A “living medicine” has thinned biofilms of antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa in the lungs of pigs, according to the findings of a study published today in the journal eBioMedicine.

The experimental treatment involves inhaling a genetically modified bacterium designed to target layers of drug-resistant P. aeruginosa that grow on the surfaces of endotracheal tubes used in hospitals.

It's the first time the experimental treatment, which has previously only been shown to tackle biofilms in mice, has also worked in pigs, a large animal with lungs that are similar in size, structure and immune response to human lungs.

It's also the first time the treatment has been shown to be administrable through a nebuliser, the same type of medical device human patients would use. Breathing in the “living medicine” thinned the biofilm inside breathing tubes from 6.08 to 3.67 micrometres, reducing thickness by around 40%.

The treatment involves Mycoplasma pneumoniae, a bacterium which normally causes a mild lung infection but, through genetic engineering, has been repurposed to be harmless for humans. The engineered bacterium was loaded with genes that dissolve sugars holding a biofilm together, as well as toxins that specifically only target Pseudomonas aeruginosa.

“Our study is part of an emerging field of medicine known as live biotherapeutics. In this case we've taken a bacterium naturally adapted to the lung and reprogrammed it so that it delivers therapeutic molecules instead of causing damage. It's a Trojan horse strategy against disease,” explains Dr Irene Rodríguez-Arce, senior co-author of the study.

When examining the lungs afterwards, there were no signs of damage caused by the engineered bacterium. The treatment also showed no measurable effect on the animals' own airway bacteria, suggesting the living medicine targets Pseudomonas specifically.

The study could one day help patients who cannot breathe for themselves in hospital. They are usually kept alive by passing a tube into the windpipe. Within days, bacteria colonise the inside of that tube and form a slimy, protective layer called a biofilm.

Antibiotics given through a drip struggle to penetrate the physical barrier of biofilms, causing recurring infections. In intubated patients, this is a known cause of ventilator-associated pneumonia (VAP). Around 1 in 4 cases are caused by Pseudomonas aeruginosa, which is frequently resistant to several types of antibiotics.

“Antibiotic resistance is a silent pandemic we see affecting intubated patients every day and Pseudomonas aeruginosa is among the hardest infections to clear,” says Laia Fernández Barat, first author of the study. “Our work represents a different line of attack, and one we badly need,” adds Dr Antoni Torres, senior co-author of the study.

The authors say their findings support a future first-in-human safety trial. Combining the “living medicine” with intravenous antibiotics or making further tweaks to the molecules that dissolve biofilms could further improve the experimental treatment's effectiveness.

“I am confident that with modifications to the bacterial chassis' payload, we could completely dissolve the biofilms on the surface of endotracheal tubes and clear P. aeruginosa infections entirely,” explains ICREA Research Professor Luis Serrano, senior co-author of the study.

The research team at the CRG are also creating versions of the living medicine that can tackle pulmonary fibrosis and lung cancer.

The study is a collaboration between the Centre for Genomic Regulation (CRG) and Hospital Clínic-IDIBAPS, both in Barcelona, with the animal studies carried out at the University of Barcelona. It was led by co-first authors Laia Fernández-Barat and Ana Motos, with Antoni Torres, Luis Serrano and Irene Rodríguez-Arce as senior authors. The study is funded by the "la Caixa" Foundation and the European Research Council.
 

EN CASTELLANO

Una "píldora viva" combate la neumonía asociada a la ventilación mecánica

Una "píldora viva" ha reducido las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa resistentes a los antibióticos en pulmones de cerdos, según un estudio publicado hoy en la revista eBioMedicine.

El tratamiento experimental consiste en inhalar una bacteria modificada genéticamente, diseñada para atacar las capas de P. aeruginosa que se forman en la superficie de los tubos endotraqueales que se utilizan en los hospitales. Estas biopelículas son resistentes a los antibióticos.

Es la primera vez que este tratamiento experimental, que hasta ahora solo había demostrado su eficacia contra las biopelículas en ratones, funciona también en cerdos, un animal grande cuyos pulmones se parecen a los humanos en tamaño, estructura y respuesta inmunitaria.

