre-antibiotica. Di conseguenza, per impedire tale fenomeno, si ritengono necessari e di primaria importanza continui sforzi per promuovere non solo un uso prudente degli antimicrobici, ma anche misure di prevenzione e di controllo delle infezioni a livello globale e soprattutto nuove alternative o integrazioni terapeutiche. Nel 2016 Jim O’Neill, in “The Review on Antimicrobial Resistance”, ha presentato uno scenario apocalittico per cui, se non si interviene a frenare il fenomeno entro il 2050 i batteri resistenti agli antibiotici saranno la prima causa di morte nel mondo, con un tributo annuo di oltre 10 milioni di vite che sorpasserà il numero dei decessi per cancro (O’Neill J., 2016). Nonostante l’impellente necessità di nuovi farmaci per le motivazioni suddette, negli ultimi 20 anni sono stati approvati solo pochi nuovi antibiotici per uso clinico e in particolare dal 1962 al 2000 non è stata registrata alcuna nuova classe di antibiotici (Fischbach M.A., Walsh C.T., 2009). Di fronte a sfide scientifiche, economiche e normative, il settore farmaceutico non ha risposto prontamente all’eventuale minaccia di un’epoca pre-antibiotica e ha preferito investire in farmaci più redditizi.
L’industria farmaceutica ha in gran parte abbandonato lo studio delle sostanze naturali a favore dello studio di grandi librerie di molecole sintetiche a causa delle difficoltà nell’identificazione di nuovi scaffolds di antibiotici dal prodotto naturale. Attualmente le nuove piattaforme tecnologiche (genomica, bioinformatica, proteomica, metabolomica, transcrittomica, biologia dei sistemi, etc.), insieme alle conoscenze etnofarmacologiche, potrebbero consentire altre strategie di identificazione di nuove molecole antimicrobiche nel campo delle sostanze naturali (Pan S.Y. et al., 2013; Cragg G.M., Newman D. J., 2013).
Per fronteggiare le tante problematiche di salute pubblica, i vari enti di ricerca hanno preso in considerazione l’enorme biodiversità del mondo vegetale, in quanto notoriamente fonte importante di potenziali farmaci quali per esempio molecole anti-infettive, anche se con un’attività antimicrobica generalmente inferiore di diversi ordini di grandezza di quella dei comuni antibiotici prodotti da batteri e funghi (Tegos G. et al., 2002; Borges A. et al., 2016).
Tra i possibili approcci antimicrobici di origine naturale, la letteratura scientifica mette in evidenza i peptidi, piccole molecole naturali che fanno parte del sistema immunitario innato di diversi organismi, tra cui le piante, e gli oli essenziali, complesse miscele di origine vegetale con proprietà biologiche uniche e poliedriche.
Sia i peptidi antimicrobici, sia gli oli essenziali insieme ai loro derivati presentano conclamate attività antibatteriche, antiparassitarie, antivirali e in base a ciò potrebbero diventare un’integrazione promettente a quegli antibiotici ormai quasi inefficaci nella lotta contro i batteri multiresistenti.
Le grosse potenzialità degli oli essenziali per la prevenzione e il trattamento delle diverse infezioni microbiche, anche farmacoresistenti, risiedono non solo nell’ampio spettro di attività biologiche, ma anche per la loro biodegradabilità e la loro esigua tossicità, nonché per la loro sinergia d’azione in combinazione con gli antibiotici e l’attuale assenza di acquisizione di resistenza batterica ai loro costituenti (Sienkiewicz M. et al., 2012).
Queste complesse misture di metaboliti secondari volatili ottenuti dalle parti più svariate delle piante aromatiche, vengono definite dalla Farmacopea Europea (European Pharmacopoeia 8th edition. Strasbourg: Council of Europe; 2014) come “prodotti odorosi, solitamente di composizione complessa, ottenuti da una materia prima vegetale botanicamente definita, attraverso distillazione in corrente di vapore, distillazione a secco o un appropriato processo meccanico senza riscaldamento. Sono di solito separati dalla fase acquosa attraverso un processo fisico che non influenza significativamente la loro composizione”. Come sostanze di origine vegetale sono parti integranti della Fitoterapia, medicina complementare riconosciuta dall’OMS e in Italia secondo l’importante accordo Stato-Regioni, sancito il 7 febbraio 2013.
