Abstract Acinetobacter baumannii A118, a mostly susceptible strain, and AB5075, carbapenem-resistant, were cultured in L broth or L broth with different supplements: 3.5% human serum albumin (HSA), human serum (HS), meropenem, or meropenem plus 3.5% HSA. Natural transformation levels were enhanced in A. baumannii A118 and AB5075 cultured in medium supplemented with 3.5 % HSA. Addition of meropenem plus 3.5% HSA caused synergistic enhancement of natural transformation in A. baumannii A118. Medium containing 3.5% HSA or meropenem enhanced the expression levels of the competence and type IV pilus associated genes. The combination meropenem plus 3.5% HSA produced a synergistic augmentation in the expression levels of many of these genes. The addition of HS, which has a high content of HSA, was also an inducer of these genes. Cultures in medium supplemented with HS or 3.5% HSA also affected resistance genes, which were expressed at higher or lower levels depending on the modification required to enhance resistance. The inducing or repressing activity of these modulators also occurred in three more carbapenem-resistant strains tested. An exception was the A. baumannii AMA16 bla NDM-1 gene, which was repressed in the presence of 3.5% HSA. In conclusion, HSA produces an enhancement of natural transformation and a modification in expression levels of competence genes and antibiotic resistance. Furthermore, when HSA is combined with carbapenems, which may produce stronger cellular stress, the A. baumannii responds increasing the levels of expression of genes involved in natural competence. This process may favor the acquisition of foreign DNA and accelerate evolution. Importance Acinetobacter baumannii causes a variety of nosocomial- and community-infections that are usually resistant to multiple antimicrobial agents. As new strains acquire more resistance genes, these infections become harder to treat, and mortality can reach up to 39%. The high genomic plasticity exhibited by A. baumannii must be the consequence of numerous mechanisms that include acquiring foreign DNA and recombination. Here, we describe the ability of A. baumannii to induce competence genes when exposed to environments that resemble those found in the human body during untreated infection or after administration of carbapenems. In this latter scenario expression of genes related to resistance also modify their expression levels such that resistance is increased. The contributions of this article are two-pronged. First, when A. baumannii is exposed to substances present during infection, it responds, augmenting the ability to capture DNA and accelerate evolution. Second, in those conditions, the bacterium also modifies the expression of resistance genes to increase its resistance levels. In summary, recognition of substances that are naturally (HSA) or artificially (treatment with carbapenems) induces A. baumannii to defend, enhancing resistance and increasing the chances of acquiring new resistance mechanisms.

Resistance to amikacin and other major aminoglycosides is commonly due to enzymatic acetylation by the aminoglycoside 6′-N-acetyltransferase type I enzyme, of which type Ib [AAC(6′)-Ib] is the most widespread among Gram-negative pathogens. Finding enzymatic inhibitors could be an effective way to overcome resistance and extend the useful life of amikacin. Small molecules possess multiple properties that make them attractive for drug development. Mixture-based combinatorial libraries and positional scanning strategy have led to the identification of a chemical scaffold, pyrrolidine pentamine, that, when substituted with the appropriate functionalities at five locations (R1–R5), inhibits AAC(6′)-Ib-mediated inactivation of amikacin. Structure–activity relationship studies have shown that while truncations to the molecule result in loss of inhibitory activity, modifications of functionalities and stereochemistry have different effects on the inhibitory properties. In this study, we show that alterations at position R1 of the two most active compounds, 2700.001 and 2700.003, reduced inhibition levels, demonstrating the essential nature not only of the presence of an S-phenyl moiety at this location but also the distance to the scaffold. On the other hand, modifications on the R3, R4, and R5 positions had varied effects, demonstrating the potential for optimization. A correlation analysis between molecular docking values (ΔG) and the dose required for two-fold potentiation of the compounds described in this and the previous studies showed a significant correlation between ΔG values and inhibitory activity.

The emergence of Gram-negative bacteria resistant to multiple antibiotics, particularly carbapenem-resistant (CR)

Recently, considerable uncertainty has arisen concerning the appropriate susceptibility testing for cefiderocol in gram-negative bacilli, particularly in the context of its application to Acinetobacter spp. The optimal method for assessing the susceptibility levels of Acinetobacter spp. to cefiderocol remains a subject of debate due to substantial disparities observed in the values obtained through various testing procedures. This study employed four minimum inhibitory concentration (MIC) methodologies and the disk diffusion to assess the susceptibility of twenty-seven carbapenem resistant (CR)-Acinetobacter strains to cefiderocol. The results from our study reveal significant variations in the minimum inhibitory concentration (MIC) values obtained with the different methods and in the level of agreement in interpretation categories between the different MIC methods and the disk diffusion test. Among the MIC methods, there was relatively more consistency in reporting the interpretation categories. For European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST) breakpoints, the categorical agreement (CA) for MIC methods ranged between 66.7 and 81.5%. On the other hand, the essential agreement (EA) values were as low as 18.5–29.6%. The CA between MIC methods and disk diffusion was 81.5%. These results emphasize the need for a reliable, accurate, and clinically validated methodology to effectively assess the susceptibility of Acinetobacter spp. to cefiderocol. The wide variability observed in our study highlights the importance of standardizing the susceptibility testing process for cefiderocol to ensure consistent and reliable results for clinical decision-making.

