Nouveaux antibiotiques contre la multirésistance agissant sur des cibles bactériennes alternatives en synergie avec des peptides antimicrobiens perturbateurs de la membrane. – NATURAL-ARSENAL

Connaitre le mécanisme d'action des antibiotiques et des AMP est crucial car les deux agissent probablement sur de multiples cibles bactériennes. Les chélocardines devraient agir au niveau de la membrane bactérienne mais leur similarité à la tétracycline suggère une interaction avec le ribosome ou encore la pompe à efflux bactérienne. Les cystobactamides semblent interagir avec l'ADN-gyrase, bloquant la réplication de l'ADN. Des laboratoires d’excellence dans le domaine de la biologie structurale ont été réunis pour fournir une vision moléculaire de l'interaction des antibiotiques et des AMPs avec ces cibles bactériennes clés au moyen de multiples techniques biophysiques (cristallographie, cryo-microscopie électronique et résonance magnétique). Après avoir évalué le spectre d'activité avec des centaines d'isolats cliniques disponibles dans les hôpitaux français et allemands, la transcriptomique et le séquençage d'isolats résistants ont été utilisés pour mieux comprendre l'effet des antibiotiques sur les bactéries multirésistantes. Ce projet développe également des polymères à empreinte moléculaire pour délivrer à la fois les antibiotiques et les AMPs au site d’infection.

Nous avons montré que de nouveaux chélocardines et des cystobactamides et des AMPs sont actifs contre de nombreuses bactéries multirésistantes parmi les plus dangereuses présentes dans les hôpitaux français et allemands et aussi contre celles résistantes à toutes sortes d'antibiotiques. Leur mécanisme d'action a été proposé, expliquant leur effet bactériostatique ou bactéricide. Enfin, des systèmes de livraison innovants ont été développés avec une application potentielle future dans les cliniques. Le projet a créé de nouvelles collaborations internationales et a formé 3 doctorants.

Le projet NATURAL-ARSENAL a généré une grande quantité de données sur des nouveaux antibiotiques prometteurs pour des applications pharmacologiques. La plupart des 23 livrables du projet ont été réalisés avec succès, et des résultats alternatifs ont été fournis lorsque les objectifs n'ont pas été entièrement atteints. Les cystobactamides et les chélocardines ont montré une efficacité remarquable contre les bactéries hautement résistantes (à l'exception notable de K.pneumoniae), bien que d'autres tests et essais cliniques soient nécessaires pour évaluer leur viabilité. Les AMPs ont montré un grand potentiel. SAAP-148 et cathélicidine ont montré une excellente activité contre les bactéries résistantes aux médicaments. Ces résultats sont particulièrement précieux compte tenu du fait que la cathélicidine s'est précédemment révélée non toxique lorsqu'elle est administrée à des souris. L'hypothèse d'une synergie entre les AMPs et les antibiotiques n'a été confirmée que dans quelques cas, car la plupart du temps, les AMPs étaient capables de touer la bactérie cible même sans l’aide des antibiotiques. La création de polymères à empreinte moléculaire (MIP) capables de cibler la surface bactérienne a été une autre réalisation remarquable. Les MIP pourraient être facilement utilisés comme matériaux antimicrobiens pour les dispositifs médicaux.
En conclusion, nous avons démontré la capacité des cystobactamides, des chélocardines et des AMP sélectionnés à tuer la plupart des bactéries multirésistantes, y compris de nombreuses bactéries de la classe ESKAPE et nous avons décrit leur interaction avec leurs cibles. Dans le scénario actuel de résistance aux antimicrobiens, ces résultats ne peuvent être sous-estimés.

1. Tse Sum Bui B. et al., Fighting antibiotic-resistant bacteria: Promising strategies orchestrated by molecularly imprinted polymers, Angew. Chem. Weinheim Bergstr. Ger., (2022), 134, 10.1002/ange.202106493.
2. Ramos-Martín F. et al., Antimicrobial Peptide K11 Selectively Recognizes Bacterial Biomimetic Membranes and Acts by Twisting Their Bilayers, Pharmaceuticals , (2020), 14, 10.3390/ph14010001.
3. Ramos-Martín F., and N. D’Amelio, Molecular Basis of the Anticancer and Antibacterial Properties of CecropinXJ Peptide: An In Silico Study, Int. J. Mol. Sci., (2021), 22, 10.3390/ijms22020691.
4. Ramos-Martín F. et al., Molecular basis of the anticancer, apoptotic and antibacterial activities of Bombyx mori Cecropin A, Arch. Biochem. Biophys., (2022), 715, 109095, 10.1016/j.abb.2021.109095.
5. Annaval T. et al., Antimicrobial Bombinin-like Peptide 3 Selectively Recognizes and Inserts into Bacterial Biomimetic Bilayers in Multiple Steps, J. Med. Chem., (2021), 64, 5185–5197, 10.1021/acs.jmedchem.1c00310.
6. Jousset A. B. et al., KPC-39-Mediated Resistance to Ceftazidime-Avibactam in a Klebsiella pneumoniae ST307 Clinical Isolate, Antimicrob. Agents Chemother., (2021), 65, e0116021, 10.1128/AAC.01160-21.
7. Adélaïde M. et al., The Mechanism of Action of SAAP-148 Antimicrobial Peptide as Studied with NMR and Molecular Dynamics Simulations, Pharmaceutics, (2023), 15, 10.3390/pharmaceutics15030761.
8. Rima M. et al., Antimicrobial Peptides: A Potent Alternative to Antibiotics, Antibiotics (Basel), (2021), 10, 10.3390/antibiotics10091095.

NATURAL-ARSENAL (Nouveaux antibiotiques contre la multirésistance agissant sur des cibles bactériennes alternatives en synergie avec des peptides antimicrobiens perturbateurs de la membrane) vise à caractériser l'action de nouvelles classes d'antibiotiques produits par les myxobactéries et les actinobactéries envers les bactéries à Gram négatif résistantes au carbapenem, en augmentant leur action à l’aide de peptides antimicrobiens déstabilisant la membrane bactérienne. Les cystobactamides et les dérivés de Chelocardin sont des antibiotiques naturels qui ont échappé au développement de la résistance pendant des centaines de millions d’années. Un partenaire de ce projet a montré qu’ils sont actif envers les isolats cliniques résistants, notamment Pseudomonas aeruginosa et Klebsiella pneumoniae, que l’on trouve couramment dans les hôpitaux français et allemands. Ainsi, ce projet porte sur le développement de nouveaux antibiotiques inhibant des cibles bactériennes alternatives et sur la compréhension de leur mécanisme d’action avec les différentes cibles. .
Afin de contourner le développement de la résistance par des mécanismes impliquant une réduction de la perméabilité de la membrane, une approche combinée sera développée dans laquelle des peptides antimicrobiens (AMPs) tels que SAAP-148 or Frenatin 2.3S et Calethicidin-BF dérivés de la peau de grenouille, assurent la perturbation des membranes bactériennes avec des effets minimaux sur les érythrocytes. Des nanogels à base de polymères à empreintes moléculaires (MIPs) seront développés pour pallier les principales limitations de l'utilisation pharmacologique des peptides antimicrobiens, offrant de plus un moyen de cibler la surface bactérienne pour délivrer les antibiotiques et les peptides proposés pour une action synergique.
Comme la plupart des composés antibactériens naturels, les dérivés de Cystobactamides et de Chelocardin agissent sur plusieurs cibles bactériennes, notamment la membrane, le ribosome, l’ADN-gyrase et les pompes d’efflux. NATURAL-ARSENAL associe les meilleurs laboratoire de recherche en biologie structurale et clinique dans un dialogue commun visant à élucider le mécanisme d'action de nouvelles armes prometteuses contre des agents pathogènes multirésistants.