Exploiting the fitness cost of metallo-β-lactamase expression can overcome antibiotic resistance in bacterial pathogens

细菌 抗生素耐药性 抗生素 生物膜 人类病原体 生物 阿奇霉素 微生物学 多重耐药 转录组 细菌遗传学 基因表达 遗传学 基因 大肠杆菌
作者
Megan M. Tu,Lindsey A. Carfrae,Kenneth Rachwalski,Shawn French,Denise B. Catacutan,Rodion Gordzevich,Craig R. MacNair,Melissa E. Speagle,Firas Werah,Jonathan M. Stokes,Eric D. Brown
出处
期刊:Nature microbiology [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1): 53-65 被引量:24
标识
DOI:10.1038/s41564-024-01883-8
摘要

Abstract Carbapenem antibiotics represent the most reliable last-resort treatment for bacterial infections. The widespread acquisition of metallo-β-lactamases (MBLs), such as VIM-2, is a significant contributor to the emergence of carbapenem-resistant pathogens. The absence of clinically available MBL inhibitors necessitates the development of new approaches to treat carbapenem-resistant infections. Herein, we demonstrate that Enterobacteriaceae and Pseudomonas aeruginosa expressing VIM-2 have impaired growth in clinically relevant zinc-deprived environments, including human serum and murine infection models. Using transcriptomic, genomic, and chemical probes, we identified molecular pathways critical for VIM-2 expression in Escherichia coli under zinc limitation. Of particular note were envelope stress response pathways. Disruption of envelope stress response pathways significantly reduced the growth of VIM-2-expressing bacteria in vitro and in vivo. Furthermore, we demonstrated that VIM-2 expression disrupts the integrity of the outer membrane, rendering VIM-2-expressing bacteria more susceptible to antibiotics that are typically ineffective against Gram-negative bacteria, such as azithromycin. Accordingly, using a systemic murine infection model, we revealed that azithromycin has therapeutic potential in treating VIM-2-expressing Klebsiella pneumoniae. In all, our findings provide a framework to uncover and exploit the fitness trade-offs of resistance, potentially accelerating the discovery of novel treatments for multi-drug resistant bacteria.
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