ABSTRACT Mortality rates of patients infected with Acinetobacter baumannii treated with cefiderocol (CFDC) were not as favorable as the best available treatment for pulmonary and bloodstream infections. Previous studies showed that the presence of human serum albumin (HSA) or HSA-containing fluids like human pleural fluid (HPF) or human serum (HS) in the growth medium is correlated with a decrease in the expression of genes associated with high-efficiency iron uptake systems. These observations may explain the less-than-ideal performance of CFDC in pulmonary and bloodstream infections because ferric siderophore transporters enhance penetration of CFDC into the cell’s cytosol. Removal of HSA from HPF or HS resulted in a reduction of the minimal inhibitory concentration of CFDC. Concomitant with these results, there was an enhancement of the expression of genes associated with high-efficiency iron uptake systems. In addition to inducing modifications in iron-uptake gene expression, removal of HSA also decreased the expression of β-lactam resistance genes. Taken together, these observations indicate that environmental HSA has a role in the expression levels of selected A. baumannii . Furthermore, removal of iron from HSA had the same effect as removal of HSA on the expression of genes associated with high-efficiency iron uptake systems, suggesting that at least one of the mechanisms by which HSA regulates the expression of selected genes is through acting as an iron supplier. IMPORTANCE Cefiderocol (CFDC) is a new antibiotic that combines its major bactericidal activity, i.e., inhibition of the Gram-negative bacterial cell wall synthesis, with a first in its class mechanism of cell penetration. The siderophore-like moiety facilitates entry through receptors that recognize ferric-siderophore complexes. Recent trials showed that treating pulmonary and bloodstream Acinetobacter baumannii infections with CFDC did not result in the same outcomes as treating other pathogens. Our studies indicated that exposure to human fluids that contain human serum albumin (HSA) increases the MIC values of CFDC. Results described in this work show that HSA is responsible for a reduction in susceptibility of A. baumannii to CFDC. Furthermore, the presence of HSA in the milieu produces a reduction in levels of expression of proteins associated with high-affinity iron uptake systems and enhanced expression of β-lactam resistance-associated genes. Deferration of HSA was accompanied by a loss of the ability to modify these genes’ expression levels. These results indicate that the microbiological activity of CFDC towards A. baumannii is attenuated in the presence of HSA-containing fluids. This unique insight opens up new avenues of investigation. Understanding this phenomenon’s molecular mechanism will help define methodologies to increase treatment efficiency.

Abstract In a recent report by the Centers for Disease Control and Prevention (CDC), multidrug resistant (MDR) Acinetobacter baumannii is a pathogen described as an “urgent threat”. Infection with this bacterium manifests as different diseases such as community and nosocomial pneumonia, bloodstream infections, endocarditis, urinary tract, wound infections, burn infections, skin and soft tissue infections, and meningitis. In particular, nosocomial meningitis, a common complication of neurosurgery caused by extensively-drug resistant (XDR) A. baumannii , is extremely challenging to manage. Therefore, it is necessary to identify signals, such as exposure to cerebrospinal fluid (CSF), that trigger expression of virulence factors that are associated with the successful establishment and progress of this infection. While a hypervirulent A. baumannii strain did not show changes in its transcriptome when incubated in the presence of CSF, a low-virulence isolate showed significant differences in gene expression and phenotypic traits. Exposure to 4% CSF caused increased expression of virulence factors such as fimbriae, pilins, and iron chelators, and virulence as determined in various model systems. Furthermore, although CSF’s presence did not enhance bacterial growth, it was associated with an increase of expression of genes encoding transcription, translation, and the ATP synthesis machinery. Experiments to identify the active CSF component pointed to human serum albumin (HSA). Importance Acinetobacter baumannii , notorious for its multidrug resistant phenotype, overcomes nutrient deprived and desiccated conditions through its metabolic flexibility, pathogenic and physiological adaptability. Although this pathogen is commonly associated with respiratory infections, there have been a considerable amount of cases of A. baumannii bacterial meningitis. These infections are usually post-neurological surgery complications associated with high mortality rates ranging from 40 to 70%. This work describes interactions that may occur during A. baumannii infection of human cerebrospinal fluid (CSF). A. baumannii’s displays capabilities to persist and thrive in a nutrient-limited environment, which also triggers the expression of virulence factors. This work also further explores A. baumannii’s utilization of an essential component within CSF to trigger enhanced expression of genes associated with its pathoadaptibility in this environment.

