La lezione di Koch nell’era genomica

Qualcuno si ammala di qualcosa che i medici non sanno rintracciare nella propria esperienza e conoscenza. La malattia passa da una persona all’altra, sembra essere infettiva, i casi sono tanti, è un contagio. Come si fa a stabilire la causa?

Una causa non è qualcosa di tangibile, che si vede, si tocca, si incontra per strada. È piuttosto un’ipotesi che si formula con un ragionamento su eventi che, manifestandosi, suggeriscono un legame ad alcuni possibili agenti. Tale legame è però tanto più elusivo quanto più la causa è distante o remota e tanto più il ragionamento è carente per mancanza di percezione sensoriale, conoscenze, logica.

Per secoli il nostro cervello, una macchina alla ricerca incessante di spiegazioni, ha immaginato che le epidemie fossero causate da cose stranissime: dei arrabbiati che scagliavano punizioni come fulmini dal cielo, costellazioni stellari, miasmi. D’altronde i microbi non si sono potuti vedere per migliaia d’anni. Anche quando li si è visti, con i primi microscopi, c’è voluto molto tempo prima di provare e credere che esserini tanto piccoli fossero all’origine di terribili miserie.

L’associazione di specifici microrganismi a una particolare malattia è avvenuta poco più di un secolo fa, relativamente tardi nella storia umana, come conseguenza del lavoro del medico tedesco Robert Koch che nel 1905 avrebbe ricevuto il premio Nobel per la medicina o la fisiologia.

Robert Koch (Wikipedia)

Nel 1884 Koch formulò quattro requisiti, poi detti postulati di Koch, che dovevano essere soddisfatti per stabilire che un determinato patogeno fosse non un innocuo commensale, ma il vero responsabile di una specifica malattia:

  1. Il microrganismo dev’essere regolarmente associato alla malattia e alle sue lesioni caratteristiche.
  2. Il microorganismo dev’essere isolato dall’ospite ammalato e lo si deve poter crescere in coltura.
  3. Quando una coltura pura del microorganismo è introdotta in un ospite sensibile e sano, si deve riprodurre la malattia.
  4. Lo stesso microrganismo dev’essere isolato nuovamente nell’ospite infettato sperimentalmente.

I criteri di Koch hanno fornito un metodo scientifico razionale allo studio delle malattie infettive e hanno cambiato per sempre la microbiologia e la medicina. Koch li adoperò per stabilire che l’antrace, una malattia principalmente degli animali erbivori, è causata dal Bacillus anthracis e che la tubercolosi umana è provocata da una diversa specie di batteri. In seguito, applicati ampiamente, in molti casi sono stati la premessa al controllo di malattie incurabili tramite farmaci e vaccini.

Spore di Bacillus anthracis in coltura (CDC, Wikipedia)

I postulati hanno tuttavia qualche limite che lo stesso Koch aveva individuato fin da subito. Per il colera, per esempio, lui stesso non era riuscito a soddisfare tutti i requisiti, dato che il Vibrio cholerae, l’agente che causa la malattia, si trovava sia nei malati sia in persone sane.

Ancora più complicato era il caso delle malattie causate dai virus, che all’epoca di Koch non erano neppure stati scoperti. Molti virus, come del resto parecchi batteri, non causano la malattia in tutti gli individui infetti: per esempio il poliovirus provoca la poliomielite, paralizzando circa l’1% delle persone infette (oggi la malattia è pressoché debellata grazie ai vaccini).

 

Rosanna Benzi, forse la più famosa malata di poliomielite in Italia, ha passato gran parte della vita in un polmone d’acciaio in seguito all’infezione (superando.it).

Se un singolo virus può dare luogo a diverse malattie, ci sono malattie con gli stessi sintomi, provocate da microrganismi differenti.Ma studiarli non è facile: molti microbi sono refrattari alla coltura in laboratorio, in particolare i virus, che essendo parassiti obbligati hanno bisogno di cellule vive per riprodursi. Per altri microbi ancora oggi non è stato identificato un animale che può essere infettato e manifestare una malattia sufficientemente simile a quella provocata negli esseri umani.

