Reactivation of hidden-latent Brucella infection after doxycycline and streptomycin treatment in mice

Abstract

Brucellosis has therapeutic challenges due to 3%–15% relapses/therapeutic failures (R/TF) after antibiotic treatment. Therefore, determining the antibiotic concentration in tissues, the physiopathological parameters, and the R/TF after treatment is relevant. After exploring different antibiotic quantities, we found that a combined dose of 100 µg/g of doxycycline (for 45 days) and 7.5 µg/g of streptomycin (for 14 days), respectively, achieved therapeutic levels of more than fourfold minimum inhibitory concentrations (MICs) against Brucella abortus in the spleen, liver, bone marrow, and plasma of mice, causing minimal pathophysiological effects. After 30 days of infection, mice received antibiotics, and ematological, histopathological, biochemical, and immunological analyses were performed. After antibiotic therapy, the pathological, hematological, immunological, and physiological profiles paralleled those described in human brucellosis. Treatment lowered antibody titers, reduced proinflammatory cytokines, and reduced inflammation in the target organs for a protracted period. No bacteria were detected in tissues 8 weeks after treatment, suggesting complete recovery. However, despite high doxycycline and streptomycin concentrations in tissues, relapses appeared in 100% of the animals after 182 days post-infection, estimated by the bacterial counts and PCR from organs. This proportion contrasts with the 15% R/TF observed in humans after antibiotic treatments. None of the B. abortus isolated from relapses showed augmented MICs or mutations coding for antibiotic resistance in chromosomalrelevant regions. We discuss whether our findings constitute a general phenomenon or differences in the exhaustive screening method for bacteria detection related to the murine model. Along these lines, we envision likely mechanisms of bacterial persistence in tissues after antibiotic treatment.La brucelosis plantea retos terapéuticos debido al 3%-15% de recaídas/fracasos terapéuticos (R/FT) tras el tratamiento antibiótico. Por lo tanto, es importante determinar la concentración de antibiótico en los tejidos, los parámetros fisiopatológicos y los FR/FT tras el tratamiento. Tras explorar diferentes cantidades de antibióticos, descubrimos que una dosis combinada de 100 µg/g de doxiciclina (durante 45 días) y 7,5 µg/g de estreptomicina (durante 14 días), respectivamente, alcanzaba niveles terapéuticos de más de cuatro veces las concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) contra Brucella abortus en el bazo, el hígado, la médula ósea y el plasma de los ratones, causando efectos fisiopatológicos mínimos. Tras 30 días de infección, los ratones recibieron antibióticos y se realizaron análisis ematológicos, histopatológicos, bioquímicos e inmunológicos. Tras la terapia antibiótica, los perfiles patológicos, hematológicos, inmunológicos y fisiológicos fueron paralelos a los descritos en la brucelosis humana. El tratamiento disminuyó los títulos de anticuerpos, redujo las citocinas proinflamatorias y redujo la inflamación en los órganos diana durante un periodo prolongado. No se detectaron bacterias en los tejidos 8 semanas después del tratamiento, lo que sugiere una recuperación completa. Sin embargo, a pesar de las elevadas concentraciones de doxiciclina y estreptomicina en los tejidos, aparecieron recidivas en el 100% de los animales tras 182 días postinfección, estimadas por los recuentos bacterianos y la PCR de los órganos. Esta proporción contrasta con el 15% de R/TF observado en humanos tras tratamientos antibióticos. Ninguno de los B. abortus aislados de las recidivas mostró MICs aumentadas o mutaciones que codificasen la resistencia a los antibióticos en regiones cromosómicas relevantes. Discutimos si nuestros hallazgos constituyen un fenómeno general o diferencias en el método de cribado exhaustivo para la detección de bacterias en relación con el modelo murino. En esta línea, prevemos mecanismos probables de persistencia bacteriana en los tejidos tras el tratamiento antibiótico.