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Antimicrobial activity of the membrane-active compound nTZDpa is enhanced at low pH - 27/05/22

Doi : 10.1016/j.biopha.2022.112977 
Soo Min Kim a, Guijin Zou b, Hyerim Kim a, Minjeong Kang a, Soyeon Ahn a, Hee Young Heo a, Jae-Seok Kim c, Kyung-Min Lim a, Frederick M. Ausubel d, e, Eleftherios Mylonakis f, Huajian Gao b, g, Wooseong Kim a, ⁎
a College of Pharmacy, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Ewha Womans University, Seoul 03760, Republic of Korea 
b Institute of High Performance Computing, A⁎STAR, Singapore 138632, Singapore 
c Department of Laboratory Medicine, Kangdong Sacred Heart Hospital, Hallym University College of Medicine, Seoul 05355, Republic of Korea 
d Department of Molecular Biology, Massachusetts General Hospital, Boston, MA 02114, USA 
e Department of Genetics, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, USA 
f Division of Infectious Diseases, Rhode Island Hospital, Warren Alpert Medical School of Brown University, Providence, RI 02903, USA 
g School of Mechanical and Aerospace Engineering, College of Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639789, Singapore 

⁎ Correspondence to: Ewha Womans University, Pharmaceutical Science Bldg B-315, 52 Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu, Seoul 03760, Republic of Korea. Ewha Womans University, Pharmaceutical Science Bldg B-315 52 Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu Seoul 03760 Republic of Korea

Abstract

The opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus can evade antibiotics by acquiring antibiotic resistance genes or by entering into a non-growing dormant state. Moreover, the particular circumstances of a specific infection site, such as acidity or anaerobicity, often weaken antibiotic potency. Decreased bacterial susceptibility combined with diminished antibiotic potency is responsible for high failure rates when treating S. aureus infections. Here, we report that the membrane-active antimicrobial agent nTZDpa does not only exhibit enhanced antibiotic activity against multidrug-resistant Gram-positive pathogens in acidic pH, but also retains antimicrobial potency under anaerobic conditions. This agent completely eradicated highly antibiotic-tolerant cells and biofilms formed by methicillin-resistant S. aureus at pH 5.5 at concentrations at which it was not potent at pH 7.4. Furthermore, nTZDpa was more potent at synergistically potentiating gentamicin killing against antibiotic-tolerant MRSA cells at low pH than at high pH. All-atom molecular dynamics simulations combined with membrane-permeabilization assays revealed that the neutral form of nTZDpa, which contains carboxylic acid, is more effective than the deprotonated form at penetrating the bacterial membrane and plays an essential role in membrane activity. An acidic pH increases the proportion of the neutrally charged nTZDpa, which results in antimicrobial enhancement. Our results provide key insights into rational design of pH-sensitive membrane-active antimicrobials and antibiotic adjuvants that are effective in an infection environment. These findings demonstrate that nTZDpa is a promising lead compound for developing new therapeutics against hard-to-cure infections caused by drug-resistant and -tolerant S. aureus .

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

•
Membrane-active nTZDpa shows enhanced antimicrobial activity in acidic conditions.
•
nTZDpa exhibits enhanced killing of antibiotic-tolerant persister cells at low pH.
•
Non-ionized neutral nTZDpa penetrates and embeds into bacterial lipid bilayers.
•
The proportion of neutral nTZDpa increases as pH decreases.
•
The antimicrobial synergism of nTZDpa plus gentamicin is enhanced at low pH.

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Keywords : MRSA, Infection environment, Persister, Membrane-active agent, C. elegans


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