Peptidi antimicrobici: la guida di riferimento agli AMP

I peptidi antimicrobici (in inglese antimicrobial peptides, abbreviati in AMP) sono catene corte di aminoacidi, tipicamente comprese fra una decina e una cinquantina di residui, che gli organismi viventi sintetizzano come parte della propria difesa contro batteri, funghi, virus e parassiti. Non sono molecole esotiche né recenti: compaiono in piante, insetti, anfibi, pesci, mammiferi e perfino nei batteri stessi, e questa distribuzione quasi universale è uno degli argomenti classici a favore della loro antichità evolutiva, discussa in profondità nella rassegna di Zasloff pubblicata su Nature nel 2002.

La maggior parte degli AMP condivide due caratteristiche fisico-chimiche. La prima è la carica netta positiva a pH fisiologico, dovuta all'abbondanza di residui di lisina e arginina. La seconda è l'anfipaticità, cioè la separazione spaziale fra una faccia idrofila e una faccia idrofobica quando il peptide assume la propria conformazione attiva, spesso un'alfa-elica o un foglietto beta stabilizzato da ponti disolfuro. Insieme, queste due proprietà spiegano l'affinità preferenziale per le superfici microbiche, che sono più ricche di componenti carichi negativamente rispetto alla membrana esterna delle cellule dei mammiferi.

Dal punto di vista biologico gli AMP appartengono all'immunità innata: sono effettori immediati, pronti o rapidamente inducibili, che agiscono nei minuti e nelle ore successive al contatto con un microrganismo, molto prima che la risposta adattativa produca anticorpi specifici. Alcuni sono immagazzinati in granuli di cellule immunitarie, altri vengono prodotti dagli epiteli di cute, intestino, vie respiratorie e cavità orale in risposta a infiammazione o danno tissutale.

Vale la pena distinguere subito due categorie che il linguaggio comune tende a confondere. Da un lato ci sono i peptidi di difesa dell'ospite, prodotti dai nostri tessuti, oggetto di intensa ricerca ma non disponibili come farmaci antibiotici. Dall'altro ci sono i peptidi antimicrobici di origine microbica, come le polimixine e la daptomicina, che sono veri farmaci registrati e usati negli ospedali da decenni. Per un ripasso dei concetti di base su struttura, sintesi e stabilità dei peptidi in generale può essere utile l'articolo su come funzionano i peptidi.

Nell'uomo le famiglie meglio caratterizzate sono tre. Le defensine sono piccoli peptidi cationici ricchi di cisteina: contengono sei residui conservati che formano tre ponti disolfuro intramolecolari, i quali stabilizzano una struttura prevalentemente a foglietto beta. Si dividono in alfa-defensine e beta-defensine, che differiscono per la posizione e l'appaiamento dei ponti disolfuro. Come riassume la rassegna di Fu e colleghi pubblicata su Signal Transduction and Targeted Therapy nel 2023, le defensine sono espresse in numerosi epiteli e in alcuni leucociti, e il loro ruolo non si limita all'uccisione dei microbi: contribuiscono alla chemiotassi, al mantenimento della funzione di barriera mucosale e all'equilibrio del microbiota intestinale.

Le catelicidine costituiscono la seconda famiglia. Negli esseri umani esiste un solo membro, la LL-37, che deriva per taglio proteolitico dalla proteina precursore hCAP-18 e corrisponde al frammento 134-170 di quest'ultima. Il nome deriva dalle due leucine iniziali e dalla lunghezza di 37 aminoacidi. La LL-37 è espressa da neutrofili, monociti e cellule epiteliali, e la sua produzione aumenta in presenza di infiammazione o lesione. La rassegna di Fabisiak e colleghi su Pharmacological Reports (2016) analizza il suo ruolo in quattro ambiti distinti: immunologico, respiratorio, gastrointestinale e cutaneo. Chi desidera approfondire questa singola molecola può consultare la monografia dedicata alla LL-37.

La terza famiglia umana è quella delle istatine, peptidi ricchi di istidina presenti nella saliva. L'istatina 5, lunga 24 residui, è la più studiata per l'attività contro Candida albicans e rappresenta un esempio didattico importante, perché il suo meccanismo non segue il modello classico della perforazione della membrana, come vedremo nella sezione successiva.

