Bacterial antibiotic resistance is widespread and presents ongoing challenges in treating infections. A less widely known—but equally challenging—problem is antibiotic tolerance, where bacteria called persisters are not sensitive to antibiotics because the drugs’ targets are inactive in these dormant cells. Kim Lewis’s group at Northeastern University in Boston, Massachusetts, had previously shown that persisters give biofilms their drug-tolerant properties. Now, Lewis and his colleagues have eradicated a biofilm infection with a derivative of the drug acyldepsipeptide called ADEP4, and showed that it activates a protease in persister cells, causing them to self-digest. Their work was published in Nature today (November 13).
“From a treatment perspective or a translational research perspective, [this study is] probably one of the most profoundly important advances that I’ve seen in the field for more than a decade,” said Garth Ehrlich, who is a professor of microbiology and immunology at the Drexel University College of Medicine in Pennsylvania, and was not involved in the work. “This is really transformative,” he continued. “The fact that they were actually able to eradicate a biofilm infection in deep tissue is essentially unheard of.”
Based on previous work in actively dividing cells, Lewis’s team predicted that ADEP4 would activate ClpP—a protease that typically identifies and degrades misfolded proteins—in dormant persisters, too. The researchers showed that in a stationary population of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), treatment with ADEP4 caused widespread, non-specific degradation of proteins, suggesting that activation of ClpP led to the cells’ self-digestion. ADEP4 alone did not kill all bacterial cells, which the authors suggested is likely due to mutations in ClpP that render those cells resistant to the compound. But ClpP mutants were susceptible to other antibiotics, so combinations of ciprofloxacin or rifampicin with ADEP4 led to a decrease in S. aureus to below the level of detection in vitro, in both biofilm and stationary populations.
The ultimate test of ADEP4’s efficacy came when the scientists moved into a mouse model of chronic S. aureus biofilm infection. They showed that ADEP4 and rifampicin together eliminated the biofilm from muscle tissue of the mice to the limit of detection. “It’s a terrific weapon to kill cells,” said Lewis, and “it does an especially good job killing those that conventional antibiotics do not.”
The paper is an “important advance in therapeutics against persistent infections,” said Daniel Wozniak, a professor of microbiology and microbial infection and immunity at Ohio State University, who did not participate in the work. “The concept of exploiting or rewiring a pathway in a bacteria, which is normally meant for normal homeostasis [and] normal cellular biology . . . is a new therapeutic twist,” he added.
“The beauty of this system is it seems to have a mechanism for going directly after the persister population—they basically chew themselves up from within,” explained microbiologist Lynn Hancock, an associate professor of molecular biosciences at Kansas State University, who was not involved in the work. Both hyperactivating a housekeeping gene and using ADEP4 in combination with other antibiotics represents “a really novel way of thinking about treating infection,” he continued.
Work still remains before this treatment reaches the clinic. Lewis explained that ADEP4 seems to work well for gram-positive pathogens like S. aureus, but is too large to penetrate the outer membrane of gram-negative bacteria, like Pseudomonas aeruginosa, which is often responsible for persistent biofilm infections in the lungs of cystic fibrosis patients. Lewis’s group is currently collaborating with a team of chemists to develop and identify other small molecules that could activate proteases in different bacteria and to produce ADEP4 variants with higher solubility and better activity. “There’s room to produce better analogs,” he said.
“An even harder test” of the treatment, and one that Ehrlich would really like to see, “would be to use an animal model [with] an implantable device and see if their therapy can eradicate a biofilm” on an implant, like a screw or an artificial joint, he said. “If they can eradicate that, that’s the holy grail.”
Wozniak pointed out that looking at other antibiotics besides rifampicin in combination with ADEP4 in vivo would be helpful for translating the findings. “In reality, clinicians have few choices to treat tolerant Staph aureus infections,” he said, “so it’d be nice to know how broadly applicable this will be.” He also would like to know how effective ADEP4 is for treating polymicrobial infections.
Despite the remaining challenges, experts believe the team’s findings will still have an impact. Gram-positive pathogens “are a worthy target to go after because those organisms are the leading cause of hospital-associated infection, and they’re often tolerant and resistant to a variety of antibiotics,” Hancock said. “Coming up with new ways and strategies to treat them is . . . a cool thing.”
“Over the past 15 years or so, we’ve established that most of these chronic infections are biofilms,” said Ehrlich. “For the first time, with this paper, we’re getting close to developing treatments. It certainly looks hopeful.”
B.P. Conlon et al., “Activated ClpP kills persisters and eradicates a chronic biofilm infection,” Nature, doi:10.1038/nature12790, 2013.
