Various methods to synthesize diverse nanoparticles with their different applications.

ABSTRACT Bacterial keratitis (BK) is a major cause of corneal blindness globally. This study aimed to develop a novel class of antimicrobial therapy, based on human-derived hybrid host defense peptides (HyHDPs), for treating BK. HyHDPs were rationally designed through combination of functional amino acids in parent HDPs, including LL-37 and human beta-defensin (HBD)-1 to −3. Minimal inhibitory concentrations (MICs) and time-kill kinetics assay were performed to determine the concentration- and time-dependent antimicrobial activity and cytotoxicity was evaluated against human corneal epithelial cells and erythrocytes. In vivo safety and efficacy of the most promising peptide was examined in the corneal wound healing and Staphylococcus aureus (ATCC SA29213) keratitis murine models, respectively. A second-generation HyHDP (CaD23), based on rational hybridization of the middle residues of LL-37 and C-terminal of HBD-2, was developed and was shown to demonstrate good efficacy against methicillin-sensitive and methicillin-resistant S. aureus [MIC=12.5-25.0μg/ml (5.2-10.4μM)] and S. epidermidis [MIC=12.5μg/ml (5.2μM)], and moderate efficacy against P. aeruginosa [MIC=25-50μg/ml (10.4-20.8μM)]. CaD23 (at 25μg/ml or 2x MIC) killed all the bacteria within 30 mins, which was 8 times faster than amikacin (25μg/ml or 20x MIC). After 10 consecutive passages, CaD23 did not develop any antimicrobial resistance (AMR) whereas amikacin, a commonly used treatment for BK, developed significant AMR (i.e. a 32-fold increase in MIC). Pre-clinical murine studies showed that CaD23 (0.5mg/ml) achieved a median reduction of S. aureus bioburden by 94% (or 1.2 log 10 CFU/ml) while not impeding corneal epithelial wound healing. In conclusion, rational hybridization of human-derived HDPs has led to generation of a potentially efficacious and safe topical antimicrobial agent for treating Gram-positive BK, with no/minimal risk of developing AMR.

ABSTRACT Background/aim Host defense peptides (HDPs) have the potential to provide a novel solution to antimicrobial resistance (AMR) in view of their unique and broad-spectrum antimicrobial activities. We had recently developed a novel hybrid HDP based on LL-37 and human beta-defensin-2, named CaD23, which was shown to exhibit good in vivo antimicrobial efficacy against Staphylococcus aureus in a bacterial keratitis murine model. This study aimed to examine the potential CaD23-antibiotic synergism and to evaluate the underlying mechanism of action of CaD23. Methods Antimicrobial efficacy was determined using minimum inhibitory concentration (MIC) assay with broth microdilution method. Peptide-antibiotic interaction was evaluated against S. aureus , methicillin-resistant S. aureus (MRSA), and Pseudomonas aeruginosa using established checkerboard assay and time-kill kinetics assay. Fractional inhibitory concentration index (FICI) was calculated and interpreted as synergistic (FICI<0.5), additive (FICI between 0.5-1.0), indifferent (FICI between >1.0 and ≤4), or antagonistic (FICI>4). SYTOX green uptake assay was performed to determine the membrane-permeabilising action of CaD23. Molecular dynamics (MD) simulations were performed to evaluate the interaction of CaD23 with bacterial and mammalian mimetic membranes. Results CaD23-amikacin and CaD23-levofloxacin combination treatment exhibited a strong additive effect against S. aureus SH1000 (FICI=0.56) and MRSA43300 (FICI=0.56) but a borderline additive-to-indifferent effect against P. aeruginosa (FIC=1.0-2.0). CaD23 (at 25 μg/ml; 2x MIC) was able to achieve complete killing of S. aureus within 30 mins. When used at sub-MIC concentration (3.1 μg/ml; 0.25x MIC), it was able to expedite the antimicrobial action of amikacin against S. aureus by 50%. The rapid antimicrobial action of CaD23 was attributed to the underlying membrane-permeabilising mechanism of action, evidenced by the SYTOX green uptake assay and MD simulations studies. MD simulations revealed that cationicity, alpha-helicity, amphiphilicity and hydrophobicity (related to the Trp residue at C-terminal) play important roles in the antimicrobial action of CaD23. Conclusions CaD23 is a novel membrane-active synthetic HDP that can enhance and expedite the antimicrobial action of antibiotics against Gram-positive bacteria when used in combination. MD simulation serves as a useful tool in dissecting the mechanism of action and guiding the design and optimisation of HDPs.

Biofilms are extremely tolerant toward antimicrobial treatment and host immune clearance due to their distinct physiology and protection by extracellular polymeric substances. Bis-(3'-5')-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) is an essential messenger that regulates biofilm formation by a wide range of bacteria. However, there is a lack of physiological characterization of biofilms in vivo as well as the roles of c-di-GMP signaling in mediating host-biofilm interactions. Here, we employed dual RNA-Seq to characterize the host and pathogen transcriptomes during Pseudomonas aeruginosa infection using a mouse keratitis model. In vivo P. aeruginosa biofilms maintained a distinct physiology compared with in vitro P. aeruginosa biofilms, with enhanced virulence and iron uptake capacity. C-di-GMP synthesis was enhanced in P. aeruginosa cells in vivo, potentially due to down-regulation of the expression of several phosphodiesterases (e.g., DipA, NbdA). Increased intracellular c-di-GMP levels were required for long-term ocular colonization of P. aeruginosa and impaired host innate immunity.