También es la primera vez que se demuestra que el tratamiento experimental se puede administrar con un nebulizador, el mismo tipo de dispositivo médico que utilizarían las personas. Al inhalar la "píldora viva", la biopelícula del interior de los tubos de respiración pasó de 6,08 a 3,67 micrómetros de grosor, una reducción de alrededor del 40 %.

La estrategia se basa en el uso de Mycoplasma pneumoniae, una bacteria que normalmente causa una infección pulmonar leve pero que, mediante ingeniería genética, se ha modificado para que sea inocua para las personas. A esta bacteria modificada se le han incorporado genes que disuelven los azúcares que mantienen unida la biopelícula, así como toxinas dirigidas específicamente contra la bacteria Pseudomonas aeruginosa.

"Nuestro estudio se enmarca en un campo emergente de la medicina, el de las bioterapias vivas. En este caso hemos cogido una bacteria naturalmente adaptada al pulmón y la hemos reprogramado para que libere moléculas terapéuticas en lugar de causar daño. Es una estrategia de caballo de Troya contra la enfermedad", explica la Dra. Irene Rodríguez-Arce, coautora principal del estudio.

Al examinar los pulmones después, no se observaron signos de daño causado por la bacteria modificada. El tratamiento tampoco tuvo un efecto medible sobre las bacterias propias de las vías respiratorias de los animales, lo que sugiere que la "píldora viva" actúa específicamente contra las bacterias Pseudomonas.

En el futuro, el estudio podría ayudar a pacientes que no pueden respirar por sí mismos en el hospital. Para mantenerlos con vida se les introduce habitualmente un tubo en la tráquea. En pocos días, las bacterias colonizan el interior de ese tubo y forman una capa viscosa y protectora llamada biopelícula.

Los antibióticos administrados por vía intravenosa tienen dificultades para atravesar la barrera física de las biopelículas, lo que provoca infecciones recurrentes. En pacientes intubados, esta es una causa conocida de neumonía asociada a la ventilación mecánica (NAVM). Alrededor de 1 de cada 4 casos están causados por Pseudomonas aeruginosa, que con frecuencia es resistente a varios tipos de antibióticos.

"La resistencia a los antibióticos es una pandemia silenciosa que afecta cada día a los pacientes intubados, y Pseudomonas aeruginosa es una de las infecciones más difíciles de eliminar", afirma Laia Fernández Barat, primera autora del estudio. "Nuestro trabajo representa una línea de ataque distinta, y muy necesaria", añade el Dr. Antoni Torres, coautor principal del estudio.

Quienes firman el estudio sostienen que sus resultados respaldan un futuro ensayo de seguridad en personas. Combinar la "píldora viva" con antibióticos intravenosos o introducir nuevos ajustes en las moléculas que disuelven las biopelículas podría mejorar aún más la eficacia del tratamiento experimental para la NAVM.

"Estoy convencido de que, con modificaciones en la carga que transporta el chasis bacteriano, podríamos disolver por completo las biopelículas de la superficie de los tubos endotraqueales y eliminar del todo las infecciones por P. aeruginosa", explica el profesor de investigación ICREA Luis Serrano, coautor principal del estudio.

El equipo del CRG también está desarrollando versiones de la "píldora viva" capaces de abordar la fibrosis pulmonar y el cáncer de pulmón.

El estudio es una colaboración entre el Centro de Regulación Genómica (CRG) y el Hospital Clínic-IDIBAPS, ambos en Barcelona, con los estudios en animales realizados en la Universidad de Barcelona. Ha sido dirigido por Laia Fernández-Barat y Ana Motos, coprimeras autoras, con Antoni Torres, Luis Serrano e Irene Rodríguez-Arce como autores principales. El estudio ha contado con la financiación de la Fundación "la Caixa" y del Consejo Europeo de Investigación (ERC).
 

EN CATALÀ

La "píndola viva" lluita contra la pneumònia associada al ventilador

Una "píndola viva" ha reduït els biofilms resistents als antibiòtics de Pseudomonas aeruginosa en pulmons de porc, segons un estudi publicat avui a la revista eBioMedicine.

El tractament experimental consisteix a inhalar un bacteri genèticament modificat, dissenyat per atacar les capes de P. aeruginosa que es formen a la superfície dels tubs endotraqueals utilitzats als hospitals. Aquests biofilms són resistents als antibiòtics.

