Quorum Sensing as a Potential Biomarker Target to Diagnose Staphylococcus aureus Infections

Abstract

[eng] Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium capable of causing a wide range of infections, from minor skin conditions to severe diseases like pneumonia and sepsis. Its adaptability, virulence factors, and the emergence of multidrug-resistant strains, such as methicillin-resistant S. aureus (MRSA), pose significant global health challenges. Current diagnostic methods, such as culture-based techniques, are time-consuming, delaying treatment and contributing to antimicrobial resistance. This research focuses on developing immunochemical diagnostic tools to detect S. aureus infections rapidly and effectively. The work targets the main quorum sensing (QS) system of this bacterium, known as the accessory gene regulator (agr) system, which coordinates the production of virulence factors through autoinducing peptides (AIPs). AIPs are presented as biomarkers for detecting infections, phenotyping strains based on their agr group, and guiding therapeutic strategies. To achieve these goals, monoclonal and polyclonal antibodies against AIPs were developed and implemented in ELISAs. These assays demonstrated exceptional sensitivity, with low IC50 values (20.41 nM for AIP1o; 2.70 nM for AIP2o; 6.54 nM for AIP3c; and 2.19 nM for AIP3o), exceeding traditional detection methods like mass spectrometry. Additionally, the ELISAs were successfully adapted for detecting AIPs in bacterial culture media, providing rapid results within 2–3 hours. The study also addressed the challenges of analyzing AIPs in complex biological samples like bronchial aspirates (BAS). Various sample preparation strategies, including enzymatic treatments and immunoaffinity purification techniques, were evaluated. Immunoaffinity spin columns (ISCs) emerged as a scalable and robust method for AIP purification, enabling accurate detection in clinical respiratory samples. This work represents a significant advancement in diagnostic technology for S. aureus, offering rapid, sensitive, and clinically relevant tools. Further research is needed to validate these methods and expand their application, but they hold great promise for improving patient outcomes and combating antimicrobial resistance.

[cat] Staphylococcus aureus és una bactèria Gram-positiva capaç de causar una àmplia varietat d'infeccions, des d'afectacions cutànies lleus fins a malalties greus com pneumònia i sèpsia. La seva adaptabilitat, els seus factors de virulència i l'aparició de soques multiresistents, com S. aureus resistent a la meticilina (MRSA), representen importants reptes per a la salut global. Els mètodes diagnòstics actuals, com les tècniques basades en cultius, són laboriosos i requereixen molt de temps, fet que retarda el tractament i contribueix a la resistència antimicrobiana. Aquesta investigació se centra en desenvolupar eines de diagnòstic immunoquímic per detectar infeccions per S. aureus de manera ràpida i efectiva. El treball es focalitza en el principal sistema de quorum sensing (QS) d’aquesta bactèria, conegut com el regulador genètic accessori (agr, per les seves sigles en anglès), que coordina la producció de factors de virulència a través dels pèptids autoinductors (AIPs). Els AIPs es presenten com a biomarcadors per detectar infeccions, fenotipar soques segons el seu grup agr i guiar estratègies terapèutiques. Per assolir aquests objectius, es van desenvolupar anticossos monoclonals i policlonals contra els AIPs, que es van implementar en assajos ELISA. Aquests assajos van demostrar una sensibilitat excepcional, amb valors d'IC50 baixos (20,41 nM per a AIP1o; 2,70 nM per a AIP2o; 6,54 nM per aAIP3c; y 2,19 nM per a AIP3o), superant mètodes de detecció tradicionals com l’espectrometria de masses. A més, els ELISAs es van adaptar amb èxit per detectar AIPs en medis de cultiu bacterià, proporcionant resultats ràpids en tan sols 2-3 hores. L'estudi també va abordar els reptes d'analitzar AIPs en mostres biològiques complexes com aspirats bronquials (ABs). Es van avaluar diverses estratègies de preparació de mostres, inclosos tractaments enzimàtics i tècniques de purificació per immunoafinitat. Les columnes d’immunoafinitat per centrifugació (anomenades ISCs) van destacar com un mètode escalable i robust per purificar AIPs, permetent una detecció precisa en mostres respiratòries clíniques. Aquest treball representa un avenç significatiu en les tecnologies de diagnòstic per a S. aureus, oferint eines ràpides, sensibles i clíniques. Tot i que cal més recerca per validar aquests mètodes i ampliar-ne l’aplicació, mostren un gran potencial per millorar els resultats dels pacients i combatre la resistència antimicrobiana.

[spa] Staphylococcus aureus es una bacteria Gram-positiva capaz de causar un amplio rango de infecciones, desde afecciones cutáneas leves hasta enfermedades graves como neumonía y sepsis. Su adaptabilidad, factores de virulencia y la aparición de cepas multirresistentes, como S. aureus resistente a meticilina (MRSA), representan importantes desafíos para la salud global. Los métodos diagnósticos actuales, como las técnicas basadas en cultivos, son laboriosos y consumen tiempo, lo que retrasa el tratamiento y contribuye a la resistencia antimicrobiana. Esta investigación se centra en desarrollar herramientas de diagnóstico inmunoquímico para detectar infecciones por S. aureus de manera rápida y efectiva. El trabajo se enfoca en el principal sistema de quorum sensing (QS) de esta bacteria, conocido como el regulador génico accesorio (agr según sus siglas en inglés), que coordina la producción de factores de virulencia a través de los péptidos autoinductores (AIPs). Los AIPs se presentan como biomarcadores para detectar infecciones, fenotipar cepas según su grupo agr y guiar estrategias terapéuticas. Para alcanzar estos objetivos, se desarrollaron anticuerpos monoclonales y policlonales contra los AIPs, que se implementaron en ensayos ELISA. Estos ensayos demostraron una sensibilidad excepcional, con valores de IC50 bajos (20,41 nM para AIP1o; 2,70 nM para AIP2o; 6,54 nM para AIP3c; y 2,19 nM para AIP3o), superando métodos de detección tradicionales como la espectrometría de masas. Además, los ELISAs se adaptaron con éxito para detectar AIPs en medios de cultivo bacteriano, proporcionando resultados rápidos en tan solo 2-3 horas. El estudio también abordó los desafíos de analizar AIPs en muestras biológicas complejas como aspirados bronquiales (ABs). Se evaluaron diversas estrategias de preparación de muestras, incluidos tratamientos enzimáticos y técnicas de purificación por inmunoafinidad. Las columnas de inmunoafinidad por centrifugación (aquí denominadas ISCs) se destacaron como un método escalable y robusto para purificar AIPs, permitiendo una detección precisa en muestras respiratorias clínicas. Este trabajo representa un avance significativo en las tecnologías de diagnóstico para S. aureus, ofreciendo herramientas rápidas, sensibles y clínicamente relevantes. Si bien se requiere más investigación para validar estos métodos y ampliar su aplicación, muestran un gran potencial para mejorar los resultados de los pacientes y combatir la resistencia antimicrobiana.