Synergy of PMBN and closantel against mcr-1-carrying multidrug- resistant E. coli and Salmonella via membrane permeabilization- driven accumulation and metabolic disruption

In de strijd tegen bacteriële infecties hebben wetenschappers lang gerekeken op een kleine groep krachtige medicijnen die bekend staan als antibiotica. Decennialang zijn deze medicijnen de ruggengraat van de moderne geneeskunde geweest, waarbij ze talloze levens hebben gered door schadelijke bacteriën te doden of te stoppen met vermenigvuldigen. Echter, bacteriën zijn slim en aanpasbaar; in de loop der tijd hebben ze geleerd om deze medicijnen te weerstaan, waardoor ooit effectieve behandelingen nutteloos zijn geworden. Deze groeiende resistentie is een wereldwijde crisis, met name bij een specifiek type bacteriën genaamd Gram-negatieve bacteriën, die een taaie buitenste schil hebben die het hen van nature moeilijk maakt om door te dringen. Wanneer deze bacteriën aanvullende resistentiegenen verwerven, zoals het gen dat een laatste redmiddel-antibioticum genaamd colistine blokkeert, blijven artsen met zeer weinig opties achter. De zoektocht naar nieuwe oplossingen heeft onderzoekers ertoe geleid om naar oude medicijnen op nieuwe manieren te kijken, met de vraag of het combineren van twee bestaande stoffen wellicht beter werkt dan één van de twee alleen. Een dergelijke strategie houdt in dat een hulpmolecuul wordt gebruikt om de buitenste schil van de bacterie af te breken, zodat een tweede medicijn kan binnendringen en zijn werk kan doen.

Een team van onderzoekers van de South China Agricultural University en het Institute of Quality Standards and Testing Technology for Agro Products in China heeft onlangs precies deze strategie verkend. Ze richtten zich op een medicijn genaamd closantel, dat normaal gesproken wordt gebruikt voor de behandeling van parasitaire wormen bij dieren. Hoewel closantel uitstekend is in het doden van bepaalde soorten bacteriën, faalt het tegen Gram-negatieve bacteriën omdat het niet voorbij hun taaie buitenmembraan kan komen. De onderzoekers wilden zien of ze closantel in deze resistente bacteriën konden dwingen door gebruik te maken van een hulpmolecuul genaamd polymyxine B nonapeptide. Dit hulpmolecuul is een gemodificeerde versie van een antibioticum dat gaatjes in de buitenste schil van de bacterie kan prikken zonder de bacterie zelf te doden of de gastheer te schaden. Door dit hulpmolecuul met closantel te combineren, wilden de onderzoekers zien of ze het vermogen van closantel om multidrug-resistente stammen van E. coli en Salmonella, inclusief die met het gevaarlijke mcr-1 resistentiegen, konden herstellen.

De resultaten van hun experimenten waren opmerkelijk. Toen de onderzoekers de combinatie in een laboratoriumsetting testten, ontdekten ze dat de twee stoffen samenwerken met een opmerkelijke kracht. Alleen had closantel bijna geen effect op de bacteriën, en het hulpmolecuul alleen was ook ineffectief. Maar wanneer gecombineerd, fungeerden ze als een krachtig wapen dat de bacteriën snel doodde. In tests die slechts vier uur duurden, verminderde de combinatie het aantal levende bacteriën met een factor duizend, en na vierentwintig uur roeide de combinatie de bacteriële populaties in de reageerbuizen volledig uit. Deze synergie was consistent over alle dertig stammen die ze testten, inclusief de moeilijkste die resistent waren tegen colistine. De onderzoekers observeerden ook dat de bacteriën niet gemakkelijk resistentie ontwikkelden tegen deze nieuwe combinatie, zelfs niet bij blootstelling daaraan gedurende een maand, wat suggereert dat deze aanpak in de loop van de tijd effectief zou kunnen blijven.

Om te begrijpen hoe deze combinatie werkte, keken de wetenschappers in de bacteriën. Ze ontdekten dat het hulpmolecuul erin slaagde de buitenste membraan te doorbreken, waarbij het fungeerde als een sleutel die de deur ontgrendelde zodat closantel kon binnendringen. Eenmaal binnen accumuleerde de closantel tot hoge niveaus, wat een kettingreactie van cellulaire uitval teweegbracht. De energievoorraad van de bacteriën, gemeten als ATP, raakte uitgeput, waardoor ze niet langer in staat waren essentiële functies aan te drijven. Hun vermogen om toxines uit de cel te pompen werd uitgeschakeld, en ze begonnen reactieve zuurstofcomponenten te accumuleren, waardoor ze zichzelf in feite van binnenuit vergiftigden. De onderzoekers brachten ook de metabole veranderingen binnen de bacteriën in kaart en vonden dat de combinatie de capaciteit van de bacteriën om energie te beheren, de interne chemie in balans te houden en de integriteit van hun celmembranen te handhaven, verstoorde. Deze totale metabole instorting leidde tot de dood van de bacteriën.

Het team testte deze combinatie ook in levende muizen die geïnfecteerd waren met een resistente stam van E. coli. Hoewel de behandeling niet elke muis heeft gered, verbeterde het de overlevingskansen aanzienlijk vergeleken met muizen die geen behandeling of slechts één enkel medicijn kregen. Bovendien waren de bacteriën gevonden in de organen van de behandelde muizen veel minder talrijk. De combinatie bleek ook veilig te zijn, aangezien het geen schade veroorzaakte aan rode bloedcellen in de tests, wat suggereert dat het de gastheer niet zou schaden. De onderzoekers merkten echter op dat de behandeling minder effectief was in de aanwezigheid van bloedserum, waarschijnlijk omdat het medicijn bindt aan eiwitten in het bloed, waardoor er minder beschikbaar blijft om de infectie te bestrijden. Dit geeft aan dat hoewel het biologische mechanisme solide is, de effectieve levering van het medicijn in een levend lichaam verdere verfijning vereist, zoals het ontwikkelen van betere manieren om de medicatie op te lossen en te transporteren.

Uiteindelijk biedt deze studie een heldere demonstratie dat het doorbreken van de buitenste barrière van resistente bacteriën de kracht van oudere medicijnen kan doen herleven. Door een niet-dodelijk hulpmolecuul te gebruiken om de deur te openen, lieten de onderzoekers closantel toe om binnen te dringen en de interne systemen van de bacteriën te ontmantelen, waarmee werd bewezen dat de barrière voor het succes van closantel niet een gebrek aan doelwitten was, maar simpelweg het onvermogen om de doelwitten te bereiken. De bevindingen bieden een veelbelovend pad vooruit voor de behandeling van infecties die momenteel onbehandelbaar zijn, en benadrukken het potentieel van het combineren van bestaande medicijnen om bacteriële resistentie te slim af te zijn. Hoewel er uitdagingen blijven bestaan bij het vertalen van deze laboratoriumsuccessen naar menselijke therapieën, legt het werk een solide fundament voor toekomstig onderzoek naar hoe we de groeiende dreiging van multidrug-resistente bacteriën kunnen overwinnen.