Exploring bacterial metalloproteases as promising drug targets

Abstract

Microbial infection and the rise of antibiotic resistance pose a serious threat to public health. To tackle bacterial infection and resistance, new bacterial targets and non-antibiotic treatment options need to be identified. Virulence factors are gaining attention these days as they play crucial roles in bacterial pathogenicity. As their inhibition does not kill the bacteria, the selection pressure for emerging new resistant mutants is reduced, while also assisting the host immune system in eliminating the disarmed bacteria. Extracellular bacterial collagenases are the etiologic features of many bacterial infections. They are metalloproteases characterized by their ability to digest the main scaffolds of the extracellular matrix, exposing deep tissue to bacteria and other toxins. As the inhibition of virulence factors is considered one powerful non-antibiotic strategy, full characterization of these targets is essential to understand their role during infection. Furthermore, pre-clinical models imitating the infection need to be developed to decipher the role of virulence targets and their inhibitors in pathophysiological settings. This study addresses the characterization and validation of three bacterial collagenases and their inhibitors: collagenase Q1 (ColQ1) of Bacillus cereus, Collagenase H (ColH) of Clostridium histolyticum, and elastase B (LasB) of Pseudomonas aeruginosa. To promote our understanding of the pathological contribution of bacterial collagenases and to characterize the activity of small-molecule collagenase inhibitors as therapeutic agents, we developed pre-clinical systems modeling the infection settings and validating the collagenases and their inhibitors. These systems include in vitro cell-based, ex vivo pig skin, and in vivo Galleria mellonella larvae models. Furthermore, advanced microscopic techniques as well as in vitro biological and bioanalytical assays were used to evaluate the effects shown in these models. The newly discovered inhibitors investigated in this study are characterized with their potency, selectivity, and chemical stability, which many previously reported inhibitors lack. The findings of this work shed light on the roles of bacterial collagenases during bacterial infection – in particular in disease progression – and the effect of their inhibition with small-molecule antivirulence agents, which could represent an effective therapeutic strategy.

Mikrobielle Infektionen und die Zunahme der Antibiotikaresistenz stellen eine ernste Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar. Um bakterielle Infektionen und Resistenzen zu bekämpfen, müssen neue bakterielle Angriffspunkte und nicht-antibiotische Behandlungen gefunden werden. Virulenzfaktoren gewinnen in diesen Tagen an Aufmerksamkeit, da sie eine entscheidende Rolle bei der bakteriellen Pathogenität spielen. Ihre Hemmung durch sogenannte "Antivirulenzwirkstoffe" tötet die Bakterien nicht ab. Dadurch wird der Selektionsdruck für die Entstehung neuer resistenter Mutanten verringert und gleichzeitig das Immunsystem des Wirts bei der Beseitigung der deaktivierten Bakterien unterstützt. Extrazelluläre bakterielle Kollagenasen sind die ätiologischen Merkmale vieler bakterieller Infektionen. Es handelt sich dabei um Metalloproteasen, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, die Hauptgerüste der extrazellulären Matrix zu verdauen und so tiefes Gewebe für Bakterien und andere Toxine freizulegen. Da Virulenzfaktoren und ihre Inhibitoren als eine vielversprechende nicht-antibiotische Strategie angesehen werden, ist ihre vollständige Charakterisierung unerlässlich, um ihre Rolle während der Infektion zu verstehen und neu entdeckte Faktoren als potenzielle Ziele und Inhibitoren zu validieren. Darüber hinaus müssen präklinische Modelle entwickelt werden, die die Infektion imitieren, um die Rolle der Virulenz-Targets und ihrer Inhibitoren in pathophysiologischen Situationen zu entschlüsseln. Diese Studie befasst sich mit der Charakterisierung und Validierung drei bakterieller Kollagenasen und ihrer Inhibitoren: der Kollagenase Q1 (ColQ1) von Bacillus cereus, der Kollagenase H (ColH) von Clostridium histolyticum und der Elastase B (LasB) von Pseudomonas aeruginosa. Um unser Verständnis des pathologischen Beitrags bakterieller Kollagenasen zu fördern und die Aktivität von niedermolekularen Kollagenase-Inhibitoren als therapeutische Wirkstoffe zu charakterisieren, haben wir präklinische Systeme entwickelt, die die Infektionsbedingungen nachbilden und die Kollagenasen und ihre Inhibitoren validieren. Zu diesen Systemen gehören In-vitro-Zellsysteme, Ex-vivo-Schweinehaut und In-vivo-Modelle basierend auf Galleria mellonella Larven. Darüber hinaus wurden moderne mikroskopische Techniken, sowie biologische und bioanalytische In-vitro-Tests eingesetzt, um die in den zuvor genannten Modellen gezeigten Wirkungen zu bewerten. Die neu entdeckten Inhibitoren, die in dieser Studie untersucht werden, zeichnen sich durch ihre Potenz, Selektivität und chemische Stabilität aus, die bei vielen bisher bekannten Inhibitoren fehlen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werfen ein Licht auf die Rolle bakterieller Kollagenasen während bakterieller Infektionen, insbesondere bei der Förderung von Krankheiten, und auf die Wirkung ihrer Hemmung durch niedermolekulare Antivirulenzmittel, die eine wirksame therapeutische Strategie darstellen könnten.