[English below] “Quello che mi piace dei fagi è che sono una soluzione naturale. Possiamo sfruttare l’arsenale della natura contro i batteri per rendere il mondo un posto più sano secondo molte diverse prospettive” afferma ad Agenda17 Steffanie Strathdee, epidemiologa, vicepresidente di Global Health Science e docente all’Università della California, San Diego (UCSD). I batteriofagi (o fagi) sono virus che infettano principalmente i batteri, e il loro utilizzo  si sta rivelando una promettente risorsa contro le infezioni da patogeni antibiotico resistenti. 

Come raccontato ad  Agenda17, Strathdee ha avuto modo di toccare con mano il potenziale della fagoterapia, ma, per quanto promettente, secondo l’epidemiologa le terapie basate sui batteriofagi necessitano ancora di molto lavoro e ricerca. 

“Ero molto ingenua inizialmente –  afferma Strathdee -, con il caso di mio marito tutti i pezzi sono andati al loro posto. Era come se i Pianeti si fossero allineati. Ho visto molti altri casi dove questo non è successo. Ci sono ancora delle sfide da affrontare nella pipeline.”.

Dalla caccia ai fagi alle librerie

Dopo aver isolato il batterio causa dell’infezione ed esaminato le resistenze ai farmaci,  un punto cruciale della phage therapy è l’identificazione dei batteriofagi in grado di eliminarlo. I fagi possono essere molto specifici infatti sul tipo batterio che sono in grado di infettare. In natura questi virus si trovano ovunque ci siano batteri, dalle acque di scolo ai pozzi neri, ed è lì che spesso gli scienziati iniziano a cercare. 

Inoltre, da anni i ricercatori hanno iniziato a collezionare e caratterizzare i diversi tipi di batteriofagi nelle cosiddette “librerie”, spiega ad Agenda17 Mariagrazia Di Luca, professoressa associata in Microbiologia presso il dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa e co-fondatrice della startup Fagoterapia LAB. 

“Sequenziare il loro genoma e analizzarlo ci permette di selezionare i fagi migliori dal punto di vista terapeutico. E anche ovviamente controllarne la sicurezza, perché non tutti i batteriofagi possono essere utilizzati nella terapia – continua Di Luca -. Ci sono un gruppo di batteriofagi che vengono esclusi al momento – a meno che non si faccia ingegnerizzazione – che sono i fagi che vengono detti temperati o lisogeni.”

A seconda della modalità che i virus utilizzano per moltiplicarsi (detto ciclo riproduttivo)  i batteriofagi possono essere distinti in due classi: i virus “litici” sfruttano i batteri per moltiplicarsi come se fossero delle officine e, una volta prodotte moltissime copie di virus, causano la rottura (o lisi) del batterio per rilasciare i nuovi virus all’esterno. Questi fagi sono quelli raccomandati per l’utilizzo in terapia. 

I fagi temperati o “lisogeni”, invece, oltre a sfruttare i batteri per moltiplicarsi, sono anche in grado di inserire il proprio DNA all’interno dell’ospite. Così facendo, possono facilitare il trasferimento di geni responsabili di resistenza ai farmaci o altri fattori nocivi da un batterio all’altro, per cui non sono adatti per essere utilizzati per terapie, a meno che non vengano “ trasformati” in fagi litici tramite la rimozione dei geni responsabili per l’integrazione del loro DNA.

Ad oggi, esistono diverse collezioni nazionali di fagi, non solo in Paesi con una lunga storia di ricerca sui fagi come Georgia e Polonia, ma anche in Germania, Svizzera, Giappone, Canada, Israele e Inghilterra. 

Queste librerie non devono essere viste come entità statiche secondo Strathdee, ma come raccolte di virus in continua espansione: l’evoluzione delle resistenze ai farmaci nei batteri – e di conseguenza i cambiamenti nei batteriofagi per tenere il passo – è un processo rapido e dinamico, il che implica un continuo aggiornamento e mantenimento di queste collezioni. 

Fagoterapia personalizzata o one fits all?

La comunità scientifica si sta inoltre confrontando su quale sia l’approccio migliore per lo sviluppo di terapie basate su batteriofagi: questi virus hanno il vantaggio di essere estremamente specifici per determinati ceppi di batteri, il che ne garantirebbe l’eliminazione con meno effetti collaterali, ma allo stesso tempo è più difficile da trovare il “fago perfetto”.

