Prot. 2022XFFTH5 - Targeting alarming lung bacterial infections by topical administration of novel peptide antibiotics

La prospettiva più cupa per un "era post-antibiotici" è quella in cui le infezioni microbiche non possono più essere curate. Il tradizionale percorso degli antibiotici è stato esaurito, mentre la resistenza antimicrobica è diventata una crisi multifattoriale, imponendo una seria minaccia alla salute globale. C'è quindi un urgente e innegabile bisogno di nuovi trattamenti antimicrobici. I peptidi antimicrobici (AMP), ispirati dalla natura, stanno rapidamente guadagnando attenzione per la loro traduzione clinica, in quanto presentano distinti vantaggi rispetto agli antibiotici convenzionali. Gli AMP hanno dimostrato un ruolo fondamentale nel sistema immunitario innato degli organismi viventi; molti di essi sono conservati evolutivamente con una limitata propensione ad indurre resistenza. Gruppi di ricerca nel nostro Consorzio hanno identificato brevi AMP elicoidali naturali che sono attivi sulla membrana (MA-AMP) e diversi brevi AMP ricchi di prolina (PR-AMP) che agiscono intracellularmente inibendo la sintesi proteica. L'obiettivo principale di questo progetto è caratterizzare completamente e ottimizzare gli AMP MA esistenti (peptidi Esc e Tmp), PR-AMP e una nuova libreria di Tmp ciclico o la loro combinazione per lo sviluppo di nuovi composti anti-infettivi per trattare due tipi di infezioni rilevanti come le infezioni polmonari e delle ferite associate ai "patogeni prioritari" Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus. L'uso combinato di MA- e PR-AMP con diversi modi d'azione è previsto per aumentare l'attività e rendere ancora più lento l'insorgenza della resistenza, mentre la modifica chimica del backbone peptidico può essere utilizzata per migliorare l'attività biologica e la stabilità dei peptidi e per ridurre la loro potenziale citotossicità, se necessario. Proponiamo di perseguire un piano sperimentale finalizzato allo studio della potenza degli AMP selezionati su un ampio pannello di isolati clinici in condizioni che riflettano meglio la fisiologia dei distretti target, nonché di valutare la loro stabilità nei fluidi biologici prima di testarne l'efficacia in un appropriato modello murino di infezione. Inoltre, il progetto mira a esplorare l'effetto degli AMP sulle cellule ospiti presenti nei siti di infezione in termini di attività metaboliche e immunomodulatorie, che rappresentano aspetti finora inesplorati. Un altro obiettivo rilevante del progetto è lo sviluppo di nuovi sistemi nanoparticellari che adattano la formulazione per una consegna più efficiente e quantitativamente adeguata degli AMP nel sito target, migliorando nel contempo la stabilità degli AMP alle proteasi e prolungando la loro durata di vita. Se il nostro approccio multidisciplinare avrà successo, consentirà una comprensione più profonda dell'efficacia delle formulazioni terapeutiche basate sugli AMP e di identificare i migliori candidati per la traduzione di nuovi farmaci nella medicina reale per combattere le attuali allarmanti malattie infettive antibiotico-resistenti.

The bleakest outlook for a “post-antibiotic era” is one in which microbial infections can no longer be cured. The traditional antibiotic pipeline has been exhausted, while antimicrobial resistance has become a multifaceted crisis, imposing a serious threat to global health. There is thus an urgent and undeniable need for new antimicrobial treatments. Inspired by nature, antimicrobial peptides (AMPs) are rapidly gaining attention for their clinical translation, as they present distint advantages compared to conventional antibiotics. AMPs have demonstrated a pivotal role in the innate immune system of living organisms; many of them are evolutionarily conserved with limited propensity to induce resistance. Research groups in our Consortium have identified short, naturally-occurring helical AMPs that are membrane-active (MA-AMPs) as well as several short proline-rich AMPs (PR-AMPs) that act intracellularly inhibiting protein synthesis. The main goal of this project is to fully characterize and optimize existing MA-AMPs (Esc and Tmp peptides), PR-AMPs and a novel library of cyclic Tmp or their combination for the development of new anti-infective compounds to treat two types of relevant topic infections such as pulmonary and wound infections associated to the “priority pathogens” Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. Combined use of MA- and PR-AMPs with different modes of action is expected to increase activity and make the incidence of resistance even slower, while chemical modification to the peptide backbone can be used to improve biological activity and stability of the peptides and to reduce their potential cytotoxicity, if necessary. We propose to pursue an experimental plan aimed at studying the potency of selected AMPs on a large panel of clinical isolates under conditions that better reflect physiology of the target districts as well as to assess their stability in biological fluids before testing their efficay in a proper mouse model of infection. Furthemore, the project aims at exploring the effect of AMPs on the host cells that are present at the sites of infection in terms of metabolic and immunomodulatory activities which represent hitherto unexplored aspects. Another relevant objective of the project is the development of novel nanoparticulate systems tailoring the formulation for more efficient and quantitatively adequate AMP delivery to the target site, while improving AMPs stability to proteases and prolonging AMPs lifespan. If successfull our multidisciplinary approach will allow a deeper understanding of the effectiveness of AMPs-based therapeutic formulations and to identify the best candidates for the translation of novel drugs into real-life medicine to fight the current alarming antibiotic-resistant infectious diseases.