Multidrog rezisztencia csillapítása baktériumokban: az antimikrobiális peptidek szerepe  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
116222
típus PD
Vezető kutató Fernandes Martins Ana Sofia
magyar cím Multidrog rezisztencia csillapítása baktériumokban: az antimikrobiális peptidek szerepe
Angol cím Overcoming multi-drug resistance in bacteria: the role of antimicrobial peptides
magyar kulcsszavak antimikrobiális peptidek; antibiotikumok; multi-drog rezisztencia; rezisztencia evolúciója; kollaterális szenzitivitás.
angol kulcsszavak Antimicrobial peptides; antibiotics; multi-drug resistance; resistance evolution; collateral sensitivity.
megadott besorolás
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)100 %
zsűri Immun-, Tumor- és Mikrobiológia
Kutatóhely Biokémiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
projekt kezdete 2016-01-01
projekt vége 2020-12-31
aktuális összeg (MFt) 23.079
FTE (kutatóév egyenérték) 2.40
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A bakteriális multi-drog rezisztencia (MDR) rendkívül komoly egészségügyi problémát jelent, nagy szükség van új, hatásos antibiotikumokra vagy a terápiát hatékonyabbá tevő szerekre. A jelentős kutatási erőfeszítések ellenére az MDR számos kulcsmechanizmusa nem kellőképpen tisztázott. Ismert ugyanakkor, hogy egy antibiotikumhoz való adaptáció során 1) számos, a használt szerrel kémiailag nem rokon anyagok ellen is ún. kereszt-rezisztencia alakul ki, és/vagy 2) fokozott érzékenység jelentkezik más anyagokkal szemben (kollaterális szenzitivitás). Jelen pályázat ez utóbbit tervezi vizsgálni. Az emlősök veleszületett immunrendszerében is megtalálható ún. antimikrobiális peptidek (AMP-k) különösen ígéretesek az MDR elleni küzdelemben.

A tervezett munka során természetes és szintetikus AMP-ket fogunk vizsgálni 1) antibiotikumokkal kombináltan az MDR leküzdését és/vagy kialakulásának megelőzését célozva, valamint 2) új terápiás potenciállal rendelkező vezérmolekulákat igyekszünk felfedezni a nyert adatok segítségével.

