Ogni anno milioni di pazienti in tutto il mondo sviluppano infezioni legate all’uso di dispositivi medici come cateteri, stent o sistemi di ventilazione. Alla base di molte di queste infezioni vi è la formazione di biofilm batterici, strutture che permettono ai microrganismi di aderire alle superfici dei dispositivi e di resistere agli antibiotici e alle difese immunitarie.
Un gruppo di ricerca dell’Irccs Humanitas Research Hospital e di Humanitas University ha individuato una possibile strategia alternativa: impedire ai batteri di aderire fin dall’inizio alla superficie del dispositivo.
Lo studio, pubblicato su Nature Communications, mostra come superfici caratterizzate da microrughe di dimensioni controllate possano generare condizioni sfavorevoli alla colonizzazione microbica, riducendo la presenza batterica iniziale e, di conseguenza, la formazione di biofilm. L’approccio, basato su principi di ingegneria delle superfici e biomimetica, potrebbe rappresentare una nuova frontiera nella prevenzione delle infezioni associate ai dispositivi medici.
Il peso delle infezioni associate ai dispositivi medici
Le infezioni correlate all’assistenza sanitaria (Ica) rappresentano una delle complicanze più diffuse e costose della medicina moderna. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, circa un paziente su dieci ricoverato in ospedale sviluppa almeno un’infezione associata alle cure, con prevalenze che nelle unità di Terapia Intensiva possono raggiungere il 20-30% dei pazienti (1).
In Europa si stimano circa 4,3 milioni di casi l’anno, con impatto significativo in termini di mortalità e giornate di ricovero aggiuntive (2). Una quota rilevante di queste infezioni è legata all’utilizzo di dispositivi medici impiantabili o temporanei, come cateteri urinari, cateteri venosi centrali, stent o dispositivi per la ventilazione.
Le infezioni urinarie associate a catetere (CAUTI) sono la forma più frequente di infezione nosocomiale e possono arrivare a costituire fino al 40% delle ICA ospedaliere, mentre le infezioni del torrente ematico correlate a catetere venoso centrale (CLABSI) sono associate a tassi di mortalità che possono raggiungere il 12-25% nei pazienti in Terapia Intensiva (3).
Alla base di molte di queste infezioni vi è la formazione di biofilm batterici, comunità microbiche organizzate che aderiscono alle superfici dei dispositivi e risultano estremamente difficili da eradicare. Si stima che il biofilm sia coinvolto in oltre il 65% delle infezioni nosocomiali e in più dell’80% delle infezioni croniche, rendendo i microrganismi fino a 500-1000 volte più resistenti agli antibiotici rispetto alle forme libere (4).
Strategie tradizionali e limiti nella prevenzione delle infezioni da dispositivo
Negli ultimi decenni la prevenzione delle infezioni associate ai dispositivi medici si è concentrata principalmente su strategie di tipo chimico o farmacologico. Tra le più diffuse vi sono l’utilizzo di rivestimenti antimicrobici, l’impregnazione dei cateteri con antibiotici o ioni d’argento, e l’impiego di protocolli di profilassi antibiotica o di disinfezione mirata dei dispositivi.
Queste soluzioni hanno contribuito a ridurre l’incidenza di alcune infezioni correlate ai dispositivi, ma presentano limiti importanti. In particolare, l’efficacia dei rivestimenti antimicrobici tende a diminuire nel tempo, mentre l’utilizzo di antibiotici può favorire la selezione di ceppi batterici resistenti.
Inoltre, una volta che il biofilm si è stabilizzato sulla superficie del dispositivo, l’eradicazione dei microrganismi diventa estremamente difficile, anche con terapie antibiotiche aggressive. Negli ultimi anni la ricerca sui biomateriali si è progressivamente orientata verso strategie capaci d’impedire l’adesione batterica già nelle prime fasi della colonizzazione, attraverso superfici antifouling o microstrutturate.
