Nous devons trouver des moyens d'améliorer la puissance des antibiotiques existants et, dans cet esprit, nous commençons par une question inhabituelle : à quel point les doses d'antibiotiques peuvent-elles être faibles et pourtant la clairance bactérienne peut-elle encore être observée ? Cherchant à optimiser l'utilisation simultanée de deux antibiotiques, nous utilisons la dose minimale à laquelle la clairance est observée dans un modèle expérimental in vitro de traitement antibiotique comme critère pour distinguer les meilleurs et les pires traitements d'une bactérie, Escherichia coli. Notre objectif est de comparer un traitement combiné composé de deux antibiotiques synergiques à des traitements dits séquentiels dans lesquels le choix de l'antibiotique à administrer peut changer à chaque cycle de traitement. En utilisant des prédictions mathématiques validées par le modèle de traitement d'E. coli, nous montrons que la clairance de la bactérie peut être obtenue en utilisant des traitements séquentiels à des doses d'antibiotiques si faibles que les traitements combinés équivalents à deux médicaments sont inefficaces. Cherchant à traiter la bactérie dans des circonstances de test, nous étudions délibérément une souche d'E. coli qui a une pompe multimédicamenteuse codée dans son chromosome qui évacue les deux antibiotiques. Les amplifications génomiques qui augmentent le nombre de pompes exprimées par cellule peuvent entraîner l'échec des traitements combinés à forte dose, mais, comme nous le montrons, les populations traitées séquentiellement peuvent encore s'effondrer. Cependant, la double résistance due à la pompe signifie que les antibiotiques doivent être soigneusement déployés et que tous les traitements séquentiels sublétaux ne réussissent pas. Un criblage de 136 traitements séquentiels de 96 h a déterminé cinq d'entre eux qui pourraient éliminer la bactérie à des doses sublétales dans toutes les populations répliquées, même si aucun ne l'avait fait avant 24 h. Ces succès peuvent être attribués à une sensibilité collatérale selon laquelle la résistance croisée due à la pompe dupliquée s'avère insuffisante pour arrêter une réduction du taux de croissance d'E. coli à la suite d'échanges de médicaments, une réduction qui s'avère suffisamment importante pour que des commutateurs de médicaments choisis de manière appropriée éliminent la bactérie.

Necesitamos encontrar formas de mejorar la potencia de los antibióticos existentes y, con esto en mente, comenzamos con una pregunta inusual: ¿qué tan bajas pueden ser las dosis de antibióticos y, sin embargo, aún se observa el aclaramiento bacteriano? Buscando optimizar el uso simultáneo de dos antibióticos, utilizamos la dosis mínima a la que se observa el aclaramiento en un modelo experimental in vitro de tratamiento antibiótico como criterio para distinguir los mejores y peores tratamientos de una bacteria, Escherichia coli. Nuestro objetivo es comparar un tratamiento combinado que consiste en dos antibióticos sinérgicos con los llamados tratamientos secuenciales en los que la elección del antibiótico a administrar puede cambiar con cada ronda de tratamiento. Usando predicciones matemáticas validadas por el modelo de tratamiento de E. coli, mostramos que la eliminación de la bacteria se puede lograr usando tratamientos secuenciales a dosis de antibióticos tan bajas que los tratamientos equivalentes de combinación de dos fármacos son ineficaces. Buscando tratar la bacteria en circunstancias de prueba, estudiamos a propósito una cepa de E. coli que tiene una bomba multifármaco codificada en su cromosoma que expulsa ambos antibióticos. Las amplificaciones genómicas que aumentan el número de bombas expresadas por célula pueden causar el fracaso de los tratamientos de combinación de dosis altas, pero, como mostramos, las poblaciones tratadas secuencialmente aún pueden colapsar. Sin embargo, la doble resistencia debido a la bomba significa que los antibióticos deben implementarse cuidadosamente y no todos los tratamientos secuenciales subletales tienen éxito. Un cribado de 136 tratamientos secuenciales de 96 h de duración determinó cinco de estos que podrían eliminar la bacteria a dosis subletales en todas las poblaciones replicadas, a pesar de que ninguno lo había hecho a las 24 h. Estos éxitos se pueden atribuir a una sensibilidad colateral por la cual la resistencia cruzada debido a la bomba duplicada resulta insuficiente para detener una reducción en la tasa de crecimiento de E. coli después de los intercambios de fármacos, una reducción que resulta lo suficientemente grande como para que los interruptores de fármacos elegidos adecuadamente eliminen la bacteria.