Az eredmények felhasználásával 1) kvalitatíve és kvantitatíve jellemezzük AMP-k és antibiotikumok interakcióit; 2) fontos információkat nyerünk a szinergizmus/antagonizmus és a kollaterális szenzitivitás/keresztrezisztencia közötti összefüggésekről; és 3) azonosítjuk az AMP-k azon fizikai-kémiai jellemzőit, amelyek az antibiotikumokkal való kombinációik hatása szempontjából relevánsak. A tervezett kutatás várhatóan jelentősen hozzájárul az AMP-k gyakorlati terápiás alkalmazásához és számos új területet nyit meg az alapkutatás számára.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A baktériumok antibiotikumokhoz való adaptációja során a rezisztencia kialakulása egyéb anyagokra való fokozott érzékenységgel is járhat.
A javasolt kutatási terv fő célkitűzése olyan anyagok felfedezése, amelyek ki tudják aknázni a baktériumok antibiotikus terápia során a rezisztencia mellett megjelenő ún. kollaterális szenzitivitást. Ilyen anyagok maguk is antibakteriális hatásúak, képesek fokozni létező antibiotikumok hatását, és/vagy meg tudják előzni a rezisztencia kialakulását. A kutatásra választott anyagok az úgynevezett antimikrobiális peptidek (AMP-k). Ezek némelyike (antibakteriális hatásuk mellett) a projektnek otthont adó kutatócsoport előzetes eredményei alapján megfelel a fenti kritériumoknak. Ez alapján kutatásunk a következő két fő kérdése keresi a választ: 1) Alkalmasak-e az AMP-k antibiotikumokkal kombinálva multi-drog rezisztens infekciók kezelésére? 2) Ilyen kombinációkkal megelőzhetjük-e a rezisztencia kialakulását? A projekt célja egy gazdag AMP vegyületkönyvtár ebből a szemszögből való vizsgálata kombinációs és evolúciós kísérletek segítségével, és az AMP-k olyan tulajdonságainak azonosítása, amelyek további fejlesztésre alkalmas vezérmolekulák szintéziséhez lesznek felhasználhatóak. Ezen vegyületek hatás és hatásmechanizmus vizsgálata ugyanakkor azt is lehetővé teszi, hogy a kollaterális szenzitivitásban érintett mechanizmusok megismerésével új terápiás célpontok/stratégiák kidolgozásának célját tűzzük ki.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A multi-drog rezisztens (MDR) fertőzések komoly közegészségügyi problémává váltak. A WHO 2014-es jelentése szerint a multi-drog rezisztencia extrém elterjedése észlelhető világszerte gyakorlatilag mindenféle fertőzéses megbetegedés esetében: bakteriális fertőzések, TBC, malária, HIV, stb. Az antibiotikumok túlzó és helytelen használata a humán terápiában és az állattenyésztésben a rezisztens baktériumok szelekciójához és elterjedéséhez, és az antibakteriális szerek hatásának csökkenéséhez vagy teljes megszűnéséhez vezetett. Sürgős és nagy szükség van olyan új terápiában alkalmazható anyagok felfedezésére és kezelési stratégiák kidolgozására, amelyek sikerrel küzdhetik le ezeket a betegségeket: a kései ’80-as évek óta nem fedeztek fel új antibiotikum csoportot. Kombinációkkal megelőzhető és/vagy kezelhető a rezisztencia pl. TBC v. malária esetén, de ezt a megközelítést ritkán alkalmazzák pl. E. coli által okozott bakteriális fertőzésekben. Az AMP-kkel szembeni kollaterális szenzitivitás terápiás lehetőségeinek feltérképezésével kutatásunk rendkívül jelentős mértékben járul hozzá ilyen kórképek leküzdéséhez.
Az AMP-k klinikailag releváns antibiotikumokkal való kombinációinak vizsgálata új, antibakteriális gyógyszerfejlesztésre alkalmas, szabadalmaztatható vezérmolekulák azonosítását tesz lehetővé.
Munkánk nagy mennyiségű hasznos adatot fog szolgáltatni a kollaterális szenzitivitást kihasználni képes anyagokról, a rezisztencia csökkentésének és/vagy kialakulásának megakadályozásának lehetőségeiről.
A szokásos „vak” szűrővizsgálatoktól racionálisabb megközelítésünk a felfedező gyógyszerkutatás rokon területei számára is hatékony kutatási protokollok kidolgozásához vezethet.
Mindezeken túl a tervezett szisztematikus vizsgálatok számos értékes eredménnyel fognak szolgálni az alapkutatás számára, és a rezisztencia evolúciójának és az AMP-k erre kifejtett hatása alapján kutatásunk más MDR patogének által okozott fertőzéses megbetegedések leküzdéséhez is jelentős mértékben hozzájárul.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A tudósok az antibiotikumok felfedezése óta szembesülnek a rezisztencia kialakulásának problémájával. Jelentős erőfeszítések történtek a jelenség hátterének megértésére és olyan gyógyszerek kifejlesztésére, amelyekkel szemben nehezebben alakul ki rezisztencia, vagy amelyek antibiotikumokkal kombinációban képesek azt visszafordítani. Sajnos ezek az erőfeszítések nem hozták meg a várt sikert. Ismertté vált ugyanakkor, hogy a baktériumok egyes szerek ellen kialakuló rezisztenciája más szerekkel szemben érzékenyebbé teheti őket (kollaterális szenzitivitás).

Célunk olyan hatásos anyagok felfedezése, amelyek a baktériumoknak ezt a „gyengeségét” célozzák meg: segítenek megelőzni a rezisztencia kialakulását vagy más anyagokkal szemben teszik érzékenyebbé őket. Az úgynevezett antimikrobiális peptideket (AMP-ket) tervezzük erre felhasználni, amelyek előzetesen nagyon ígéretesnek mutatkoztak ebből a szempontból. Ezek a kisméretű antibakteriális hatással rendelkező peptidek az emlősök veleszületett immunrendszerének részét képezik, de növényekben és gombákban is megtalálhatóak. Természetes és szintetikus AMP-ket fogunk vizsgálni arra, hogy mennyiben képesek rezisztens baktériumokat elpusztítani illetve ismert antibiotikumok elleni rezisztencia kialakulását megakadályozni és/vagy visszafordítani.