Insomma, un microbo che soddisfa i postulati di Koch è verosimilmente la causa della malattia a esso associata, ma uno che non li soddisfa non lo si può escludere con certezza. La potenza dei postulati di Koch, in altre parole, non deriva tanto da una loro applicazione pedestre e rigida, quanto dal rigore del ragionamento scientifico che deve essere seguito nel raccogliere prove e osservazioni, anche a rischio di incappare in una o più violazioni dei criteri stessi.Alla luce di queste considerazioni, negli anni Trenta del secolo scorso Thomas Rivers, alla Rockefeller University di New York, aveva rivisto per la prima volta i criteri.

Un’ulteriore revisione è avvenuta a fine secolo scorso, quando ci si è resi conto che i postulati di Koch erano ancora più difficili da applicare nella nostra epoca portentosa. Oggi un computer collegato a una macchina per PCR (polymerase chain reaction) e a una che analizza rapidamente sequenze di acidi nucleici ci dice in pochi secondi che nel tale tessuto malato si trovano questo o quel pezzo di DNA o RNA microbico.E questo può accadere senza che nessuno abbia ancora mai visto o isolato il microrganismo a cui quei pezzi appartengono, o che sia possibile coltivare tale batterio o virus in laboratorio. È un po’ come sentire l’odore dolciastro di banana in un frullato, senza avere mai visto quel frutto lungo, giallo e un po’ storto da cui l’odore è emanato, o senza essere in grado di farlo crescere in un frutteto.

Negli ultimi 25-30 anni i prodigi genomici hanno mostrato che esistono moltissimi batteri e virus in buona parte ignoti in individui sia malati sia sani, e che ognuno di noi è un albergo per microbi.Questa potenza diagnostica, che ha parzialmente liberato dalla necessità di coltura in vitro, sta trasformando la medicina e la microbiologia moderne.

Ma trovare tracce di un microbo non equivale a provare un nesso di causa ed effetto, e questo secondo passaggio è diventato se possibile ancora più arduo, dato che gran parte dei microrganismi oltre a essere sconosciuti si rifiutano di crescere in laboratorio.

Prendete il virus dell’epatite C (HCV) e i virus del papilloma umano (HPV) per cui si sono ottenuti forse i maggiori successi recenti di cura e prevenzione. Oggi non ci sono dubbi che causino, rispettivamente, una forma di epatite e il cancro della cervice uterina, ma per anni è stato impossibile propagare sperimentalmente questi virus. L’esistenza dell’epatite C è stata ipotizzata nel 1970, quando la si chiamava “non A non B”, una doppia negazione che mostrava l’ignoranza l’impotente nei confronti di un virus che sembrava impossibile da isolare. Fortunatamente oggi, e da non molti anni, disponiamo di farmaci efficaci contro l’HCV e di ottimi vaccini contro gli HPV, nonostante il filo da torcere che questi virus hanno dato a scienziati persistenti e tenaci.

Il virus dell’epatite C in una foto al microscopio elettronico (Center for the Study of Hepatitis C, The Rockefeller University, Wikipedia), ottenuta soltanto nel 2010, nel laboratorio diretto da Charles Rice, che è anche riuscito a ottenere un topo in cui far crescere il virus umano.

Ecco dunque i postulati di Koch, aggiornati dai microbiologi David N. Fredericks e David A. Relman, nel 1996, alle opportunità e ai limiti dell’epoca genomica:

  1. Una sequenza di acido nucleico appartenente a un patogeno putativo dovrebbe essere presente nella maggior parte dei casi di malattia infettiva. Gli acidi nucleici microbici si dovrebbero trovare preferenzialmente in quegli organi o siti anatomici noti per essere colpiti dalla malattia, e non in quelli non patologici.
  2. Il numero di copie delle sequenze di acidi nucleici associate ai patogeni dovrebbe essere inferiore o nullo in ospiti o tessuti non malati.
  3. Con la risoluzione della malattia, il numero di copie delle sequenze di acidi nucleici associate ai patogeni dovrebbe diminuire o diventare non rilevabile. Viceversa, in caso di recidiva clinica, dovrebbe verificarsi il contrario.
  4. Quando la sequenza di acido nucleico viene rilevata prima che la malattia si manifesti, o il numero di copie della sequenza è correlato alla gravità della malattia o della patologia, è più probabile che l’associazione tra malattia e sequenza sia di tipo causale.
  5. La natura del microrganismo desunta dalla sequenza disponibile dovrebbe essere coerente con le caratteristiche biologiche note del gruppo di microrganismi a cui esso appartiene.
  6. I correlati alla sequenza individuata nei tessuti dovrebbero essere ricercati anche nelle cellule: si dovrebbero fare tentativi per dimostrare l’ibridazione in situ specifica della sequenza microbica in aree in cui i tessuti sono patologici e dove i microrganismi sono visibili o in aree in cui si presume che si trovino i microrganismi.
  7. Queste evidenze di causalità basate sulle sequenze microbiche dovrebbero essere riproducibili.

Alla luce delle trasformazioni tecnologiche e della conoscenza è molto utile e importante che i criteri di Koch siano stati aggiornati, e che continuino a esserlo in futuro. Tuttavia il numero di requisiti, cresciuto da 4 a 7, e la perdita di semplicità nel linguaggio ci dicono che il vasto e fantasioso mondo microbico, plasmato in millenni di evoluzione, continuerà a beffare anche la lista più raffinata e sottile, con continue eccezioni e varianti.

Secondo una stima neppure recentissima, le circa 50.000 specie di vertebrati sono capaci di ospitare, ciascuna, una media di circa 20 virus endogeni. Ciò predice l’esistenza di circa un milione di virus diversi, più del 99,9% sconosciuti. Molti possono fare salti di specie e causare malattie umane, agli animali di allevamenti o a quelli selvatici. E stiamo parlando solo di virus.

I microbi mutano continuamente e a volte basta la sostituzione di un nucleotide con un altro nel genoma per variare radicalmente la capacità di trasmissione da un ospite a un altro e per causare una malattia lieve o grave. Le manifestazioni di una malattia dipendono poi moltissimo dalla suscettibilità genetica dell’ospite, dall’età, dallo stato di nutrizione e salute generale, e dalle precedenti esposizioni ad agenti simili.

Provare il nesso causale è poi particolarmente difficile quando i microbi causano effetti remoti nel tempo o nello spazio, per esempio quando rilasciano una tossina che agisce dopo che il batterio è scomparso. In altri casi, cofattori o infezioni concomitanti sono necessari perché il virus o il batterio provochino una malattia. In certi casi il nesso causale è provato definitivamente solo quando un vaccino o un trattamento efficaci dimostrano che è possibile prevenire o curare la malattia.

La lezione di Koch resta dunque rilevante non tanto per il suo valore letterale, limitato già in origine, quanto per il suo insegnamento di rigore, persistenza e flessibilità nel ragionamento scientifico. Koch, ammettendo che il suo metodo era perfettibile, ancora oggi ci dice che le inevitabili eccezioni non ci devono spaventare né frustrare, e che sono anzi opportunità per continuare ad adeguare il ragionamento alla varietà del mondo biologico. I microbi saranno sempre sfuggenti e un passo oltre ogni nostro tentativo, anche il più rigoroso, tenace, tecnologico, di star loro dietro. Eppure, con i nostri umani limiti, qualche battaglia con i piccoletti la vinceremo ancora se persistiamo a osservare, riflettere e agire ragionando.

 

Per scrivere questo post ho letto, tra le altre cose: Vincent Racaniello, Koch’s postulates in the 21st century (22/10/2010) e Leaving Koch behind (15/12/18), Virology Blog; D.N Fredericks, D.A. Relman, Sequence-based identification of microbial pathogens: a reconsideration of Koch’s postulates, Clinical Microbiology Reviews (1/1996); W. Ian Lipkin, Microbe hunting in the 21st century, PNAS (2009). In apertura (Wikipedia) Robert Koch, terzo da destra, durante una spedizione in Egitto nel 1884 per studiare il colera.

Per la lezione

Prosegui la lettura

Commenti

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *