El uso excesivo actual de antibióticos en medicina y agricultura ha llevado a la aparición de resistencia a los antimicrobianos, una seria amenaza para la salud pública. Sin embargo, la investigación actual se ha centrado en gran medida en entornos clínicos, con investigación insuficiente que examine las características de resistencia de Escherichia coli de animales enfermos, particularmente el riesgo de transmisión de animales a humanos.
Recientemente, un equipo de investigación del Instituto de Zootecnia y Medicina Veterinaria de la Academia de Ciencias Agrícolas de Zhejiang y la Escuela de Ciencias de la Vida de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China publicó un nuevo estudio en la revista mBio. Utilizando tecnología genómica, este estudio analizó la resistencia a los antibióticos de 114 cepas de Escherichia coli de cerdos enfermos recolectadas durante un período de 12 años en el este de China. El estudio identificó, por primera vez, cepas de E. coli enterotoxigénica (ETEC) que portaban los genes mcr-1 y mcr-3.
Introducción
El uso inapropiado de antibióticos en la ganadería y la atención médica ha llevado a la propagación generalizada de bacterias resistentes a los medicamentos que portan "genes de super-resistencia" (como blaNDM, mcr-1 y tet(X4)). Esto ha debilitado la eficacia de los "antibióticos de último recurso" y ha resultado en una escasez de nuevos medicamentos, creando un problema grave.
E. coli, como patógeno zoonótico importante, puede causar enfermedades y propagar genes resistentes a los medicamentos a través de los ecosistemas (como aquellos que portan los genes de alto riesgo blaNDM-5, mcr-1 y tet(X4/X5)). Los efectos combinados de su alta virulencia y resistencia a múltiples fármacos exacerban el riesgo. La secuenciación del genoma completo (WGS) es una tecnología clave para identificar la resistencia a los medicamentos y los genes de patogenicidad, proporcionando una base para la prevención y el control de enfermedades animales y humanas.
Resultados de la investigación
1. Prevalencia de Escherichia coli en este estudio
Como se muestra en la Figura 1A, este estudio analizó 114 aislados de E. coli de cerdos enfermos y muertos de 82 granjas en 11 ciudades de la provincia de Zhejiang entre 2010 y 2021. Estos cerdos sufrían de diarrea, esplenomegalia y hepatomegalia.
Como se muestra en la Figura 1B, el análisis genómico reveló 39 tipos de secuencia (ST), de los cuales ST88 (que representa el 15,8%) fue el más común. La mayor diversidad de ST se observó en Shaoxing y Hangzhou. Múltiples ST coexistieron a lo largo de los años y las ciudades. Algunos tipos de ST (como ST88) fueron consistentemente prevalentes durante el período de nueve años, mientras que otros (como ST117 y ST48) aparecieron solo durante períodos específicos. La identificación de especímenes fue confiable, y las pequeñas diferencias de SNP entre las cepas sugirieron una posible transmisión cruzada entre granjas y variable en el tiempo.
Figura 1. Características epidemiológicas de 114 aislados de Escherichia coli
Figura A: Distribución y tiempo de muestreo en la provincia de Zhejiang (marcadores azules)
Figura B: Asociación de cepas con la ciudad, el año y los genes de resistencia a fármacos de alto riesgo. El grosor de la línea corresponde al número de cepas.
Figura C: Árbol de expansión mínima construido en base a MLST. El tamaño del nodo representa el número de cepas, y la longitud de la rama refleja la variación genética.
Conclusión: Los aislados de E. coli de cerdos infectados en Zhejiang exhibieron una alta diversidad genética (39 tipos de ST). Sin embargo, las sutiles diferencias genéticas entre las cepas también sugieren el riesgo de transmisión cruzada entre granjas. La cepa ST88 demostró una actividad epidémica sostenida durante hasta nueve años.
