界面活性剤によりヌクレアーゼへのDNAアクセス性が向上し、淋菌の表現型β-ラクタム系抗生物質感受性試験が加速された

Surfactant-enhanced DNA accessibility to nuclease accelerates phenotypic β-lactam antibiotic susceptibility testing of Neisseria gonorrhoeae.

• Emily S Savela
• Nathan G Schoepp
• Matthew M Cooper
• Justin C Rolando
• Jeffrey D Klausner
• Olusegun O Soge
• Rustem F Ismagilov

抄録

淋菌(Ng)の迅速な抗生物質感受性検査(AST)は、広まっている抗生物質耐性に対抗するために非常に必要とされています。遺伝子型ASTでの核酸の検出は迅速であるが，β-ラクタム（Ngの治療に使用される最大の抗生物質クラス）では成功していない。Ngに対する迅速な表現型ASTは、病原体の遅い倍化時間と、β-ラクタムに対する病原体の応答を迅速に定量する方法の欠如によって挑戦されている。ここでは、2つの質問をしました。(1)核酸定量法を用いてNgのβ-ラクタム感受性表現型を非常に迅速に測定することは可能か？(2) このような短期の抗生物質曝露は、複数日にわたるプレート増殖アッセイで測定されたNgの抗生物質耐性プロファイルを予測するだろうか？これらの疑問に答えるために、我々は、β-ラクタムに曝露した後、外因性ヌクレアーゼへのDNAアクセス性を測定する迅速な表現型AST（ヌクレアーゼアクセス性AST[nuc-aAST]）を行うための革新的なアプローチを考案した。抗生物質感受性の高い細胞では、β-ラクタムに曝露するとDNAのアクセス性が増加すること、また、適切に選択された界面活性剤が外膜を透過させ、この効果を高めることを示した。我々は、ペニシリン、セフィキシムおよびセフトリアキソンを試験し、抗生物質に15-30分曝露した後のnuc-aASTの結果と、数日かけて測定したゴールドスタンダードの培養ベースのASTの結果との間に良い一致が見られました。これらの結果は、Ngおよび追加の世界的な健康脅威のために非常に必要とされる表現型ASTの開発に向けた新たな道筋を提供するものである。

Rapid antibiotic susceptibility testing (AST) for Neisseria gonorrhoeae (Ng) is critically needed to counter widespread antibiotic resistance. Detection of nucleic acids in genotypic AST can be rapid, but it has not been successful for β-lactams (the largest antibiotic class used to treat Ng). Rapid phenotypic AST for Ng is challenged by the pathogen's slow doubling time and the lack of methods to quickly quantify the pathogen's response to β-lactams. Here, we asked two questions: (1) Is it possible to use nucleic acid quantification to measure the β-lactam susceptibility phenotype of Ng very rapidly, using antibiotic-exposure times much shorter than the 1- to 2-h doubling time of Ng? (2) Would such short-term antibiotic exposures predict the antibiotic resistance profile of Ng measured by plate growth assays over multiple days? To answer these questions, we devised an innovative approach for performing a rapid phenotypic AST that measures DNA accessibility to exogenous nucleases after exposure to β-lactams (termed nuclease-accessibility AST [nuc-aAST]). We showed that DNA in antibiotic-susceptible cells has increased accessibility upon exposure to β-lactams and that a judiciously chosen surfactant permeabilized the outer membrane and enhanced this effect. We tested penicillin, cefixime, and ceftriaxone and found good agreement between the results of the nuc-aAST after 15-30 min of antibiotic exposure and the results of the gold-standard culture-based AST measured over days. These results provide a new pathway toward developing a critically needed phenotypic AST for Ng and additional global-health threats.