une «flèche empoisonnée» pour vaincre la résistance aux antibiotiques

News-Medical s'entretient avec le Dr James Martin et le Dr Zemer Gitai de l'Université de Princeton au sujet de leurs recherches qui ont mené à la découverte d'un nouvel antibiotique.

Qu'est-ce qui vous a amené à effectuer cette recherche?

Quand (James) j'ai commencé mes études supérieures, je n'avais jamais travaillé dans le domaine des bactéries auparavant. J'ai initialement travaillé avec Drosophile, mais quand j'ai rejoint le laboratoire de Zemer, nous sommes essentiellement venus à la table avec la question: « Comment pouvons-nous répondre au besoin mondial de nouveaux antibiotiques à la lumière de l'escalade des taux de résistance aux antibiotiques? »

C'est un problème car, à mesure que les taux de résistance aux antibiotiques augmentent, nous devrions fabriquer de nouveaux antibiotiques qui peuvent traiter ces infections résistantes aux antibiotiques.

Cependant, seulement six nouvelles classes d'antibiotiques ont été approuvées au cours des 20 dernières années, et aucune d'entre elles ne peut traiter les bactéries à Gram négatif. Il y a cette énorme lacune dans le domaine que nous voulions combler en créant un nouveau pipeline pour découvrir de nouvelles classes d'antibiotiques et deux en créant un moyen de caractériser rapidement et efficacement leur mécanisme d'action.

L'objectif était de trouver des mécanismes d'action uniques, tels que les bactéries ne les auraient jamais vus auparavant, et l'hypothèse était que si un mécanisme d'action est nouveau, les bactéries auront beaucoup plus de mal à y résister.

Traditionnellement, la recherche sur les antibiotiques et de nouvelles pistes ont été réalisées avec un certain style qui a en quelque sorte été dominé par ces sortes de perspectives chimiquement axées, et l'idée générale était de savoir si nous pouvons utiliser de nouvelles approches pour obtenir quelque chose de nouveau ici.

Bactéries Gram-négatives

Crédit d'image: Rost9 / Shutterstock.com

Quelle est la différence entre les antibiotiques à Gram positif et à Gram négatif, et pourquoi est-ce important dans votre travail?

Donc, tout d'abord, il est important de préciser que les bactéries sont celles qui existent en deux saveurs, les Gram-positifs et les Gram-négatifs, et les antibiotiques sont les composés qui tuent ensuite ces bactéries. Lorsque nous parlons d'antibiotiques à Gram positif, nous entendons un antibiotique qui tue un Gram positif, ou un antibiotique à Gram négatif qui tue un Gram négatif.

La distinction est que les bactéries Gram-positives n'ont qu'une seule couche de membrane puis une paroi cellulaire à l'extérieur de cette membrane, tandis que les bactéries Gram-négatives ont une deuxième membrane à l'extérieur de la paroi cellulaire; ils ont une membrane interne, puis la paroi cellulaire, puis la membrane externe.

Gram est simplement le nom de la personne qui a inventé cette coloration Gram pour tester la deuxième couche de membrane. En raison de cette deuxième membrane, les antibiotiques à Gram négatif ne sont pas colorés et de la même manière qu'ils excluent cette coloration, cette seconde membrane est également un mécanisme pour exclure ou empêcher l'entrée de nombreuses petites molécules différentes.

La raison pour laquelle les agents pathogènes à Gram négatif sont si insidieux et difficiles à tuer est qu'ils ont cette deuxième barrière, cette membrane externe, et qu'ils sont donc plus difficiles à pénétrer.

Veuillez expliquer votre nouvel antibiotique et comment il fonctionne?

Cette petite molécule, SCH-79797 (SCH) a été initialement utilisée dans des expériences sur les mammifères pour traiter la thrombose, car il s'agit d'un inhibiteur de la thrombine R. Nous avons constaté qu'il a une activité puissante dans les bactéries, et en bref, il fonctionne par deux mécanismes différents qui se complètent.

