Die Zinkhomöostase von Pseudomonas aeruginosa als potenzielles Target für virulenzmindernde Wirkstoffe – Konzept und Screening von Naturstoffen

Zusammenfassung

Das gramnegative Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist für eine Vielzahl schwerer nosokomialer Infektionen verantwortlich und besitzt eine oftmals hohe Resistenz gegen gängige Antibiotika. Um die Resistenzentwicklung zu vermindern, besteht ein Ansatz der antibakteriellen Wirkstoffentwicklung darin, antivirulente Substanzen zu ermitteln, welche das Infektionsgeschehen im Wirt verringern. Zu den Virulenzfaktoren zählen beispielsweise Proteine zur Adhäsion des Bakteriums an die Wirtszelle, zur Invasion in die Zelle oder auch die Sekretion von zelltoxischen Substanzen.

Die Aufnahmeeffizienz des physiologisch wichtigen Kations Zink(II) hat Einfluss auf verschiedene bakterielle Virulenzfaktoren, wie beispielsweise die Biofilmbildung. Außerdem spielen Zink und andere Spurenelemente eine wichtige Rolle für das Bakterienwachstum im Wirt, der seinerseits versucht, deren Verfügbarkeit zu minimieren. Dieser Teil der Pathogen-Wirt-Interaktionen wurde erst vor wenigen Jahren entdeckt und stellt daher einen neuen und vielversprechenden Ansatzpunkt zur Testung neuer Wirkstoffe dar. Aufgrund des Zusammenhangs von Metallaufnahme, Virulenz und Proliferation lassen sich Effekte auf die Schwermetallaufnahme mittels Proliferationsassays an Bakterien einfach in Screenings mit einer großen Anzahl an Substanzen umsetzen. Im Anschluss an ein primäres Screening müssen die erhaltenen Hits weiter untersucht und ihre Wirkweise charakterisiert werden. Im besten Fall lassen sich so Substanzen entdecken, die spezifisch die bakterielle Zinkhomöostase hemmen.

Auf diese Weise wurde von uns ein Screening einer kleinen Naturstoffbibliothek durchgeführt, in dem sich einige primäre Hits identifizieren ließen, die schließlich jedoch keine zinkabhängige Wirkung auf die Proliferation besaßen. Um einen vollständigeren Überblick über die methodologischen Ansätze und Erfolgsaussichten solcher Screenings zu geben, werden in diesem Artikel neben dem von uns durchgeführten Proliferationsscreening an P. aeruginosa auch drei in der Literatur beschriebene Screenings genauer beleuchtet.

Abstract

Zinc homeostasis in Pseudomonas aeruginosa as a target for virulence inhibiting natural products

Pseudomonas aeruginosa is a gram-negative bacterium that frequently causes severe hospital-acquired infections while becoming increasingly resistant to standard antibiotics at the same time. One approach to tackle the development of resistances is to search for novel substances with antivirulent properties to decrease the extent of infection in the host organism. So-called virulence factors include, for example, proteins involved in adhesion to host cells or in cell invasion, as well as the secretion of cytotoxic compounds.

The efficiency of zinc (II) uptake, a cation physiologically important also to the bacteria, has an impact on the expression of certain virulence factors, e. g. biofilm formation, but also plays an important role for bacterial proliferation within the host. This aspect of host-pathogen-interaction has only recently been discovered and represents a novel and promising approach in drug testing. As metal uptake, virulence and proliferation are related, effects on metal ion acquisition can thus easily be determined in bacterial proliferation screenings, even including a high number of substances. After completing the initial screening procedure, hits have to be further evaluated to characterize their mode of action. Ideally, this will lead to compounds specifically tackling bacterial zinc homeostasis.

In that way, a small library of natural substances was screened revealing some primary hits which, however, did not inhibit proliferation in a zinc-dependent manner. In order to provide a detailed overview on the methodology and success of such screenings, besides reporting on the outcome from a selection of natural products against P. aeruginosa, this article also includes three similar screenings reported in literature.

