Antimicrobial activity of nTZDpa is enhanced in acidic condition

Abstract

The opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus can avoid antibiotics by acquiring antibiotic resistance genes or entering non-growing dormant states. Moreover, the unique circumstance of infection sites, such as acidic or anaerobic conditions often weakens antibiotic potency. This decreased bacterial susceptibility combined with reduced antibiotic potency are responsible for the high failure rate treating S. aureus infections. Here, I 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 condition. This agent completely eradicated the high antibiotic tolerant cells and biofilms formed by methicillin-resistant S. aureus in pH 5.5 at the concentrations where it was not potent in pH 7.4. Furthermore, nTZDpa synergistically potentiate the bactericidal activity of gentamicin against antibiotic tolerant MRSA cells at an acidic pH condition. All-atom molecular dynamics simulations combined with a membrane-permeabilization assay reveal that only neutrally charged nTZDpa has an ability to damage bacterial membrane. The acidic pH increases the proportion of the neutrally charged nTZDpa, which results in the antimicrobial enhancement. Our results provide key insights into designing membrane-active antimicrobials effective in infection environment and warrant that nTZDpa is a promising lead compound for developing new therapeutics against hard-to-cure infections caused by drug-resistant and-tolerant S. aureus.;황색포도상구균은 사람의 정상세균총에 존재하는 기회감염성 균주로 항생제에 대한 내성 유전자를 획득하거나 비성장 휴면 상태로 전환함으로써 항생제에 대한 저항성을 나타내어 항생제의 효과를 회피할 수 있다. 또한 종종 감염 부위의 환경이 산성이나 혐기성 환경으로 변화함으로써 항생제의 효능이 약화된다. 감소된 항생제 활성과 증가된 박테리아의 항생제 저항성은 황색포도상구균에 의한 감염증 치료의 높은 실패율의 원인이 된다. 본 연구에서는 막 활성 항균제인 nTZDpa가 산성 조건에서 다제 내성 그람 양성균에 대해 향상된 항생 활성을 나타낼 뿐만 아니라 혐기성 조건에서도 항균활성을 유지함을 밝혔다. 이 약물은 pH 5.5에서 pH 7.4보다 낮은 농도에서 메티실린 내성 황색포도상구균의 항생제 저항성균과 생물막을 완전히 제거하였다. 또한 산성 조건에서 nTZDpa와 메티실린 내성균에 대한 겐타마이신의 살균 활성의 상승작용이 증가하였다. 막 투과성 분석과 분자 역학 시뮬레이션을 통하여 카르복실산을 함유하는 중성 형태의 nTZDpa가 음성 형태보다 세균막을 침투하는 데에 더 유리하고 항균 활성에서 필수적인 역할을 한다는 것을 확인하였다. 산성 조건에서는 중성으로 하전 된 nTZDpa의 비율이 증가하여 항균 활성이 증가하였다. 이번 연구는 감염 부위의 미세환경에서 효과적인 막 활성 항균제 설계에 대한 주요 통찰력을 제공하고 nTZDpa가 약물 내성 및 저항성 황색포도상구균으로 인한 치료하기 어려운 감염증에 대해 새로운 치료제를 개발하기 위한 유망한 선도 화합물임을 보증한다.