Inoltre, abbiamo visto come i batteri siano in grado di sviluppare resistenze verso i loro predatori, per cui vengono spesso somministrati contemporaneamente più tipologie di virus sotto forma dei cosiddetti “cocktail di fagi”. Ma per una produzione su più larga scala, quanto possiamo spostarci verso “cocktail ad ampio spettro”? 

“Riteniamo – commenta Di Luca – che l’approccio personalizzato, cioè quello customizzato sul ceppo del paziente, sia il migliore dal punto di vista scientifico, ma per lo sviluppo regolatorio ovviamente non siamo abituati a questo tipo di approccio, mentre un prodotto one fits all sarebbe più semplice da sviluppare, almeno sulla carta.” .

Servono clinical trial e ricerca di base 

Oltre all’aumento degli articoli e dei case studies, sta crescendo anche il numero dei clinical trial che testano l’utilizzo dei fagi in terapia. Al momento la maggior parte di trail è in fase 1 o 2 (quindi con un numero limitato di pazienti).

“Credo che i trial clinici per sé debbano essere più flessibili, perché ci sono molte diverse condizioni cliniche da tenere in considerazione, come infezioni ai polmoni, ad apparecchi prostetici, alla pelle e diversi patogeni – spiega Strathdee -. I trail per i vaccini e le terapie contro il Covid erano disegnati in maniera “smart” e venivano adattati man mano che nuove informazioni venivano alla luce. Per cui penso che anche in questo caso dobbiamo fare la stessa cosa.” 

I batteriofagi, infatti, sono farmaci “vivi”, e anche se siamo a conoscenza della dose somministrata, non sappiamo quanti effettivamente saranno presenti nel paziente dopo che i virus si saranno replicati. 

Per lo stesso motivo secondo l’epidemiologa occorre procedere con cautela e in maniera rigorosa: investire nella ricerca è fondamentale per comprendere come si comportano i fagi una volta all’interno del corpo umano, e come raggiungono i batteri. “Credo che, quando (la ricerca) diventerà più sofisticata, avremo una migliore comprensione dell’interfaccia tra il nostro sistema immunitario, i fagi e i batteri. Ora, la ricerca si sta concentrando l’interazione tra i fagi e i batteri, dimenticandosi del sistema immunitario.” 

L’interazione tra fagi e sistema immunitario del paziente, infatti, non è ancora molto studiata: in alcuni casi è stata osservata la produzione di anticorpi contro i batteriofagi, che ne ha ridotto l’efficacia clinica, come riportato in un caso pubblicato a febbraio da ricercatori di Pittsburg sul giornale Antimicrobial chemotherapy. 

Altri lavori, invece, sembrano andare nella direzione opposta, come nello studio sull’utilizzo di batteriofagi per trattamento di malattie come la fibrosi cistica, guidato dall’Università di Dartmouth e pubblicato a maggio su Plos biology.

“In generale, al momento non sono stati osservati particolari effetti collaterali relativi all’interazione con il sistema immunitario – spiega Di Luca -. Si sta cercando anche di capire quanto magari questa interazione sia positiva, cioè nel senso che anche il fago stesso potrebbe stimolare il sistema immunitario a essere più attivo nei confronti del batterio.”

I bias geopolitici nella phage therapy 

La storia della fagoterapia non riguarda solamente aspetti medici e scientifici, ma è ricca di politica e conflitti.

Negli Stati Uniti, secondo Strathdee, lo scetticismo che ha frenato la ricerca sui fagi in passato non è del tutto scomparso. “Ci siamo scontrati anche con questo fattore, che è stato uno dei motivi per cui il case report relativo al caso di mio marito è stato pubblicato su un buon giornale, ma non su uno dei più prestigiosi.”

“Le prime volte ne parlavo con un po’ di scetticismo, ma non saprei dirle se effettivamente sia una questione geopolitica – racconta Di Luca -. Sicuramente c’è da dire che, considerato che le prime pubblicazioni erano tutte in lingua russa, che non è esattamente la lingua della scienza, diventava complicato anche accedere ai dati. E spesso gli studi non erano accurati, o comunque non con un livello di accuratezza a cui siamo abituati nei Paesi occidentali.” 