Szisztematikus, nagy áteresztőképességű vizsgálati megközelítéseket fogunk használni a pályázat célkitűzéseinek megvalósításához, amelynek során számos fontos felfedezés várható. Ezek nem csak a rezisztens bakteriális fertőzések elleni küzdelemben lesznek hasznosak, de az AMP-k hatásmechanizmusáról és a rezisztencia evolúciójáról is további értékes információkat fognak szolgáltatni.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Bacterial multi-drug resistance (MDR) is a main problem of public health and new effective antibiotics or adjuvants to the therapy are urgently needed. Despite the large research efforts, several key mechanisms behind MDR are still not well understood. Nevertheless, it has been revealed that adaptation to one drug can lead to: 1) the development of resistance to a wide variety of chemically unrelated molecules (cross-resistance), and/or 2) an increased sensitivity of the resistant organism to other drugs (collateral sensitivity). This proposal will explore the second situation. Antimicrobial peptides (AMPs), small molecules originally found in the innate immune system of mammals, are of extraordinary interest in view of the possibility to overcome MDR.

In this work, natural and also synthetic AMPs will be studied for 1) their capacity to overcome and or prevent MDR when combined with existing antibiotics. Moreover, 2) development of new lead compounds with therapeutic potential will be aimed based on the results obtained.

The results obtained will be used to 1) characterize and quantify interactions between AMPs and antibiotics; 2) reveal important information on the relationship between drug synergism/antagonism and collateral sensitivity/cross-resistance, respectively, and; 3) identify the physico-chemical characteristics relevant to the activity of AMP as adjuvants in combination with antibiotics. The proposed work is expected to significantly contribute to the practical therapeutic application of AMPs as well as to open up a wide array of future options for basic research.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Bacterial adaptation to a certain antibiotic can lead to both increased resistance and/or sensitivity to other drugs. The proposed research plan has the main objective to identify molecules that can take advantage of collateral sensitivity to certain drugs upon development of resistance upon antibiotic therapy. Such molecules can have antibacterial activity, increase the activity of existing antibiotics, and/or prevent or reduce the evolution of resistance. The chosen molecules for this project are known as antimicrobial peptides (AMPs). They have antibacterial properties, and preliminary data obtained at Pal lab at the host institution of this project, showed that some AMPs fit the above described criteria. Therefore, the two main question of this research plan are: 1) can AMPs be used in combination with existing antibiotics, to treat multi-drug resistant infections? 2) When in combined, do AMPs prevent evolution of resistance? This proposal aims to characterize a rich compound library of AMPs for their capacity to overcome (combination experiments) and/or prevent evolution of bacterial resistance to antibiotics (evolution experiments), and to identify AMP properties that can be used to synthesize new lead compounds for further development. While, studying the activity and mechanism of action of these compounds, experiments will also allow to study mechanisms involved in collateral sensitivity, with the aim of identifying new therapeutic targets/strategies.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Multi-drug resistant infections had become a major public health problem. According to the 2014 report of WHO, extremely high rates of multi-drug resistance (MDR) have been observed worldwide and reported for all kinds of infectious diseases: bacterial infections, TB, malaria, HIV, etc. As a result of extensive misuse of antibiotics in humans and food-producing animals, selection and spread of resistant bacteria was favoured and antibacterial drugs have decreased or lost their efficacy. To find new therapeutic agents that are effective against multi-drug resistant pathologies as well as new therapeutic approaches are urgently needed. In fact since the late 1980’s, no new class of antibacterial drugs has been discovered. Combination therapy has the potential to prevent and/or over-come resistance in several diseases like tuberculosis or malaria, but it is rarely applied to bacterial infection caused for example by E. coli. By exploring the therapeutic potential of collateral sensitivity to AMPs, the present work offers a highly significant contribution to defeating such pathologies.
The expected results from the study of AMPs in combination with clinically relevant antibiotics will allow us to identify new promising leads for further antibacterial drug development. Such new compounds will surely be worthy for patenting.
Our work will generate a large amount of useful data with respect to the properties of compounds that can take advantage of collateral sensitivity to increase activity of antibiotics and/or prevent arousal of MDR.
Our approach for a more rational lead identification than conventional blind screening is expected to lead to the establishment of successful protocols in other related fields of drug discovery as well.
Moreover, the planned systematic studies will give more information about bacterial collateral sensitivity mechanisms that will provide valuable data to many related fields of basic research. Based on our better understanding of MDR evolution and the effect of AMPs on it, our results are expected to significantly contribute to defeat infections caused by other MDR pathogens as well.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Since the discovery of antibiotics, scientists have faced the appearance of resistance to one or more antibiotics. Large efforts have been put to understand the mechanisms behind this phenomenon, and to develop drugs with less chances to cause development of resistance or that can restore the activity of existing antibiotics when used in combination during therapy. Unfortunately, these efforts have not been as successful as expected. Still, it was also found that bacteria when become resistant to some antibiotics might decrease its resistance to others (collateral sensitivity).

