Das Antibiotikum Lolamycin tötet gefährliche Bakterien ab, ohne das Darmmikrobiom zu schädigen

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass US-Wissenschaftler ein neues selektives Antibiotikum namens Lolamycin entwickelt und entdeckt haben, das das Lipoprotein-Transportsystem gramnegativer Bakterien angreift. Die Forscher fanden heraus, dass Lolamycin gegen multiresistente gramnegative Erreger wirksam ist, sich in Mausinfektionsmodellen als wirksam erweist, das Darmmikrobiom schützt und Sekundärinfektionen vorbeugt.

Antibiotika können das Darmmikrobiom stören, was zu einer erhöhten Anfälligkeit für Krankheitserreger wie C. difficile und einem erhöhten Risiko für Magen-Darm-, Nieren- und Blutprobleme führt. Die meisten Antibiotika, ob grampositiv oder Breitbandantibiotika, schädigen Darmbakterien und verursachen Dysbiose. Der Einfluss rein gramnegativer Antibiotika auf das Mikrobiom ist aufgrund ihrer Seltenheit unklar. Ihr Nachweis ist schwierig, da die meisten Antibiotika-Zielmoleküle sowohl grampositiven als auch gramnegativen Bakterien gemeinsam sind. Da das Darmmikrobiom viele gramnegative Bakterien enthält, können promiskuitive Antibiotika wie Colistin erhebliche Dysbiose verursachen, was ihren Einsatz einschränkt.

Trotz des wachsenden Bedarfs an neuen antibakteriellen Wirkstoffen gegen gramnegative Bakterien aufgrund hartnäckiger Infektionen hat die US-amerikanische Gesundheitsbehörde FDA in den letzten 50 Jahren keine neue Wirkstoffklasse zugelassen. Die komplexe Membranstruktur und Effluxpumpen gramnegativer Bakterien erschweren die Entwicklung. Die Entwicklung eines ausschließlich auf gramnegative Bakterien wirkenden und das Mikrobiom schützenden Antibiotikums erfordert die gezielte Bekämpfung eines wichtigen Proteins, das nur in gramnegativen Bakterien vorkommt und erhebliche Homologieunterschiede zwischen pathogenen und kommensalen Bakterien aufweist. In dieser Studie entwickelten und berichteten Wissenschaftler über ein neues Antibiotikum namens Lolamycin, das auf das für verschiedene gramnegative Pathogene wichtige periplasmatische Lipoprotein-Lol-Transportsystem abzielt.

In dieser Studie untersuchten die Forscher LolCDE, eine Schlüsselkomponente des Lol-Systems in gramnegativen Bakterien. Es wurden Screenings durchgeführt, um potenzielle Inhibitoren dieses Systems zu finden, die anschließend synthetisiert und evaluiert wurden. Die Wirksamkeit von Lolamycin wurde an multiresistenten klinischen Isolaten von E. coli, K. pneumoniae und E. cloacae getestet. Es wurden Empfindlichkeitsstudien mit Lolamycin und anderen Verbindungen durchgeführt.

Lolamycin-resistente Mutanten wurden entwickelt und hinsichtlich ihrer Fitness verglichen. Die bakterizide Wirkung von Lolamycin wurde anhand von Wachstumskurven untersucht. Konfokale Mikroskopie diente zur Beobachtung phänotypischer Veränderungen in Zielbakterien. Molekulare Modellierung und dynamische Simulationen, Ensemble-Docking und Clusteranalyse wurden eingesetzt, um die Bindungsstellen und den Mechanismus der Lolamycin-Hemmung zu untersuchen.

Zusätzlich wurden Mäuse drei Tage lang intraperitoneal mit Pyridinpyrazol (Verbindung 1) und Lolamycin behandelt. Pharmakokinetische Studien wurden durchgeführt, um die Bioverfügbarkeit von Lolamycin zu bewerten. Anhand von Infektionsmodellen wurde die Wirksamkeit von Lolamycin und Verbindung 1 bei der Behandlung von Lungenentzündung und Septikämie verglichen, wobei Lolamycin auch oral verabreicht wurde. Die Mikrobiome der Mäuse wurden anhand ihrer Stuhlproben mittels 16S-ribosomaler RNA-Sequenzierung analysiert. Zusätzlich wurden mit Antibiotika behandelte Mäuse C. difficile ausgesetzt, um ihre Fähigkeit zu untersuchen, den Erreger selbstständig zu beseitigen.

