Mechanisms and use of penicillin-binding protein inhibition to optimize cationic peptide anti-MRSA treatment

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  Staphylococcus aureus is the most common invasive human pathogen with associated infections  originating in multiple settings and patient types. Infections due to methicillin-­resistant S. aureus  (MRSA)  increase  patient  morbidity  and  mortality  in  part  due  to  limited  therapeutic  options  and  increasing antibiotic resistance to primary antibiotics. Recent evidence suggests that certain b-­ lactams,  traditionally  considered  inactive  against  MRSA,  can  enhance  clinical  efficacy  against  both MRSA and MSSA infections by synergizing with daptomycin (DAP) and cationic host defense  peptides (HDPs) of white cell and platelet origins. Mechanistically, this apparent “synergy” was  initially  attributed  to  enhancement  of  binding  of  these  peptide  antibiotics  to  the  cell  membrane  targets  in  the  presence  of  b-­lactams.  Other  mechanisms  appear  to  play  a  role,  and  we  have  identified that discriminative inhibition of penicillin-­binding proteins (PBPs) with b-­lactams results  in differential daptomycin synergy. Our preliminary screening indicates that blockade of the action  of PBP-­1 (either specifically or promiscuously) is essential to this DAP-­b-­lactam synergy outcome.  Given these findings, we posit that b-­lactams with either selective or nonselective PBP-­1 blocking  activity  provide  multi-­mechanistic  and  synergistic  killing  against  S.  aureus  when  used  in  combination  with  DAP.    To  test  this  hypothesis,  we  will  conduct  studies  using  three  integrated  Aims.  In  Aim  1,  we  identify  mechanistic  interactions  of  PBP  inhibition  underlying  DAP/HDP  synergy  with  b-­lactams  through  manipulating  PBP  function  and  defining  the  compensatory  impacts of DAP-­b-­lactam combinations on key cell wall and cell membrane functional metrics that  traditionally link to antimicrobial potency. In Aim 2, we determine optimal b-­lactam strategies in  combination  with  DAP  or  HDPs  against  MRSA  using  discriminative  in  vitro  modeling  with  the  hollow fiber bioreactor system. Aim 3 establishes the optimal combined b-­lactam-­DAP treatment  regimens  in  vivo,  utilizing  a  prototypical  endovascular  MRSA  infection  model,  experimental  infective endocarditis. At the conclusion of these studies, our results will identify new mechanisms  associated  with  DAP’s  lethal  pathway  and  provide  a  potentially  unique  option  for  rescuing  continued use of DAP in clinical practice. Ultimately, this project may well provide clinicians with  improved treatment strategies with smart targeted combinations for complex and refractory MRSA  infections.