Our objective is to find active compounds that target such “weakness” of bacteria, avoiding the development of resistance, or turning them sensitive to existing antibiotics. We plan to use small molecules called antimicrobial peptides (AMPs), since they showed to be very promising to achieve such objectives. They are small peptide molecules with antibacterial activity, originally found in the innate immune system of mammals and also present in plants and fungi. In this work, both natural and synthetic AMPs will be studied for their capacity to kill resistant bacteria, to prevent development of resistance to common antibiotics and/or to restore the activity of such antibiotics.

Systematic, high throughput approaches will be used to fulfil the objectives of the proposal and many important discoveries are expected on this course. Those will be useful not only to fighting resistant bacterial infections, but will also provide important information on the mechanism of action of AMPs as well as on the evolution of resistance.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
The objective of the work was to investigate the use of antimicrobial peptides (AMPs) in combination with conventional antibiotics (ABs) to restore antibiotic susceptibility of resistant bacteria and/or prevent emergence of resistance during therapy. We observed that 1) AB-resistant bacteria are often sensitive to AMPs but cross-resistance is relatively rare. 2) AB-resistance mechanisms involving the cell membrane often confer susceptibility to AMPs. 3) laboratory evolution of resistance to AMPs was less efficient and more heterogenous than to antibiotics. 4) some AMPs act synergistically antibiotics against AB-resistant bacteria. 4) resistance to AMPs mostly involve changes in membrane integrity. Subinhibitory doses of one peptide caused up to 30-fold increase in AB susceptibility in various resistant bacteria and could prevent the evolution of resistance to known ABs such as tetracycline and ciprofloxacin. Such peptide served as inspiration to the synthesis of antimicrobial foldamers, i.e synthetic peptides with similar activity but more stable in vivo. Indeed, we observed strong synergism between the foldamers and ABs both in sensitive and resistant bacteria. After, we tested how relevant are these results in live animals. Honeycomb moth larvae were infected with bacteria, and their survival was not influenced by a new foldamer peptide, but significantly increased when co-treated with the peptide and the AB nalidixic acid.
kutatási eredmények (angolul)
The objective of the work was to investigate the use of antimicrobial peptides (AMPs) in combination with conventional antibiotics (ABs) to restore antibiotic susceptibility of resistant bacteria and/or prevent emergence of resistance during therapy. We observed that 1) AB-resistant bacteria are often sensitive to AMPs but cross-resistance is relatively rare. 2) AB-resistance mechanisms involving the cell membrane often confer susceptibility to AMPs. 3) laboratory evolution of resistance to AMPs was less efficient and more heterogenous than to antibiotics. 4) some AMPs act synergistically antibiotics against AB-resistant bacteria. 4) resistance to AMPs mostly involve changes in membrane integrity. Subinhibitory doses of one peptide caused up to 30-fold increase in AB susceptibility in various resistant bacteria and could prevent the evolution of resistance to known ABs such as tetracycline and ciprofloxacin. Such peptide served as inspiration to the synthesis of antimicrobial foldamers, i.e synthetic peptides with similar activity but more stable in vivo. Indeed, we observed strong synergism between the foldamers and ABs both in sensitive and resistant bacteria. After, we tested how relevant are these results in live animals. Honeycomb moth larvae were infected with bacteria, and their survival was not influenced by a new foldamer peptide, but significantly increased when co-treated with the peptide and the AB nalidixic acid.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116222