Un mécanisme est qu'il est capable de pénétrer et de perturber les membranes des bactéries Gram-positives et Gram-négatives, mais il peut également, une fois à l'intérieur de la cellule, perturber les processus intracellulaires.

En particulier, il perturbe la capacité de la cellule à produire du folate, qui est un nutriment nécessaire dont les cellules bactériennes ont besoin pour fabriquer des parties essentielles de la vie, l'ADN, les acides aminés, les protéines. Sans ces choses, la cellule bactérienne ne se développera jamais.

Thrombose

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Pourquoi votre technique a-t-elle été comparée à une flèche empoisonnée?

L'idée est que pour qu'un antibiotique fonctionne, il doit pénétrer dans la cellule, puis il doit également tuer. Ce que nous avons découvert, c'est que notre antibiotique fait deux choses simultanément.

Tout d'abord, il perce des trous dans les membranes bactériennes, et pour que nous comparions cela à une flèche. Cela seul est mauvais pour les bactéries – de toute évidence, avoir un trou dans votre membrane est mauvais car des choses s'échappent. Cependant, il inhibe également les processus essentiels du métabolisme du folate une fois à l'intérieur.

Nous considérons la perméabilisation de la membrane, ou le trou qui perce, comme la flèche, puis l'inhibition de la capacité de fabriquer ensuite les blocs de construction nécessaires à la croissance et à la division des bactéries, l'inhibition des folates, comme le poison.

Comment avez-vous développé votre nouvel antibiotique?

La science est un effort de collaboration et nous n'aurions pas pu faire ce travail par nous-mêmes. Nous avons eu l'aide de nos co-auteurs Joe Sheehan, Ben Bratton et de nos autres collaborateurs.

Notre composé est unique et possède un mécanisme d'action qui n'a pas été caractérisé auparavant. Quelque chose d'autre qui est intéressant à propos de cet antibiotique est que nous n'avons pas pu acquérir de résistance à lui dans nos expériences. La résistance est l'un des principaux moyens par lesquels les scientifiques peuvent déterminer le mécanisme d'action d'un antibiotique.

Sans cela, nous avons dû utiliser diverses méthodes pour aborder le problème sous différents angles. Nous avons utilisé le métabolisme; nous avons utilisé la cytométrie en flux, où nous avons examiné la membrane; nous avons utilisé l'imagerie quantitative à haut débit sous le microscope; nous avons utilisé la génétique; nous avons utilisé la protéomique.

Fondamentalement, pour développer ce nouvel antibiotique, nous avons utilisé toutes ces différentes méthodes pour obtenir différentes pièces du puzzle, puis nous avons pu les assembler toutes ensemble. À la fin de l'article, nous avons ce chiffre où nous essayons de résumer le projet.

Nous avons fait quelque chose connu sous le nom de profilage cytologique bactérien, ou BCP, où nous pouvons voir comment les bactéries sont affectées par un certain antibiotique. De cela, nous avons montré qu'aucun antibiotique que nous avons testé ne ressemble à SCH.

Si vous combinez deux antibiotiques qui ont les deux mécanismes d'action distincts du SCH, et co-traitez les bactéries avec eux en même temps, ces bactéries ressemblent maintenant au SCH quand elles meurent.

Nous avons ensuite fabriqué un dérivé de cette molécule que nous appelons Irresistin-16. Cela a pu avoir une puissance encore plus grande et avoir un effet thérapeutique plus important dans notre modèle de souris gonorrhée que SCH.

Irrestin-16

Comment avez-vous testé la résistance de votre antibiotique?

À bien des égards, c'était la partie la plus difficile, car scientifiquement, il est impossible de prouver un négatif. Nous ne pouvons pas prouver que quelque chose ne peut pas se produire, alors nous essayons d'être prudents et de dire que nous n'avons pas pu détecter de résistance, ou que la fréquence de résistance était inférieure à la limite de notre détection.

