Predicting bacterial accumulation of anti-infectives by measuring permeability across surrogates of the Gram-negative bacterial cell envelope

Abstract

The complex Gram-negative bacterial cell envelope is an important factor of intrinsic and acquired antibiotic resistance and explains the limited treatment options for infections caused by such pathogens. To support the discovery of highly permeating and thus potentially more active compounds, in vitro models based on permeable well plate inserts have been developed, advanced, and characterized. Advancing an approach by F. Graef[1], which mimics the total envelope structure of Gram-negative bacteria, similarities to the actual cell envelope structure have been revealed by CLSM and x-ray microtomography. Commercially available antibiotics have been tested with nalidixic acid permeating fastest. A second model was obtained by exploring if polysaccharide gels allow to distinguish high from low accumulating antibiotics. With 20% (w/v) starch gel performing best, the preparation was automated, structure-permeation relationships investigated and validated by machine learning. A third model is based on extracellular vesicles of Escherichia coli. These vesicles and the model derived thereof have been characterized by electron microscopy, while the performance of the model was investigated by comparing in vitro data to in bacterio accumulation and to permeability data from liposome-based models. Lacking porins, the total envelope model was limited to predict porin-independent permeation. This was, however, better achieved by using the starch-based and vesicle-based models.

Die Zellmembran gramnegativer Bakterien ein wichtiger Faktor für intrinsische und erworbene Antibiotikaresistenzen. Um die Entdeckung von gut permeierenden und folglich potenziell wirksameren Antibiotika zu fördern, wurden in vitro-Modelle basierend auf Wellplatten mit durchlässiger Membran (weiter-)entwickelt und charakterisiert. Bei der Weiterentwicklung eines Ansatzes von Gräf et al.[1], der die Gesamtstruktur der gramnegativen Zellmembran nachbildet, wurde die Ähnlichkeit zum tatsächlichen gramnegativen Membranaufbau durch CLSM und Röntgenmikrotomographie festgestellt. Kommerziell erhältliche Antibiotika wurden getestet, wobei Nalidixinsäure am schnellsten permeierte. Ein zweites Modell wurde erhalten, als explorativ untersucht wurde, ob Polysaccharidgele im Stande sind, gute von schlechtakkumulierenden Antibiotika zu unterscheiden. Mit 20%igem (m/v) Stärkegel, welches am besten abschnitt, wurde die Modellherstellung automatisiert, Struktur-Wirkungsbeziehungen untersucht und diese durch maschinelles Lernen validiert. Ein drittes Modell basiert auf extrazellulären Vesikeln von Escherichia coli. Die Vesikel und das Modell wurden durch Elektronenmikroskopie charakterisiert, während die Leistung durch Vergleich der erhaltenen Permeabilitätsdaten Daten mit bakteriellen Akkumulationsdaten und Permebilitätsdaten von liposomenbasierten Modellen überprüft wurde. Durch die fehlenden Porine im ersten Ansatz war dieser lediglich auf die Vorhersage von porinunabhängiger Permeation beschränkt. Die Vorhersage von porinabhängiger Permeation wurde besser durch die stärkebasierten und vesikelbasierten Modelle erzielt.