Obecne nadużywanie antybiotyków w medycynie i rolnictwie doprowadziło do pojawienia się oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego. Jednak obecne badania koncentrują się głównie na warunkach klinicznych, a niewystarczająco bada się charakterystykę oporności Escherichia coli pochodzącej od chorych zwierząt, w szczególności ryzyko przenoszenia z zwierząt na ludzi.
Niedawno zespół badawczy z Instytutu Hodowli Zwierząt i Medycyny Weterynaryjnej Akademii Nauk Rolniczych Zhejiang i Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin opublikował nowe badanie w czasopiśmie mBio. Wykorzystując technologię genomową, w badaniu tym przeanalizowano oporność na antybiotyki 114 szczepów Escherichia coli pochodzących od chorych świń, zebranych w okresie 12 lat we wschodnich Chinach. W badaniu po raz pierwszy zidentyfikowano szczepy enterotoksycznej E. coli (ETEC) przenoszące geny mcr-1 i mcr-3.
Wprowadzenie
Niewłaściwe stosowanie antybiotyków w hodowli zwierząt i opiece zdrowotnej doprowadziło do powszechnego rozprzestrzeniania się bakterii opornych na leki, przenoszących „geny super-oporności” (takie jak blaNDM, mcr-1 i tet(X4)). Osłabiło to skuteczność „antybiotyków ostatniej szansy” i spowodowało niedobór nowych leków, tworząc poważny problem.
E. coli, jako główny patogen odzwierzęcy, może zarówno powodować choroby, jak i rozprzestrzeniać geny oporności na leki w ekosystemach (takie jak te przenoszące geny wysokiego ryzyka blaNDM-5, mcr-1 i tet(X4/X5)). Połączone efekty jego wysokiej zjadliwości i wielolekowej oporności nasilają ryzyko. Sekwencjonowanie całego genomu (WGS) jest kluczową technologią do identyfikacji genów oporności na leki i patogenności, stanowiąc podstawę zapobiegania i kontroli chorób zwierząt i ludzi.
Wyniki badań
1. Występowanie Escherichia coli w tym badaniu
Jak pokazano na Rysunku 1A, w badaniu tym przeanalizowano 114 izolatów E. coli od chorych i martwych świń z 82 gospodarstw w 11 miastach prowincji Zhejiang w latach 2010-2021. Świnie te cierpiały na biegunkę, splenomegalię i hepatomegalię.
Jak pokazano na Rysunku 1B, analiza genomowa ujawniła 39 typów sekwencji (ST), z których ST88 (stanowiący 15,8%) był najczęstszy. Najwyższą różnorodność ST zaobserwowano w Shaoxing i Hangzhou. Wiele ST współistniało w różnych latach i miastach. Niektóre typy ST (takie jak ST88) były stale rozpowszechnione w okresie dziewięciu lat, podczas gdy inne (takie jak ST117 i ST48) pojawiły się tylko w określonych okresach. Identyfikacja próbek była wiarygodna, a małe różnice SNP między szczepami sugerowały możliwe przenoszenie między gospodarstwami i zmienne w czasie.
Rysunek 1. Charakterystyka epidemiologiczna 114 izolatów Escherichia coli
Rysunek A: Rozkład pobierania próbek i czas w prowincji Zhejiang (niebieskie znaczniki)
Rysunek B: Związek szczepów z miastem, rokiem i genami oporności na leki wysokiego ryzyka. Grubość linii odpowiada liczbie szczepów.
Rysunek C: Minimalne drzewo rozpinające zbudowane na podstawie MLST. Rozmiar węzła reprezentuje liczbę szczepów, a długość gałęzi odzwierciedla zmienność genetyczną.
Wnioski: Izolaty E. coli od zakażonych świń w Zhejiang wykazywały wysoką różnorodność genetyczną (39 typów ST). Jednak subtelne różnice genetyczne między szczepami sugerują również ryzyko przenoszenia między gospodarstwami. Szczep ST88 wykazywał ciągłą aktywność epidemiczną przez okres do dziewięciu lat.