És la primera vegada que aquest tractament experimental, que fins ara només havia demostrat la seva eficàcia contra biofilms en ratolins, també funciona en porcs, un animal gran els pulmons dels quals s'assemblen als humans en mida, estructura i resposta immunitària.

També és la primera vegada que s'ha demostrat que el tractament experimental es pot administrar amb un nebulitzador, el mateix tipus de dispositiu mèdic que la gent utilitzaria. En inhalar la "píndola viva", el biofilm dins dels tubs de respiració va passar de 6,08 a 3,67 micròmetres de gruix, una reducció d'aproximadament un 40 %.

L'estratègia es basa en l'ús de Mycoplasma pneumoniae, un bacteri que normalment causa una infecció pulmonar lleu però que, mitjançant enginyeria genètica, ha estat modificat per fer-lo inofensiu per a les persones. En aquest bacteri modificat s'han incorporat gens que dissolen els sucres que mantenen unit el biofilm, així com toxines dirigides específicament contra el bacteri Pseudomonas aeruginosa.

"El nostre estudi forma part d'un camp emergent de la medicina, el de les bioteràpies vives. En aquest cas, hem agafat un bacteri naturalment adaptat al pulmó i l'hem reprogramat per alliberar molècules terapèutiques en lloc de causar danys. És una estratègia de cavall de Troia contra la malaltia", explica la Dra. Irene Rodríguez-Arce, coautora principal de l'estudi.

L'examen posterior dels pulmons no va mostrar signes de dany causat pel bacteri modificat. El tractament tampoc va tenir cap efecte mesurable sobre els bacteris de les vies respiratòries dels animals, fet que suggereix que la "píndola viva" actua específicament contra el bacteri Pseudomonas.

En el futur, l'estudi podria ajudar pacients que no puguin respirar sols a l'hospital. Per mantenir-los vius, normalment s'insereix un tub a la seva tràquea. En pocs dies, els bacteris colonitzen l'interior d'aquest tub i formen una capa viscosa i protectora anomenada biofilm.

Els antibiòtics administrats per via intravenosa tenen dificultats per creuar la barrera física dels biofilms, fet que pot provocar infeccions recurrents. En pacients intubats, aquesta és una causa coneguda de pneumònia associada al ventilador (PAV). Aproximadament 1 de cada 4 casos és causat per Pseudomonas aeruginosa, que sovint és resistent a diversos tipus d'antibiòtics.

"La resistència als antibiòtics és una pandèmia silenciosa que afecta els pacients intubats cada dia, i Pseudomonas aeruginosa és una de les infeccions més difícils d'eliminar", diu Laia Fernández Barat, primera autora de l'estudi. "La nostra feina representa una línia d'atac diferent i molt necessària", afegeix el Dr. Antoni Torres, coautor principal de l'estudi.

Els autors de l'estudi argumenten que els seus resultats donen suport a un futur assaig de seguretat en persones. Combinar la "píndola viva" amb antibiòtics intravenosos o introduir nous ajustos a les molècules que dissolen biofilms podria millorar encara més l'eficàcia del tractament experimental per a la PAV.

"Estic convençut que, amb modificacions en la càrrega que suporta el xassís bacterià, podríem dissoldre completament els biofilms a la superfície dels tubs endotraqueals i eliminar completament les infeccions per P. aeruginosa", explica el professor d'investigació ICREA Luis Serrano, coautor principal de l'estudi.

L'equip del CRG també està desenvolupant versions de la "píndola viva" capaces d'abordar la fibrosi pulmonar i el càncer de pulmó.

L'estudi és una col·laboració entre el Centre de Regulació Genòmica (CRG) i l'Hospital Clínic-IDIBAPS, ambdós de Barcelona, amb estudis en animals realitzats a la Universitat de Barcelona. Ha estat dirigit per Laia Fernández-Barat i Ana Motos, coprimeres autores, amb Antoni Torres, Luis Serrano i Irene Rodríguez-Arce com a autors principals. L'estudi ha estat finançat per la Fundació "la Caixa" i el Consell Europeu de la Recerca (ERC).