Research article



Yüklə 0,79 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə2/3
tarix18.01.2017
ölçüsü0,79 Mb.
#5799
1   2   3

combination of doxycycline (2mg/L) with polyamino-isoprenic compounds (10

μM) on twenty

clinical isolates recently isolated from the HIA-Laveran (see

M&M

section and



S1 Table

).

Parent derivatives 1 and 2 showed only a slight efficacy, restoring doxycycline susceptibility



in only 27% and 6% of the isolates, respectively. Compounds 4 restored the doxycycline suscep-

tibility of 88% of the isolates (

Fig 2

), whereas compound 3 led to a total susceptibility of all the



considered isolates with a MIC ratio of 32 (

S1 Table


). We concluded that compound 3 was the

best compound and suitable for a more detailed study. The same experiment was performed

using chloramphenicol (4 mg/L) in combination with 3 (10

μM final concentration). Amongst

the 20 clinical isolates, the growth of 15 (75%) was impaired, while 5 (25%) were resistant (data

Fig 1. Structure of polyamino-isoprenic derivatives 1

–4 identified in this study. LogD have been

determined by using chemical simulation software Marvin Sketch 5.11.3.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.g001

Table 2. WST1 cytotoxicity test of the compounds.

Compound

CHO


Fibroblast

IC

50



(

μM)*


IC

50

(



μM)*

1

808 +/- 68.1



138 +/- 18.6

2

235.5 +/- 28.9



Nd

**

3



320.5 +/- 41.2

Nd

**



4

363 +/- 20.3

136 +/- 7.9

Doxorubicin

48.3 +/- 6.8

12.4 +/- 2.1

* mean +/- Standard deviations, data are obtained from 2 independent experiments

** Not determined.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.t002

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

6 / 16


not shown). These experiments were performed to study the effect of our compounds on the

natural resistance of P. aeruginosa. In addition, we were wondering if compound 3 could also

increase susceptibility to other antibiotic families including ß-Lactams, fluoroquinolones and

aminoglycosides, that are representative of the main classes of anti-pseudomonal agents.

Experiments were performed with the ß-lactams ceftazidime and ticarcillin and ciprofloxacin

and amikacin. Results are summarized in

S3 Table

. We found that, neither compound 3 nor

PAßN (used as a control) showed significant synergy with ceftazidime on all the strains tested.

A slight effect however, was observed in the combination of 3 with ticarcillin on all the strains.

No synergistic effect of 3 with ciprofloxacin was observed with the exception of PA0-7H (that

overproduces MexEF) where a 4 times decrease of MIC was measured. Conversely, a surprising

increase of the MIC of amikacin was caused by 3 on every strains, this could be attributed to

Fig 2. Susceptibility of clinical isolates of P. aeruginosa to treatment with doxycycline in combination

with various polyamino-isoprenic derivatives. The percentage of susceptible isolates to doxycycline (2

mg/L) supplemented with one of the compounds (10

μM) was determined for each combination. grey bar,

black bar, dark grey bar, and white filled bar, correspond to compounds 1, 2, 3 and 4 respectively. Error bars

represent standard deviations of 3 independent experiments.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.g002

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

7 / 16


the deleterious effect of 3 on the proton gradient (see below), indeed the influx of aminoglyco-

sides into bacteria is depending on the proton gradient through the inner membrane [

28

]. To


better characterize compound 3, we first searched for the minimum concentration of com-

pound that allowed killing of bacteria by doxycycline, and PAßN was used as the reference

molecule.

Determination of the minimum efficient concentration of compound 3.

PA

βN is the



most characterized efflux pump inhibitor (EPI) in P. aeruginosa. Initially considered a promis-

ing alternative to prevent antibiotic resistance, its use as a prospective drug was discontinued

because of its toxicity [

29

]. Nevertheless, it remains a useful tool for studying resistance of



Gram-negative bacteria. The efficiency of compound 3 was further compared with that of

PAßN.


First, we performed a checkerboard assay to analyze the synergy between doxycycline and

the polyamino-isoprenic compound and between doxycycline and PA

βN. For both, compound

3

and PA



βN we observed a synergistic inhibition of growth when combined with doxycycline

with a FIC Index of 0.09 (

S2 Table

). Nevertheless, to more precisely refine these results, we

fixed the concentration of interest of doxycycline at 2 mg/L (see above) and tested a gradient of

concentrations for PAßN and 3. PAßN is generally used at a concentration greater than 10

