Development of a phage cocktail against Klebsiella pneumoniae with potential use in animal production

Abstract

In this study, a cocktail composed of four bacteriophages with therapeutic potential was developed and evaluated for the control of Klebsiella pneumoniae, an opportunistic bacterium of great clinical and veterinary importance, frequently associated with multidrug resistance and outbreaks in intensive livestock production systems, especially in swine farming. The research focused on isolating phages active against the Klebsiella genus, with emphasis on K. pneumoniae strains isolated from pigs. Seven distinct phages were obtained from environmental samples, five of which showed lytic activity against different K. pneumoniae strains. Four phages with the most promising results in inhibiting bacterial growth and preventing biofilm formation were selected for biological characterization, including host range, plaque morphology, adsorption time, burst size, and thermal stability. The combination of these four phages resulted in a cocktail capable of suppressing K. pneumoniae growth in bacterial growth curves and preventing biofilm formation — both essential aspects for combating persistent infections in livestock environments. The efficacy of the cocktail was confirmed using an in vivo Galleria mellonella larvae model, showing survival rates above 90% under both prophylactic and coinfection conditions. Moreover, the treatment proved to be safe, with no signs of toxicity observed in the control larvae. The results highlight the potential of bacteriophages as viable and safe therapeutic alternatives in the face of the growing threat of antimicrobial resistance in animal production. This study provides a solid foundation for the development of phage-based products applicable in the field and paves the way for future validations in higher animal models, contributing to the advancement of more sustainable and effective strategies for controlling infections in pigs. Keywords: bacteriophages; Klebsiella pneumoniae; phage cocktail; pig farming; antimicrobial resistance.Neste trabalho, foi desenvolvido e avaliado um coquetel composto por quatro bacteriófagos com potencial terapêutico voltado ao controle de Klebsiella pneumoniae, uma bactéria oportunista de grande importância clínica e veterinária, frequentemente associada à resistência a múltiplos antibióticos e a surtos em sistemas intensivos de produção animal, especialmente na suinocultura. A pesquisa concentrou-se no isolamento de fagos ativos contra o gênero Klebsiella, com ênfase em cepas de K. pneumoniae isoladas de suínos. Foram obtidos sete isolados distintos a partir de amostras ambientais, dos quais cinco demonstraram atividade lítica contra cepas distintas de K. pneumoniae. Quatro desses fagos, com os melhores resultados na inibição do crescimento bacteriano e na prevenção da formação de biofilme, foram selecionados para caracterização biológica, incluindo espectro de ação, morfologia das placas de lise, tempo de adsorção, burst size e estabilidade térmica. A combinação desses quatro isolados resultou na formulação de um coquetel fágico capaz de suprimir o crescimento de K. pneumoniae em curvas de crescimento e de impedir a formação de biofilmes — aspectos essenciais no combate a infecções persistentes em ambientes pecuários. A eficácia do coquetel foi confirmada em modelo in vivo com larvas de Galleria mellonella, alcançando taxas de sobrevivência superiores a 90% tanto em regime profilático quanto em coinfecção. Além disso, o tratamento demonstrou segurança, sem sinais de toxicidade nas larvas controle. Os resultados obtidos evidenciam o potencial dos bacteriófagos como alternativas terapêuticas viáveis e seguras frente à crescente ameaça da resistência antimicrobiana no contexto da produção animal. Este estudo estabelece uma base sólida para o desenvolvimento de produtos fágicos aplicáveis em campo e abre caminho para validações futuras em modelos animais superiores, contribuindo para o avanço de estratégias mais sustentáveis e eficazes no controle de infecções em suínos. Palavras-chave: bacteriófagos ; Klebsiella suinocultura; resistência antimicrobiana pneumoniae; coquetel fágico.