Fuori dall'uomo il repertorio è enorme. Gli anfibi producono magainine, isolate dalla pelle di Xenopus laevis, e temporine. Gli insetti sintetizzano cecropine e defensine proprie. Diversi veleni contengono peptidi fortemente litici, come la melittina del veleno d'ape o peptidi di scorpioni e ragni, che sono potenti ma anche poco selettivi verso le cellule dell'ospite. Le piante producono defensine vegetali, tionine e ciclotidi, spesso caratterizzati da strutture molto rigide e resistenti. I batteri, infine, producono batteriocine come la nisina (usata come conservante alimentare) e i lipopeptidi del genere Paenibacillus da cui derivano le polimixine, cioè la famiglia che ha dato origine ai farmaci oggi in uso.

Il meccanismo più noto è l'interazione con la membrana microbica. La carica positiva del peptide favorisce il legame elettrostatico con componenti anionici della superficie batterica, come il lipopolisaccaride dei Gram-negativi, gli acidi lipoteicoici dei Gram-positivi e i fosfolipidi acidi del doppio strato. Una volta accumulato sulla superficie, il peptide si inserisce nella membrana grazie alla propria faccia idrofobica e ne altera l'organizzazione.

La letteratura descrive diversi modelli di questo passaggio: il modello a doghe di botte (barrel-stave), in cui le eliche si allineano a formare un canale transmembrana; il modello a poro toroidale, in cui il peptide trascina con sé le teste polari dei lipidi; e il modello a tappeto (carpet), in cui l'accumulo superficiale destabilizza il doppio strato fino alla sua disgregazione. In tutti i casi il risultato comune è la perdita del potenziale di membrana, la fuoriuscita di ioni e metaboliti e la morte cellulare. Un vantaggio attribuito a questo tipo di bersaglio è la rapidità e il fatto che non dipenda da una singola proteina enzimatica, più facilmente mutabile.

Ridurre però gli AMP a semplici detergenti biologici sarebbe un errore. Esistono bersagli intracellulari ben documentati. L'esempio più istruttivo è l'istatina 5: la rassegna di Puri ed Edgerton pubblicata su Eukaryotic Cell nel 2014 riporta che la formazione di pori o la lisi della membrana da parte di questo peptide sono state in larga parte smentite e che i suoi bersagli sono intracellulari. Il peptide si lega a proteine della parete cellulare fungina (Ssa1/2) e a glicani, entra nella cellula attraverso trasportatori fungini delle poliammine con un processo dipendente dall'energia, e una volta all'interno può alterare le funzioni mitocondriali e generare stress ossidativo. Secondo gli stessi autori, la causa ultima della morte cellulare è la deregolazione del volume e lo squilibrio ionico innescati dallo stress osmotico.

Altri AMP interferiscono con la sintesi della parete cellulare legando precursori come il lipide II, oppure inibiscono la sintesi di DNA, RNA e proteine, o ancora interferiscono con i meccanismi di aggregazione che portano alla formazione di biofilm. Questa pluralità di bersagli è uno dei motivi per cui la classe viene considerata interessante dal punto di vista farmacologico, ma rende anche molto difficile generalizzare: due peptidi di lunghezza simile possono avere spettri, potenze e tossicità completamente diversi.

Nella letteratura specialistica il termine peptidi di difesa dell'ospite (host defence peptides) ha progressivamente sostituito quello di peptidi antimicrobici quando si parla delle molecole prodotte dai nostri tessuti. La ragione è che, alle concentrazioni effettivamente presenti nei fluidi biologici, l'attività battericida diretta è spesso modesta, mentre resta significativa la capacità di modulare la risposta immunitaria.

La rassegna di Hancock e Sahl su Nature Biotechnology (2006) descriveva già questi peptidi corti, cationici e anfipatici come dotati di attività antimicrobica, immunomodulatoria o entrambe, e proponeva di considerarli come modello per due classi distinte di farmaci. La rassegna più recente di Mookherjee, Anderson, Haagsman e Davidson su Nature Reviews Drug Discovery (2020) riprende e amplia questa impostazione, dedicando ampio spazio al potenziale clinico delle funzioni immunoregolatorie oltre a quelle battericide.

Nel concreto, le funzioni descritte comprendono il richiamo di cellule immunitarie verso il sito di infezione (neutrofili, monociti e cellule dendritiche nel caso della LL-37), la modulazione del rilascio di citochine, effetti sulla riparazione tissutale e sull'angiogenesi, e la neutralizzazione di prodotti batterici proinfiammatori come il lipopolisaccaride. Questa dualità è un'arma a doppio taglio: la stessa molecola che favorisce la risoluzione di un'infezione può contribuire, in contesti diversi, al mantenimento di uno stato infiammatorio cronico, aspetto che la letteratura sulla LL-37 discute esplicitamente.

Da questa osservazione deriva una direzione di ricerca distinta: sviluppare peptidi non per uccidere i microbi, ma per riequilibrare la risposta immunitaria. È il filone in cui si collocano molecole come il tripeptide KPV o la timosina alfa-1, studiate per le loro proprietà immunomodulatorie e non come antibiotici. Si tratta di ambiti in cui il livello di evidenza varia molto da molecola a molecola, come discusso nella panoramica sui peptidi studiati nell'infiammazione. Nessuna di queste molecole deve essere considerata un sostituto di una terapia antinfettiva prescritta.

La resistenza agli antimicrobici è una delle priorità sanitarie globali riconosciute, e la pipeline di nuove classi di antibiotici tradizionali è notoriamente povera. In questo contesto gli AMP vengono studiati come possibile fonte di nuovi principi attivi. La rassegna di Magana e colleghi pubblicata su The Lancet Infectious Diseases nel 2020 elenca tre vantaggi attribuiti a questa classe rispetto agli antibiotici convenzionali: una comparsa più lenta della resistenza, un'attività antibiofilm ad ampio spettro e la capacità di modulare favorevolmente la risposta immunitaria dell'ospite.

La spiegazione più accettata del primo punto riguarda la natura del bersaglio. Un antibiotico che inibisce un singolo enzima può essere neutralizzato da una singola mutazione puntiforme in quel bersaglio. Un peptide che agisce sull'architettura complessiva della membrana richiede invece modifiche più costose dal punto di vista metabolico, per esempio una riorganizzazione della composizione lipidica o della carica superficiale. Il secondo punto, l'attività sui biofilm, è rilevante perché le infezioni associate a dispositivi medici e a ferite croniche sono tra le più difficili da trattare con gli antibiotici classici.

Questa lettura ottimistica va però bilanciata. La rassegna di Lazzaro, Zasloff e Rolff pubblicata su Science nel 2020 richiama un'obiezione di tipo evolutivo: usare in clinica peptidi uguali o molto simili a quelli del nostro sistema immunitario innato comporta il rischio teorico di selezionare ceppi resistenti anche alle nostre difese naturali, un prezzo potenzialmente molto alto. Gli autori invitano quindi a progettare l'impiego terapeutico tenendo conto di quanto si è appreso dall'evoluzione di queste molecole.

Esiste inoltre una prova empirica che la resistenza ai peptidi è tutt'altro che impossibile: la colistina. La rassegna di Nang e colleghi su Pharmacological Reviews (2021) descrive come le polimixine, antibiotici di ultima linea contro i Gram-negativi multiresistenti, stiano perdendo efficacia a causa della diffusione della resistenza tra gli isolati clinici. Il meccanismo più comune consiste in modifiche del lipopolisaccaride con l'aggiunta di gruppi carichi positivamente, come la fosfoetanolammina e la 4-ammino-L-arabinosio, che riducono l'attrazione elettrostatica del peptide per la superficie batterica. La scoperta di geni di resistenza trasferibili su plasmide ha aggravato ulteriormente il quadro.

Contrariamente a quanto si legge spesso, la classe non è tutta sperimentale. Alcuni peptidi e lipopeptidi di origine microbica sono farmaci registrati e utilizzati quotidianamente in ospedale, in genere con un profilo di tossicità che ne limita l'impiego ai casi in cui le alternative sono poche.