La ricerca di Humanitas
In questo filone s’inserisce anche il recente studio condotto dai ricercatori dell’Irccs Humanitas Research Hospital e Humanitas University. L’idea alla base dello studio nasce dall’osservazione di alcune superfici naturali che mostrano proprietà antifouling, cioè la capacità di ostacolare l’adesione di microrganismi.
In particolare, i ricercatori si sono ispirati alla pelle degli squali, caratterizzata da una microstruttura scanalata che limita la colonizzazione di organismi marini, e alle ali delle libellule, le cui superfici presentano particolari pattern microscopici in grado di ridurre l’adesione batterica. Partendo da queste osservazioni, il gruppo di ricerca ha esplorato la possibilità di applicare principi simili alla progettazione dei dispositivi medici.
L’obiettivo era verificare se specifiche microgeometrie superficiali potessero sfruttare il flusso naturale dei fluidi corporei per impedire ai batteri di stabilizzarsi sulle superfici di cateteri, stent e altri dispositivi, riducendo così la formazione di biofilm e il rischio di infezione.
Superfici con microstrutture rugose controllate
Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno progettato e analizzato superfici caratterizzate da microstrutture rugose controllate, capaci di modificare l’interazione tra batteri e flussi di fluido. Attraverso sistemi sperimentali e tecniche di microscopia ad alta risoluzione, il team ha studiato come specifiche geometrie superficiali influenzino il comportamento dei microrganismi in condizioni simili a quelle presenti nei dispositivi medici.
«Se una superficie non offre un appoggio stabile, i batteri vengono trascinati via dal flusso di acqua, urina o altri fluidi corporei in cui i dispositivi sono immersi, prima di riuscire a colonizzarla», spiega Roberto Rusconi, responsabile dell’Unità di Fisica Applicata, Biofisica e Microfluidica presso l’Irccs Istituto Clinico Humanitas e professore associato di Fisica per le Scienze della Vita presso Humanitas University.
«Abbiamo scoperto che la geometria può fare una grande differenza. Rughe e pieghe microscopiche, attentamente studiate, creano una sorta di barriera meccanica che impedisce ai batteri di agganciarsi. Per fare un’analogia, come una persona che cerca di restare in piedi su un tetto curvo mentre soffia un vento forte, i batteri sulle superfici rugose vengono continuamente spinti e sollevati dal flusso. Le curvature impediscono loro di stabilizzarsi, rendendo molto difficile l’adesione e la formazione di biofilm. È un meccanismo completamente fisico, basato sulla dinamica del fluido e sul comportamento dei microrganismi».
Lo studio in pratica
Per analizzare l’effetto della geometria superficiale sull’adesione batterica, i ricercatori hanno realizzato superfici elastomeriche in silicone, in particolare PDMS, con micro-rugosità controllate, ottenute attraverso tecniche di microfabbricazione capaci di generare pieghe e ondulazioni di dimensioni micrometriche. Queste strutture sono state progettate ispirandosi a principi osservati in alcune superfici naturali con proprietà antifouling, ma ottenute in laboratorio attraverso topografie corrugate controllate.
Le superfici sono state quindi studiate in sistemi microfluidici che simulano le condizioni di flusso presenti nei dispositivi medici, come cateteri e stent, consentendo di osservare in tempo reale l’interazione tra batteri, superfici e fluidi.
Attraverso tecniche di microscopia ad alta risoluzione e analisi quantitativa delle immagini, il team ha così valutato il comportamento dei microrganismi su superfici con diverse geometrie. La forma, l’altezza e la dimensione delle increspature realizzate dal team guidato dal prof. Roberto Rusconi sono state inoltre analizzate con grande precisione grazie al contributo di diversi gruppi di ricerca.
Le prime misurazioni sono state effettuate dal gruppo di ricerca del prof. Francesco Mantegazza dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca mediante microscopia a forza atomica, tecnica che consente di caratterizzare la topografia delle superfici su scala nanometrica.
Successivamente le analisi sono state approfondite presso il Laboratorio CLEM di Humanitas University, guidato dal dott. Edoardo D’Imprima, che integra microscopia ottica a fluorescenza – utile per osservare eventi dinamici e comportamento dei batteri – con microscopia elettronica ad altissima risoluzione.
