Combattere la malnutrizione nei bambini

Batteri come sensori

Il progetto quinquennale è guidato da Randall Platt, professore di ingegneria biologica all'ETH di Zurigo. In ottobre, il suo gruppo di ricerca si è trasferito nel nuovo edificio del Dipartimento biosistemi di Basilea. La finestra del suo luminoso ufficio offre una vista sul nuovo quartiere. Il 36enne spiega: "Attualmente non disponiamo di metodi per misurare in modo semplice e affidabile l'infiammazione, le infezioni e i problemi nutrizionali nell'intestino", nonostante sappiamo che l'intestino è fondamentale per la salute umana. Regola praticamente tutti gli organi, compreso il cervello, e svolge un ruolo importante nel sistema immunitario e nel metabolismo.

Oggi la colonscopia viene solitamente eseguita per analizzare lo stato di salute dell'intestino. Si tratta di un'operazione lunga e scomoda per i pazienti, anche perché l'intestino deve essere completamente svuotato prima. Inoltre, consente di scattare solo un'istantanea, ma non un'immagine dello sviluppo. Platt sta quindi studiando un'alternativa elegante. La sua tecnologia non è invasiva, non interferisce con la normale funzione intestinale e permette di trarre conclusioni sullo sviluppo dell'ambiente intestinale. "? come un salto tecnologico dalla fotografia alla pellicola", dice Platt.

Platt e il suo team utilizzano i batteri E. coli, manipolati con le forbici dei geni Crispr/Cas in modo tale da percepire e registrare i cambiamenti nel loro ambiente biologico, come una "videocamera" delle dimensioni di pochi micrometri. "Le cellule di questi batteri si adattano al loro ambiente mentre si muovono nell'intestino. Reagiscono alle variazioni di pH, ai nutrienti e alle sostanze chimiche", spiega Platt. Questa reazione può essere misurata. A livello genetico, i ricercatori catturano le molecole di RNA negli E. coli vivi per determinare i geni che i batteri hanno espresso in risposta all'ambiente intestinale durante il transito intestinale. In questo modo, i ricercatori memorizzano l'espressione genica nell'intestino su una sorta di scheda di memoria batterica. A tal fine, isolano e sequenziano il DNA batterico dalle feci. Utilizzando la bioinformatica, i ricercatori determinano quali geni erano attivi durante il passaggio attraverso l'intestino e quale ambiente molecolare e microbiotico il batterio ha incontrato. Ad esempio, se la composizione dei nutrienti dell'intestino è sufficiente per uno sviluppo sano.

In uno studio pubblicato sulla rivista Science nel 2022, Platt e il suo team descrivono la funzione di questi videobatteri in un modello murino. Nell'esperimento sono rimasti attivi nell'intestino dei topi da uno a sette giorni e hanno raccolto dati. "Siamo riusciti a dimostrare che la nostra tecnologia può essere utilizzata per registrare importanti informazioni biologiche in tutte le regioni dell'intestino", un vantaggio importante rispetto all'endoscopia. I ricercatori sono stati anche in grado di tracciare l'effetto della dieta sulla flora intestinale.

Per farlo, hanno alimentato tre gruppi di topi con diete diverse: una con molti nutrienti, una con molti grassi e una con molto amido. I batteri video sequenziati hanno mostrato un'espressione genica caratteristica a seconda del tipo di dieta. "Siamo stati in grado di tracciare in tempo reale se il contenuto di nutrienti di una dieta era sufficiente per un ambiente intestinale sano".

Azione mirata contro i deficit

I ricercatori sperano che una tale piattaforma diagnostica consenta in futuro di trattare in modo più personalizzato e mirato i bambini che soffrono di malnutrizione o di altre carenze. Ciò richiede anche ulteriori conoscenze sulle dipendenze tra i cambiamenti della flora intestinale e alcune manifestazioni della malattia. Per questo motivo, Platt collabora strettamente al progetto BRCCH con colleghi sia all'interno che all'esterno dell'ETH. Tra questi, Uwe Sauer, l'ETH Professor of Systems Biology, la cui ricerca si concentra sul metabolismo microbico e sulle interazioni tra ospite e microbi.

Andrew Macpherson, professore e primario di gastroenterologia all'Inselspital di Berna, ha creato una propria coorte madre-bambino in Svizzera nell'ambito del progetto. In collaborazione con Kerina Duri in Zimbabwe, sta confrontando le due coorti per capire meglio come si sviluppa la flora intestinale nei neonati in condizioni diverse. Dirk Bumann, professore di biologia delle infezioni presso il Biozentrum dell'Università di Basilea, si unisce al team per studiare il ruolo degli agenti patogeni nella flora intestinale. Questi sono particolarmente comuni nell'acqua contaminata o in condizioni di scarsa igiene e possono portare a infezioni intestinali e aggravare gli effetti della malnutrizione.

Il prossimo passo del team di ricerca è testare il potenziale diagnostico dei batteri video in studi clinici sull'uomo. Gli ostacoli normativi sono elevati a causa della tecnologia Crispr/Cas utilizzata, afferma Platt, che stima che i primi studi clinici potrebbero iniziare nei prossimi cinque anni.

La sua collega in Zimbabwe, Kerina Duri, spera che la collaborazione con la Svizzera continui anche dopo la fine del progetto BRCCH, alla fine dell'anno. "Il nostro obiettivo è quello di creare un centro di eccellenza per la ricerca sulla flora intestinale in Zimbabwe", afferma. Un centro che potrebbe portare benefici a madri e bambini non solo in Zimbabwe, ma in tutta l'Africa. "Tuttavia, dipendiamo da finanziamenti esterni e da collaborazioni, come quella con l'ETH di Zurigo, per costruire le capacità necessarie", afferma Duri.