Le polimixine sono lipopeptidi ciclici cationici. Le due molecole in uso clinico sono la polimixina B e la colistina (nota anche come polimixina E, somministrata come profarmaco colistimetato). Introdotte in clinica alla fine degli anni Cinquanta e poi largamente abbandonate per la tossicità renale e neurologica, sono state recuperate come terapia di ultima linea contro enterobatteri, Pseudomonas aeruginosa e Acinetobacter baumannii resistenti a tutto il resto. Come documenta la rassegna di Nang e colleghi (2021), colistina e polimixina B hanno spettri di attività antibatterica confrontabili, e la loro ottimizzazione farmacocinetica e farmacodinamica resta un problema aperto.

La daptomicina è un lipopeptide ciclico prodotto da Streptomyces roseosporus, costituito da una catena decanoilica legata a un peptide di 13 aminoacidi. La rassegna di Heidary e colleghi pubblicata sul Journal of Antimicrobial Chemotherapy nel 2018 ricorda che la FDA l'ha approvata nel 2003 per il trattamento delle infezioni complicate della cute e delle strutture cutanee, con indicazioni successive che comprendono la batteriemia e l'endocardite destra. Il meccanismo, non del tutto chiarito, prevede l'inserimento nella membrana batterica in modo calcio-dipendente, con rapida depolarizzazione e perdita di ioni intracellulari. È attiva sui Gram-positivi, compreso Staphylococcus aureus meticillino-resistente, ma risulta inattivata dal surfattante polmonare e non è quindi indicata nelle polmoniti.

Il quadro che emerge è chiaro: tutti i peptidi antimicrobici oggi approvati per uso sistemico hanno origine microbica, non umana, e sono stati scoperti decenni fa. Nessun peptide di difesa dell'ospite umano ha finora superato l'intero percorso regolatorio come antibiotico.

Il caso più studiato e più istruttivo è quello del pexiganan, un analogo sintetico della magainina 2 degli anfibi, sviluppato come crema per le ulcere del piede diabetico infette. Lipsky, Holroyd e Zasloff hanno pubblicato sul Clinical Infectious Diseases nel 2008 i risultati di studi randomizzati, in doppio cieco e multicentrici che confrontavano la crema di pexiganan con l'ofloxacina orale in ulcere diabetiche con infezione lieve. I tassi di guarigione o miglioramento clinico risultarono statisticamente equivalenti tra il trattamento topico e l'antibiotico sistemico. Nonostante questi dati, il percorso regolatorio del pexiganan non si è concluso con un'approvazione, e la molecola resta uno dei promemoria più citati della distanza fra attività in vitro e successo clinico.

Altri candidati hanno raggiunto le fasi cliniche, in genere per applicazioni topiche o locali: formulazioni cutanee e mucosali, peptidi per la decolonizzazione nasale, molecole per infezioni del cavo orale o per il trattamento di ferite e dispositivi. Rientrano in questo gruppo l'omiganan, derivato dall'indolicidina, e peptidomimetici progettati per imitare l'anfipaticità degli AMP naturali con scheletri chimici non peptidici, più resistenti alle proteasi. La rassegna di Chen e Lu pubblicata su Antibiotics nel 2020 analizza in dettaglio questa pipeline e le ragioni della sua lentezza.

Un filone più recente riguarda la progettazione computazionale. Grazie alle banche dati di sequenze antimicrobiche note e ai metodi di apprendimento automatico, è oggi possibile generare e selezionare candidati con proprietà desiderate (carica, idrofobicità, indice di emolisi previsto) prima di sintetizzarli. Questo approccio ha accelerato la fase di scoperta, ma non ha ancora modificato il collo di bottiglia reale, che resta la dimostrazione clinica di efficacia e sicurezza nell'uomo.

È importante leggere questa sezione con un criterio preciso: la presenza di una molecola in uno studio clinico non equivale a una prova di efficacia, e nessuno dei candidati citati è un trattamento disponibile o raccomandabile. Gran parte della letteratura su questi peptidi riguarda modelli cellulari e animali, e i risultati preclinici non si traducono automaticamente in benefici per i pazienti.