Figura 2. ANI de 114 aislados de E. coli
Los nombres de las cepas de E. coli aisladas de 2010 a 2017 están marcados en azul, y los nombres de las cepas de E. coli aisladas de 2018 a 2021 están marcados en rosa.
2. Análisis de resistencia a los antimicrobianos de 114 aislados de E. coli
Los 114 aislados de E. coli de cerdos enfermos generalmente exhibieron una resistencia severa a múltiples fármacos (el 99,12% fueron resistentes a tres o más clases de fármacos (Figura 3B)). La resistencia a la ampicilina y a las preparaciones combinadas alcanzó el 100%, y la resistencia a la ciprofloxacina y la tetraciclina superó el 94% (Figura 3A). Notablemente, el 21,05% de las cepas fueron resistentes a la colistina. Después de 2018, la tasa de resistencia a la colistina (15,71%) disminuyó significativamente con respecto al período anterior (29,55%) (como se muestra en la Figura 3C, 2018-2021). Sin embargo, la tasa de resistencia al florfenicol aumentó al 94,29%, mientras que las tasas de resistencia a otros fármacos se mantuvieron relativamente estables. Este cambio dinámico puede estar relacionado con los ajustes en las políticas de medicación.
Figura 3. Resistencia a los antimicrobianos de 114 aislados de E. coli
Figura A: Tasas de resistencia de 114 aislados a 13 antibióticos; Figura B: Distribución de cepas resistentes a múltiples fármacos;
Figura C: Comparación de los cambios en las tasas de resistencia entre 2010-2017 y 2018-2021, con pruebas de chi-cuadrado utilizadas para analizar la significancia de las diferencias.
Conclusión: La resistencia severa a múltiples fármacos fue prevalente en E. coli aislada de cerdos enfermos en la provincia de Zhejiang, con la resistencia a la colistina siendo particularmente prominente. Sin embargo, después de la prohibición en 2017, las tasas de resistencia disminuyeron significativamente, mientras que la resistencia al florfenicol aumentó. Este cambio dinámico está estrechamente relacionado con los ajustes en las políticas de uso de fármacos.
3. Caracterización de las características genómicas asociadas a la RAM en aislados de E. coli
El estudio encontró que los 114 aislados de E. coli de cerdos enfermos portaban un promedio de 4,9 plásmidos, siendo el plásmido IncFIB el más común (78,07% de las cepas). Todas las cepas albergaban al menos dos genes de resistencia a fármacos (ARG), y el 80,7% albergaba más de 10 ARGs, siendo mdf(A), tet(A), floR y sul2 los más prevalentes. Los hallazgos clave revelaron fuertes asociaciones entre plásmidos específicos y genes de resistencia a fármacos (por ejemplo, el tipo IncHI2 con aadA2b/sul3/tet(A), y el tipo IncI2 con mcr-1), y los experimentos confirmaron que los plásmidos IncI2 pueden mediar eficazmente la transferencia del gen mcr-1 entre cepas.
Figura 4. Resultados de la predicción de genes de resistencia adquiridos en 114 aislados de Escherichia coli
Figura 5. Coeficientes de correlación entre ARGs y replicones de plásmidos en 114 aislados de E. coli
Conclusión: E. coli de cerdos enfermos comúnmente porta múltiples plásmidos y está enriquecida con genes de resistencia. Se ha demostrado que los plásmidos IncI2 son vectores altamente eficientes para la transferencia horizontal del gen clave de resistencia mcr-1.