Lolamycin, ein Inhibitor des LolCDE-Komplexes, zeigte eine hohe Aktivität gegen spezifische gramnegative Pathogene mit geringer Akkumulation in E. coli. Lolamycin zeigte Selektivität und schonte sowohl grampositive als auch gramnegative Kommensalen. Es zeigte eine minimale Toxizität gegenüber Säugetierzellen und blieb in Gegenwart von menschlichem Serum wirksam. Lolamycin zeigte eine hohe Aktivität gegen multiresistente klinische Isolate von E. coli, K. pneumoniae und E. cloacae. Lolamycin übertraf andere Verbindungen durch einen engen Bereich minimaler Hemmkonzentrationen und Wirksamkeit gegen multiresistente Stämme.

Die Sequenzierung von lolCDE in resistenten Stämmen ergab keine mit Lolamycinresistenz assoziierten Mutationen, was dessen Potenzial als vielversprechender Antibiotikakandidat unterstreicht. Lolamycin zeigte eine geringe Resistenzhäufigkeit unter den Stämmen. LolC- und LolE-Proteine wurden als Zielproteine identifiziert, wobei spezifische Mutationen mit Resistenz assoziiert sind. Lolamycin zeigte entweder bakterizide oder bakteriostatische Aktivität gegen die getesteten Bakterien. Es wurde eine Schwellung der mit Lolamycin behandelten Zellen beobachtet, was auf einen gestörten Lipoproteintransport hindeutet. Lolamycinresistente Mutanten zeigten veränderte phänotypische Reaktionen auf die Behandlung, was die Beteiligung von LolC und LolE bestätigte.

Lolamycin beeinträchtigte den Lipoproteintransport durch kompetitive Hemmung der Bindung an BS1 und BS2. Hydrophobe Wechselwirkungen dominierten, was die reduzierte Wirksamkeit von Verbindungen mit primären Aminen erklärt. Resistenzvermittelnde Mutationen beeinflussten die Bindungsaffinität von Lolamycin und unterstrichen ihre Rolle bei der Destabilisierung von Bindungsstellen. Lolamycin zeigte im Vergleich zu Verbindung 1 eine höhere Wirksamkeit bei der Reduzierung der Bakterienlast und der Verlängerung der Überlebensrate in Infektionsmodellen mit multiresistenten Bakterien wie E. coli AR0349, K. pneumoniae und E. cloacae.

Die orale Verabreichung von Lolamycin zeigte eine signifikante Bioverfügbarkeit und Wirksamkeit, reduzierte die Bakterienlast und erhöhte das Überleben von Mäusen, die mit Colistin-resistenten E. coli infiziert waren. Lolamycin hatte im Vergleich zu Amoxicillin und Clindamycin nur minimale Auswirkungen auf das Darmmikrobiom, behielt aber dessen Reichtum und Vielfalt bei. Mit Lolamycin behandelte Mäuse und Kontrolltiere zeigten eine minimale Besiedlung mit C. difficile. Im Gegensatz dazu konnten mit Amoxicillin oder Clindamycin behandelte Mäuse C. difficile nicht beseitigen und zeigten während des gesamten Experiments eine hohe Besiedlung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese bahnbrechende Studie Lolamycin als spezifisches Antibiotikum identifiziert, das das Potenzial hat, Schäden am Darmmikrobiom zu minimieren und Sekundärinfektionen vorzubeugen. Weitere Studien und klinische Versuche sind erforderlich, um die klinische Anwendbarkeit des Medikaments zu bestätigen. Die mikrobiomerhaltende Wirkung von Lolamycin könnte in Zukunft in der klinischen Praxis erhebliche Vorteile gegenüber den derzeitigen Breitbandantibiotika bieten und so die Behandlungsergebnisse und den allgemeinen Gesundheitszustand der Patienten verbessern.