Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en syntetisk peptid som kan göra multiresistenta bakterier känsliga för antibiotika igen när de används tillsammans med traditionella antibiotika, ger hopp om möjligheten till en kombinationsbehandlingsstrategi för att hantera vissa antibiotikatoleranta infektioner.

På egen hand, den syntetiska antimikrobiella peptiden kan också döda bakterier som har blivit resistenta mot antibiotika.

Varje år, uppskattningsvis 700, 000 människor globalt dör av antibiotikaresistenta sjukdomar, enligt Världshälsoorganisationen. I avsaknad av ny terapi, infektioner orsakade av resistenta superbugs kan döda ytterligare 10 miljoner människor varje år världen över år 2050, överträffar cancer. Antibiotikaresistens uppstår hos bakterier när de kan känna igen och förhindra läkemedel som annars skulle döda dem, från att passera genom deras cellvägg.

Detta hot accelereras av den utvecklande COVID-19-pandemin, med patienter inlagda på sjukhus som ofta får antibiotika för att hålla sekundära bakterieinfektioner i schack, förstärker möjligheten för resistenta patogener att växa fram och sprida sig.

NTU Singapore -teamet, ledd av docent Kimberly Kline och professor Mary Chan, utvecklat en antimikrobiell peptid som kallas CSM5-K5 innefattande upprepade enheter av kitosan, ett socker som finns i skal av kräftdjur som har strukturell likhet med bakteriecellväggen, och upprepade enheter av aminosyran lysin.

Forskarna tror att kitosans strukturella likhet med bakteriecellväggen hjälper peptiden att interagera med och bädda in sig i den, orsakar defekter i väggen och membranet som så småningom dödar bakterierna.

Teamet testade peptiden på biofilmer, som är slemmiga bakterier som kan fastna på ytor som levande vävnader eller medicinsk utrustning på sjukhus, och som är svåra för traditionella antibiotika att tränga igenom.

I både förformade biofilmer i laboratoriet och biofilm bildade på sår hos möss, den NTU-utvecklade peptiden dödade minst 90 procent av bakteriestammarna på fyra till fem timmar.

I separata experiment, när CSM5-K5 användes med antibiotika som bakterierna annars är resistenta mot, fler bakterier dödades av jämfört med när CSM5-K5 användes ensam, vilket tyder på att peptiden gjorde bakterierna mottagliga för antibiotika. Mängden antibiotika som används i denna kombinationsbehandling var också vid en koncentration lägre än vad som vanligtvis föreskrivs.

Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften ACS infektionssjukdomar i maj.

Assoc Prof Kimberly Kline, en huvudutredare vid Singapore Center for Environmental Life Sciences Engineering (SCELSE) vid NTU, sade:"Våra resultat visar att vår antimikrobiella peptid är effektiv oavsett om den används ensam eller i kombination med konventionella antibiotika för att bekämpa multiresistenta bakterier. Dess styrka ökar när den används med antibiotika, återställa bakteriens känslighet för läkemedel igen. Mer viktigt, vi fann att de bakterier vi testade utvecklade liten eller ingen resistens mot vår peptid, vilket gör det till ett effektivt och genomförbart tillskott till antibiotika som en livskraftig kombinationsbehandlingsstrategi när världen kämpar med ökande antibiotikaresistens. "

Prof Mary Chan, chef för NTU:s centrum för antimikrobiell bioingenjör, sade:"Medan ansträngningarna är inriktade på att hantera COVID-19-pandemin, vi bör också komma ihåg att antibiotikaresistens fortsätter att vara ett växande problem, där sekundära bakterieinfektioner som utvecklas hos patienter kan komplicera saker, utgör ett hot i vården. Till exempel, virala luftvägsinfektioner kan tillåta att bakterier lättare kommer in i lungorna, som leder till bakteriell lunginflammation, som vanligtvis förknippas med COVID-19. "

Hur den antimikrobiella peptiden fungerar

Antimikrobiella peptider, som bär en positiv elektrisk laddning, fungerar vanligtvis genom att binda till de negativt laddade bakteriemembranen, störa membranet och få bakterierna att dö så småningom. Ju mer positivt laddad en peptid är, desto effektivare är det att binda till bakterier och därmed döda dem.

Dock, peptidens toxicitet för värden ökar också i linje med peptidens positiva laddning - den skadar värdorganismens celler när den dödar bakterier. Som ett resultat, framtagna antimikrobiella peptider hittills har haft begränsad framgång, sade Assoc Prof Kline, som också är från NTU School of Biological Sciences.

Peptiden designad av NTU -teamet, kallas CSM5-K5, kan samlas för att bilda nanopartiklar när den appliceras på bakteriefilm. Denna gruppering resulterar i en mer koncentrerad störande effekt på bakteriecellväggen jämfört med aktiviteten hos enstaka kedjor av peptider, vilket betyder att den har hög antibakteriell aktivitet men utan att orsaka onödiga skador på friska celler.

För att undersöka CSM5-K5s effekt på egen hand, NTU-forskarna utvecklade separata biofilmer bestående av meticillinresistenta Staphylococcus aureus, allmänt känd som MRSA superbug; en mycket virulent multiresistent stam av Escherichia coli (MDR E. Coli); och vankomycinresistenta Enterococcus faecalis (VRE). MRSA och VRE klassificeras som allvarliga hot av amerikanska centra för sjukdomskontroll och förebyggande.

I laboratorieexperiment, CSM5-K5 dödade mer än 99 procent av biofilmbakterierna efter fyra timmars behandling. I infekterade sår på möss, den NTU-utvecklade antimikrobiella peptiden dödade mer än 90 procent av bakterierna.

När CSM5-K5 användes med konventionella antibiotika, NTU-teamet fann att kombinationsmetoden ledde till en ytterligare minskning av bakterierna i både laboratorieformade biofilmer och infekterade sår hos möss jämfört med när endast CSM5-K5 användes, tyder på att den antimikrobiella peptiden gjorde bakterierna känsliga för de läkemedel som de annars skulle vara resistenta mot.

Mer viktigt, NTU -teamet fann att de tre bakteriestammarna som studerades (MRSA, VRE och MDR E. coli) utvecklade lite eller inget motstånd mot CSM5-K5. Medan MRSA utvecklade resistens på låg nivå mot CSM5-K5, detta gjorde MRSA mer känslig för läkemedlet som det annars är resistent mot.

Prof Chan sa:"Att utveckla nya läkemedel ensam är inte längre tillräckligt för att bekämpa svårbehandlade bakterieinfektioner, som bakterier fortsätter att utvecklas och överlista antibiotika/ Det är viktigt att titta på innovativa sätt att hantera svårbehandlade bakterieinfektioner i samband med antibiotikaresistens och biofilm, som att ta itu med bakteriens försvarsmekanismer. En mer effektiv och ekonomisk metod för att bekämpa bakterier är genom en kombinationsterapimetod som vår. "

Nästa steg framåt för teamet är att utforska hur en sådan kombinationsterapimetod kan användas för sällsynta sjukdomar eller för sårförband.