Cpl-1 rescues mice with fatal pneumococcal pneumonia

HINTERGRUND: Die ambulant erworbene Pneumonie (community-acquired pneumonia, CAP) ist eine der am häufigsten registrierten Infektionskrankheiten weltweit. Sie hat eine Inzidenz von ca. 1% und zeigt eine hohe Morbidität und Mortalität. Der mit Abstand häufigste Erreger der CAP ist S.pneumoniae. In den letzten Jahren nahmen die Resistenzraten von S. pneumoniae gegenüber verfügbaren Antibiotika deutlich zu, wodurch die Notwendigkeit stieg, alternative Therapiestrategien zu untersuchen. Das kürzlich isolierte und aufgereinigte Bakteriophagenenzym Cpl-1 lysiert S. pneumoniae schnell und hoch spezifisch. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des therapeutischen Potenzials von Cpl-1 bei der schweren Pneumokokkenpneumonie. METHODEN: C57Bl/6 Mäuse wurden transnasal mit S. pneumoniae infiziert. 24 Stunden nach der Infektion erfolgten entweder insgesamt sechs intraperitoneale (i.p.) Injektionen von Cpl-1 im Abstand von jeweils 12 Stunden oder eine einmalige intratracheale Applikation von Cpl-1. ERGEBNISSE: Zum Zeitpunkt des Therapiebeginns 24 Stunden nach Infektion zeigten die Tiere gemessen am klinischen Erscheinungsbild (Gewichtsverlust, erhöhte Atemarbeit), an der Lungencompliance, an der paO2/FiO2-Ratio, dem Zytokinprofil und den morphologischen Veränderungen der Lungen das Bild einer schweren Pneumokokken- Pneumonie. Die i.p. Applikation von Cpl-1 führte zu einer deutlichen Reduktion der pulmonalen Bakterienlast und verhinderte die Ausbildung einer Bakteriämie, sowie einer systemischen Hypotonie. Bei Penicillin-sensiblen Pneumokokken zeigte Cpl-1 eine vergleichbare anti-mikrobielle Wirksamkeit wie Amoxicillin. Nebenwirkungen oder allergische Reaktionen wurden nach der repetitiven Gabe von Cpl-1 nicht beobachtet. Die mit Cpl-1 behandelten Mäuse überlebten eine sonst tödlich verlaufende Pneumonie und erholten sich rasch. Die Lyse der Bakterien durch Cpl-1 verursachte in-vivo keine messbar erhöhte pro- inflammatorische Reaktion. Hierauf aufbauend wurde das therapeutische Potential einer einmaligen intratrachealen (i.t.) Applikation von Cpl-1 untersucht. Auch durch einmalige i.t. Applikation von Cpl-1 wurde die Bakterienlast im Lungengewebe deutlich reduziert und eine Bakteriämie weitgehend verhindert. Die meisten Cpl-1 behandelten Tiere erholten sich rasch, und es kam in der Folge zu einer von 0% auf 80% erhöhten Überlebenswahrscheinlichkeit im Vergleich zur Placebo-therapierten Kontrollgruppe. Im Gegensatz zur systemischen Cpl-1 Applikation verursachte die lokale Cpl-1 Gabe bei Pneumonie eine Erhöhung der pulmonalen Inflammation. Bei der einmaligen i.t. Applikation konnte die Gesamtdosis von Cpl-1 gegenüber der repetitiven intraperitonealen Applikation deutlich reduziert werden. SCHLUSSFOLGERUNG: Die Applikation des lytischen Bakteriophagenenzyms Cpl-1 könnte eine neue, vielversprechende Option für die Behandlung der Pneumokokken-Pneumonie darstellen.OBJECTIVES: Community-acquired pneumonia is a potentially life-threatening infectious disease with significant morbidity and mortality. Streptococcus pneumoniae is a facultative pathogenic microorganism of the human respiratory tract and the most prevalent cause of community-acquired pneumonia. Despite of the availability of antibiotics and pneumococcal vaccines, the mortality caused by S. pneumoniae remains high. Therefore, there is high medical need for alternative treatment strategies. In this context, the use of purified bacteriophage endolysins has been proposed. Endolysins are enzymes which are produced in phage-infected bacterial cells. Interestingly, endolysins are capable of lysing the bacterial cell wall from inside as well as externally (as purified recombinant proteins). This unique capacity makes endolysins potential antibacterial agents. The recently purified bacteriophage endolysin Cpl-1 rapidly and specifically kills pneumococci on contact. Neither resistance nor side effects have been observed after application of Cpl-1 in different animal models of infectious diseases. Therefore, the aim of this study was to determine the therapeutic potential of Cpl-1 in a mouse model of severe pneumococcal pneumonia. METHODS: Female C57Bl/6 mice were transnasally infected with pneumococci. When severe pneumonia was established 24h after infection, mice were treated repeatedly with intraperitoneal injections of Cpl-1 or amoxicillin. In a second approach, Cpl-1 was applied once as an aerosolized agent. RESULTS: Judged from clinical appearance, decreased body weight and morphologic changes in the lungs, mice suffered from severe pneumonia at the onset of therapy. Intraperitoneal Cpl-1 injections efficiently reduced pulmonary bacterial counts, averted bacteremia, and led to rapid resolution of pulmonary inflammation. Further, systemic Cpl-1 application prevented reduction of dynamic lung compliance and Pao2/Fio2 ratio, systemic hypotension, lactate increase and inflammatory response, as determined by multiplex cytokine assay, in the course of pneumonia. Cpl-1 treatment led to a highly significant reduction in mortality compared to controls. Notably, treatment of pneumonia due to penicillin-susceptible S. pneumoniae with Cpl-1 or amoxicillin was comparably effective. Moreover, not only repeated intraperitoneal applications, but also a single therapeutic application of aerosolised Cpl-1 via the airways given 24 hours after infection was sufficient to rescue mice from fatal pneumococcal pneumonia. Lung bacterial load was reduced and bacteremia was almost completely omitted. Most mice treated with i.t. Cpl-1 recovered rapidly, and survival increased from 0% to 80% as compared to placebo treated mice. In contrast to systemic Cpl-1, i.t. Cpl-1 application increased local pulmonary inflammation. The Cpl-1 dose applied could be reduced relevantly by using a single i.t. treatment protocol as compared to repetitive i.p. application. CONCLUSIONS: Administration of Cpl-1 may offer a new therapeutic perspective for the treatment of pneumococcal lung infection