We need to find ways of enhancing the potency of existing antibiotics, and, with this in mind, we begin with an unusual question: how low can antibiotic dosages be and yet bacterial clearance still be observed? Seeking to optimise the simultaneous use of two antibiotics, we use the minimal dose at which clearance is observed in an in vitro experimental model of antibiotic treatment as a criterion to distinguish the best and worst treatments of a bacterium, Escherichia coli. Our aim is to compare a combination treatment consisting of two synergistic antibiotics to so-called sequential treatments in which the choice of antibiotic to administer can change with each round of treatment. Using mathematical predictions validated by the E. coli treatment model, we show that clearance of the bacterium can be achieved using sequential treatments at antibiotic dosages so low that the equivalent two-drug combination treatments are ineffective. Seeking to treat the bacterium in testing circumstances, we purposefully study an E. coli strain that has a multidrug pump encoded in its chromosome that effluxes both antibiotics. Genomic amplifications that increase the number of pumps expressed per cell can cause the failure of high-dose combination treatments, yet, as we show, sequentially treated populations can still collapse. However, dual resistance due to the pump means that the antibiotics must be carefully deployed and not all sublethal sequential treatments succeed. A screen of 136 96-h-long sequential treatments determined five of these that could clear the bacterium at sublethal dosages in all replicate populations, even though none had done so by 24 h. These successes can be attributed to a collateral sensitivity whereby cross-resistance due to the duplicated pump proves insufficient to stop a reduction in E. coli growth rate following drug exchanges, a reduction that proves large enough for appropriately chosen drug switches to clear the bacterium.

نحن بحاجة إلى إيجاد طرق لتعزيز فعالية المضادات الحيوية الموجودة، ومع وضع ذلك في الاعتبار، نبدأ بسؤال غير عادي: إلى أي مدى يمكن أن تكون جرعات المضادات الحيوية منخفضة ومع ذلك لا يزال من الممكن ملاحظة إزالة البكتيريا ؟ سعياً إلى تحسين الاستخدام المتزامن لاثنين من المضادات الحيوية، نستخدم الجرعة الدنيا التي يتم عندها ملاحظة التصفية في نموذج تجريبي في المختبر للعلاج بالمضادات الحيوية كمعيار للتمييز بين أفضل وأسوأ العلاجات للبكتيريا، الإشريكية القولونية. هدفنا هو مقارنة العلاج المركب الذي يتكون من اثنين من المضادات الحيوية التآزرية بما يسمى بالعلاجات المتسلسلة التي يمكن أن يتغير فيها اختيار المضادات الحيوية التي يتم إعطاؤها مع كل جولة من العلاج. باستخدام التنبؤات الرياضية التي تم التحقق من صحتها من خلال نموذج علاج الإشريكية القولونية، نظهر أنه يمكن إزالة البكتيريا باستخدام علاجات متتابعة بجرعات مضادات حيوية منخفضة للغاية بحيث تكون العلاجات المركبة المكافئة للدواءين غير فعالة. سعياً لعلاج البكتيريا في ظروف الاختبار، ندرس عن قصد سلالة الإشريكية القولونية التي تحتوي على مضخة متعددة الأدوية مشفرة في كروموسومها الذي يخرج كلا المضادين الحيويين. يمكن أن تتسبب التضخمات الجينية التي تزيد من عدد المضخات المعبر عنها لكل خلية في فشل العلاجات المركبة عالية الجرعة، ومع ذلك، كما نظهر، لا يزال من الممكن أن ينهار السكان المعالجون بالتسلسل. ومع ذلك، فإن المقاومة المزدوجة بسبب المضخة تعني أنه يجب نشر المضادات الحيوية بعناية وعدم نجاح جميع العلاجات المتسلسلة دون المميتة. حددت شاشة مكونة من 136 علاجًا متسلسلًا بطول 96 ساعة خمسة من هذه العلاجات التي يمكن أن تزيل البكتيريا بجرعات شبه مميتة في جميع المجموعات المكررة، على الرغم من أن أيا منها لم يفعل ذلك بحلول 24 ساعة. يمكن أن تعزى هذه النجاحات إلى حساسية جانبية حيث تثبت المقاومة المتقاطعة بسبب المضخة المكررة أنها غير كافية لوقف انخفاض معدل نمو الإشريكية القولونية بعد تبادل الأدوية، وهو انخفاض كبير بما يكفي لمفاتيح الأدوية المختارة بشكل مناسب لتطهير البكتيريا.