Abstract Background and objectives Treatments that inhibit the expression or functioning of bacterial virulence factors hold great promise to be both effective and exert weaker selection for resistance than conventional antibiotics. However, the evolutionary robustness argument, based on the idea that anti-virulence treatments disarm rather than kill pathogens, is controversial. Here we probe the evolutionary robustness of two repurposed drugs, gallium and flucytosine, targeting the iron-scavenging pyoverdine of the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa . Methodology We subjected replicated cultures of bacteria to two concentrations of each drug for 20 consecutive days in human serum as an ex-vivo infection model. We screened evolved populations and clones for resistance phenotypes, including the restoration of growth and pyoverdine production, and the evolution of iron uptake by-passing mechanisms. We whole-genome sequenced evolved clones to identify the genetic basis of resistance. Results We found that mutants resistant against anti-virulence treatments readily arose, but their selective spreading varied between treatments. Flucytosine resistance quickly spread in all populations due to disruptive mutations in upp , a gene encoding an enzyme required for flucytosine activation. Conversely, resistance against gallium arose only sporadically, and was based on mutations in transcriptional regulators, upregulating pyocyanin production, a redox-active molecule promoting siderophore-independent iron acquisition. The spread of gallium resistance could be hampered because pyocyanin-mediated iron delivery benefits resistant and susceptible cells alike. Conclusions and implications Our work highlights that anti-virulence treatments are not evolutionarily robust per se . Instead, evolutionary robustness is a relative measure, with specific treatments occupying different positions on a continuous scale.

Pathogenic bacteria engage in social interactions to colonize hosts, which include quorum-sensing-mediated communication and the secretion of virulence factors that can be shared as "public goods" between individuals. While in-vitro studies demonstrated that cooperative individuals can be displaced by "cheating" mutants freeriding on social acts, we know less about social interactions in infections. Here, we developed a live imaging system to track virulence factor expression and social strain interactions in the human pathogen Pseudomonas aeruginosa colonizing the gut of Caenorhabditis elegans. We found that shareable siderophores and quorum-sensing systems are expressed during infections, affect host gut colonization, and benefit non-producers. However, non-producers were unable to cheat and outcompete producers. Our results indicate that the limited success of cheats is due to a combination of the down-regulation of virulence factors over the course of the infection, the fact that each virulence factor examined contributed to but was not essential for host colonization, and the potential for negative-frequency dependent selection. Our findings shed new light on bacterial social interactions in infections and reveal potential limits of therapeutic approaches that aim to capitalize on social dynamics between strains for infection control.

Abstract Antibiotics are losing efficacy due to the rapid evolution and spread of resistance. Treatments targeting bacterial virulence factors have been considered as alternatives because they target virulence instead of pathogen viability, and should therefore exert weaker selection for resistance than conventional antibiotics. However, antivirulence treatments rarely clear infections, which compromises their clinical applications. Here, we explore the potential of combining antivirulence drugs with antibiotics against the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa . We combined two antivirulence compounds (gallium, a siderophore-quencher, and furanone C-30, a quorum sensing-inhibitor) together with four clinically relevant antibiotics (ciprofloxacin, colistin, meropenem, tobramycin) in 9×9 drug concentration matrices. We found that drug-interaction patterns were concentration dependent, with promising levels of synergies occurring at intermediate drug concentrations for certain drug pairs. We then tested whether antivirulence compounds are potent adjuvants, especially when treating antibiotic resistant clones. We found that the addition of antivirulence compounds to antibiotics could restore growth inhibition for most antibiotic resistant clones, and even abrogate or reverse selection for resistance in five drug combination cases. Molecular analyses suggest that selection against resistant clones occurs when resistance mechanisms involve restoration of protein synthesis, but not when efflux pumps are upregulated. Altogether, our work provides a first systematic analysis of antivirulence-antibiotic combinatorial treatments and suggests that such combinations have a high potential to be both effective in treating infections and in limiting the spread of antibiotic resistance.