C'était un point vraiment important sur lequel James a travaillé de différentes manières. La méthode traditionnelle consiste à placer les bactéries sur des plaques contenant l'antibiotique et la pensée est que si l'une des bactéries présente une mutation qui la rend résistante à l'antibiotique, alors elle se développera même en sa présence, et vous pourrez alors isoler le mutant.

James a essayé cela sans succès, mais il a ensuite essayé une approche beaucoup plus quantitative et prudente, qui nous a convaincus qu'il n'y avait pas de résistance détectable. Il a pris le médicament dans la moitié de la concentration minimale nécessaire pour tuer les bactéries. En d'autres termes, il a pris une concentration du médicament où les bactéries peuvent encore se développer, mais pas bien.

C'était une expérience de plusieurs mois qu'il a faite, où chaque jour ou deux il entrait dans le laboratoire et il faisait grandir des bactéries à cette concentration qui était juste au bord où l'antibiotique est efficace.

L'idée était que s'il y avait même une mutation minime qui conférait un avantage, ces bactéries se développeraient plus rapidement, et parce qu'elles se développeraient plus rapidement, elles deviendraient alors plus compétitives que leurs voisins et s'enrichiraient dans la population, et avec le temps, vous obtiendriez cette augmentation très progressive de la résistance.

Il l'a testé sur de nombreux antibiotiques différents, y compris des antibiotiques qui sont notoirement difficiles à obtenir, et il a montré que ce concept fonctionne. Progressivement, il a pu développer une résistance à tous les autres antibiotiques qu'il a essayés, mais pour SCH il n'y a eu aucune augmentation de la résistance. C'était une ligne complètement plate.

Pourquoi n'avez-vous pas pu utiliser les méthodes traditionnelles pour comprendre les mécanismes des antibiotiques dans cette recherche?

La façon traditionnelle de comprendre comment fonctionne un antibiotique est de trouver des mutants résistants. Ceux-ci correspondent généralement à la cible du médicament, puis cela vous indique ce qu'est le médicament. Dans ce cas, il y a une sorte d'épée à double tranchant.

Cliniquement, le fait qu'il n'y ait pas de résistance à ces composés est exactement ce que nous voulons. C'est le Saint Graal des antibiotiques – un antibiotique auquel vous ne pouvez pas obtenir de résistance, mais en même temps, les raisons pour lesquelles nous avons dû utiliser toutes ces différentes approches étaient la même raison pour laquelle nous ne pouvions pas éliminer la résistance en utilisant la manière traditionnelle de comprendre le mécanisme d'action.

Résistance aux antibiotiques

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Quel était le problème avec le SCH 79797 d'origine et comment l'avez-vous résolu?

Le problème avec le SCH d'origine est qu'il était excellent pour tuer les bactéries, mais lorsque nous l'avons testé, il était presque aussi efficace pour tuer de nombreuses cellules de mammifères. C'est un problème en ce sens que pour un antibiotique, nous voulons quelque chose qui va tuer les bactéries mais pas nous tuer.

L'eau de Javel, par exemple, est bonne pour tuer les bactéries mais n'est pas un bon antibiotique car elle tue nos cellules tout aussi bien. Dans sa configuration d'origine, SCH n'était pas tout à fait comme ça, mais c'était dans cette direction, et donc nous avons ensuite fait des dérivés de SCH.

Nous étions très heureux d'avoir trouvé ce dérivé de SCH, que nous avons appelé Irresistin-16. La grande chose à propos d'Irresistin-16 est qu'il maintient le même niveau de toxicité envers les cellules mammifères que SCH, mais il tue les bactéries à des niveaux 100 à 1000 fois inférieurs, donc il y a plus de puissance pour tuer les bactéries.

Puisque nous n'avons pas changé le niveau auquel nous tuons les cellules de mammifères, mais nous avons radicalement changé le niveau auquel nous tuons les bactéries. Cela signifie que nous avons cette fenêtre de concentrations de 100 à 1000 fois qui peut être inférieure à la concentration de tuer les cellules de mammifères, mais supérieure à la concentration de tuer les cellules bactériennes.