μM

to inhibit the resistance of P. aeruginosa with respect to various antibiotics [



30

], and, to our

knowledge, no data have been reported in the literature on its use in combination with doxycy-

cline. The percentage of growth inhibition was monitored as a function of compound concen-

tration, and the results are presented in

Fig 3


. Under these conditions, it clearly appears that at

least a 30

μM (15.6 mg/L) concentration of PAßN is necessary to efficiently inhibit the growth

of P. aeruginosa in the presence of sub-inhibitory concentration of doxycycline, which is in

agreement with the efficacy of PAßN to restore fluoroquinolone susceptibility of Pseudomonas

[

30



]. Conversely, a concentration of approximately 3

μM (1.22 mg/L) of 3 was sufficient to sig-

nificantly inhibit PA01 growth (Graphically determined on

Fig 3


) and confirmed with the

checkerboard assay (

S2 Table

). According to these data, 3 appears to be a stronger adjuvant of

doxycycline than does PAßN in vitro. This first set of assays was performed on the reference

strain PA01, which exhibits only a natural resistance towards doxycycline.

Action of compound 3 on efflux pumps

We hypothesized that if compound 3 targets the intrinsic resistance, it should also be effective

on strains with acquired resistance, such as through the efflux mechanisms which are well

known to contribute to the MDR phenotype [

31

]. The strains overproducing the major efflux



pumps of P. aeruginosa used in this experiment are listed in

Table 1


. All of the strains grew

well on the agar medium containing 2

μg/mL of doxycycline (

Fig 4


). In contrast, in the pres-

ence of both, doxycycline and 3, PA01 or strains overproducing either MexCD or MexEF cells

growth was observed when a dilution of 10

−2

was plated on MH. Cells overproducing either



MexAB or MexXY grew at a higher dilution (10

−4

). Nevertheless, in all cases, no growth was



observed above a dilution of 10

−5

. Moreover, the cells from the



ΔmexB strain did not grow at

any of the dilutions, in accordance with the contribution of MexAB-OprM to cycline resistance

[

15

]. According to these data we wondered if compound 3 could also restore or at least increase



susceptibility of Pseudomonas to other antibiotics. We thus decided to test chloramphenicol

because P. aeruginosa also exhibit a high level of intrinsic resistance to this drug (

Table 1

). Sim-


ilar results were obtained at least for strains PA01 and CMZ091 and to a lesser extent for

PA01-ERY


r

. For PT629 and PA0-7H a slight effect was also observed, (

Fig 4b

). These data sug-



gest that the selected compound was able to efficiently affect resistance to different classes of

antibiotic.

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

8 / 16


Taken together, these results demonstrate that the combination of doxycycline and 3

increases susceptibility of all the strains of P. aeruginosa overproducing the major efflux

pumps, suggesting a possible inhibition of this resistance mechanism. According to these data

and to the hyper-susceptibility of the mexB deficient mutant observed in

Fig 4

, we hypothesized



that 3 could inhibit the efflux pumps of P. aeruginosa. However, at this time, we could not

exclude the possibility that increased permeability might also explain the results obtained.

To better understand whether these compounds were actually able to inhibit efflux, we

developed a real-time efflux assay for Pseudomonas that was previously described for Entero-

bacteriaceae [

17

]. As shown in



Fig 5A

, the strain PA01 was able to efficiently expel 75% of the

preloaded dye, immediately after glucose addition, thus demonstrating a strong activity of dye

efflux in this strain. When compound 3 was added before glucose addition, a concentration-

dependent inhibition of efflux was observed, and a concentration of 125

μM of 3 completely

abolished the transportation of dye (

Fig 5


). The same experiments were performed with all the

four compounds, in the same range of concentrations, and the results are summarized in

Fig

5B

as a percentage of efflux inhibition relative to the compound's concentration. For each com-



pound tested, including PAßN, efflux is inhibited in a dose-dependent manner. One can men-

tion that compound 3 is the most efficient, which is consistent with the data obtained in the

susceptibility assays described in

Fig 2


.

Recent studies have shown that the mode of action of PAßN includes not only efflux inhibi-

tion but also outer membrane destabilization [

32

,



33

]. Considering that our compounds are

polyamine derivatives and that polyamines are known to disrupt membranes [

34

], one cannot



exclude that the inhibition of glucose-triggered efflux of the dye described in

Fig 5


could result,

at least in part, from the disruption of the outer membrane of P. aeruginosa and consequently

Fig 3. Comparison of the synergistic activity of PAßN and compound 3 with doxycycline. Bacterial growth corresponding to each

concentration of compound was calculated as a percentage of bacterial growth under the same conditions without the addition of

compound. Black filled circles, PAßN; open squares, Compound 3. Error bars represent standard deviations of 3 independent

experiments.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.g003

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

9 / 16


Fig 4. Compound 3 activity against P. aeruginosa strains over-expressing efflux pumps. The ability of bacteria to grow under

various conditions was assessed in solid media containing, in a: 2 mg/L doxycycline (left) or a combination of 2 mg/L doxycycline

and 10

μM compound 3 (right) and in b: 4 mg/L chloramphenicol (left) or a combination of 4 mg/L chloramphenicol and 10 μM



compound 3 (right). 5

μL of logarithmic dilutions of an overnight culture of each strain were spotted on the plates. From top to

bottom, PA01, PT629, PA01-ERY

R

, PA0-7H, CMZ091 and FB1.



doi:10.1371/journal.pone.0154490.g004

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

10 / 16


from the destabilization of the interactions between the partners of the RND complex that

were shown necessary to ensure transport in vitro [

35

]. To evaluate the potential ability of 3 to



permeabilize the outer membrane, we monitored the hydrolysis rate of the chromogenic

β-lac-


tam, nitrocefin, by the cells of P. aeruginosa PA01. The polymyxin-B derivative PMBN was

previously described as having a strong permeation activity on the outer membrane of Gram-

negative bacteria [

24

]. Therefore, we compared 3 with PMBN in permeation and efflux inhibi-



tion assays. We observed (

Fig 6


), that the permeation efficacy of 3 at 15.6

μM was significantly

Fig 5. Inhibition of the efflux of the 1,2

’ dinaphthylamine dye by the compound 3. Efflux was triggered

after 200 s by the addition of 50 mM glucose (arrow). The intensity of fluorescence emission for 1,2

dinaphthylamine is given in relative fluorescence units (RFU). (a) Concentration-dependent inhibition of 1,2



dinaphthylamine efflux by compound 3 after glucose addition (arrow). Compound concentration (

μM) is

indicated in front of each green curve; as a control, an experiment without addition of compound and glucose



(-glc, red curve) was also included; (b) percent of efflux inhibition obtained for each compound and PAßN as

indicated. Error bars represent standard deviations of 2 independent experiments.

* indicates statistically

significant difference in values (p



< 0.05) compared to PAßN.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.g005

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

11 / 16


identical to 31.25

μM of PMBN (as indicated with bracket on

Fig 6

; p value



  0.05). At the

same concentrations, 3 already showed a fifty percent efflux inhibition, while PMBN was quite

inefficient. The same analysis can be drawn for the respective concentrations of 31.25

μM of


compound 3 and 125

μM of PMBN. In this case one can observe a 10 percent permeation activ-

ity for both, and a 60 percent efflux inhibition for 3 compared to 30 percent for PMBN (

Fig 6


).

In addition, we investigated the activity of 3 on PA01 using a fluorescence assay that monitors

cytoplasmic membrane depolarization [

36

]. The compound 3 dissipated the proton motive



force (

S3 Fig


). This result may explain the antagonism of 3 with the aminoglycoside antibiotic

amikacin (

S3 Table

), which requires the component of the transmembrane electrochemical

gradient for cell penetration [

28

].



Discussion

Here, we describe the study of new chemosensitizers that are able to increase the susceptibility

to doxycycline of intrinsically resistant P. aeruginosa. P. aeruginosa is one of the most prevalent

human pathogens and is known to be difficult to eradicate using the current therapeutic strate-

gies. This is due to its natural antibiotic resistance and its strong ability to acquire additional

mechanisms of resistance. In the present study, we aimed to identify a combination drug and

new molecule that could be effective on both wild type and clinical strains. We used doxycy-

cline as the antibiotic of choice because it is not used as a human therapeutic to treat infections

with P. aeruginosa due to its low susceptibility. A preliminary study had previously demon-

strated that polyamino-geranic compounds, in combination with doxycycline, were able to

restore susceptibility of Enterobacteriaceae to antibiotics [

17

].



Fig 6. Membrane permeation assays. The effect on the PAO1 strain of compound 3 (black-filled and black-hatched bars) and PMBN (grey-filled and

grey-hatched bars) were compared at concentrations ranging from 15.6

μM to 125 μM, as indicated. The relative effect corresponds either to efflux

inhibition (filled-bars) or to outer-membrane permeation (hatched-bars). Error bars represent standard deviations of 2 independent experiments.

*

indicates statistically significant (p



  0.05) differences of relative effect (efflux inhibition/outer membrane permeation) for compound 3 treatment compared

to the respective PMBN treatment. Brackets indicate statistically comparable permeation effects.

doi:10.1371/journal.pone.0154490.g006

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

12 / 16


A prerequisite screening of original molecules was performed in a high-content procedure

on the reference strain PA01 using a 10

μM concentration of our bioactive compounds [

36

]



and a concentration of 4 mg/L of doxycycline. Although several compounds showed activity by

decreasing bacterial growth in combination with doxycycline, we focused our studies on com-

pound 3, which completely abolished bacterial growth. Using the checkerboard assay, the FIC

index of the compound 3-doxycycline combination was determined to be 0.09, demonstrating

a strong synergy between the molecules. Additionally, we observed that derivative 3 strongly

decreased the resistance of MDR strains to both doxycycline and chloramphenicol, which

belong to different antibiotic families. This observation suggests that this polyamino-isoprenic

molecule may directly impair the natural resistance mechanisms of P. aeruginosa. This com-

pound is a polyamino-farnesyl molecule and possesses a tri-isoprenyl group that could help the

molecule pass through the outer membrane of P. aeruginosa, which is known to be strongly

impermeable due to the presence of a highly hydrophobic lipid bilayer, in addition to a posi-

tively charged spermine moiety that could interact with the negatively charged outer mem-

brane of the bacteria. In comparison with PAßN, the most studied chemosensitizer of P.

aeruginosa toward antibiotics [

30

], compound 3 appeared to be approximately 10 times more



potent (

Fig 2


). Interestingly, the same type of assay performed against Enterobacteriaceae iden-

tified not derivative 3 but compound 2 as the most potent (data not shown). These two com-

pounds differ in both the size of the isoprenyl moiety and the structure of the involved amino

group (


Fig 1

). Taking into consideration the LogD parameter, which reflects the true behavior

and bioavailability of an ionizable compound in a solution at a given pH, a significant correla-

tion with anti-pseudomonal activity was observed. Indeed, derivative 3 displaying the highest

LogD values (e.g., the most hydrophobic derivative) also possesses higher activity than com-

pounds 1, 2, 4. Moreover, it clearly appears (

S2 Fig

) that derivative 3 is ionized as tri or tetra



protonated species at a physiological pH enhancing its ability to interact with the negative

charges present at the surface of the outer membrane of bacteria.

When tested in association with doxycycline against a series of clinical isolates, the high

potency of derivative 3 was confirmed, with all of the clinical isolates being killed.

To determine the cytotoxicity of these compounds, they were tested on Chinese hamster

ovary (CHO) cells and exhibited an IC50 of over 100

μM, which is at least 10 times the concen-

tration used in this study (

Table 2

). However, we also observed a higher toxicity for human



fibroblasts of compounds 1 and 4. Consequently, we cannot exclude the same increase for com-

pounds 2 and 3. In addition, in all of the assays performed, we observed that the compounds

are less cytotoxic than the control molecule doxorubicin.

To better understand the mode of action of compounds, we performed real-time efflux

assays. We observed a dose response effect for each compound, with compound 3 being the

most efficient at inhibiting the 1,2

’-DNA efflux (Figs

5

and



6

). As described in

Fig 5

, a relatively



high concentration of 3 (31.25

μM) is needed to inhibit 50% of 1,2’DNA efflux. This might

result from the setting up of a real-time assay that requires a high number of bacteria (2.5x10

8

cfu/mL) compared to MIC determination (5x10



5

cfu/mL) combined to an immediate observ-

able effect. This compound was further assayed for its ability to permeabilize the outer mem-

brane of P. aeruginosa. Compared to PMBN, compound 3 partially destabilizes the outer

membrane, and strongly inhibits efflux pumps, (

Fig 6


). Taken together, these data strongly sug-

gested that although 3 destabilizes the outer membrane, this effect cannot completely explain

the efflux inhibition observed. In addition, we observed that 3 induced a significant depolariza-

tion of the inner membrane of PA01 (

S3 Table

). Taken together, according to the proton gradi-

ent dependence of the RND-efflux pumps, these data suggest that 3 inhibits efflux in P.

aeruginosa by depleting the energy of the pumps.

Inhibitors of Antibiotic Resistance in Pseudomonas

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0154490

May 6, 2016

13 / 16


Nowadays, there is no doubt that the emergence and the dissemination of bacterial resis-

tance towards a drug is directly related to its rate of use [

37

]. The continuous development of



drug resistance mechanisms linked to drug usage is also exemplified by the observed decrease

in chloramphenicol resistance in countries where its use is strongly controlled [

38

]. Here, we



have determined that an association between doxycycline and a polyamino-isoprenic com-

pound killed P. aeruginosa reference strain, efflux overproducers and clinical isolates. To our

knowledge, it is the first report of such an activity and may open a new field of investigation,

associating pharmaco-chemistry and microbiology to develop molecules with better efficiency

on bacteria and decreased toxicity. Since it is necessary to continuously develop alternate solu-


Yüklə 0,79 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin