Nuovi approcci per gestire la resistenza agli antibiotici: una storia sul vaccine research e l’inibizione del divisoma.

In recent years, the bacterial Multi-Drug Resistance phenotype has become a considerable burden in clinics as treatment success strictly depends on how an infection responds to a drug; unfortunately, the number of effective antibiotics is inevitably decreasing while few or none have been newly commercialized. In light of this, new approaches and alternative bacterial targets are necessary to balance such a delicate situation. Reverse vaccinology has proved useful in cases where vaccine discovery would be difficult; thus, this approach has been applied to the case of Burkholderia cepacia complex (Bcc) bacteria, a group of highly resistant Gram-negatives affecting mainly immunocompromised, and people with Cystic Fibrosis. The genomes of 26 Burkholderia strains, mainly belonging to the Bcc, were analysed and compared to identify highly conserved and potentially immunogenic proteins involved in virulence. Three candidates were selected, i.e., BCAL1524, BCAM0949, and BCAS0335, and their localization inside the bacterial cells was validated. Furthermore, their involvement in virulence was studied by creating deletion mutants and by characterizing: mutants antimicrobial resistance profile; auto-aggregation and biofilm formation; swimming motility and symptoms development in Galleria mellonella; in addition, as BCAM0949 exploited similarities with Pseudomonas aeruginosa EstA and LipC, its lipolytic and rhamnolipid production activity were investigated too. The data obtained suggest that BCAL1524 and BCAS0335 share a relevant involvement mainly in the establishment of in vivo infection; the lipase BCAM0949 mediates multiple phenotypes, among them swimming motility and biofilm and rhamnolipid production, which can be all linked to the lipid metabolism. Another valuable strategy resides in targeting alternative bacterial structures respect to existing ones, such as the divisome. The filament temperature sensitive Z (FtsZ) protein is a highly-conserved target, providing an interesting platform for drug development in particular against the ESKAPE pathogens – which includes Enterococcus spp., Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacter spp., all known to acquire antibiotic resistance easily and to avoid drug treatment effectively. Here, the C109 compound and a series of predicted inhibitory compounds were investigated for their FtsZ inhibitory activity against Acinetobacter baumannii and Staphylococcus aureus, respectively, by analysing the GTPase and polymerization activity in vitro. The antibiofilm activity of the C109 compound was tested on different A. baumannii strains, including three clinical isolates, showing variable inhibitory effects on sessile bacteria by blocking both FtsZ GTPase and polymerization activity. Regarding S. aureus, one of the predicted compounds, called C11, was found to efficiently inhibit bacterial growth at low concentrations by acting on FtsZ polymerization and to decrease G. mellonella death upon S. aureus infection. To conclude, the results obtained confirm how important to study of FtsZ inhibitory compounds is, in the particular context of nosocomial infections frequently characterized by drug-resistance.

Negli ultimi anni, la resistenza batterica multi-farmaco è diventata un problema considerabile in ambito clinico, in quanto l’efficacia di una profilassi antibiotica dipende da come un’infezione reagisce ad un farmaco; sfortunatamente, il numero di antibiotici efficaci sta inevitabilmente diminuendo mentre pochi o nessuno nuovo principio attivo è stato commercializzato. Alla luce di ciò, per bilanciare una situazione così delicata è necessario ricercare nuovi approcci e target batterici alternativi. La vaccinologia inversa si è rivelata utile in casi dove la produzione di un vaccino sarebbe stata altrimenti difficile; perciò, questo approccio è stato applicato al caso dei batteri del Burkholderia cepacia complex (Bcc), un gruppo di batteri Gram-negativi altamente resistenti che infettano principalmente persone immunocompromesse, come coloro affetti da fibrosi cistica. I genomi di 26 ceppi di Burkholderia, in maggior parte appartenenti al Bcc, sono stati analizzati e comparati per identificare tutte le proteine altamente conservate e potenzialmente immunogeniche, coinvolte nella virulenza. Sono stati selezionati tre candidati, nello specifico BCAL1524, BCAM0949 e BCAS0335, ed è stata confermata la loro localizzazione all’interno delle Vescicole della Membrana Esterna. Inoltre, il loro coinvolgimento nella virulenza è stato studiato producendo mutanti di delezione e: il loro profilo di resistenza antimicrobica; l’auto-aggregazione e la formazione di biofilm; la motilità swimming e l’infezione in G. mellonella. In aggiunta, in quanto BCAM0949 presenta similarità con le lipasi EstA e LipC di Pseudomonas aeruginosa, è stata studiata la sua attività lipolitica e di produzione dei ramnolipidi. I dati ottenuti suggeriscono che BCAL1524 e BCAS033 sono entrambe coinvolte principalmente nello stabilimento dell’infezione in vivo; in parallelo, la lipasi BCAM0949 media molteplici fenotipi, tra cui la motilità swimming e la produzione sia del biofilm che dei ramnolipidi, tutti da far ricondurre ad un alterato metabolismo dei lipidi. Un’altra strategia utile nel combattere la resistenza antimicrobica consiste nello studio di target batterici alternativi, come il divisoma; la proteina Filament temperature sensitive Z (FtsZ) è altamente conservata e si presenta come un’interessante piattaforma per lo sviluppo di farmaci, in particolare contro il gruppo dei patogeni ESKAPE – che include le specie Enterococcus spp., Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa e Enterobacter spp., tutti conosciuti per la loro abilità di acquisire facilmente resistenze agli antibiotici e quindi sopravvivere ai trattamenti somministrati. Qui, rispettivamente su A. baumannii e S. aureus, si sono studiati il composto C109 e una serie di composti sintetici predetti di inibire FtsZ analizzandone la sua attività GTPasica e la polimerizzazione in vitro. L’attività antibiofilm del composto C109 è stata testata su diversi ceppi di A. baumannii, inclusi tre isolati clinici, dimostrando un effetto inibitorio variabile sulle cellule sessili dovuto al blocco sia dell’attività GTPasica che della polimerizzazione di FtsZ. Per quanto riguarda S. aureus, il composto C11 ha efficacemente inibito la crescita del batterio agendo sulla sola polimerizzazione di FtsZ, ed una volta somministrato ha inoltre diminuito la mortalità dovuta all’infezione in G. mellonella.