Salute, anche la forma dei dispositivi medici può contrastare i batteri

AGI - La lotta ai batteri anche grazie alla geometria. La forma delle superfici dei dispositivi medici può diventare un potente alleato nella prevenzione delle infezioni e nella riduzione dell’antibiotico resistenza.

Cateteri, stent e impianti infatti possono offrire ai batteri superfici ideali per aderire e proliferare, favorendo la formazione di biofilm, comunità batteriche con caratteristiche tali da proteggere i microrganismi rendendo le infezioni persistenti e difficili da trattare con gli antibiotici.

Lo studio sui batteri e la geometria delle superfici

Le infezioni associate all’assistenza sanitaria sono stimate superare i 50 milioni di casi ogni anno a livello mondiale, con oltre il 60% attribuito a infezioni correlate ai biofilm. È quindi importante studiare le superfici di questi strumenti, per minimizzare la loro colonizzazione da parte di batteri ed evitare conseguenze per i pazienti.

Uno studio pubblicato su Nature Communications mostra come la geometria delle superfici possa effettivamente essere sfruttata per ostacolare l’adesione batterica. La ricerca è stata condotta da Roberto Rusconi, responsabile dell’unità di Fisica Applicata, Biofisica e Microfluidica presso l’IRCCS Istituto Clinico Humanitas e professore associato di Fisica per le scienze della vita, l’ambiente e i beni culturali all’Humanitas University, e da Luca Pellegrino, ricercatore post-dottorato nello stesso laboratorio.

Il focus della ricerca

Fino a oggi, l’ipotesi prevalente era che la formazione di biofilm e le infezioni associate ai dispositivi medici dipendessero principalmente dalla chimica dei materiali o dall’uso di rivestimenti antimicrobici: i dati emersi nello studio aggiungono la geometria microscopica delle superfici alle caratteristiche da sfruttare per evitare la colonizzazione batterica.

Lo studio si è concentrato su superfici corrugate create in laboratorio, con conclusioni rilevanti per tutti i dispositivi a contatto con fluidi corporei. La formazione di biofilm su cateteri e altri impianti a contatto con un flusso continuo di fluidi corporei è una delle principali cause di infezioni persistenti, spesso resistenti agli antibiotici, e complicanze cliniche.

L'osservazione del mondo naturale

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno adottato un approccio diverso dai metodi tradizionali, basati su modifiche chimiche o su antimicrobici, puntando su una strategia puramente fisica.

L’ispirazione è venuta dall’osservazione del mondo naturale: libellule e squali hanno superfici antiaderenti grazie al modo in cui sono modellate, non a particolari sostanze chimiche. In particolare, gli squali hanno una pelle con minuscole scanalature larghe pochi micrometri che riducono l’accumulo di batteri facilitando il loro distacco grazie al flusso dei fluidi; le libellule possiedono superfici ricoperte da piccolissimi “pilastrini” – su scala nanometrica – che possono perfino danneggiare fisicamente i batteri.

Entrambe le geometrie aiutano a limitare il biofouling, cioè l’adesione e l’accumulo di microrganismi sulle superfici.

Come la geometria ostacola l'adesione batterica

“Se una superficie non offre un appoggio stabile, i batteri vengono trascinati via dal flusso di acqua, urina o altri fluidi corporei in cui i dispositivi sono immersi, prima di riuscire a colonizzarla”, spiega Rusconi.

“Abbiamo scoperto che la geometria può fare una grande differenza. Rughe e pieghe microscopiche, attentamente studiate, creano una sorta di barriera meccanica che impedisce ai batteri di agganciarsi. Per fare un’analogia, come una persona che cerca di restare in piedi su un tetto curvo mentre soffia un vento forte, i batteri sulle superfici rugose – continua, vengono continuamente spinti e sollevati dal flusso. Le curvature impediscono loro di stabilizzarsi, rendendo molto difficile l’adesione e la formazione di biofilm. È un meccanismo completamente fisico, basato sulla dinamica del fluido e sul comportamento dei microrganismi”.

Metodologia e risultati dello studio

Utilizzando il PDMS, un polimero siliconico simile al materiale impiegato in molti dispositivi medici, il team ha creato superfici con microscopiche increspature, generate tramite stiramento meccanico controllato e trattamenti superficiali.

Queste strutture si formano spontaneamente attraverso un fenomeno fisico chiamato instabilità da buckling, simile alle rughe che appaiono sulla pelle quando viene compressa. Le superfici corrugate sono state testate riproducendo le condizioni di flusso a cui sono tipicamente esposti i dispositivi medici reali impiantati nel corpo umano, permettendo di osservare come i batteri interagiscono con superfici più vicine alla realtà clinica rispetto ai test statici tradizionali.

I risultati dello studio sui batteri

I risultati hanno mostrato che alcune configurazioni di pieghe riducono l’adesione batterica di oltre il 90% e ostacolano la formazione di biofilm, in particolare con “rughe” di circa cinque micrometri (cinque milionesimi di metro).

L’effetto è stato osservato, variando le condizioni di flusso, con due batteri di grande rilevanza clinica: Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, responsabili di una quota significativa di infezioni ospedaliere associate a biofilm su dispositivi medici, come cateteri, stent e tubi endotracheali.

Mantenendo costante la chimica delle superfici, i ricercatori hanno confermato che l’effetto osservato è dovuto esclusivamente alla loro geometria.

Le superfici corrugate

“Nel loro insieme, questi dati indicano una strategia promettente e priva di farmaci per progettare dispositivi medici più sicuri”, spiega Pellegrino. “Questa scoperta apre la strada a nuovi design di cateteri, stent e impianti in grado di ridurre drasticamente il rischio di infezioni, evitando fenomeni di resistenza agli antibiotici”, aggiunge.

Superfici corrugate ispirate a principi fisici e biologici potrebbero dunque rappresentare un’alternativa duratura ai rivestimenti antimicrobici tradizionali, contribuendo a ridurre le infezioni associate all’assistenza sanitaria.

La forma, l’altezza e la dimensione delle increspature delle superfici realizzate dal team del prof. Rusconi necessitavano di essere osservate con precisione. A questo scopo, sono entrati in gioco dapprima Francesco Mantegazza, dell’Università degli Studi di Milano Bicocca, per le iniziali misurazioni con Microscopia a Forza Atomica, e, successivamente, il Laboratorio CLEM di Humanitas University, guidato da Edoardo D’Imprima, che unisce la microscopia ottica a fluorescenza, per osservare eventi dinamici in tessuti, alla microscopia elettronica, che offre una risoluzione nanometrica per analizzare la struttura delle componenti cellulari.

Immagini ad altissima risoluzione delle superfici

È stato così possibile integrare l’osservazione dinamica dei batteri con immagini ad altissima risoluzione delle superfici: un milionesimo di millimetro, una risoluzione che ha permesso di studiare materiale e biofilm in modi finora non realizzabili, per poter verificare quale forma e distanziamento di onde fosse il più efficace allo scopo di evitare la proliferazione batterica.