Evaluation of nephro- and neuroprotective therapies as a strategy to treat infections caused by multidrug-resistant bacteria

Abstract

[eng] Nowadays, antimicrobial resistance (AMR) is one of the most critical global health threats worldwide. By 2050, it is expected to cause over 10 million deaths annually, exceeding the actual mortality rates of cancer and diabetes together. The alarming rise of AMR, particularly among Gram-negative pathogens, and the lack of effective therapeutic alternatives, has forced the reintroduction of polymyxins as last-resort treatments.

Despite their potent antibacterial activity, polymyxins were abandoned due to their severe nephro and neurotoxic effects. Nephrotoxicity has been the primary focus of toxicity studies as is the most frequently reported adverse effect, affecting up to 60% of treated patients. In contrast, although neurotoxic symptoms such as ataxia and paresthesia have been documented in approximately 7% of polymyxin treated patients, the neurotoxicity of polymyxins, particularly their effects on the central nervous system (CNS), remains poorly characterized and largely unexplored.

This doctoral thesis provides a comprehensive characterization of colistin-induced neurotoxicity in the CNS. Our results revealed that colistin impairs hippocampal function, induce dendritic spine loss, alters synaptic integrity, and compromises cognitive performance, effects associated to an increased oxidative stress and mitochondrial dysfunction. To prevent these toxic effects without compromising antimicrobial efficacy, we evaluated three innovative protective strategies through a multidisciplinary approach combining primary

neuronal cultures, zebrafish embryo models, and in vivo mouse studies. These strategies consist in colistin B-rich formulations, antioxidant pre-treatments, and nanoparticle-based delivery systems. Given that these strategies involve a wide range of candidate compounds, the development of a reliable in vitro model to predict polymyxin-induced neurotoxicity was essential. In this context, the Touch Evoked Response (TER) assay in zebrafish embryos was evaluated as a potential tool for neurotoxicity screening. All three approaches significantly reduced colistin-induced toxicity in both in vitro and in vivo models, while preserving its bactericidal activity.

This work not only extends our understanding of polymyxin-induced neurotoxicity but also addresses a clinical need by providing a translational scenario to enhance the safety profile of these last-resource antibiotics without compromising its efficacy. By expanding colistin’s therapeutic window, our findings contribute to improve the antimicrobial arsenal against AMR.

Actualment, la resistència als antimicrobians (AMR) és una de les amenaces més greus per a la salut global. S’estima que a l’any 2050 causarà més de 10 milions de morts anuals, superant les taxes de mortalitat actuals del càncer i la diabetis juntes. L’augment alarmant de patògens Gram-negatius resistents, i la manca d’alternatives terapèutiques efectives, han forçat la reintroducció de les polimixines com a tractaments d’últim recurs. Tot i la seva potent activitat antibacteriana, les polimixines van ser abandonades a causa dels seus greus efectes nefro i neurotòxics. La nefrotoxicitat ha estat l’efecte advers més estudiat, ja que és el més freqüent afectant fins al 60% dels pacients tractats. En canvi, tot i que s’han documentat símptomes de neurotoxicitat, com l’ataxia i la parestesia en aproximadament un 7% dels pacients, la seva neurotoxicitat, i especialment els seus efectes sobre el sistema nerviós central (SNC), està molt poc caracteritzada. Aquesta tesis ofereix una caracterització de la neurotoxicitat induïda per la colistina en el SNC combinant cultius primaris neuronals amb estudis in vivo. Els nostres resultats mostren que la colistina deteriora la funció de l’hipocamp, indueix una pèrdua d’espines dendrítiques, altera la integritat sinàptica i compromet el rendiment cognitiu, efectes associats a un augment de l’estrès oxidatiu i de la disfunció mitocondrial. Per prevenir aquests efectes tòxics sense comprometre l’eficàcia antimicrobiana, es van avaluar tres estratègies innovadores utilitzant un enfocament multidisciplinari que combina cultius neuronals primaris, embrionaris de peix zebra i estudis in vivo en ratolins. Les estratègies utilitzades van des de formulacions riques en colistina B, pretractaments amb antioxidants i sistemes d’alliberament basats en nanopartícules. Donat que aquestes estratègies impliquen testar una gran varietat de compostos, va estar essencial desenvolupar un model in vitro que ens permetés avaluar la neurotoxicitat induïda per les polimixines de forma robusta. En aquest context, es va avaluar el test Touch Evoked Response (TER) en embrions de peix zebra com a potencial eina pel cribatge de neurotoxicitat. Les tres avaluades en aquesta tesi van reduir significativament la toxicitat induïda per la colistina, mantenint la seva activitat bactericida. Aquest treball no només amplia el nostre coneixement sobre la neurotoxicitat induïda per les polimixines, sinó que també respon a una necessitat clínica urgent, proporcionant un escenari translacional per millorar el perfil de seguretat d’aquests antibiòtics de darrera línia sense comprometre’n l’eficàcia. En ampliar la finestra terapèutica de la colistina, els nostres resultats contribueixen a reforçar l’arsenal antimicrobià disponible per combatre l’AMR.