Achter de schermen van alombekende gezondheidsproblemen zoals kanker en de huidige Covid-19 pandemie vormen bacteriële contaminaties en infecties een toenemend gevaar voor onze gezondheid. Door de snelle ontwikkeling en verspreiding van resistentie worden de ooit zo succesvolle antibioticabehandelingen steeds minder effectief. Bovendien komen bacteriën voornamelijk voor in biofilmen, dichte gemeenschappen waarin ze omgeven zijn door een zelfgeproduceerde beschermende matrix die bestaat uit extracellulaire polymere substanties (EPS). Deze matrixcomponenten spelen een rol in aanhechting en zorgen dat bacteriën nog minder vatbaar zijn voor antimicrobiële behandelingen. Er is daarom dringend nood aan alternatieve antimicrobiële middelen om een langetermijn oplossing tegen bacteriële contaminaties en infecties te kunnen bieden. Huidige antimicrobiële middelen zijn echter hoofdzakelijk gericht tegen private eigenschappen van individuele bacteriën, terwijl de uiteenlopende sociale interacties die plaatsvinden in bacteriële gemeenschappen mogelijks nog interessantere doelwitten vormen. Zo zijn bacteriën in biofilmen bijvoorbeeld extra afhankelijk van publieke goederen, coöperatieve eigenschappen die een kost meebrengen voor producerende cellen maar een gedeeld voordeel opleveren voor omringende cellen. Deze bacteriële publieke goederen kunnen makkelijk vergeleken worden met humane publieke goederen die de hele gemeenschap ten goede komen en bekostigd worden via belastingen: bv. straatlantaarns, publieke scholen en ziekenhuizen. Wanneer iedereen de belastingen zou ontlopen, zal er onvoldoende geld zijn om deze publieke diensten te ondersteunen en dreigt de gemeenschap uit elkaar te vallen. Op dezelfde wijze trachten we in dit onderzoek om de vorming van bacteriële publieke goederen te inhiberen, aangezien verwacht wordt dat dit zal resulteren in het uiteenvallen van de bacteriële populatie en zo zal leiden tot een verbeterde behandeling van bacteriële contaminaties en infecties. Het verstoren van deze publiek goed coöperatie vormt bovendien een veelbelovende nieuwe antimicrobiële strategie met het oog op resistentie-ontwikkeling. De sociale evolutietheorie voorspelt in dit geval namelijk een selectie tegen resistentie, omdat resistente mutanten het publiek voordeel van hun resistentie zullen delen met vatbare cellen in de populatie. In dit onderzoek focussen we op de EPS componenten in biofilmen als potentieel publiek goed om zo experimenteel bewijs te kunnen leveren voor deze theorie dat resistentie tegen publiek goed inhibitoren niet zal evolueren.

In een eerste deel focussen we op het probleem van biofilmen buiten de gastheer, bv. in de voedingsindustrie. In een in vitro biofilmmodel tonen we aan dat (i) EPS in Salmonella biofilmen een publiek goed is waarvan anderen de voordelen kunnen plukken. (ii) In tegenstelling tot een antibioticumbehandeling, leidt een langdurige blootstelling aan onze in house ontwikkelde EPS inhibitor bovendien niet tot evolutie van resistentie. (iii) We identificeerden natuurlijke varianten die verschillen in hun gevoeligheid voor de EPS inhibitor en tonen uiteindelijk aan dat gevoelige cellen in staat zijn om de resistentere cellen weg te concurreren tijdens behandeling met deze EPS inhibitor. Hiermee leveren we een eerste in vitro bewijs dat selectie tegen resistentie optreedt in geval van publiek goed inhibitoren.

Dit bewijs is reeds erg waardevol met het oog op het beperken van contaminaties in de industrie. In vivo validatie is echter noodzakelijk om ook een toepassing te kunnen vinden in het bestrijden van bacteriële infecties. Hiervoor werden twee verschillende onderzoeksstrategieën aangewend. (i) In een eerste luik proberen we het geleverde in vitro bewijs met de EPS in Salmonella biofilmen rechtstreeks over te dragen naar een eenvoudig in vivo modelsysteem in C. elegans nematoden met een verzwakt immuunsysteem alsook naar een complexer modelsysteem in immunocompetente muizen. Verschillende van onze bevindingen in deze modellen ondersteunen het therapeutisch potentieel van EPS inhibitie, terwijl andere aspecten de resistentiebestendigheid van deze strategie tegenwerken. Op basis van deze bevindingen veronderstellen we dat het immuunsysteem van kritisch belang is en de invloed ervan nog verder onderzocht moet worden. (ii) In een tweede benadering werd de algemene toepasbaarheid van deze resistentiebestendige strategie verder onderzocht in uropathogene Escherichia coli bacteriën, wiens biofilmen aan de basis liggen van de klinisch erg relevante katheter-geassocieerde urineweginfecties. De huidige resultaten kunnen echter nog geen uitsluitsel geven of EPS inhibitie al dan niet perspectief biedt voor de bestrijding van deze infecties.