La ricerca in Italia: potenzialità degli oli essenziali
Il nostro gruppo di ricerca, presso il Reparto di Antibiotico Resistenza e Patogeni Speciali (AR-PS) del Dipartimento di Malattie Infettive (DMI) dell’ISS in collaborazione con altri gruppi di ricerca dell’Istituto stesso, con alcune Università e associazioni scientifiche, tra cui la Società Italiana per la Ricerca sugli Oli Essenziali (SIROE), ha maturato esperienza nella validazione dell’efficacia di principi farmacologicamente attivi, estratti da oli essenziali come possibili mezzi integrativi per ridurre l’uso degli antibiotici e per contrastare la crescente resistenza agli antibiotici, nel campo della prevenzione e terapia delle infezioni batteriche e fungine invasive e mucosali. Sono state eseguite e, sono attualmente in corso di studio, rigorose ricerche su vari oli essenziali, idrolati e i loro principi attivi in tema di: attività microbicida in vitro anche in combinazione con farmaci convenzionali; attività microbicida in vivo in infezioni sistemiche e mucosali causate dai vari agenti patogeni; meccanismo di azione a livello cellulare e molecolare; attività antinfiammatoria e eventuali effetti tossicologici su linee cellulari. Particolare attenzione è stata sempre data al concetto di qualità del prodotto e all’impatto in termini di tossicità e sicurezza d’uso sull’uomo e sul microbiota.
Il gruppo di ricerca ha studiato in particolare in vitro e in vivo, con metodi validati, il tea tree oil (TTO), un olio essenziale estratto dalla pianta aromatica di origine australiana Melaleuca alternifolia, conforme alla farmacopea europea e a norme ISO, condizione importante per poter eseguire una sperimentazione rigorosamente scientifica.
Ha quindi dimostrato per la prima volta l’efficacia del TTO e del suo componente principale, il terpinene-4-olo, contro le infezioni mucosali farmaco-resistenti causate da Candida albicans non solo in vitro, prendendo come riferimento metodi standardizzati, ma anche in vivo utilizzando un modello preclinico, usato anch’esso per validare i farmaci convenzionali (Mondello F. et al., 2003; Mondello F. et al., 2006).
Sulla rivista scientifica Phytoterapy Research ha poi pubblicato con la dott.ssa Maura Di Vito, al tempo interna presso il dipartimento di Malattie Infettive, che dispositivi medici vaginali, a base di TTO e regolarmente in commercio, sono efficaci antifungini in vitro e che, degno di nota, non danneggiano il microbiota vaginale alle concentrazioni prescritte (Di Vito M. et al., 2015).
Sulla base di questi risultati si è potuto effettuare, grazie anche alla collaborazione con altri gruppi di ricercatori afferenti ad altrettanti prestigiosi gruppi di ricerca dell’Università di Bologna e dell’Università di Bari, un ulteriore studio per valutare l’efficacia anti-Candida e la sicurezza dell’associazione di probiotici, per via orale, e ovuli vaginali a base di TTO in volontarie con candidosi vaginale. Per la prima volta abbiamo individuato l’attività benefica di questa associazione, volta da un lato ad aggredire il fungo, decontaminando il canale vaginale con il TTO, e dall’altro a contrastare la sua colonizzazione reintegrando la flora benefica con ceppi probiotici, il tutto senza riscontrare alcun residuo dei componenti del TTO a livello sistemico, tanto meno effetti collaterali associati a questi componenti naturali. Sebbene la ricerca sia stata condotta su un campione ristretto di donne e sia necessario sviluppare ulteriori studi su gruppi più ampi, i dati raccolti rappresentano un buon viatico per ulteriori indagini che potrebbero aprire nuove strade alla cura della candidosi (Di Vito M. et al., 2016).
Alla luce dei nostri studi preclinici pregressi, insieme a quelli di altri ricercatori e al nostro studio pilota sopra citato, sarebbero utili studi clinici randomizzati controllati per determinare l’indice terapeutico del TTO e del suo principale componente, il terpinene-4-olo, contro la candidosi vulvovaginale ricorrente, per cui attualmente nessuna cura eradicante è disponibile.
Si è dimostrata inoltre, anche in questo caso per la prima volta, l’efficacia in vitro sempre del TTO e del suo principale componente, il terpinene 4-olo, non solo in forma liquida, ma anche sotto forma di vapore nei confronti del batterio Legionella pneumophila ai fini della problematica del controllo a lungo termine della contaminazione da Legionella spp. nei sistemi di distribuzione idrica (Mondello et al., 2009). Tali studi hanno poi portato alla formulazione di un brevetto su un disinfettante naturale anti-Legionella a base di terpinene-4-olo (Mondello F., Ricci ML et al., 2012).