Fagi e legislazione

Secondo Di Luca, oggi in Italia il discorso delle  terapie con i fagi viene approcciato con cautela, come tutte le nuove ricerche, ma soprattutto rispetto all’aspetto regolatorio.

“Al momento – spiega Di Luca – in Italia non c’è un regolatorio dedicato alla fagoterapia: viene utilizzata a uso compassionevole coinvolgendo comitati etici degli ospedali che possono approvare la terapia per quei pazienti che hanno già fallito tutte le opzioni terapeutiche a disposizione.” .

Anche negli Stati Uniti, e nella maggior parte dei Paesi europei, le terapie basate sui fagi vengono approvate, caso per caso, per uso compassionevole dalle agenzie del farmaco. 

“In alcuni casi vengono approvate intere librerie, così che diversi fagi inclusi in quella libreria possano essere combinate” aggiunge Strathdee. Il fatto di avere un “farmaco vivo” in un certo senso, non statico come potrebbe essere l’aspirina, aumenta il livello di complessità.

“Abbiamo altri modelli (di farmaci di questo tipo), come le cellule staminali, il trapianto di feci, le cellule CAR-T e altre terapie cellulari da cui possiamo imparare per quanto riguarda gli aspetti regolatori” commenta Strathdee. 

In Belgio hanno adottato un approccio diverso rispetto agli altri Paesi europei e la terapia con i fagi segue le regole della “preparazione farmaceutica magistrale”. Questa assicura al cittadino la possibilità di ottenere un medicinale non disponibile tra quelli già in commercio grazie a una prescrizione medica, che rappresenta lo strumento legale per allestire la preparazione.

“Potrebbe essere un buon modello soprattutto per l’approccio personalizzato” commenta Di Luca. Il prossimo novembre verrà pubblicato un capitolo generale nella farmacopea europea, cioè il codice che assicura parametri di qualità omologhi per i farmaci a livello europeo, relativo alla fagoterapia. Questo documento è stato scritto da un gruppo di lavoro con esperti dei diversi Stati membri, tra cui la ricercatrice Di Luca. “Questo capitolo generale, insieme alla monografia del Belgio, potrebbero essere già dei primi documenti da poter utilizzare per implementare la terapia all’interno degli ospedali.” 

Futuro della fagoterapia: stampa in 3D e Intelligenza artificiale

Uno dei motivi per cui le terapie con i batteriofagi stanno avendo più successo che in passato è la disponibilità di nuove tecnologie che ci permettono di conoscere e sfruttare al meglio questi strumenti. Secondo Strathdee le nuove tecnologie di stampa 3D e intelligenza artificiale (IA) potrebbero aiutarci ulteriormente in futuro per ottimizzare la fagoterapia. 

L’IA, per esempio, potrebbe renderci migliori nella “caccia ai fagi”: “Se sappiamo che a certi batteri piacciono di più alcuni ambienti, è lì che possiamo trovare anche i fagi in grado di attaccarli – spiega Strathdee -. Al momento usiamo le fognature e speriamo di trovare il fago in grado di uccidere il batterio che vogliamo eliminare, ma se conosciamo il luogo dove è stato identificato un certo batteriofago per la prima volta, potremmo usare machine learning per essere più efficaci riguardo l’approvvigionamento di fagi da ambienti simili nel Mondo.” 

Alcune realtà stanno già cercando di portare la fagoterapia a un ulteriore passo avanti. É questo il caso della startup tedesca Invitris, il cui motto è “un giorno stamperemo i fagi da un computer.” E quel giorno non sembra molto lontano, spiega Di Luca: “hanno creato un sistema per produrre il fago in provetta, quindi partendo dalla sequenza di DNA, così non abbiamo più bisogno di andare a caccia del fago.

Questo potrebbe essere un vantaggio per la produzione, ma anche per il fatto che non ci sarebbe bisogno di avere necessariamente una collezione fisica a disposizione, ma basterebbe conoscere il DNA. Quindi poi con la possibilità di avere un DNA sintetico, quello diventa il template (lo stampo) per poter produrre tutte le componenti del fago che si auto assemblano in provetta.”