4. Identificación de características genómicas asociadas a la virulencia en aislados de E. coli
El estudio encontró que los 114 aislados de E. coli analizados portaban al menos un gen de virulencia, con casi el 80% albergando al menos 10. Entre estos, el gen terC fue el más común (99,12%), seguido del gen traT (81,58%). Otros genes de virulencia clave, stb, sta1, stx2A, stx2B y astA, ocurrieron en el 24,56% al 36,84% de los aislados. El análisis reveló correlaciones significativas entre tipos de cepas específicos (tipos ST) y ciertos genes de virulencia: ST501 se asoció con stb y sta1, ST100 con astA y stb, y ST88 y ST4214 con stb, sta1, stx2A y stx2B. Además, se observaron relaciones significativas de co-ocurrencia entre astA y stb, y entre stb, sta1, stx2A y stx2B. El estudio también identificó 28 Escherichia coli productora de toxina Shiga (STEC), 43 Escherichia coli enterotoxigénica (ETEC) y una Escherichia coli productora de EPEC (EPEC).
Figura 6. Resultados de la predicción de genes de virulencia para 114 aislados de E. coli
Las cuadrículas rojas indican genes de virulencia de E. coli de alto riesgo conocidos, mientras que las cuadrículas rosas indican genes de virulencia comunes.
Conclusión: E. coli aislada de cerdos enfermos comúnmente porta múltiples genes de virulencia. Tipos de cepas específicos (como ST501/ST100) están significativamente asociados con genes de toxinas clave, y se identificaron con éxito subtipos patógenos como STEC, ETEC y EPEC.
5. Caracterización genómica de plásmidos que portan mcr-1 y mcr-3
El estudio reveló que dos cepas de E. coli portan los genes mcr-1 y mcr-3. Estos genes se encuentran en diferentes plásmidos: mcr-1 se encuentra en un plásmido IncI2, que tiene una estructura simple y un alto potencial de transmisión, mientras que mcr-3 se encuentra en un plásmido IncHI2, que es complejo y diverso y porta múltiples genes de resistencia a fármacos.
Figura 7. Análisis comparativo de plásmidos que portan mcr y tet(X4) con plásmidos previamente reportados utilizando herramientas BLAST.
Conclusión: Se encontró que los genes mcr-1 y mcr-3 en E. coli se encuentran en plásmidos estructuralmente simples (IncI2) y complejos (IncHI2), respectivamente, lo que sugiere diferentes mecanismos de transmisión de genes de resistencia.
6. Caracterización genómica de plásmidos que portan tet(X4)
El estudio encontró que dos cepas de E. coli resistentes a la tigeciclina portaban dos plásmidos tet(X4) estructuralmente distintos: el plásmido pequeño p626A1-38K-tetX4 (tipo IncX1, estructura simple, que contiene tet(X4) y floR) y el plásmido grande p802A1-191K-tetX4 (tipo complejo, que contiene tet(X4) y otros cinco genes de resistencia). Ambos son similares a la columna vertebral de los plásmidos epidémicos conocidos, y hay regiones móviles alrededor de tet(X4) que contienen múltiples genes de resistencia y secuencias de inserción, lo que sugiere un alto riesgo de transmisión.
Figura 8. Análisis del entorno genético del gen mcr
A: Entorno genético del gen *mcr-3* en los plásmidos p204A1-223K-mcr3 y p602A1-220K-mcr3;
B: Entorno genético del gen *mcr-1* en los plásmidos p204A1-63K-mcr1 y p602A1-65K-mcr1.
Conclusión: Este estudio encontró que los dos plásmidos tet(X4) estructuralmente distintos portados por E. coli resistente a la tigeciclina poseen características de columna vertebral similares a las de los plásmidos prevalentes y contienen regiones móviles que rodean los genes, lo que indica un alto riesgo de transmisión.
Conclusiones
Este estudio encontró una resistencia generalizada a múltiples fármacos (incluidos los fármacos de última línea) en Escherichia coli aislada de cerdos enfermos en el este de China. Los genes clave de resistencia, mcr-1/mcr-3/tet(X4), se transmitieron a través de un plásmido complejo (tipo IncI2/IncHI2). Esto confirma que los plásmidos son los vectores centrales de la transmisión de la resistencia a los fármacos e insta a una intervención inmediata para prevenir la propagación de bacterias resistentes a los fármacos de los animales a los humanos y al medio ambiente.
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