Exploring the antibacterial properties of the natural product Chlorotonil A and its derivate Chlorotonil B1-Epo2 against severe Clostridioides difficile infection
The intestinal microbiota is an intricate ecosystem consisting of trillions of microbes, which colonize the intestinal tract and co-evolved with their human host over thousands of years. In a healthy state, this microbiota can protect itself and the host from invading pathogens in a process termed colonization resistance. If this balance is disrupted, for instance by broad-spectrum antibiotic usage, the host can become susceptible to opportunistic pathogens like Clostridioides difficile, potentially causing live threating infection and multiple recurrent episodes. The widespread usage of antibiotics in healthcare settings has increased occurrences of C. difficile infections, making it a significant public health concern. Therefore, the need for specific antibiotics against C. difficile, which preserve the intestinal microbiota and colonization resistance, is continuously growing. In the present work, we investigated the efficacy of the novel compounds Chlorotonil A and Chlorotonil B1-Epo2 as antibiotics against the intestinal pathogen C. difficile. We demonstrated potent antimicrobial and bactericidal activity, comparable to clinically relevant antibiotics. In a mouse model of antibiotic induced C. difficile infection, treatment with Chlorotonil A led to a superior disease recovery, compared to the standard treatment with vancomycin. However, Chlorotonil B1-Epo2 failed to alleviate disease symptoms. In line with these results, we observed a lower impact of Chlorotonil A on the intestinal microbiota, whereas Chlorotonil B1-Epo2 and vancomycin induced significant shifts in diversity as well as species abundances. These findings suggested that Chlorotonil A might provide a better treatment efficacy, due to lesser off-target effects on the microbiota, specifically commensal bacteria that can promote protection against C. difficile, thereby enabling a faster restoration of colonization resistance. In fact, by highly sensitive metabolomic measurements, we could demonstrate a lower effect of Chlorotonils A on bacterial metabolism and protective metabolites in the intestine, further highlighting a potential microbe-sparing effect of Chlorotonil A. Finally, we could demonstrate that Chlorotonils, likely due to their hydrophobic character, can accumulate on C. difficile spores, triggering an inhibition of outgrowing spores after germination was induced. This effect was also observed in vivo: by infecting mice with Chlorotonil A treated spores, we demonstrated significantly reduced disease severity and mortality, highlighting the efficacy of Chlorotonil A against C. difficile infection. In summary, we could demonstrate efficient antibiotic activity of Chlorotonils, a colonization resistance sparing effect for Chlorotonil A and inhibition of C. difficile spore outgrowth for both Chlorotonils, making them ideal candidates for future studies and product development.
Die Darm-Mikrobiota ist ein komplexes Ökosystem, das aus Billionen von Mikroorganismen besteht, die den Verdauungstrakt besiedeln und sich über Tausende von Jahren gemeinsam mit ihrem menschlichen Wirt entwickelt haben. In einem gesunden Zustand kann diese Mikrobiota sich selbst, und den Wirt vor eindringenden Krankheitserregern schützen - ein Prozess, der als Kolonisationsresistenz bezeichnet wird. Ist dieses Gleichgewicht gestört, z. B. durch den Einsatz von Breitbandantibiotika, kann der Wirt anfällig für Infektionen mit opportunistischen Erregern wie Clostridioides difficile werden, was zu einer lebensbedrohlichen Infektion und erneuten Krankheitsausbrüchen führen kann. Der weit verbreitete Einsatz von Breitbandantibiotika im Gesundheitswesen hat das Auftreten von C. difficile Infektionen erhöht und zu einem erheblichen Problem für die öffentliche Gesundheit gemacht. Daher wächst der Bedarf an Antibiotika, die spezifisch gegen C. difficile wirken, die Mikrobiota schützen sowie Kolonisationsresistenz erhalten. In der vorliegenden Arbeit haben wir die Wirksamkeit der neuartigen Antibiotika Chlorotonil A und Chlorotonil B1-Epo2 gegen den Darm Erreger C. difficile getestet. Wir konnten eine starke antimikrobielle und bakterizide Aktivität nachweisen, die mit klinisch relevanten Antibiotika vergleichbar ist. In Mausversuchen für C. difficile Infektionen führte die Behandlung mit Chlorotonil A zu einer besseren Heilung der Krankheit als das Standard-Antibiotikum Vancomycin. Chlorotonil B1-Epo2 zeigte jedoch keine Wirksamkeit gegen die Infektion im Mausmodell. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen beobachteten wir einen geringeren Effekt von Chlorotonil A auf die Mikrobiota, während Chlorotonil B1-Epo2 und Vancomycin signifikante Änderungen in der Diversität und Abundanz von unterschiedlichen Bakterien bewirkten. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Chlorotonil A eine bessere Behandlung der Infektion ermöglicht, da es geringere Nebenwirkungen auf die Mikrobiota hat, insbesondere auf kommensale Bakterien, die den Schutz gegen C. difficile fördern können, und somit eine schnellere Wiederherstellung der Kolonisationsresistenz ermöglicht. Wir konnten durch Messungen des bakteriellen Stoffwechsels im Darm eine geringere Auswirkung von Chlorotonil A auf spezifische Stoffwechselwege, die schützende Metabolite produzieren, nachweisen, was einen weiteren Hinweis auf eine schonende Wirkung von Chlorotonil A auf die Mikrobiota darstellt. Abschließend konnten wir zeigen, dass sich die Chlorotonile, wahrscheinlich aufgrund ihres hydrophoben Charakters, an C. difficile Sporen anlagern können, und somit das Auswachsen von Sporen verhindert, nachdem die Sporenkeimung ausgelöst wurde. Dieser Effekt wurde auch im Mausmodell beobachtet: Der Schweregrad der Krankheit und die Sterblichkeit der Mäuse war signifikant reduziert, nachdem diese mit Chlorotonil A vorbehandelten Sporen infiziert wurden, was die Wirksamkeit von Chlorotonil A gegen C. difficile Infektionen bestätigt. Zusammenfassend konnten wir eine effiziente Wirksamkeit der Chlorotonile, eine Schonung der Kolonisationsresistenz und eine Inhibition des Auswachsens von C. difficile-Sporen für beide Chlorotonile nachweisen, was sie zu idealen Kandidaten für zukünftige Forschung und Produktentwicklung macht.
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