In dit onderzoek wordt het theoretisch concept dat publiek goed inhibitoren kunnen selecteren tegen resistentie in bepaalde species en condities experimenteel ondersteund met EPS als een voorbeeld publiek goed. Aangezien de resultaten tijdens de verdere in vivo validatie en uitbreiding van het concept sterk verschillen in de verschillende modelsystemen, benadrukken we hier het belang van een zorgvuldige selectie en combinatie van modelsystemen om mogelijke beperkingen van het concept beter te kunnen inschatten. Verdere uitbreiding van dit onderzoek naar verschillende species en toepassingen is dus cruciaal om het werkelijke potentieel van deze veelbelovende antimicrobiële strategie te kunnen aantonen. 

Je kan deze verdediging online volgen: https://livestream.kuleuven.be/?pin=968954

Behind the scenes of well-known health issues like cancer and the current Covid-19 pandemic, bacterial contaminations and infections are posing an increasing danger to human health. The once so successful antibiotics are becoming less efficient treatment strategies due to the rapid development and spread of resistance. In addition, bacteria predominantly live in dense biofilm communities where they are embedded in a self-produced protective matrix of extracellular polymeric substances (EPS), which mediates attachment and makes them even less prone to antimicrobial treatments. Therefore, there is an urgent need for a next generation of antimicrobial drugs to provide an efficient long-term solution to bacterial contaminations and infections. While many antimicrobials target private traits of individual bacteria, the social interactions between bacteria in bacterial communities could provide even more interesting targets. For instance, bacteria are particularly reliant on public goods in order to form biofilms, shared traits that are costly to produce but benefit other cells in the population. These bacterial public goods can be compared to human public goods which benefit all of society and are funded through taxation: e.g. street lightning, public schools and hospitals. If everybody evades taxes, there will be no money left to sustain these beneficial public services. Similarly, the inhibition of bacterial public goods involved in biofilm formation is expected to result in a collapse of the bacterial population and hence an improved treatment of bacterial contaminations and infections. Such interference with public good cooperation provides a particularly promising novel antimicrobial strategy because social evolution theory predicts that resistant mutants will be counter-selected if they share the public benefits of their resistance with susceptible cells in the population. In this research, we focus on the biofilm EPS components as a potential public good in order to provide experimental support for this theoretical prospect that public good inhibitors limit resistance evolution.

In a first part of the research, we employ an in vitro biofilm model and focus on the problem of biofilms in the contexts outside of a host, e.g. in food industry. We show that (i) Salmonella EPS is a public good which can be exploited by non-EPS producing mutants and that (ii) in contrast to antimicrobial treatment, prolonged exposure to an in house developed EPS inhibitor does not result in resistance evolution. (iii) We identified natural variants that differ in their susceptibility against the EPS inhibitor, and most importantly, we demonstrate that susceptible strains outcompete more resistant strains under EPS inhibitor treatment. With this, we provide a first in vitro proof-of-concept that resistance against a public good inhibitor is counter selected.

Although this in vitro support highlights the potential of EPS inhibitors to limit bacterial contaminations in industry, in vivo validation of this concept is crucial to extend their application to bacterial infections. Hereto, we applied two different research strategies. (i) In a first approach we try to directly transfer the previously delivered in vitro proof-of-concept with the EPS of Salmonella biofilms to a rather simple in vivo model host, i.e. an immunocompromised C. elegans nematode model, and a more complex colitis model in immunocompetent mice. Several findings in these models support the therapeutic potential of EPS inhibition, while other aspects challenge the evolutionary robustness of EPS inhibition. We hypothesize that the host’s immune system plays a critical role in the altered results in both model systems and this contribution should be further investigated. (ii) In a second approach, we validated the genericity of the here proposed antimicrobial strategy of evolution-proof EPS inhibitors and aimed to extrapolate the concept to the clinically relevant uropathogenic Escherichia coli biofilms in catheter-associated urinary tract infections. Due to poor reproducibility of the obtained results, this research remains currently inconclusive.

Overall, this thesis delivers experimental support for the counter-selection of resistance against public good inhibitors in specific species and conditions with EPS as an example public good. As results during the subsequent in vivo validation and extrapolation of this concept strongly differed between model systems, we highlight the importance of a careful selection and combination of model systems to assess potential pitfalls. Further exploration in different species and applications is crucial to demonstrate the true potential of this promising solution to combat bacterial infections with limited concern for antimicrobial resistance.

You can follow this public defense online:https://livestream.kuleuven.be/?pin=968954