È stato così possibile correlare l’osservazione dinamica dei batteri con immagini estremamente dettagliate delle superfici, fino a una risoluzione dell’ordine di un milionesimo di millimetro, verificando quale forma e quale distanziamento delle onde risultassero più efficaci nel limitare l’adesione batterica e la successiva formazione di biofilm.
La geometria che ostacola il biofilm
I risultati dello studio mostrano come la geometria delle superfici possa influenzare in modo significativo l’adesione dei batteri. In particolare, alcune configurazioni di micro-pieghe superficiali si sono dimostrate capaci di ridurre l’adesione batterica di oltre il 90% rispetto alle superfici lisce, ostacolando in modo marcato anche la formazione di biofilm.
L’effetto più evidente è stato osservato in presenza di rughe di circa cinque micrometri, cioè cinque milionesimi di metro, una scala dimensionale comparabile con quella delle cellule batteriche.
Nel corso degli esperimenti i ricercatori hanno analizzato diverse geometrie superficiali con lunghezze d’onda comprese tra 0,5 e 20 micrometri. Alcune strutture sinusoidali di circa 2 micrometri, orientate perpendicolarmente al flusso, hanno ridotto la colonizzazione batterica di oltre il 70%, mentre le strutture piegate di circa 5 micrometri hanno mostrato le prestazioni migliori, con una riduzione superiore al 90% della colonizzazione batterica e, nei test sul biofilm, una diminuzione superiore all’80-85% rispetto alle superfici lisce.
Alla base di questo effetto c’è un meccanismo puramente fisico legato all’interazione tra la curvatura della superficie e la dinamica dei fluidi. Le microincrespature modificano localmente il flusso, generando forze di taglio che tendono a sollevare e trascinare via i batteri prima che possano aderire stabilmente alla superficie. In pratica, se la superficie non offre punti di appoggio stabili, i microrganismi vengono continuamente rimossi dal flusso dei fluidi corporei, impedendo l’avvio della colonizzazione batterica e la successiva formazione di biofilm.
Questo comportamento è stato osservato nei confronti di Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, due microrganismi frequentemente coinvolti nelle infezioni associate ai dispositivi medici e usati come modelli sperimentali nello studio.
Verso una nuova generazione di dispositivi medici
I risultati dello studio suggeriscono che la progettazione mirata della microgeometria delle superfici potrebbe rappresentare una nuova strategia per prevenire le infezioni associate ai dispositivi medici. A differenza delle soluzioni tradizionali, basate su rivestimenti antimicrobici o sull’impiego di antibiotici, l’approccio sviluppato dai ricercatori punta a impedire fisicamente l’adesione dei batteri, sfruttando l’interazione tra geometria della superficie e dinamica dei fluidi.
Un principio che potrebbe essere applicato alla progettazione di cateteri, stent, protesi e altri dispositivi impiantabili, contribuendo a ridurre il rischio di infezioni senza ricorrere a farmaci e limitando così anche la pressione selettiva che favorisce lo sviluppo di resistenze antimicrobiche.
«Nel loro insieme, questi dati indicano una strategia promettente e priva di farmaci per progettare dispositivi medici più sicuri», spiega Luca Pellegrino ricercatore post-dottorato presso l’Unità di Fisica Applicata, Biofisica e Microfluidica presso l’Irccs Istituto Clinico Humanitas e Humanitas University. «Questa scoperta apre la strada a nuovi design di cateteri, stent e impianti in grado di ridurre drasticamente il rischio di infezioni, evitando fenomeni di resistenza agli antibiotici».
Infezioni correlate ai dispositivi medici: le dimensioni del problema
Le infezioni correlate all’assistenza sanitaria sono tra gli eventi avversi più frequenti nella pratica clinica. A livello globale si stima che circa un paziente su dieci contragga almeno un’infezione durante il ricovero. Nei Paesi ad alto reddito la prevalenza media è del 7% dei pazienti ospedalizzati, ma può raggiungere il 30% nelle Unità di Terapia Intensiva. In Europa, il Point Prevalence Survey dell’ECDC (2022-2023) stima che 4,3 milioni di pazienti acquisiscano ogni anno almeno un’infezione correlata all’assistenza. Una quota rilevante di queste infezioni è associata a dispositivi medici invasivi.