แบคทีเรียต้านทานยาปฏิชีวนะเป็นที่แพร่หลาย และนำเสนอความท้าทายอย่างต่อเนื่องในการรักษาติดเชื้อ A ที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางน้อย — แต่เท่า ๆ กัน ท้าทาย — ปัญหาคือ ยอมรับยาปฏิชีวนะ แบคทีเรียที่เรียกว่า persisters ไม่ความไวต่อยาปฏิชีวนะเนื่องจากเป้าหมายของยาจะไม่ทำงานในเซลล์เหล่านี้ไม่ คิมเลวิสกลุ่มมหาวิทยาลัยบอสตัน รัฐแมสซาชูเซตส์ เฉียงมีก่อนหน้านี้แสดงว่า persisters ให้ biofilms คุณสมบัติป้องกันยาเสพติด ตอนนี้ ลูอิสและเพื่อนร่วมงานของเขาได้กำจัดให้หมด biofilm ติดเชื้อกับเป็นอนุพันธ์ของ acyldepsipeptide ยาเรียกว่า ADEP4 และแสดงให้เห็นว่า เรียกรติเอสในเซลล์ persister สาเหตุย่อยด้วยตนเอง งานของเขาถูกเผยแพร่ในธรรมชาติปัจจุบัน (13 พฤศจิกายน)"รักษามุมมองหรือมุมวิจัย translational, [การศึกษานี้เป็น] คงหนึ่งความก้าวหน้าสำคัญและลึกซึ้งมากที่สุดที่ผมเคยเห็นในฟิลด์สำหรับกว่าทศวรรษ, " กล่าวว่า การ์ธ Ehrlich ผู้เป็นศาสตราจารย์ทางจุลชีววิทยาและภูมิคุ้มกันวิทยาที่ Drexel มหาวิทยาลัยวิทยาลัยของยาในรัฐเพนซิลวาเนีย และไม่เกี่ยวข้องกับการทำงาน "นี้จริง ๆ เปลี่ยนแปลง, " เขาต่อไป "ความจริงที่ว่า พวกเขาจะสามารถขจัดเชื้อ biofilm ในเนื้อเยื่อลึกคือได้ยินหลักของ"จากงานก่อนหน้านี้ในการแบ่งเซลล์อย่างแข็งขัน ทีมงานของลูอิสทำนายว่า ADEP4 จะเรียกใช้ ClpP — รติเอสที่จะระบุ และเสื่อมโปรตีน misfolded — ใน persisters เฉย ๆ เกินไป นักวิจัยพบว่า ในประชากรเครื่องเขียนของหมอเทศข้างลาย Staphylococcus ทน methicillin (MRSA), รักษา ด้วย ADEP4 เกิดแพร่หลาย ไม่ใช่เฉพาะการย่อยสลายของโปรตีน แนะนำให้ เปิดใช้งาน ClpP นำไป self-digestion ของเซลล์ ADEP4 คนเดียวไม่ได้ฆ่าเซลล์ทั้งหมดแบคทีเรีย ซึ่งผู้เขียนแนะนำอาจเนื่องจากการกลายพันธุ์ใน ClpP ที่ทำให้เซลล์เหล่านั้นทนต่อการผสม แต่ ClpP สายพันธุ์ไวต่อยาปฏิชีวนะอื่น ๆ ชุดให้ ciprofloxacin หรือ rifampicin กับ ADEP4 ลดลงในหมอเทศข้างลาย S. จะอยู่ต่ำกว่าระดับของการตรวจสอบเครื่องมือ ในประชากร biofilm และเครื่องเขียนการทดสอบที่ดีที่สุดของประสิทธิภาพของ ADEP4 มาเมื่อนักวิทยาศาสตร์ที่ย้ายไปยังแบบจำลองเมาส์ติดเชื้อเรื้อรัง S. หมอเทศข้างลาย biofilm พวกเขาพบว่า ADEP4 และ rifampicin กันกำจัด biofilm จากกล้ามเนื้อของหนูขีดจำกัดของการตรวจสอบ "มันเป็นอาวุธที่ยอดเยี่ยมการฆ่าเซลล์ กล่าวว่า ลูอิส และ"ทำงานดีโดยเฉพาะอย่างยิ่งการฆ่าที่ยาปฏิชีวนะทั่วไปไม่"The paper is an “important advance in therapeutics against persistent infections,” said Daniel Wozniak, a professor of microbiology and microbial infection and immunity at Ohio State University, who did not participate in the work. “The concept of exploiting or rewiring a pathway in a bacteria, which is normally meant for normal homeostasis [and] normal cellular biology . . . is a new therapeutic twist,” he added.“The beauty of this system is it seems to have a mechanism for going directly after the persister population—they basically chew themselves up from within,” explained microbiologist Lynn Hancock, an associate professor of molecular biosciences at Kansas State University, who was not involved in the work. Both hyperactivating a housekeeping gene and using ADEP4 in combination with other antibiotics represents “a really novel way of thinking about treating infection,” he continued.Work still remains before this treatment reaches the clinic. Lewis explained that ADEP4 seems to work well for gram-positive pathogens like S. aureus, but is too large to penetrate the outer membrane of gram-negative bacteria, like Pseudomonas aeruginosa, which is often responsible for persistent biofilm infections in the lungs of cystic fibrosis patients. Lewis’s group is currently collaborating with a team of chemists to develop and identify other small molecules that could activate proteases in different bacteria and to produce ADEP4 variants with higher solubility and better activity. “There’s room to produce better analogs,” he said.“An even harder test” of the treatment, and one that Ehrlich would really like to see, “would be to use an animal model [with] an implantable device and see if their therapy can eradicate a biofilm” on an implant, like a screw or an artificial joint, he said. “If they can eradicate that, that’s the holy grail.”Wozniak pointed out that looking at other antibiotics besides rifampicin in combination with ADEP4 in vivo would be helpful for translating the findings. “In reality, clinicians have few choices to treat tolerant Staph aureus infections,” he said, “so it’d be nice to know how broadly applicable this will be.” He also would like to know how effective ADEP4 is for treating polymicrobial infections.Despite the remaining challenges, experts believe the team’s findings will still have an impact. Gram-positive pathogens “are a worthy target to go after because those organisms are the leading cause of hospital-associated infection, and they’re often tolerant and resistant to a variety of antibiotics,” Hancock said. “Coming up with new ways and strategies to treat them is . . . a cool thing.”“Over the past 15 years or so, we’ve established that most of these chronic infections are biofilms,” said Ehrlich. “For the first time, with this paper, we’re getting close to developing treatments. It certainly looks hopeful.”B.P. Conlon et al., “Activated ClpP kills persisters and eradicates a chronic biofilm infection,” Nature, doi:10.1038/nature12790, 2013.
การแปล กรุณารอสักครู่..
