Abstract
I ceppi di Escherichia coli produttori di Shiga tossina (STEC) sono patogeni zoonotici che causano gravi malattie nell’uomo, come la colite emorragica e la sindrome emolitico-uremica tipica (tSEU). La tSEU è una rara sindrome, che rappresenta la causa principale di insufficienza renale acuta nei bambini sotto i tre anni essendo anche caratterizzata da anemia emolitica e trombocitopenia. I principali fattori di virulenza degli STEC sono le Shiga tossine (Stx), una famiglia di esotossine che comprende due tipi principali, Stx1 e Stx2, e diversi sottotipi. Le differenti Shiga tossine sono implicate in modo assai diverso nell’insorgenza della tSEU. Ad oggi, non esistono terapie specifiche per l'infezione da STEC e per la prevenzione della tSEU, perciò i pazienti vengono trattati con terapie di supporto (ripristino idro-elettrolitico, dialisi, anti-ipertensivi, trasfusioni). I metodi diagnostici microbiologici e sierologici attualmente disponibili sono complessi e talvolta inconcludenti. Inoltre, la diagnosi di laboratorio dell'infezione da STEC, così come la diagnosi differenziale della SEU atipica (aSEU), che ha un'origine genetica non infettiva, viene raramente eseguita in ospedale, ed è gestita principalmente dal laboratorio nazionale di riferimento per le infezioni da E. coli. Tutto ciò purtroppo prolunga l'intervallo di tempo tra l'insorgenza dei sintomi e la diagnosi dell'infezione riducendo così la capacità di intervenire tempestivamente con le cure di supporto appropriate. In questo contesto, la richiesta di nuovi saggi diagnostici è fondamentale per fornire un'assistenza sanitaria di alto valore. In particolare, i nano-biosensori ottici hanno suscitato grande interesse nella nanomedicina grazie alla loro capacità di superare i principali limiti dei metodi convenzionali. Nello specifico, la spettroscopia Raman amplificata in superficie (SERS) è una potente tecnica di spettroscopia vibrazionale altamente sensibile e specifica che consente la rilevazione di analiti senza marcatura, attraverso l'amplificazione dei campi elettrici presenti sulla superficie di un materiale plasmonico eccitato con luce monocromatica. L'obiettivo principale di questo progetto è valutare l'efficacia di nano-biosensori plasmonici nell’identificazione di diverse Shiga tossine in campioni biologici (sangue e feci). Il biosensore verrà utilizzato per lo sviluppo di un test diagnostico rapido, eseguibile direttamente in ospedale al momento del ricovero, per la diagnosi precoce delle infezioni da STEC, seguita da una tempestiva applicazione di terapia di supporto, e per la diagnosi differenziale simultanea della aSEU, che richiede un trattamento farmacologico diverso.
Risultati raggiunti
Alcuni batteri chiamati STEC causano gravi malattie nell’uomo, come la colite emorragica e la sindrome emolitico-uremica (SEU). La SEU è una rara sindrome che rappresenta la causa principale di danno renale acuto nei bambini sotto i tre anni di età essendo anche caratterizzata da forte anemia e grave riduzione del numero delle piastrine. Ad oggi, non esistono terapie specifiche per curare l'infezione da STEC e prevenire la SEU quindi i pazienti vengono trattati con terapie di supporto come dialisi per ripristinare la funzione renale e trasfusioni per contrastare l’anemia. Le principali armi a disposizione di questi batteri sono chiamate Shiga tossine (Stx), una famiglia prodotti batterici che comprende alcuni tipi principali, Stx1 e Stx2, clStx2 e diversi sottotipi. I differenti tipi di Shiga tossine sono implicati in modo assai diverso nell’insorgenza della SEU dando quadri di gravità molto variabile nei bambini. Ad esempio, i bambini infettati da batteri che producono la sola Stx1 mostrano i sintomi intestinali ma hanno scarsissime probabilità di contrarre la SEU, mentre è molto probabile lo sviluppo della sindrome se i batteri infettanti producono la Stx2. Se gli STEC producono entrambe le tossine il rischio è intermedio. Una buona diagnosi, perciò, prevede di identificare l’infezione e di rilevare la presenza nel paziente delle singole tossine. I metodi diagnostici attualmente disponibili sono molto complessi essendo raramente eseguiti in ospedale e gestiti principalmente dall’Istituto Superiore di Sanità. Tutto ciò purtroppo prolunga l'intervallo di tempo tra l'insorgenza dei sintomi e la diagnosi dell'infezione riducendo così la capacità di intervenire tempestivamente con le cure di supporto appropriate. In questo contesto, la richiesta di nuovi saggi diagnostici è fondamentale per fornire un'assistenza sanitaria di alto valore. In particolare, i biosensori ottici hanno suscitato grande interesse nella nanomedicina grazie alla loro capacità di superare i principali limiti dei metodi convenzionali se associati a tecniche fisiche solide come la spettroscopia Raman amplificata in superficie (SERS). Per risolvere questo delicato problema diagnostico abbiamo sviluppato tre diversi nano-biosensori per la rilevazione delle Shiga tossine. Il primo, anche se costoso, è stato ottenuto scavando con un sistema laser un materiale idoneo per garantire prestazioni elevate nelle analisi di laboratorio; il secondo, costituito da strati di nanoparticelle d'oro poste su substrati di silicio, è stato progettato per offrire un buon equilibrio tra prestazioni e costi; il terzo, prodotto su un substrato flessibile rivestito di nanoparticelle d'oro, è stato pensato come sensore economico, adattabile e idoneo per applicazioni sul campo. Con questi biosensori abbiamo sviluppato saggi rapidi per la diagnosi precoce delle infezioni da STEC. I biosensori hanno dato prova di rilevare e distinguere le potenti tossine (Stx1a, Stx2a e clStx2a) in campioni biologici complessi come il siero umano. È importante sottolineare che il secondo biosensore è stato anche impiegato su campioni di siero prelevati da pazienti con diagnosi di SEU dando una validazione formale del sistema in campioni clinici reali. Il progetto, nato dalla collaborazione tra l’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Pozzuoli (Napoli), il Laboratorio Europeo di Riferimento per Escherichia coli dell’Istituto Superiore di Sanità (Roma) e il Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche dell’Università di Bologna, ha raggiunto con successo i propri obiettivi scientifici e tecnologici, portando allo sviluppo di strumenti diagnostici rapidi (con possibile futuro impiego al letto del paziente) in grado di permettere la diagnosi precoce delle infezioni da STEC e di contribuire a migliorare l’identificazione dei pazienti a rischio e i processi decisionali del medico.Dettagli del progetto
Responsabile scientifico: Maurizio Brigotti
Strutture Unibo coinvolte:
Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche
Coordinatore:
CNR - Consiglio Nazionale delle Ricerche(Italy)
Contributo totale Unibo: Euro (EUR) 61.105,00
Durata del progetto in mesi: 24
Data di inizio
16/10/2023
Data di fine:
28/02/2026