Rysunek 2. ANI 114 izolatów E. coli
Nazwy szczepów E. coli wyizolowanych w latach 2010-2017 są oznaczone kolorem niebieskim, a nazwy szczepów E. coli wyizolowanych w latach 2018-2021 są oznaczone kolorem różowym.
2. Analiza oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe 114 izolatów E. coli
114 izolatów E. coli od chorych świń wykazywało ogólnie ciężką wielolekową oporność (99,12% było opornych na trzy lub więcej klas leków (Rysunek 3B)). Oporność na ampicylinę i preparaty złożone sięgała 100%, a oporność na cyprofloksacynę i tetracyklinę przekraczała 94% (Rysunek 3A). Warto zauważyć, że 21,05% szczepów było opornych na kolistynę. Po 2018 r. wskaźnik oporności na kolistynę (15,71%) znacznie spadł w porównaniu z poprzednim okresem (29,55%) (jak pokazano na Rysunku 3C, 2018-2021). Jednak wskaźnik oporności na florfenikol wzrósł do 94,29%, podczas gdy wskaźniki oporności na inne leki pozostały względnie stabilne. Ta dynamiczna zmiana może być związana z dostosowaniami w polityce leczenia.
Rysunek 3. Oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe 114 izolatów E. coli
Rysunek A: Wskaźniki oporności 114 izolatów na 13 antybiotyków; Rysunek B: Rozkład szczepów wielolekoopornych;
Rysunek C: Porównanie zmian wskaźników oporności w latach 2010-2017 i 2018-2021, z testami chi-kwadrat używanymi do analizy istotności różnic.
Wnioski: Poważna wielolekowa oporność była powszechna w E. coli wyizolowanej od chorych świń w prowincji Zhejiang, ze szczególnym uwzględnieniem oporności na kolistynę. Jednak po zakazie w 2017 r. wskaźniki oporności znacznie spadły, podczas gdy oporność na florfenikol wzrosła. Ta dynamiczna zmiana jest ściśle związana z dostosowaniami w polityce stosowania leków.
3. Charakterystyka cech genomowych związanych z AMR w izolatach E. coli
Badanie wykazało, że 114 izolatów E. coli od chorych świń przenosiło średnio 4,9 plazmidów, przy czym plazmid IncFIB był najczęstszy (78,07% szczepów). Wszystkie szczepy zawierały co najmniej dwa geny oporności na leki (ARG), a 80,7% zawierało więcej niż 10 ARG, przy czym mdf(A), tet(A), floR i sul2 były najczęściej występującymi. Kluczowe ustalenia ujawniły silne związki między określonymi plazmidami a genami oporności na leki (np. typ IncHI2 z aadA2b/sul3/tet(A) i typ IncI2 z mcr-1), a eksperymenty potwierdziły, że plazmidy IncI2 mogą skutecznie pośredniczyć w przenoszeniu genu mcr-1 między szczepami.
Rysunek 4. Wyniki przewidywania nabytych genów oporności w 114 izolatach Escherichia coli
Rysunek 5. Współczynniki korelacji między ARG a replikonami plazmidowymi w 114 izolatach E. coli
Wnioski: E. coli od chorych świń powszechnie przenosi wiele plazmidów i jest wzbogacona w geny oporności. Wykazano, że plazmidy IncI2 są wysoce wydajnymi wektorami do horyzontalnego transferu kluczowego genu oporności mcr-1.
4. Identyfikacja cech genomowych związanych z wirulencją w izolatach E. coli
Badanie wykazało, że wszystkie 114 analizowanych izolatów E. coli zawierało co najmniej jeden gen wirulencji, przy czym prawie 80% zawierało co najmniej 10. Wśród nich gen terC był najczęstszy (99,12%), a następnie gen traT (81,58%). Inne kluczowe geny wirulencji, stb, sta1, stx2A, stx2B i astA, występowały w 24,56% do 36,84% izolatów. Analiza ujawniła istotne korelacje między określonymi typami szczepów (typami ST) a niektórymi genami wirulencji: ST501 był związany z stb i sta1, ST100 z astA i stb, a ST88 i ST4214 z stb, sta1, stx2A i stx2B. Ponadto zaobserwowano istotne relacje współwystępowania między astA i stb oraz między stb, sta1, stx2A i stx2B. W badaniu zidentyfikowano również 28 szczepów Escherichia coli wytwarzających toksynę Shiga (STEC), 43 szczepy enterotoksycznej Escherichia coli (ETEC) i jeden szczep EPEC wytwarzający Escherichia coli (EPEC).