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Ana Martins, Viktória Lázár, Réka Spohn, Lejla Daruka, Gábor Olajos, Gergő Fekete, Tamás A Martinek, Balázs Papp, Csaba Pál: Antimicrobial Peptide PGLA Restores Antibiotic Susceptibility and Mitigates Resistance Evolution, ASM-ESCMID conference on Drug Development meet the challenge of antimicrobial resistance, Boston, 6-8 September 2017, 2017
Ana Martins, Viktória Lázár, Réka Spohn, Lejla Daruka, Gábor Olajos, Gergő Fekete, Tamás A Martinek, Balázs Papp, Csaba Pál: Antimicrobial Peptide PGLA Restores Antibiotic Susceptibility and Mitigates Resistance Evolution, 7th International Meeting on Antimicrobial Peptides (IMAP), Copenhagen, 25-27 August 2017, 2017
Viktória Lázár, Ana Martins, Réka Spohn, Lejla Daruka, Gergely Fekete, Gábor Grézal, Bálint Csörgő, Ádám Györkei, András Kincses, Zsófia Hegedűs, Gábor Olajos, Balázs Bálint, István Nagy, Tamás A Martinek, Balázs Papp, Csaba Pál: Antibiotic resistant bacteria show widespread collateral sensitivity to antimicrobial peptides, EMBO | EMBL Symposium: New Approaches and Concepts in Microbiology, Heidelberg, 27-30 June 2017, 2017
Viktória Lázár, Ana Martins, Réka Spohn, Lejla Daruka, Gergely Fekete, Gábor Grézal, Bálint Csörgő, Ádám Györkei, András Kincses, Zsófia Hegedűs, Gábor Olajos, Balázs Bálint, István Nagy, Tamás A Martinek, Balázs Papp, Csaba Pál: Antibiotic resistant bacteria show widespread collateral sensitivity to antimicrobial peptides, 7th International Meeting on Antimicrobial Peptides (IMAP), Copenhagen, 25-27 August 2017, 2017
Viktória Lázár#, Ana Martins#, Réka Spohn, Lejla Daruka, Gábor Grézal, Gergely Fekete, Mónika Számel, Pramod K Jangir, Bálint Kintses, Bálint Csörgő, Ákos Nyerges, Ádám Györkei, András Kincses, András Dér, Fruzsina R Walter, Mária A Deli, Edit Urbán, Zsófia Hegedűs, Gábor Olajos, Orsolya Méhi, Balázs Bálint, István Nagy, Tamás A Martinek, Balázs Papp, Csaba Pál: Antibiotic-resistant bacteria show widespread collateral sensitivity to antimicrobial peptides, Nature Microbiology, 2018
Bhaumik, K. N., Hetenyi, A., Olajos, G., Martins, A., Spohn, R., Nemeth, L., Jojart, B., Szili, P., Dunai, A., Jangir, P. K., Daruka, L., Foldesi, I., Kata, D., Pál, C., Martinek, T. A.: Rationally designed foldameric adjuvants enhance antibiotic efficacy via promoting membrane hyperpolarization, Mol. Syst. Des. Eng., 2022
Spohn, R., Daruka, L., Lázár, V., Martins, A., Vidovics, F., Grézal, G., Méhi, O., Kintses, B., Számel, M., Jangir, PK., Csörgő, B., Györkei, Á., Bódi, Z., Faragó, A., Bodai, L., Földesi, I., Kata, D., Maróti, G., Pap, B., Wirth, R., Papp, B., Pál, C.: Integrated evolutionary analysis reveals antimicrobial peptides with limited resistance, Nature Communications, 2019
Martins, A., Bhaumik, K. N., Hetenyi, A., Olajos, G., Spohn, R., Nemeth, L., Jojart, B., Szili, P., Dunai, A., Jangir, P. K., Daruka, L., Foldesi, I., Kata, D., Pál, C., Martinek, T. A.: Rationally designed foldameric adjuvants enhance antibiotic efficacy via promoting membrane hyperpolarization, GRC - New Antibacterial Discovery and Development, 2022



vissza »