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ANTIBIOTIC RESISTANCE DOSSIER: RETURN OF THE PHAGES The future of phage therapy depend on scientific research, but also legislation, and political bias

by Valentina Fajner

“What I like about phages is that they are a natural solution. We can harness nature’s own arsenal against bacteria to make the world a healthier place in a lot of different perspectives,” says Steffanie Strathdee, epidemiologist,  Associate Dean of Global Health Science, and professor at the University of California, San Diego (UCSD), in an interview with Agenda17. Bacteriophages (or phages) are viruses that primarily infect bacteria, and they are proving to be a promising resource against infections caused by antibiotic-resistant pathogens.

As told to Agenda17, Strathdee has had a firsthand experience with the potential of phage therapy, but, as promising as it is, the epidemiologist believes that phage-based therapies still require a lot of work and research. “I was very naive in the beginning – said Strathdee- with my husband’s case, everything fell together. It was like all the planets lined up. I’ve seen a lot of cases where that wasn’t the case. There are still challenges in the pipeline,” Strathdee says.

From phage hunting to phage libraries

After isolating the bacterium responsible for the infection and examining its drug resistances, a crucial point in phage therapy is identifying the bacteriophages capable of eliminating it. Phages can be very specific about the type of bacteria they can infect. In nature, these viruses are found wherever there are bacteria, from sewage to cesspits, and it is often in these places that scientists begin their search.

Furthermore, for years researchers have been collecting and characterizing different types of bacteriophages in so-called “phage libraries”, explains Mariagrazia Di Luca, associate professor of Microbiology at the University of Pisa and co-founder of the startup Fagoterapia LAB.

“Sequencing their genomes and analyzing them allows us to select the best phages from a therapeutic standpoint. And of course, we also need to check their safety because not all bacteriophages can be used in therapy,” Di Luca continues. “There is a group of bacteriophages that are excluded for now—unless engineered—which are known as temperate or lysogenic phages.”

Depending on how these viruses multiply (their reproductive cycle), bacteriophages can be classified into two categories: “lytic” viruses exploit bacteria to multiply, like factories, and once many copies of the virus are produced, they cause the bacterium to break open (or lyse), releasing the new viruses. These phages are recommended for use in therapy.

Temperate or “lysogenic” phages, on the other hand, not only use bacteria to multiply, but can also insert their DNA into the host. By doing so, they can facilitate the transfer of drug resistance genes or other harmful factors from one bacterium to another, making them unsuitable for therapeutic use – unless they are “transformed” into lytic phages by removing the genes responsible for DNA integration.

Currently, there are several national phage collections, not only in countries with a long history of phage research such as Georgia and Poland, but also in Germany, Switzerland, Japan, Canada, Israel, and the UK. These libraries should not be seen as static entities, according to Strathdee, but as collections of viruses that are continually expanding: the evolution of drug resistance in bacteria—and, consequently, changes in bacteriophages to keep up—is a rapid and dynamic process, which requires constant updating and maintenance of these collections.

Personalized phage therapy or one-fits-all?

The scientific community is also debating the best approach for developing phage-based therapies: these viruses have the advantage of being highly specific to certain strains of bacteria, which would theoretically eliminate bacteria with fewer side effects, but at the same time makes it more difficult to find the “perfect phage.”

Additionally, we have seen how bacteria can develop resistance to their predators, so phages are often administered in combination as “phage cocktails.” But for larger-scale production, how far can we move towards “broad-spectrum cocktails”?

“We believe -comments Di Luca- that the personalized approach, that is customized to the patient’s bacterial strain, is the best from a scientific perspective, but for regulatory development, of course, we are not used to this kind of approach, whereas a one-size-fits-all product would be easier to develop, at least on paper”.

Clinical trials and basic research are needed

Alongside the increasing number of articles and case studies, the number of clinical trials testing the use of phages in therapy is also growing. Currently, most trials are in phases 1 or 2 (with a limited number of patients).

“I believe that clinical trials should be more flexible because there are many different clinical conditions to consider, such as lung infections, infections related to prosthetic devices, skin infections, and different pathogens,” explains Strathdee. “The trials for vaccines and therapies against Covid-19 were designed in a ‘smart’ way and were adapted as new information came in. So I think we should do the same in this case.” Bacteriophages are “living” drugs, and while we know the dose administered, we don’t know exactly how many will be present in the patient after the phages have replicated.