Gram-negative pathogens resistant to amikacin and other aminoglycosides of clinical relevance usually harbor the 6'-N-acetyltransferase type Ib [AAC(6')-Ib], an enzyme that catalyzes inactivation of the antibiotic by acetylation using acetyl-CoA as donor substrate. Inhibition of the acetylating reaction could be a way to induce phenotypic conversion to susceptibility in these bacteria. We have previously observed that Zn+2 acts as an inhibitor of the enzymatic acetylation of aminoglycosides by AAC(6')-Ib, and in complex with ionophores it effectively reduced the levels of resistance in cellulo. We compared the activity of 8-hydroxyquinoline, three halogenated derivatives, and 5-[N-Methyl-N-Propargylaminomethyl]-8-Hydroxyquinoline in complex with Zn+2 to inhibit growth of amikacin-resistant Acinetobacter baumannii in the presence of the antibiotic. Two of the compounds, clioquinol (5-chloro-7-iodo-8-hydroxyquinoline) and 5,7-diiodo-8-hydroxyquinoline, showed robust inhibition of growth of the two A. baumannii clinical isolates that produce AAC(6')-Ib. However, none of the combinations had any activity on another amikacin-resistant A. baumannii strain that possesses a different, still unknown mechanism of resistance. Time-kill assays showed that the combination of clioquinol or 5,7-diiodo-8-hydroxyquinoline with Zn+2 and amikacin was bactericidal. Addition of 8-hydroxyquinoline, clioquinol, or 5,7-diiodo-8-hydroxyquinoline, alone or in combination with Zn+2, and amikacin to HEK293 cells did not result in significant toxicity. These results indicate that ionophores in complex with Zn+2 could be developed into potent adjuvants to be used in combination with aminoglycosides to treat Gram-negative pathogens in which resistance is mediated by AAC(6')-Ib and most probably other related aminoglycoside modifying enzymes.

The aminoglycoside 6′-N-acetyltransferase type Ib [AAC(6')-Ib] is the most widely distributed enzyme among AAC(6')-I-producing Gram-negative pathogens and confers resistance to clinically relevant aminoglycosides including amikacin. This enzyme is therefore ideal to target with enzymatic inhibitors that could overcome resistance to aminoglycosides. The search for inhibitors was carried out using mixture-based combinatorial libraries, the scaffold ranking approach, and the positional scanning strategy. A library with high inhibitory activity had pyrrolidine pentamine scaffold and was selected for further analysis. This library contained 738,192 compounds with functionalities derived from 26 different amino acids (R1, R2 and R3) and 42 different carboxylic acids (R4) in four R group functionalities. The most active compounds all contained S-phenyl (R1 and R3) and S-hydromethyl (R2) functionalities at three locations and differed at the R4 position. The compound containing 3-phenylbutyl at R4 (compound 206) was a robust enzymatic inhibitor in vitro, in combination with amikacin potentiated the inhibition of growth of three resistant bacteria in culture, and improved survival when used as treatment of Galleria mellonella infected with aac(6')-Ib-harboring Klebsiella pneumoniae and Acinetobacter baumannii strains.

Abstract Cefiderocol is a siderophore antibiotic that co-opts iron transporters to facilitate cell entry. We show that genes related to iron uptake systems and resistance to β-lactams in Acinetobacter baumannii have altered expression levels in the presence of human serum, human serum albumin, or human pleural fluid. Cefiderocol MICs are also raised in the presence of the mentioned fluids. Clinical response in A. baumannii infections may be related to the interplay of these human factors.

Resistance to amikacin in Gram-negatives is usually mediated by the 6′- N -acetyltransferase type Ib [AAC(6′)-Ib], which catalyzes the transfer of an acetyl group from acetyl CoA to the 6′ position of the antibiotic molecule. A path to continue the effective use of amikacin against resistant infections is to combine it with inhibitors of the inactivating reaction. We have recently observed that addition of Zn 2+ to in-vitro enzymatic reactions, obliterates acetylation of the acceptor antibiotic. Furthermore, when added to amikacin-containing culture medium in complex to ionophores such as pyrithione (ZnPT), it prevents the growth of resistant strains. An undesired property of ZnPT is its poor water-solubility, a problem that currently affects a large percentage of newly designed drugs. Water-solubility helps drugs to dissolve in body fluids and be transported to the target location. We tested a pyrithione derivative described previously (Magda et al. Cancer Res. 2008, 68:5318-5325) that contains the amphoteric group di(ethyleneglycol)-methyl ether at position 5 (compound 5002), a modification that enhances the solubility. Compound 5002 in complex with zinc (Zn5002) was tested to assess growth inhibition of amikacin-resistant Acinetobacter baumannii and Klebsiella pneumoniae strains in the presence of the antibiotic. Zn5002 complexes in combination with amikacin at different concentrations completely inhibited growth of the tested strains. However, the concentrations needed to achieve growth inhibition were higher than those required to achieve the same results using ZnPT. Time-kill assays showed that the effect of the combination amikacin/Zn5002 was bactericidal. These results indicate that derivatives of pyrithione with enhanced water-solubility, a property that would make them drugs with better bioavailability and absorption, are a viable option for designing inhibitors of the resistance to amikacin mediated by AAC(6′)-Ib, an enzyme commonly found in the clinics.