Contre quels exemples de bactéries avez-vous démontré que votre antibiotique est efficace contre?

L'un est SARM, résistant à la méthicilline Staphylococcus aureus ce qui est un énorme problème, surtout en milieu hospitalier. Un autre est Acinetobacter baumannii, qui est une bactérie à Gram négatif connue pour sa résistance aux antibiotiques.

Cette bactérie était en fait un gros problème ici en Amérique pendant, je crois, la guerre en Irak, parce que cette bactérie est très tolérante à la chaleur, et donc dans ces conditions, les bactéries vivraient et subsisteraient sur du matériel médical ou des lits. Les soldats qui avaient besoin d'amputations ou de quelque chose de cette nature attraperaient cette infection et la ramèneraient chez eux.

Neisseria gonorrhoeae était un gros problème, et c'était très important car il est à Gram négatif et nous manquons d'antibiotiques pour traiter la gonorrhée résistante aux médicaments. Je crois que nous avons récemment trouvé une résistance à l'antibiotique de dernier recours, et c'est donc impératif. Même l'Organisation mondiale de la santé dit que c'est un problème qui doit être résolu.

Une chose très intéressante est que l'Organisation mondiale de la santé possède une souche de Neisseria gonorrhoeae qui est résistante à presque tous les antibiotiques connus, et pourtant nos médicaments ont pu tuer ces souches. C'était très excitant pour nous, et cela suggère que ce concept avec lequel nous avons commencé, une classe d'antibiotiques véritablement nouvelle, pourrait vraiment fonctionner dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques.

SARM

Crédit d'image: Kateryna Kon / Shutterstock.com

Quelles étapes sont nécessaires avant que votre médicament puisse, espérons-le, être utilisé pour traiter ces infections chez l'homme?

Tout d'abord, nous devons préciser qu'il y a beaucoup d'étapes entre cela et son application aux gens. Pour le moment, nous avons aidé à traiter la gonorrhée chez la souris.

Nous travaillons activement sur diverses choses pour améliorer le médicament. Il y a trois choses principales. Premièrement, nous voulons tuer les bactéries encore plus efficacement, ce que nous appelons la puissance. Deuxièmement, nous voulons le rendre encore moins toxique pour les cellules de mammifères. Troisièmement, diverses propriétés analogues à des médicaments doivent être améliorées.

Par exemple, l'irrésistine-16 est très hydrophobe et ne se dissout donc pas très bien dans l'eau. Ce ne serait pas pratique comme une pilule, donc pour le moment nous l'avons injecté. Il y a différentes choses comme ça qui doivent être optimisées. Cependant, nous sommes encouragés que dans ce tout premier exemple, nous ayons déjà pu le transporter à un endroit où il fonctionnait chez un animal.

L'autre chose que je veux vraiment souligner, c'est que, tout aussi enthousiasmé que nous le soyons pour Irresistin-16 en particulier, nous pensons également que c'est un concept général qui peut être utilisé. Nous pensons que cette idée d'une approche de la flèche empoisonnée pourrait être appliquée à de nombreux autres médicaments, et nous espérons donc que nous ou d'autres sur le terrain prendrons cette idée qui n'a pas vraiment été mise en œuvre auparavant, et l'utiliser pour essayer de développer plus types de nouveaux médicaments.

Même si notre objectif de tir avec Irresistin-16 lui-même échoue, nous espérons que cela inspirera de nouvelles classes de médicaments ou des recherches similaires pour nous donner plus de tirs au but.

Comment cet antibiotique pourrait-il révolutionner le traitement des infections bactériennes et stimuler le développement de nouveaux médicaments?

C'est une question intéressante pour moi (James) personnellement parce que je pense qu'il est important de reconnaître que ce qui est dans le journal n'est pas tout ce qui s'est passé. Vous ne décrivez pas tout le chagrin ou toutes les choses étranges que vous n'avez pas bien comprises.

