Van het antibioticum lolamycine is ontdekt dat het gevaarlijke bacteriën doodt zonder het darmmicrobioom te beschadigen

Uit een recente studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, blijkt dat Amerikaanse wetenschappers een nieuw selectief antibioticum hebben ontwikkeld en ontdekt, genaamd lolamycine, dat zich richt op het lipoproteïnetransportsysteem in gramnegatieve bacteriën. De onderzoekers ontdekten dat lolamycine effectief is tegen multiresistente gramnegatieve pathogenen, werkzaam is in muizeninfectiemodellen, het darmmicrobioom beschermt en secundaire infecties voorkomt.

Antibiotica kunnen het darmmicrobioom verstoren, wat leidt tot een verhoogde vatbaarheid voor pathogenen zoals C. difficile en een verhoogd risico op gastro-intestinale, nier- en hematologische problemen. De meeste antibiotica, zowel grampositieve als breedspectrum, zijn schadelijk voor darmcommensalen en veroorzaken dysbiose. De impact van antibiotica die alleen gramnegatieve bacteriën bevatten op het darmmicrobioom is onduidelijk vanwege hun zeldzaamheid. Hun detectie is lastig omdat de meeste antibioticadoelen zowel grampositieve als gramnegatieve bacteriën betreffen. Omdat het darmmicrobioom veel gramnegatieve bacteriën bevat, kunnen promiscue antibiotica zoals colistine aanzienlijke dysbiose veroorzaken, wat het gebruik ervan beperkt.

Ondanks de groeiende behoefte aan nieuwe antibacteriële middelen voor gramnegatieve bacteriën als gevolg van aanhoudende infecties, is er de afgelopen 50 jaar geen nieuwe klasse goedgekeurd door de Food and Drug Administration (FDA). De ontdekking ervan wordt bemoeilijkt door de complexe membraanstructuur en effluxpompen van gramnegatieve bacteriën. De ontwikkeling van een antibioticum dat uitsluitend gramnegatieve bacteriën beschermt en het microbioom beschermt, vereist het aanpakken van een belangrijk eiwit dat uniek is voor gramnegatieve bacteriën, met aanzienlijke homologieverschillen tussen pathogene en commensale bacteriën. In deze studie hebben wetenschappers een nieuw antibioticum ontwikkeld en gerapporteerd, genaamd lolamycine, dat zich richt op het periplasmatische lipoproteïne Lol-transportsysteem dat belangrijk is voor diverse gramnegatieve pathogenen.

In deze studie richtten de onderzoekers zich op LolCDE, een belangrijk onderdeel van het Lol-systeem in gramnegatieve bacteriën. Er werden screenings uitgevoerd om potentiële remmers van dit systeem te vinden, die vervolgens werden gesynthetiseerd en geëvalueerd. De werkzaamheid van lolamycine werd getest tegen multiresistente klinische isolaten van E. coli, K. pneumoniae en E. cloacae. Er werden gevoeligheidsstudies uitgevoerd met lolamycine en andere verbindingen.

Lolamycineresistente mutanten werden ontwikkeld en vergeleken op fitness. De bactericide activiteit van lolamycine werd bestudeerd met behulp van groeicurven. Confocale microscopie werd gebruikt om fenotypische veranderingen in doelbacteriën te observeren. Moleculaire modellering en dynamische simulaties, ensemble docking en clusteranalyse werden gebruikt om de bindingsplaatsen en het mechanisme van lolamycineremming te onderzoeken.

Daarnaast werden muizen drie dagen lang intraperitoneaal behandeld met pyridinepyrazol (verbinding 1) en lolamycine. Er werden farmacokinetische studies uitgevoerd om de biologische beschikbaarheid van lolamycine te beoordelen. Infectiemodellen werden gebruikt om de werkzaamheid van lolamycine en verbinding 1 te vergelijken bij de behandeling van pneumonie en sepsis, waarbij lolamycine ook oraal werd toegediend. Het microbioom van muizen werd geanalyseerd met behulp van hun fecale monsters via 16S ribosomaal RNA-sequencing. Daarnaast werden met antibiotica behandelde muizen blootgesteld aan C. difficile om te beoordelen of ze de ziekteverwekker zelfstandig konden opruimen.

Lolamycine, een remmer van het LolCDE-complex, vertoonde een hoge activiteit tegen specifieke gramnegatieve pathogenen met een lage accumulatie in E. coli. Lolamycine vertoonde selectiviteit en spaarde zowel grampositieve als gramnegatieve commensale bacteriën. Het vertoonde minimale toxiciteit voor zoogdiercellen en bleef effectief in aanwezigheid van humaan serum. Lolamycine vertoonde een hoge activiteit tegen multiresistente klinische isolaten van E. coli, K. pneumoniae en E. cloacae. Lolamycine overtrof andere verbindingen door een nauw bereik van minimale remmende concentraties en werkzaamheid tegen multiresistente stammen te vertonen.

Sequentiebepaling van lolCDE in resistente stammen toonde geen mutaties aan die geassocieerd zijn met lolamycineresistentie, wat de potentie ervan als veelbelovende antibioticumkandidaat onderstreept. Lolamycine vertoonde een lage frequentie van resistentie tussen stammen. LolC- en LolE-eiwitten werden geïdentificeerd als targets, met specifieke mutaties die geassocieerd werden met resistentie. Lolamycine vertoonde bactericide of bacteriostatische activiteit tegen de geteste bacteriën. Zwelling van met lolamycine behandelde cellen werd waargenomen, wat duidde op een verstoord lipoproteïnetransport. Lolamycine-resistente mutanten vertoonden veranderde fenotypische reacties op behandeling, wat de betrokkenheid van LolC en LolE bevestigt.

Lolamycine belemmerde het lipoproteïnetransport door competitief de binding aan BS1 en BS2 te remmen. Hydrofobe interacties bleken dominant, wat de verminderde werkzaamheid van verbindingen met primaire aminen verklaarde. Resistentieverlenende mutaties beïnvloedden de bindingsaffiniteit van lolamycine, wat hun rol bij het destabiliseren van bindingsplaatsen benadrukte. Lolamycine bleek effectiever dan verbinding 1 in het verminderen van de bacteriële belasting en het verhogen van de overleving in infectiemodellen met multiresistente bacteriën zoals E. coli AR0349, K. pneumoniae en E. cloacae.

Orale toediening van lolamycine toonde een significante biologische beschikbaarheid en werkzaamheid aan, met een afname van de bacteriële belasting en een toename van de overleving bij muizen geïnfecteerd met colistine-resistente E. coli. Lolamycine had een minimale impact op het darmmicrobioom, terwijl de rijkdom en diversiteit ervan behouden bleven in vergelijking met amoxicilline en clindamycine. Met lolamycine behandelde muizen en controles vertoonden minimale kolonisatie met C. difficile. Muizen behandeld met amoxicilline of clindamycine daarentegen slaagden er niet in om C. difficile te verwijderen en vertoonden een hoge kolonisatie gedurende het experiment.

Concluderend identificeert deze baanbrekende studie lolamycine als een specifiek antibioticum met de potentie om schade aan het darmmicrobioom te minimaliseren en secundaire infecties te voorkomen. Verder onderzoek en klinische studies zijn nodig om de klinische toepasbaarheid van het geneesmiddel te bevestigen. In de toekomst kan het microbioombehoudende effect van lolamycine aanzienlijke voordelen bieden ten opzichte van de huidige breedspectrumantibiotica in de klinische praktijk, wat de patiëntresultaten en de algehele gezondheid kan verbeteren.