Il primo limite è la selettività. Il meccanismo che rende gli AMP efficaci, cioè l'interazione con le membrane, non distingue in modo assoluto fra cellule microbiche e cellule dell'ospite. Molti peptidi che risultano potenti nei test in vitro mostrano emolisi o citotossicità alle concentrazioni necessarie per un effetto sistemico. La storia clinica delle polimixine, limitate dalla nefrotossicità e dalla neurotossicità, illustra bene il problema su molecole realmente approvate.

Il secondo limite è la stabilità. I peptidi lineari sono substrati naturali delle proteasi presenti nel sangue, nei tessuti e nel tratto gastrointestinale. Questo comporta emivite spesso brevi e, per via orale, una degradazione pressoché completa prima dell'assorbimento. A questo si aggiunge la sensibilità all'ambiente: la forza ionica fisiologica, la presenza di cationi divalenti e il legame alle proteine del siero possono ridurre in modo marcato l'attività misurata in condizioni di laboratorio. Le strategie di mitigazione comprendono la ciclizzazione, l'uso di D-aminoacidi, i peptidomimetici e i sistemi di rilascio, tutte soluzioni che aumentano però la complessità dello sviluppo.

Il terzo limite è economico e industriale. La sintesi chimica di peptidi di 20 o 40 residui con elevata purezza resta costosa rispetto alla produzione di piccole molecole, e il costo cresce con la lunghezza e con le modifiche chimiche introdotte. Per un antibiotico, che deve essere somministrato a dosi ponderali e il cui prezzo di mercato è storicamente basso, questo squilibrio è un ostacolo rilevante. Chen e Lu (2020) individuano proprio nella combinazione di tossicità, instabilità e costi di produzione la ragione per cui la classe ha prodotto finora pochi farmaci, nonostante migliaia di sequenze descritte.

Vanno citati inoltre due rischi meno immediati. Il primo è l'immunogenicità potenziale di peptidi somministrati ripetutamente. Il secondo è il rischio evolutivo descritto da Lazzaro e colleghi su Science (2020): la selezione di resistenza crociata verso i peptidi della nostra immunità innata. Per questi motivi la maggior parte dei programmi di sviluppo si concentra oggi su applicazioni topiche, locali o adiuvanti, piuttosto che sulla sostituzione degli antibiotici sistemici.

Questo articolo ha finalità esclusivamente informative ed educative e non costituisce un parere medico. Non contiene indicazioni di dosaggio, protocolli di somministrazione o suggerimenti d'uso, e non intende in alcun modo orientare l'autogestione di un'infezione. Le infezioni batteriche e fungine richiedono una diagnosi e una prescrizione da parte di un professionista sanitario, perché la scelta della molecola, della via di somministrazione e della durata dipende dall'agente coinvolto, dalla sede e dalle condizioni della persona.

È utile tenere a mente tre distinzioni. La prima è fra farmaci approvati (polimixine, daptomicina, bacitracina e gramicidina per uso topico), che hanno indicazioni autorizzate e sono soggetti a prescrizione, e peptidi da ricerca, che non sono approvati per l'uso umano e sono venduti, dove la normativa lo consente, esclusivamente per finalità di laboratorio. La seconda è fra evidenza preclinica, ottenuta su colture cellulari o modelli animali, ed evidenza clinica, ottenuta su esseri umani in studi controllati: la prima è abbondante per gli AMP, la seconda è scarsa. La terza è fra attività antimicrobica misurata in provetta ed efficacia terapeutica, due concetti che il caso del pexiganan ha mostrato non essere interscambiabili.

Va ricordato anche che lo stato legale e regolatorio dei peptidi non approvati varia secondo la giurisdizione, e che l'acquisto o l'impiego di molecole destinate alla ricerca per scopi diversi può essere illecito oltre che rischioso. Nessuna informazione contenuta in questa pagina deve essere interpretata come un invito all'uso di una di queste sostanze.

Per chi vuole costruirsi una base più solida su questa classe di molecole, il percorso più ragionevole è partire dai fondamenti di biochimica e farmacologia dei peptidi e poi approfondire una singola molecola alla volta, come nel caso della monografia sulla LL-37, verificando sempre se le affermazioni che si incontrano derivano da studi sull'uomo o da modelli sperimentali.