Les antibiotiques existent depuis environ 100 ans, et il y a certains enregistrements qu'il existe encore plus longtemps – les gens l'ont utilisé comme remède naturel à la maison, par exemple en prenant du pain moisi, en en faisant un cataplasme, et mettre dans leur blessure.

Les gens traitent les infections bactériennes depuis très longtemps, et donc pour moi, quand je pense à ce projet, je ne pense pas à révolutionner la façon dont nous traitons les infections bactériennes autant qu'à révolutionner la façon dont nous identifions de nouveaux antibiotiques pour les traiter. infections.

C'est la deuxième moitié de la question qui, selon moi, est la plus importante, et je pense que ce que moi, Zemer, Joe, Ben et nos autres coauteurs avons démontré est deux choses principales.

La première chose est que la membrane, qui était à l'origine une cible interdite dans le développement d'antibiotiques, peut être ciblée de telle manière qu'elle nuit principalement aux membranes bactériennes plus qu'à l'homme, et je pense que cela ouvre la possibilité d'un ensemble nouvelle classe de molécules juste par elle-même.

Mais je pense que l'autre chose que nous avons rencontrée est l'idée que le deux-en-un vaut mieux que deux. Il y a une figure dans le document où nous démontrons que la combinaison de deux antibiotiques qui ont les mêmes mécanismes séparés de tuer les bactéries que le SCH n'est pas aussi puissante ou aussi puissante que le SCH, et je ne pense pas que ce soit quelque chose qui ait été exploré auparavant.

Le concept de traitement combiné a été exploré et toutes ces complications sont apparues, et donc certaines personnes l'ont poursuivi et d'autres non, mais je pense que ce que nous avons démontré ici est que ce n'est peut-être pas aussi difficile que nous le faisons, peut-être il existe un moyen plus facile de faire entrer cette molécule dans les bactéries si nous combinons deux mécanismes distincts.

Je suis vraiment excité de voir une partie du travail qui sort de notre laboratoire, et d'autres potentiellement s'ils le ramassent, sur cette approche à double mécanisme. Il ne doit pas nécessairement s'agir de deux mécanismes – il n'y a aucune raison pour qu'il ne puisse s'agir d'un certain nombre d'objectifs. Je pense qu'il pourrait être vraiment intéressant de regarder des molécules avec de multiples modalités.

Découverte de médicament

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Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche?

Il y a deux bras. Le premier volet consiste à améliorer les médicaments actuels dont nous disposons pour les rendre de plus en plus semblables à des médicaments et adaptés, en les orientant vers leur utilisation comme antibiotique. Cela signifie qu'il faut faire beaucoup de dérivés et les modifier, etc.

Le deuxième bras est: pouvons-nous généraliser ces principes? Peut-on trouver de nouveaux antibiotiques qui combinent deux mécanismes d'action ensemble? Pouvons-nous faire plus de flèches empoisonnées? Pouvons-nous comprendre comment fonctionne exactement chacun des deux mécanismes?

Une grande surprise ici sur le plan scientifique a été que nous avons pu cibler les membranes bactériennes sans cibler les membranes des mammifères, et cette spécificité a été une énorme surprise pour nous.

Nous avions l'habitude de penser qu'une membrane était une membrane, peu importe si elle est bactérienne ou humaine? C'est pourquoi, historiquement, nous avons évité d'essayer de cibler la membrane parce que nous pensions que nous ne pouvions pas obtenir de spécificité de cette façon. Cependant, cela suggère que ce n'est pas le cas. Peut-être pourrions-nous même trouver des moyens de cibler les membranes virales si cela est vrai, il y a donc beaucoup de ces sortes de questions auxquelles nous essayons maintenant de réfléchir.

Avez-vous autre chose à ajouter?

En fait, je le fais. J'ai l'impression qu'à la lumière des dernières semaines, nous ne pouvons pas rester ici et ignorer le fait qu'historiquement, et aux États-Unis en particulier, les scientifiques noirs ont été marginalisés et sous-représentés de toutes les manières possibles.