For this reason, according to the epidemiologist, caution and rigor are necessary: investing in research is fundamental to understand how phages behave once inside the human body and how they reach the bacteria. “I believe that when research becomes more sophisticated, we will have a better understanding of the interface between our immune system, phages, and bacteria. Right now, research is focused on the interaction between phages and bacteria, forgetting the human immune system.”

The interaction between phages and the patient’s immune system is not well studied yet. In some cases, the production of antibodies against bacteriophages has been observed to reduce their clinical efficacy, as reported in a case study published last February in the journal Antimicrobial Chemotherapy, by researchers from Pittsburgh. Other studies, however, seem to go in the opposite direction, such as the study on the use of bacteriophages for the treatment of diseases like cystic fibrosis, led by Dartmouth University and published in May in PLoS Biology.

“In general, no particular side effects related to the interaction with the immune system have been observed so far,” explains Di Luca. “Researchers are also trying to understand whether this interaction might actually be positive, in the sense that the phage itself could stimulate the immune system to be more active against the bacteria.”

Geopolitical biases in phage therapy

The history of phage therapy does not only concern medical and scientific aspects, but is rich in politics and conflicts. 

In the United States, according to Strathdee, the skepticism that once hindered phage research has not entirely disappeared. “We encountered that as well. That’s one of the reasons why my husband’s case report was published in a good journal, but not one of the most prestigious.”

“The first time I talked about it, there was some skepticism, but I couldn’t say if it’s really a geopolitical issue,” recalls Di Luca. “It is true that, since the first publications were all in Russian—which is not exactly the language of science—it became complicated to access the data. And often, the studies weren’t as accurate, or at least not at the level of accuracy we are used to in Western countries.”

Phages and legislation

According to Di Luca, phage therapy is approached with caution in Italy today, as with all new research, especially regarding regulatory aspects.

“Currently, -explains Di Luca- there is no specific regulatory framework for phage therapy in Italy: it is accepted for compassionate use, involving hospitals ethics committees that can approve therapy for patients who have already failed all available treatment options”.

In the United States and most European countries, phage-based therapies are approved on a case-by-case basis for compassionate use by drug agencies. 

“In some cases, entire phage libraries are approved so that different phages within the library can be combined,” adds Strathdee. The fact that phages are “living drugs,” in a sense, and not static like aspirin, increases the level of complexity. 

“We have other models (of such drugs), like stem cells, fecal transplants, CAR-T cells, and other cell therapies, from which we can learn in terms of regulatory aspects,” comments Strathdee.

Belgium has taken a different approach from other European countries, and phage therapy follows the rules of “magistral pharmaceutical preparation.” This ensures that citizens can obtain medicines not available on the market through a medical prescription, which is the legal instrument for preparing the treatment.

“It could be a good model, especially for personalized approaches,” says Di Luca. This November, a general chapter will be published in the European Pharmacopoeia, which is the code ensuring uniform quality standards for medicines across Europe, regarding phage therapy. This document was written by a working group of experts from different member states, including Di Luca. “This general chapter, along with the Belgian monograph [which include description of the pharmacological preparation], could already be the first documents to use for implementing therapy in hospitals.”

The future of phage therapy: 3D print and artificial intelligence

One of the reasons phage therapy is having more success today than in the past is the availability of new technologies that allow us to better understand and use these tools. According to Strathdee, new technologies like 3D printing and artificial intelligence (AI) could further help optimize phage therapy in the future.

AI, for example, could make us better at “phage hunting”: “If we know that certain bacteria prefer certain environments, that’s where we can also find the phages that can attack them,” explains Strathdee. “Right now, we use sewers and hope to find the phage capable of killing the bacteria we want to eliminate, but if we know where a certain bacteriophage was first identified, we could use machine learning to be more effective in sourcing phages from similar environments around the world.”

Some organizations are already trying to take phage therapy a step further. This is the case with the German startup Invitris, whose motto is “One day, we will print phages from a computer.” And that day doesn’t seem far off, explains Di Luca: “They have created a system to produce phages in the test tube, starting from the DNA sequence, so we no longer need to hunt for phages. 

This could be an advantage for production, but also for the fact that there would be no need for a physical collection, just knowing the DNA [sequence]. With the possibility of synthetic DNA, it becomes the template to produce all the phage components that self-assemble in the test tube.”