Rysunek 6. Wyniki przewidywania genów wirulencji dla 114 izolatów E. coli
Czerwone siatki wskazują znane geny wirulencji E. coli wysokiego ryzyka, a różowe siatki wskazują powszechne geny wirulencji.
Wnioski: E. coli wyizolowana od chorych świń powszechnie przenosi wiele genów wirulencji. Określone typy szczepów (takie jak ST501/ST100) są istotnie związane z kluczowymi genami toksyn, a podtypy patogenne, takie jak STEC, ETEC i EPEC, zostały pomyślnie zidentyfikowane.
5. Charakterystyka genomowa plazmidów przenoszących mcr-1 i mcr-3
Badanie wykazało, że dwa szczepy E. coli przenoszą zarówno geny mcr-1, jak i mcr-3. Geny te znajdują się na różnych plazmidach: mcr-1 znajduje się na plazmidzie IncI2, który ma prostą strukturę i wysoki potencjał przenoszenia, podczas gdy mcr-3 znajduje się na plazmidzie IncHI2, który jest złożony i zróżnicowany i przenosi wiele genów oporności na leki.
Rysunek 7. Analiza porównawcza plazmidów przenoszących mcr i tet(X4) z wcześniej zgłoszonymi plazmidami przy użyciu narzędzi BLAST.
Wnioski: Stwierdzono, że geny mcr-1 i mcr-3 w E. coli znajdują się odpowiednio na plazmidach o prostej (IncI2) i złożonej (IncHI2) strukturze, co sugeruje różne mechanizmy przenoszenia genów oporności.
6. Charakterystyka genomowa plazmidów przenoszących tet(X4)
Badanie wykazało, że dwa szczepy opornej na tigecyklinę E. coli przenosiły dwa strukturalnie odrębne plazmidy tet(X4): mały plazmid p626A1-38K-tetX4 (typ IncX1, prosta struktura, zawierający tet(X4) i floR) i duży plazmid p802A1-191K-tetX4 (typ złożony, zawierający tet(X4) i pięć innych genów oporności). Oba są podobne do szkieletu znanych plazmidów epidemicznych, a wokół tet(X4) znajdują się regiony mobilne zawierające wiele genów oporności i sekwencji insercyjnych, co sugeruje wysokie ryzyko przenoszenia.
Rysunek 8. Analiza środowiska genetycznego genu mcr
A: Środowisko genetyczne genu *mcr-3* w plazmidach p204A1-223K-mcr3 i p602A1-220K-mcr3;
B: Środowisko genetyczne genu *mcr-1* w plazmidach p204A1-63K-mcr1 i p602A1-65K-mcr1.
Wnioski: Badanie to wykazało, że dwa strukturalnie odrębne plazmidy tet(X4) przenoszone przez oporną na tigecyklinę E. coli posiadają cechy szkieletu podobne do tych w rozpowszechnionych plazmidach i zawierają regiony mobilne otaczające geny, co wskazuje na wysokie ryzyko przenoszenia.
Wnioski
Badanie to wykazało powszechną wielolekową oporność (w tym na leki ostatniej linii) w Escherichia coli wyizolowanej od chorych świń we wschodnich Chinach. Kluczowe geny oporności, mcr-1/mcr-3/tet(X4), były przenoszone za pośrednictwem złożonego plazmidu (typ IncI2/IncHI2). Potwierdza to, że plazmidy są podstawowymi wektorami przenoszenia oporności na leki i wzywa do natychmiastowej interwencji w celu zapobiegania rozprzestrzenianiu się bakterii opornych na leki ze zwierząt na ludzi i do środowiska.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!