Être un homme noir, un homme noir en Amérique, est difficile pour de nombreuses raisons différentes, et essayer d'être un homme noir dans STEM est encore plus difficile.

Il n'y a tout simplement pas beaucoup de soutien. Souvent, il y a cette supposition que vous n'êtes pas aussi «intelligent» que vos pairs, et donc être en mesure d'accomplir réellement un élément scientifique comme celui-ci et de pouvoir dire «j'ai découvert quelque chose» est vraiment puissant.

Ces dernières semaines en Amérique, nous regardons et il y a beaucoup de jeunes hommes différents qui me ressemblent, et je connais en fait beaucoup d'entre eux à Chicago. Même si je peux avoir toutes ces réalisations scientifiques, en fin de compte, cela peut ne rien signifier car aux yeux de beaucoup de gens, je suis noir d'abord et cela résume tout mon être, avec des stéréotypes négatifs et des perceptions. Pour moi, avec la publication de ce document et l'attention des médias, je veux que l'on sache que je suis solidaire de ceux qui me ressemblent et de ceux qui sont opprimés ou marginalisés.

Je ne veux pas envoyer un message que je suis différent, ou que je l'ai fait d'une manière ou d'une autre à cause de quelque chose que j'ai accompli, mais plutôt que je suis ici, je suis blessé avec vous, et je veux utiliser cette plate-forme que je dois aider à changer le point de vue des gens sur ce qu'un homme noir devrait ou pourrait être.

Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?

Papier d'origine: https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(20)30567-5.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420305675%3Fshowall % 3Dtrue

Une pré-impression gratuite et en libre accès du document: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.12.984229v1

Guide de ressources des CDC pour la résistance aux antibiotiques: https://www.cdc.gov/drugresistance/index.html

À propos du Dr James Martin

Je m'appelle le Dr James Martin. Je suis un scientifique et un éducateur et j'ai une passion féroce pour élever la prochaine génération de scientifiques noirs.Dr. James Martin

Avec tous les troubles en Amérique en ce moment en raison de l'injustice raciale, je suis fier de dire que je suis noir, et j'espère que je pourrai être une inspiration pour les autres pour continuer à aller de l'avant et à être résilient.

À propos du professeur Zemer Gitai

Zemer Gitai est professeur de biologie moléculaire à l'Université de Princeton. Il a obtenu un baccalauréat du MIT en 1996. Après avoir terminé ses études supérieures à l'UCSF en 2002 et son doctorat à Stanford en 2005, le Dr Gitai a rejoint la faculté de l'Université de Princeton en tant que professeur adjoint.

Il a été promu professeur agrégé avec permanence en 2012 et professeur titulaire en 2016. Il est actuellement professeur de biologie Edwin Grant Conklin au Département de biologie moléculaire de l'Université de Princeton.

Les recherches du Dr Gitai se concentrent sur la biologie cellulaire des bactéries et sur la façon dont elles interagissent avec leurs hôtes. Son laboratoire étudie comment les cellules s'auto-organisent à différentes échelles spatiales, en utilisant des approches quantitatives, moléculaires et d'ingénierie.Professeur Zemer Gitai

Le Dr Gitai a publié plus de 70 articles originaux dans des revues de premier plan. Son travail a découvert de nouveaux composants du cytosquelette bactérien et a établi l'importance de l'assemblage des protéines pour des processus inattendus comme le métabolisme et la pathogenèse.

Plus récemment, le Dr Gitai s'est concentré sur la compréhension de la mécanosensibilité bactérienne et la lutte contre l'augmentation de la résistance aux antibiotiques en développant de nouveaux antibiotiques et anti-infectieux. Les réalisations du Dr Gitai ont été reconnues par de nombreux prix prestigieux, notamment le NIH Director’s Pioneer Award, le NIH New Innovator Award, le Beckman Young Investigator Award et le HFSP Young Investigator Award.

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