Oltre al TTO, il nostro gruppo di ricerca ha collaborato allo sviluppo di studi volti a indagare l’efficacia di altri oli essenziali e idrolati (prodotti di scarto del processo di distillazione utilizzato per la produzione del corrispondente olio essenziale) nei confronti di ceppi fungini e batterici multi-resistenti fino ad arrivare alla formulazione di un brevetto di un presidio medico per la cura o la prevenzione di patologie microbiche cutanee (inventori: Maura Di Vito, Paola Mattarelli, Monica Marianna Modesto del DISTAL dell’Università Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, Francesca Bugli del dip. di Microbiologia dell’Università Cattolica del Sacro Cuore di Roma e Francesca Mondello del DMI dell’ISS) (https://www.unibo.it/it/ricerca/imprese-e-ricerca/brevetti/2019/presidio-medico-per-la-cura-di-patologie-cutanee).
I nostri dati pubblicati su riviste nazionali e internazionali sono stati molto citati dalla comunità scientifica e hanno dato notevole impulso ad altre pubblicazioni scientifiche in questa area di ricerca. I risultati riportati dalla letteratura risultano molto incoraggianti per poter contrastare la farmacoresistenza microbica in futuro, ma la qualità della ricerca e le evidenze scientifiche disponibili devono assolutamente essere implementate per confermare pienamente le proprietà terapeutiche e gli eventuali effetti collaterali di tali sostanze di origine vegetale.
Gli oli essenziali infatti presentano oltre a notevoli vantaggi suddetti anche alcune limitazioni, come il forte sapore dato dalle proprietà organolettiche, la bassa solubilità in acqua e la bassa stabilità chimica, anche se studi recenti (Rai M et al., 2017) hanno dimostrato che nanoparticelle funzionalizzate con oli essenziali possono significativamente aumentare il potenziale antimicrobico contro i patogeni multi-resistenti, sia a causa di un aumento della stabilità chimica e della solubilità, sia per la diminuzione della rapida evaporazione e della degradazione dei componenti attivi dell’olio essenziale.
Tuttavia, ancora poco si sa sulle interazioni che portano a effetti antimicrobici additivi, sinergici o antagonisti o addirittura modulanti i fattori di virulenza. Sebbene il meccanismo d’azione di alcuni componenti degli oli essenziali sia stato chiarito in molti lavori pionieristici nel passato, manca ancora una conoscenza dettagliata della maggior parte degli oli essenziali, dei loro componenti e del loro meccanismo d’azione. Tra i meccanismi d’azione ormai noti degli oli essenziali ricordiamo i danni alla membrane dei microrganismi, la soppressione di alcuni fattori di virulenza, tra cui enzimi e tossine, e l’inibizione della formazione di biofilm microbici.
Lo sfruttamento delle sinergie tra gli oli essenziali, i loro componenti e i farmaci convenzionali quando usati a concentrazioni sub-inibenti, insieme all’applicazione di oli essenziali incapsulati, caratterizzati dal loro rilascio controllato e prolungato, potrebbero migliorare l’indice terapeutico di alcuni medicamenti (attualmente tossici per l’ospite alle dosi terapeutiche) e costituire in un prossimo futuro un buon supporto o un’eventuale integrazione alla terapia antibiotica.
Non in ultimo è fondamentale sottolineare l’urgenza di robusti investimenti in modo da incoraggiare ricerche approfondite, meccanicistiche e non esclusivamente descrittive ed empiriche. Solo così la ricerca potrà portare a risultati che dimostrino la reale prospettiva di nuove soluzioni preventive e/o terapeutiche, che superino alcune aree di criticità largamente presenti nel settore. In ogni caso, per poter includere gli oli essenziali nell’armamentario terapeutico contro le infezioni microbiche, anche farmacoresistenti, sono ovviamente fondamentali ulteriori studi farmacocinetici, clinici e controlli, ai quali i farmaci sono sottoposti, per verificare la sicurezza d’uso e l’efficacia di tali fitoestratti.
Per concludere si può evincere che il successo delle sostanze naturali nella scoperta di nuovi farmaci e di nuove armi contro le infezioni microbiche emergenti e resistenti, è fondamentalmente associato alla loro complessa diversità strutturale, nonché al continuo progresso tecnologico nella comprensione di nuovi meccanismi di azione.
*Dipartimento di Malattie Infettive (DMI), Istituto Superiore di Sanità (ISS), Roma
**Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari (DISTAL), Università di Bologna “Alma Mater Studiorum”, Bologna
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