Failures in Clinical Treatment of Staphylococcus aureus Infection with Daptomycin Are Associated with Alterations in Surface Charge, Membrane Phospholipid Asymmetry, and Drug Binding

Abstract

Increasingly frequent reports have described the in vivo loss of daptomycin susceptibility in association with clinical treatment failures. The mechanism(s) of daptomycin resistance is not well understood. We studied an isogenic set of Staphylococcus aureus isolates from the bloodstream of a daptomycin-treated patient with recalcitrant endocarditis in which serial strains exhibited decreasing susceptibility to daptomycin. Since daptomycin is a membrane-targeting lipopeptide, we compared a number of membrane parameters in the initial blood isolate (parental) with those in subsequent daptomycin-resistant strains obtained during treatment. In comparison to the parental strain, resistant isolates demonstrated (i) enhanced membrane fluidity, (ii) increased translocation of the positively charged phospholipid lysyl-phosphotidylglycerol to the outer membrane leaflet, (iii) increased net positive surface charge (P < 0.05 versus the parental strain), (iv) reduced susceptibility to daptomycin-induced depolarization, permeabilization, and autolysis (P < 0.05 versus the parental strain), (v) significantly lower surface binding of daptomycin (P < 0.05 versus the parental strain), and (vi) increased cross-resistance to the cationic antimicrobial host defense peptides human neutrophil peptide 1 (hNP-1) and thrombin-induced platelet microbicidal protein 1 (tPMP-1). These data link distinct changes in membrane structure and function with in vivo development of daptomycin resistance in S. aureus. Moreover, the cross-resistance to hNP-1 and tPMP-1 may also impact the capacity of these daptomycinresistant organisms to be cleared from sites of infection, particularly endovascular foci.

Daptomycin non-susceptible meticillin-resistant Staphylococcus aureus USA 300 isolate

“…In addition, loss of this membrane protein was correlated with decreased binding of daptomycin to isolated cell membranes and resistance to daptomycinmediated membrane potential dissipation. A recent report from Jones et al (2008) has corroborated these data demonstrating significant changes in membrane structure/ function in daptomycin non-susceptible isolates. In addition, vancomycin-intermediate S. aureus (VISA) isolates have reduced susceptibility to daptomycin; a potential explanation is that the thicker cell walls associated with VISA strains may provide a physical barrier for the daptomycin (Cui et al, 2006).…”

Resistencia a antibióticos de última línea en cocos Gram positivos: la era posterior a la vancomicina

“…Por otra parte, un estudio en hospitales de Europa, Latinoamérica, Australia, Nueva Zelandia e India demostró que más de 99 % de las cepas estudiadas era sensible a la daptomicina (89). El mecanismo de resistencia aún no está totalmente esclarecido, pero existen varias teorías, destacándose la hipótesis que postula que la bacteria adapta la superficie celular para mantener una carga más positiva con el fin de 'repeler' eléctricamente el complejo daptomicina-calcio (90). No obstante, se han reportado aislamientos resistentes a la daptomicina sin cambios en la carga de la superficie celular, lo que sugiere que existen vías alternas para el desarrollo de la resistencia (91).…”

“…Esta es una enzima bifuncional que se encarga de la adición de lisina (aminoácido de carga positiva) a residuos de fosfatidilglicerol en la capa interna de la membrana celular, formando lisilfosfatidilglicerol (L-FG), y de la translocación de L-FG desde la capa interna hacia la capa externa de la membrana (actividad de flipasa) (93)(94)(95). En cepas de S. aureus resistentes a la daptomicina se han descrito diversas mutaciones en el mprF (94) que parecen incrementar la actividad de esta enzima, contribuyendo al incremento de la carga positiva de la superficie celular (94)(95)(96).…”

“…Esta es una enzima bifuncional que se encarga de la adición de lisina (aminoácido de carga positiva) a residuos de fosfatidilglicerol en la capa interna de la membrana celular, formando lisilfosfatidilglicerol (L-FG), y de la translocación de L-FG desde la capa interna hacia la capa externa de la membrana (actividad de flipasa) (93)(94)(95). En cepas de S. aureus resistentes a la daptomicina se han descrito diversas mutaciones en el mprF (94) que parecen incrementar la actividad de esta enzima, contribuyendo al incremento de la carga positiva de la superficie celular (94)(95)(96). El operón dltABC, responsable de la adición de D-alanina a los ácidos teicoicos (lo que aumenta la carga positiva de la membrana), también se ha relacionado con la reducción de la sensibilidad a la daptomicina (97) y, por último, las mutaciones puntuales en los genes rpoB y rpoC (que codifican para las subunidades ß y ß' de la ARN polimerasa, respectivamente), se han asociado, igualmente, con la aparición de la resistencia a la daptomicina en S. aureus (92,98).…”

Biological activities of pargamicin A, a novel cyclic peptide antibiotic from Amycolatopsis sp.

“…4 Although these drugs have been recently launched, drug-resistant strains against these drugs have already been clinically isolated. [5][6][7][8][9][10][11] In the course of our screening program for new antibiotics, which are active against both MRSA and VRE, pargamicin A (PRGA) as shown in Figure 1, was isolated from the soil actinomycete strain Amycolatopsis sp. ML1-hF4.…”