Synthetic Polymyxin-based Peptides Against Multidrug Resistant Bacteria: A Therapeutic Option

Abstract

Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus are nosocomial opportunistic pathogens causing a wide variety of both acute and chronic infections, such as pneumonia, bacteraemia, and urinary tract infections. Immunocompromised patients and those suffering cystic fibrosis show a particularly high susceptibility to infection by these microorganisms. Moreover, the increasing frequency of the isolation of multidrug-resistant bacteria (MDR) is a major cause for concern.

Polymyxins are cyclic peptides with antimicrobial action against Gram-negative bacteria that have been available since 1949, although they were left largely unused during the seventies because of their nephrotoxicity and the availability of less toxic antimicrobials to which bacteria had not yet developed resistance. The most known polymyxin is colistin; like other cationic polypeptides, colistin is an amphipathic compound and, it is believed that this amphipathic nature is relevant to its activity against bacteria.

Hence, the aim of this thesis was to synthesize antimicrobial peptides inspired in colistin scaffold and explore their antimicrobial activity against multidrug resistant bacteria such as P. aeruginosa and S. aureus, determine possible synergistic interactions with commercial antibiotics and explore their mechanisms of action.

Synthesis: The main attempt in this first part was to synthesize peptides in solid phase by the Fmoc/tBu method. After synthesis, peptides were purified by preparative HPLC method and finally, peptides were characterized by MALDI-TOF.

Antimicrobial activity: This part focused on the study the antimicrobial capacity of our peptides against multidrug resistant bacteria, specially P. aeruginosa and S. aureus. First peptide (AMP38) showed an acceptable antimicrobial activity against P. aureuginosa. Moreover, several imipenem-resistant P. aeruginosa were tested with AMP38 and imipenem showing a quite considerable synergistic action, both with planktonic and sessile bacteria.

In addition, two peptides of the same family (CAMP113 and CAMP207) were tested against S. aureus (both planktonic and sessile) showing a surprising antimicrobial action since Gram- positive bacteria are regarding as naturally resistant to polymyxins. Moreover, these peptides showed an inordinately high selectivity index.

Mechanisms of action: The final part of this doctoral thesis focused on an initial exploration of mechanisms of action of peptides above mentioned. Transmission electronic microscopy (TEM) assays were performed in order to elucidate possible interactions between peptides and outer membrane of Gram-negative bacteria. In addition, isothermal titration calorimetry assays were carried out to determine peptide-teichoic acid interactions.

Data obtained from these studies are promising, being able to be a therapeutic alternative for infections produced by multidrug resistant bacteria.

Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus son patógenos nosocomiales oportunistas causantes de una gran variedad de infecciones tanto crónicas como agudas, tales como neumonía, bacteriemia e infecciones del tracto urinario. Los pacientes inmunocomprometidos y aquellos que padecen fibrosis quística muestran una susceptibilidad particularmente alta a infectarse por estos microorganismos. Además, la mayor frecuencia de aislamientos de P. aeruginosa y S. aureus resistentes a múltiples fármacos (MDR) es una causa importante de preocupación.

Las polimixinas son péptidos cíclicos con capacidad antibiótica contra las bacterias Gram- negativas que han estado disponibles desde 1949, aunque se dejaron en gran parte de usar durante los años setenta debido a su nefrotoxicidad y a la disponibilidad de otros antimicrobianos menos tóxicos a los cuales las bacterias aún no habían desarrollado resistencias. La polimixina más conocida es la colistina e, igual que otros polipéptidos catiónicos es un compuesto anfipático. Se cree que esta naturaleza anfipática es relevante en su actividad contra las bacterias.

Por lo tanto, el objetivo de esta tesis fue sintetizar péptidos antimicrobianos inspirados en el esqueleto molecular de la colistina y explorar su actividad antimicrobiana contra bacterias resistentes a múltiples fármacos como P. aeruginosa y S. aureus, determinar posibles interacciones sinérgicas con antibióticos comerciales y realizar un primer acercamiento a sus mecanismos de acción.

SÍNTESIS:

El principal objetivo de esta primera parte fue sintetizar los péptidos en fase solida por el método Fmoc/tBu. Después de la síntesis, los péptidos se purificaron por el método de HPLC preparativo y, finalmente los péptidos se caracterizaron por MALDI-TOF.

ACTIVIDAD ANTIMICROBIANA:

Esta parte se centró en el estudio de la capacidad antimicrobiana de nuestros péptidos contra bacterias multirresistentes, especialmente P. aeruginosa y S. aureus. El primer péptido (AMP38) mostró una actividad antimicrobiana aceptable frente a P. aeruginosa. Además, se probaron

varias cepas de P. aeruginosa resistentes a imipenem con AMP38 mostrando una actividad sinérgica bastante considerable, tanto en bacterias planctónicas como sésiles.

Adicionalmente, se realizaron ensayos con dos péptidos de la misma familia (CAMP113 y CAMP207) frente a S. aureus (tanto planctónicos como sésiles) mostrando una acción antimicrobiana sorprendente, ya que las bacterias Gram-positivas como S. aureus se consideran naturalmente resistentes a las polimixinas.

MECANISMOS DE ACCIÓN:

La parte final de esta tesis doctoral se centró en una exploración inicial de los mecanismos de acción de los péptidos mencionados anteriormente. Se realizaron ensayos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para aclarar las posibles interacciones entre los péptidos y la membrana externa de las bacterias Gram-negativas. Además, se realizaron ensayos de calorimetría de titulación isotérmica para determinar las interacciones péptido-ácido teicoico.

Los datos obtenidos de estos estudios son prometedores, pudiendo ser una alternativa terapéutica para las infecciones producidas por bacterias resistentes a múltiples fármacos.