A Modified R-Type Bacteriocin Specifically Targeting Clostridium difficile Prevents Colonization of Mice without Affecting Gut Microbiota Diversity

Abstract

Clostridium difficile is a leading cause of nosocomial infections worldwide and has become an urgent public health threat requiring immediate attention. Epidemic lineages of the BI/NAP1/027 strain type have emerged and spread through health care systems across the globe over the past decade. Limiting person-to-person transmission and eradicating C. difficile, especially the BI/NAP1/027 strain type, from health care facilities are difficult due to the abundant shedding of spores that are impervious to most interventions. Effective prophylaxis for C. difficile infection (CDI) is lacking. We have genetically modified a contractile R-type bacteriocin (“diffocin”) from C. difficile strain CD4 to kill BI/NAP1/027-type strains for this purpose. The natural receptor binding protein (RBP) responsible for diffocin targeting was replaced with a newly discovered RBP identified within a prophage of a BI/NAP1/027-type target strain by genome mining. The resulting modified diffocins (a.k.a. Avidocin-CDs), Av-CD291.1 and Av-CD291.2, were stable and killed all 16 tested BI/NAP1/027-type strains. Av-CD291.2 administered in drinking water survived passage through the mouse gastrointestinal (GI) tract, did not detectably alter the mouse gut microbiota or disrupt natural colonization resistance to C. difficile or the vancomycin-resistant Enterococcus faecium (VREF), and prevented antibiotic-induced colonization of mice inoculated with BI/NAP1/027-type spores. Given the high incidence and virulence of the pathogen, preventing colonization by BI/NAP1/027-type strains and limiting their transmission could significantly reduce the occurrence of the most severe CDIs. This modified diffocin represents a prototype of an Avidocin-CD platform capable of producing targetable, precision anti-C. difficile agents that can prevent and potentially treat CDIs without disrupting protective indigenous microbiota.

Порушення Травлення У Дітей З Антибіотик-Асоційованою Діареєю

“…Досліджено, що ідіопатична ААД у більшості випадків має легкий перебіг, не супроводжується запальними змінами слизової оболонки кишечника, що збігається з відзначеною в даному спостереженні розбіжністю результатів визначення маркерів запалення між групами хворих з клостридіальною ААД та ідіопа-тичною й свідчить про вірогідно більш глибокі за-пальні зміни, характерні для кишкового клостри-діозу [2, 4,6,7].…”

“…За статистичними даними, кож-на дитина щорічно отримує мінімум 1-2 курси антибактеріальних препаратів. Крім того, ан-тибактеріальні препарати застосовуються сьо-годні не тільки в медицині, але й у сільському господарстві та харчовій промисловості та потра-пляють в організм із їжею [1, 2,4]. Широке ви-користання антибіотиків, крім терапевтичного ефекту, визначило й низку проблем.…”

“…Основними ланками патогенезу Clostridium difficile-асоційованої діареї й коліту є порушення мікрофлори в кишечнику під дією антимікробних препаратів, колонізація кишечника токсигенними штамами Clostridium difficile, продукція збудником токсинів А і В, по-шкодження слизової оболонки кишечника з роз-витком глибокого запального процесу. Клінічно маніфестні форми інфекції Clostridium difficile ре-алізуються тільки за наявності всіх основних па-тогенетичних чинників [2, [4][5][6][7]. У МКХ 10-го пе-регляду в розділі «Кишкові бактеріальні інфекції» під шифром А04.7 виділена самостійна клінічна форма -ентероколіт, викликаний Clostridium difficile.…”

Gastrointestinal dysbiosis and the use of fecal microbial transplantation inClostridium difficileinfection

“…The group recently published that intrarectal instillation of Thuricin CD into mice was able to reduce shed C. difficile in the feces, though showed low bioavailability when orally gavaged [99] . Another contractile bacteriocin protein complex (Rtype; diffocin) was engineered to kill specific C. difficile pathogens [81] . The diffocins (i.e., AvidocinCDs) prevented colonization of NAP1type C. difficile strains and limited their transmission.…”

Clostridium difficile Infection

“…It is possible that specific prophylactic elimination of C. difficile in high-risk groups could reduce the risk of CDI without altering the host microbiota. It is of interest that bacteriocins and viruses (bacteriophages) seem to be able to target C. difficile specifically 232,235,236 .FMT is an excellent potential alternative to antibiotic therapy 206 , but long-term safety, public acceptance and relative lack of standardized donor material are limiting broad application. Steps have been taken to generate standardized formulations of FMT or bacteria 42,149,211,212 .…”