Curbing multidrug-resistant bacteria with novel host defense peptide fragments

Abstract

Das zunehmende Auftreten von multiresistenten Mikroorganismen stellt eine ersthafte und nicht zu unterschätzende Gefahr für die Menschheit dar. Schon heute sind antibiotika-resistente Bakterien jährlich für mehr als 670,000 Infektionen und annährend 33,000 Tote in der Europäischen Union verantwortlich – Tendenz steigend. Denn gegen multiresistente Bakterien hilft oft keines der gängigen Antibiotika, was besonders in Krankhäusern zu einem immer häufigeren Problem werden wird. Aufgrund dieser besorgniserregenden Entwicklung sah sich WHO genötigt ein Dossier zu veröffentlichen, um auf die Priorisierung von Forschung und Entwicklung neuer Antibiotika gegen multiresistente Bakterien aufmerksam zu machen. Ein vielversprechender Ansatz sind antimikrobielle Peptide (AMPs), die ein wichtiger Bestandteil des angeborenen Immunsystems sind und ein breites Wirkspektrum zur Kontrolle von Mikroorganismen besitzen. Defensine, eine der bedeutendsten Gruppen humaner AMPs, stehen seit einiger Zeit vermehrt als potentielle Therapeutika im Fokus. Diese werden durch ihre charakteristische Anordnung von Disulphidbrücken in α- und β-Defensine eingeteilt. Die Herstellung dieser präzise gefalteten Peptide in industriellem Maßstab ist jedoch technisch hoch komplex und teuer. Ein neues innovatives Konzept um diese Hürden zu umgehen, stellt die Generierung antimikrobiell aktiver Peptidfragmente durch proteolytische Spaltung dar. In dieser Arbeit wurden deshalb Fragmente von α- und β-Defensine auf ihr Potential zur Bekämpfung antibiotika-resistenter Bakterien untersucht. Dafür wurden zunächst das humane α-Defensin 4 (HNP-4) und das humane β-Defensin 1 (hBD1) proteolytisch gespalten, um verschiedene Fragmente zu generieren. Von den so entstandenen Fragmenten wurden HNP-41-11 und ein 8-Aminosäure-langes hBD1 Fragment (Octapeptid) auf ihre antimikrobielle Aktivität gegen Bakterien und Pilze sowie die Toxizität in humanen Zelllinien untersucht. Beide Fragmente zeigten bakterizide Wirkung und eine gute in vitro Verträglichkeit. Auf Basis des Octapeptids wurden verschiedene Lipopetide (Pam-1-5) entwickelt. Pam-3 zeigt herausragende bakterizide Wirkung gegen multiresistente Bakterien des ESKAPE-Panels und eliminiert zusätzlich etablierte Biofilme in vitro. Dabei kommt es bei einer verlängerten Exposition von Bakterien nicht zur Entwicklung von Resistenzen. Zusätzlich führte die orale Gabe von Pam-3 in intestinalen Infektionsmodellen in vivo zu einer selektiven Reduzierung der pathogenen Bakterien ohne die Mikrobiota zu beeinträchtigen. Abschließend betrachtet bestärkt diese Arbeit die Erforschung und Entwicklung neuer antimikrobieller Substanzen auf Basis von humanen Defensin-Fragmenten. Weitere Studien sind daher nötig, um das volle Potential dieser vielversprechenden Kandidaten im Kampf gegen multiresistente Bakterien zu erhalten.

The increasing occurrence of multidrug-resistant microorganisms represents a substantial threat for mankind. To-date, antibiotic-resistant bacteria are responsible for more than 670,000 infections and nearly 33,000 deaths in the European Union every year - with upward tendency. None of the common antibiotics are effective against these bacteria. Because of this alarming development, WHO has been forced to publish a dossier to draw attention to the prioritization of research and development of novel antibiotics. Host defense peptides (HDPs) – formerly known as antimicrobial peptides – are an important component of the innate immune system and possess a broad range of antimicrobial and immune modulatory properties to control infections. Defensins, the most prominent class of HDPs in humans, has been subject to extensive research focus as potential therapeutics. These small cationic molecules can be classified into α- and β-defensins by their characteristic arrangement of disulphide bridges. Unfortunately, the production of these precisely folded peptides on an industrial scale is a technically complex and expensive process. Thus, new cost-effective strategies more resilient to multidrug resistance are urgently needed. An innovative concept to overcome some of the production-associated hurdles is to generate antimicrobial active peptide fragments by proteolytic cleavage. Herein, we used the strategy of proteolytic digestion of HDPs to generate new biologically active fragments. The linearized forms of the human neutrophil peptide-4 and human β-defensin-1 are susceptible to proteolytic degradation and served as precursors. This way, we discovered HNP-41-11 and an eight-amino acid carboxyl-terminal fragment of hBD1, called octapeptide. Both fragments displayed a broad antimicrobial spectrum without showing toxicity to human cells. In addition, we modified the octapeptide N-terminal with palmitic acid together with different spacers such as sugars or amino acids to create a set of unique lipopeptides (Pam’s) with increased stability and bactericidal activity. The most promising peptide, Pam-3 exhibited prominent antimicrobial activity against multidrug-resistant ESKAPE pathogens and additionally eradicated already established biofilms in vitro, without inducing drug-resistance. In mouse models, Pam-3 selectively reduced acute intestinal Salmonella and established Citrobacter infections, without compromising the core microbiota, hence displaying an added benefit to traditional broad-spectrum antibiotics. Taken together, we demonstrated that small peptide fragments on the basis of human defensins have great potential to combat multidrug-resistant infections. Further studies are warranted to unleash their full potential and hopefully opening a new chapter of effective treatment strategies.