Si stima che il 60-70% delle infezioni nosocomiali sia direttamente collegato alla presenza di dispositivi, tra cui cateteri urinari, cateteri venosi centrali, ventilatori meccanici, protesi e stent. Tra le infezioni più comuni figurano le CAUTI (Catheter-Associated Urinary Tract Infections), che rappresentano fino al 40% di tutte le infezioni ospedaliere e che a livello globale raggiungono oltre 150 milioni di casi l’anno.
Le infezioni del torrente ematico associate a catetere venoso centrale (CLABSI) sono, invece, meno frequenti ma sono associate a un impatto clinico molto più grave, con tassi di mortalità documentati tra il 12% e il 25% nei pazienti ricoverati in Terapia Intensiva.
Biofilm: il principale meccanismo delle infezioni da dispositivo
Il biofilm rappresenta il meccanismo patogenetico centrale nelle infezioni associate ai dispositivi medici. Si tratta di comunità microbiche organizzate che aderiscono alle superfici e sono immerse in una matrice extracellulare di polisaccaridi, proteine ed eDNA che protegge i microrganismi dall’azione del sistema immunitario e degli antibiotici.
Secondo la letteratura scientifica, circa il 65% delle infezioni nosocomiali e oltre l’80% delle infezioni croniche microbiche sono associate alla formazione di biofilm. I biofilm si formano rapidamente anche sui dispositivi medici: studi con microscopia elettronica hanno mostrato che fino all’81% dei cateteri vascolari posizionati per 1-14 giorni risulta colonizzato da biofilm batterici. All’interno del biofilm i microrganismi mostrano una resistenza agli antibiotici fino a 500-1.000 volte superiore rispetto alle forme batteriche libere (planctoniche).
Questa resistenza è dovuta a diversi fattori, tra cui la barriera fisica della matrice extracellulare, la presenza di cellule persistenti metabolicamente quiescenti e la capacità dei batteri di scambiarsi geni di resistenza tramite trasferimento genico orizzontale. Per questo, nelle infezioni associate a dispositivi medici la sola terapia antibiotica è spesso insufficiente e, nei casi più gravi, può rendersi necessaria la rimozione del dispositivo infetto come unica strategia terapeutica definitiva.
Il costo nascosto delle infezioni ospedaliere
Le infezioni correlate all’assistenza sanitaria costituiscono anche un rilevante onere economico per i sistemi sanitari. Negli Stati Uniti il costo diretto annuo delle ICA è stimato tra 9,8 e 14,6 miliardi di dollari, mentre includendo i costi indiretti il peso economico complessivo può superare 100 miliardi di dollari l’anno.
In Europa le infezioni ospedaliere determinano circa 16 milioni di giornate di ricovero aggiuntive ogni anno e un costo diretto stimato tra 5,5 e 7 miliardi di euro. In Italia il costo medio per singola infezione ospedaliera è compreso tra 8.500 e 34.000 euro, con un impatto economico nazionale complessivo stimato in oltre 900 milioni di euro l’anno.
Bibliografia
1) WHO. Global report on infection prevention and control, 2024
2) ECDC. Point prevalence survey of healthcare-associated infections in acute care hospitals, 2022-2023
3) WHO. Guidelines on the prevention of catheter-associated infections
4) Flemming HC et al. Biofilms: an emergent form of bacterial life. Nat Rev Microbiol. 2016 Aug 11;14(9):563-75
5) WHO 2024 IPC report
6) Zimlichman E. et al. Health care-associated infections: a meta-analysis of costs and financial impact. JAMA Intern Med. 2013
7) ECDC. Healthcare-associated infections in Europe: epidemiology and burden
8) Ministero della Salute – PNCAR: Piano nazionale di contrasto all’antimicrobico-resistenza
Articolo tratto da Tecnica Ospedaliera luglio 2026