Schlüsselwörter

Pseudomonas aeruginosa - Zink(II) - Virulenz - Screening

Key words

Pseudomonas aeruginosa - zinc (II) - virulence - screening

Publication History

Article published online:
15 March 2022

• Literatur

• 1 Lund-Palau H, Turnbull AR, Bush A. et al. Pseudomonas aeruginosa infection in cystic fibrosis: pathophysiological mechanisms and therapeutic approaches. Expert Rev Respir Med 2016; 10: 685-697 DOI: 10.1080/17476348.2016.1177460.
• 2 Horcajada JP, Montero M, Oliver A. et al. Epidemiology and treatment of multidrug-resistant and extensively drug-resistant Pseudomonas aeruginosa infections. Clin Microbiol Rev 2019; 32: e00031-19 DOI: 10.1128/CMR.00031-19.
• 3 Pederick VG, Eijkelkamp BA, Begg SL. et al. ZnuA and zinc homeostasis in Pseudomonas aeruginosa . Sci Rep 2015; 5: 1-14 DOI: 10.1038/srep13139.
• 4 Hood MI, Skaar EP. Nutritional immunity: Transition metals at the pathogen-host interface. Nature Rev Microbiol 2012; 10: 525-537 DOI: 10.1038/nrmicro2836.
• 5 Mastropasqua MC, D’Orazio M, Cerasi M. et al. Growth of Pseudomonas aeruginosa in zinc poor environments is promoted by a nicotianamine-related metallophore. Mol Microbiol 2017; 106: 543-561 DOI: 10.1111/mmi.13834.
• 6 Zhang J, Zhao T, Yang R. et al. De novo synthesis, structural assignment and biological evaluation of pseudopaline, a metallophore produced by Pseudomonas aeruginosa . Chem Sci 2019; 10: 6635-6641 DOI: 10.1039/c9sc01405e.
• 7 Gonzalez MR, Ducret V, Leoni S. et al. Pseudomonas aeruginosa zinc homeostasis: Key issues for an opportunistic pathogen. Biochim Biophys Acta Gene Regul Mech 2019; 1862: 722-733 DOI: 10.1016/j.bbagrm.2018.01.018.
• 8 Dauner M, Skerra A. Scavenging bacterial siderophores with engineered lipocalin proteins as an alternative antimicrobial strategy. ChemBioChem 2019; 1-7 DOI: 10.1002/cbic.201900564.
• 9 Mastropasqua MC, Lamont I, Martin LW. et al. Efficient zinc uptake is critical for the ability of Pseudomonas aeruginosa to express virulence traits and colonize the human lung. J Trace Elem Med Biol 2018; 48: 74-80 DOI: 10.1016/j.jtemb.2018.03.009.
• 10 Newman JW, Floyd RV, Fothergill JL. The contribution of Pseudomonas aeruginosa virulence factors and host factors in the establishment of urinary tract infections. FEMS Microbiol Lett 2017; 364: 1-11 DOI: 10.1093/femsle/fnx124.
• 11 Skariyachan S, Sridhar VS, Packirisamy S. et al. Recent perspectives on the molecular basis of biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa and approaches for treatment and biofilm dispersal. Folia Microbiologica 2018; 63: 413-432 DOI: 10.1007/s12223-018-0585-4.
• 12 Ilari A, Pescatori L, di Santo R. et al. Salmonella enterica serovar Typhimurium growth is inhibited by the concomitant binding of Zn(II) and a pyrrolyl-hydroxamate to ZnuA, the soluble component of the ZnuABC transporter. Biochim Biophys Acta 2016; 1860: 534-541 DOI: 10.1016/j.bbagen.2015.12.006.
• 13 Simm C, Luan CH, Weiss E. et al. High-throughput screen for identifying small molecules that target fungal zinc homeostasis. PLoS ONE 2011; 6: 1-9 DOI: 10.1371/journal.pone.0025136.
• 14 Mike LA, Tripathi A, Blankenship CM. et al. Discovery of nicoyamycin A, an inhibitor of uropathogenic Escherichia coli growth in low iron environments. Chem Commun 2017; 53: 12778-12781 DOI: 10.1039/c7cc07732g.
• 15 Baell JB. Feeling nature’s PAINS: natural products, natural product drugs, and Pan Assay Interference Compounds (PAINS). J Nat Prod 2016; 79: 616-628 DOI: 10.1021/acs.jnatprod.5b00947.
• 16 Heras B, Scanlon MJ, Martin JL. Targeting virulence not viability in the search for future antibacterials. Br J Clin Pharmacol 2015; 79: 208-215 DOI: 10.1111/bcp.12356.