Antibiotikumet lolamycin har vist seg å drepe farlige bakterier uten å skade tarmmikrobiomet

En fersk studie publisert i tidsskriftet Nature fant at amerikanske forskere har utviklet og oppdaget et nytt selektivt antibiotikum kalt lolamycin som retter seg mot lipoproteintransportsystemet i gramnegative bakterier. Forskerne fant at lolamycin er effektivt mot multiresistente gramnegative patogener, viser effekt i museinfeksjonsmodeller, bevarer tarmmikrobiomet og forhindrer sekundære infeksjoner.

Antibiotika kan forstyrre tarmmikrobiomet, noe som fører til økt mottakelighet for patogener som C. difficile og øker risikoen for gastrointestinale, nyre- og hematologiske problemer. De fleste antibiotika, enten grampositive eller bredspektrede, skader tarmfloraen og forårsaker dysbiose. Virkningen av kun gramnegative antibiotika på mikrobiomet er uklar på grunn av deres sjeldenhet. Deteksjon av disse er vanskelig fordi de fleste antibiotikamålene er felles for både grampositive og gramnegative bakterier. Fordi tarmmikrobiomet inneholder mange gramnegative bakterier, kan promiskuøse antibiotika som kolistin forårsake betydelig dysbiose, noe som begrenser bruken av dem.

Til tross for det økende behovet for nye antibakterielle midler mot gramnegative bakterier på grunn av vedvarende infeksjoner, har ingen ny klasse blitt godkjent av Food and Drug Administration (FDA) de siste 50 årene. Oppdagelsen kompliseres av den komplekse membranstrukturen og efflukspumpene til gramnegative bakterier. Å utvikle et antibiotikum som kun er gramnegativt og som bevarer mikrobiomet, krever at man målretter seg mot et viktig protein som er unikt for gramnegative bakterier, med betydelige homologiforskjeller mellom patogene og kommensale bakterier. I denne studien utviklet og rapporterte forskere et nytt antibiotikum kalt lolamycin, som er rettet mot det periplasmatiske lipoprotein Lol-transportsystemet som er viktig for en rekke gramnegative patogener.

I denne studien siktet forskerne seg inn på LolCDE, en nøkkelkomponent i Lol-systemet i gramnegative bakterier. Screeninger ble utført for å finne potensielle hemmere av dette systemet, som deretter ble syntetisert og evaluert. Effekten av lolamycin ble testet mot multiresistente kliniske isolater av E. coli, K. pneumoniae og E. cloacae. Følsomhetsstudier ble utført med lolamycin og andre forbindelser.

Lolamycinresistente mutanter ble utviklet og sammenlignet med hensyn til kondisjon. Den bakteriedrepende aktiviteten til lolamycin ble studert ved hjelp av vekstkurver. Konfokalmikroskopi ble brukt til å observere fenotypiske endringer i målbakteriene. Molekylær modellering og dynamiske simuleringer, ensembledocking og klyngeanalyse ble brukt til å undersøke bindingsstedene og mekanismen for lolamycinhemming.

I tillegg ble mus behandlet med pyridinpyrazol (forbindelse 1) og lolamycin intraperitonealt i tre dager. Farmakokinetiske studier ble utført for å vurdere biotilgjengeligheten av lolamycin. Infeksjonsmodeller ble brukt til å sammenligne effekten av lolamycin og forbindelse 1 i behandlingen av lungebetennelse og sepsis, med lolamycin også administrert oralt. Mikrobiomene til mus ble analysert ved hjelp av avføringsprøver via 16S ribosomal RNA-sekvensering. I tillegg ble antibiotikabehandlede mus eksponert for C. difficile for å vurdere deres evne til å fjerne patogenet på egenhånd.

Lolamycin, en hemmer av LolCDE-komplekset, viste høy aktivitet mot spesifikke gramnegative patogener med lav akkumulering i E. coli. Lolamycin viste selektivitet og skånet både grampositive og gramnegative kommensale bakterier. Det viste minimal toksisitet for pattedyrceller og forble effektivt i nærvær av humant serum. Lolamycin viste høy aktivitet mot multiresistente kliniske isolater av E. coli, K. pneumoniae og E. cloacae. Lolamycin overgikk andre forbindelser ved å vise et smalt spekter av minimum hemmende konsentrasjoner og effekt mot multiresistente stammer.

Sekvensering av lolCDE i resistente stammer avdekket ingen mutasjoner assosiert med lolamycinresistens, noe som fremhever potensialet som en lovende antibiotikakandidat. Lolamycin viste lav resistensfrekvens blant stammer. LolC- og LolE-proteiner ble identifisert som mål, med spesifikke mutasjoner assosiert med resistens. Lolamycin viste enten bakteriedrepende eller bakteriostatisk aktivitet mot de testede bakteriene. Hevelse i lolamycinbehandlede celler ble observert, noe som tyder på svekket lipoproteintransport. Lolamycinresistente mutanter viste endrede fenotypiske responser på behandlingen, noe som bekreftet involveringen av LolC og LolE.

Lolamycin svekket lipoproteintransport ved kompetitivt å hemme binding ved BS1 og BS2. Hydrofobe interaksjoner ble funnet å være dominerende, noe som forklarer den reduserte effekten av forbindelser med primære aminer. Resistensgivende mutasjoner påvirket bindingsaffiniteten til lolamycin, noe som fremhever deres rolle i destabilisering av bindingssteder. Lolamycin viste overlegen effekt sammenlignet med forbindelse 1 i å redusere bakteriemengden og øke overlevelsen i infeksjonsmodeller som involverte multiresistente bakterier som E. coli AR0349, K. pneumoniae og E. cloacae.

Oral administrering av lolamycin viste betydelig biotilgjengelighet og effekt, reduserte bakteriemengden og økte overlevelsen hos mus infisert med kolistinresistente E. coli. Lolamycin hadde minimal innvirkning på tarmmikrobiomet, samtidig som det opprettholdt sin rikdom og mangfold sammenlignet med amoksicillin og klindamycin. Lolamycinbehandlede mus og kontrollpersoner viste minimal kolonisering med C. difficile. I motsetning til dette klarte ikke mus behandlet med amoksicillin eller klindamycin å fjerne C. difficile, og viste høy kolonisering gjennom hele eksperimentet.

Avslutningsvis identifiserer denne banebrytende studien lolamycin som et spesifikt antibiotikum som har potensial til å minimere skade på tarmmikrobiomet og forhindre sekundære infeksjoner. Ytterligere studier og kliniske studier er nødvendige for å bekrefte legemidlets kliniske anvendelighet. I fremtiden kan den mikrobiombevarende effekten av lolamycin gi betydelige fordeler i forhold til dagens bredspektrede antibiotika i klinisk praksis, noe som forbedrer pasientutfall og generell helse.