ข่าว บริษัท เกี่ยวกับ mBio. การใช้เทคโนโลยีพันธุกรรม เพื่อประเมินความทนทานต่อยาต้านเชื้อโรคของเอสเชอริคีย โคลี ในหมูในประเทศจีนตะวันออก

การใช้ยาปฏิชีวนะมากเกินไปในการแพทย์และการเกษตรในปัจจุบันได้นำไปสู่การเกิดขึ้นของการดื้อยาต้านจุลชีพซึ่งเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อสุขภาพของประชาชน อย่างไรก็ตามการวิจัยในปัจจุบันได้มุ่งเน้นไปที่การตั้งค่าทางคลินิกโดยมีการวิจัยไม่เพียงพอตรวจสอบลักษณะการต้านทานของ Escherichia coli จากสัตว์ที่เป็นโรคโดยเฉพาะอย่างยิ่งความเสี่ยงของการแพร่กระจายของสัตว์สู่มนุษย์

เมื่อเร็ว ๆ นี้ทีมวิจัยจากสถาบันการเลี้ยงสัตว์และสัตวแพทยศาสตร์ของสถาบันวิทยาศาสตร์การเกษตรเจ้อเจียงและโรงเรียนวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตของมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของจีนตีพิมพ์การศึกษาใหม่ในวารสาร MBIO การใช้เทคโนโลยีจีโนมการศึกษาครั้งนี้วิเคราะห์ความต้านทานยาปฏิชีวนะของ Escherichia coli 114 สายพันธุ์จากหมูที่เป็นโรคที่เก็บรวบรวมในระยะเวลา 12 ปีในจีนตะวันออก การศึกษาระบุว่าเป็นครั้งแรกที่ enterotoxigenic E. coli (ETEC) สายพันธุ์ที่มียีน MCR-1 และ MCR-3

การแนะนำ

การใช้ยาปฏิชีวนะอย่างไม่เหมาะสมในการทำฟาร์มปศุสัตว์และการดูแลสุขภาพได้นำไปสู่การแพร่กระจายอย่างกว้างขวางของแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาที่มี "ยีนที่มีความต้านทานสูงสุด" (เช่น Blandm, MCR-1 และ TET (x4)) สิ่งนี้ทำให้ประสิทธิภาพของ "ยาปฏิชีวนะสุดท้าย" ลดลงและส่งผลให้เกิดการขาดแคลนยาใหม่ทำให้เกิดปัญหาร้ายแรง

E. coli ในฐานะที่เป็นเชื้อราที่สำคัญทั้งสองสามารถทำให้เกิดโรคและแพร่กระจายยีนที่ดื้อต่อยาทั่วทั้งระบบนิเวศ (เช่นที่มียีนที่มีความเสี่ยงสูง BLANDM-5, MCR-1 และ TET (X4/X5)) ผลรวมของความรุนแรงที่สูงและความต้านทาน multidrug ทำให้ความเสี่ยงรุนแรงขึ้น การจัดลำดับจีโนมทั้งหมด (WGS) เป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการระบุการดื้อยาและยีนที่ทำให้เกิดโรคซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการป้องกันและควบคุมโรคสัตว์และโรคของมนุษย์

ผลการวิจัย

1. ความชุกของ Escherichia coli ในการศึกษานี้

ดังที่แสดงในรูปที่ 1A การศึกษาครั้งนี้วิเคราะห์ 114 E. coli แยกจากหมูที่ป่วยและตายจาก 82 ฟาร์มใน 11 เมืองในจังหวัดเจ้อเจียงระหว่างปี 2010 และ 2021 หมูเหล่านี้ได้รับความทุกข์ทรมานจากอาการท้องเสียม้ามโตและ hepatomegaly

ดังที่แสดงในรูปที่ 1B การวิเคราะห์จีโนมเปิดเผย 39 ประเภท (STS) ซึ่ง ST88 (คิดเป็น 15.8%) เป็นเรื่องธรรมดามากที่สุด ความหลากหลายของ ST สูงสุดถูกพบใน Shaoxing และหางโจว STS หลายแห่งอยู่ร่วมกันหลายปีและเมืองต่างๆ บางประเภท ST (เช่น ST88) แพร่หลายอย่างต่อเนื่องตลอดระยะเวลาเก้าปีในขณะที่คนอื่น ๆ (เช่น ST117 และ ST48) ปรากฏขึ้นเฉพาะในช่วงเวลาที่กำหนดเท่านั้น การระบุตัวอย่างมีความน่าเชื่อถือและความแตกต่างของ SNP ขนาดเล็กระหว่างสายพันธุ์แนะนำให้ใช้ฟาร์มข้ามฟาร์มและการส่งผ่านเวลาที่เป็นไปได้

รูปที่ 1. ลักษณะทางระบาดวิทยาของ 114 Escherichia coli isolates

รูปที่ A: การกระจายตัวอย่างและเวลาในมณฑลเจ้อเจียง (เครื่องหมายสีน้ำเงิน)

รูปที่ B: สมาคมสายพันธุ์กับเมืองปีและยีนต่อต้านยาเสพติดที่มีความเสี่ยงสูง ความหนาของเส้นสอดคล้องกับจำนวนสายพันธุ์

รูปที่ C: ต้นไม้ที่ทอดน้อยที่สุดที่สร้างขึ้นตาม MLST ขนาดโหนดแสดงจำนวนสายพันธุ์และความยาวสาขาสะท้อนถึงความแปรปรวนทางพันธุกรรม

สรุป: E. coli แยกได้จากหมูที่ติดเชื้อในเจ้อเจียงแสดงความหลากหลายทางพันธุกรรมสูง (39 ประเภท ST) อย่างไรก็ตามความแตกต่างทางพันธุกรรมที่ละเอียดอ่อนระหว่างสายพันธุ์ยังชี้ให้เห็นถึงความเสี่ยงของการส่งข้ามฟาร์ม สายพันธุ์ ST88 แสดงให้เห็นถึงกิจกรรมการแพร่ระบาดของโรคที่ยั่งยืนมานานถึงเก้าปี

รูปที่ 2. Ani จาก 114 E. coli isolates

ชื่อของสายพันธุ์ E. coli ที่แยกได้ตั้งแต่ปี 2010 ถึง 2017 มีการทำเครื่องหมายเป็นสีน้ำเงินและชื่อของสายพันธุ์อีโคไลที่แยกได้ตั้งแต่ปี 2561 ถึง 2564 มีการทำเครื่องหมายเป็นสีชมพู

2. การวิเคราะห์ความต้านทานยาต้านจุลชีพของ 114 E. coli isolates

โดยทั่วไปแล้ว 114 E. coli ที่แยกได้จากหมูป่วยมีความต้านทานหลายตัวแปรอย่างรุนแรง (99.12% ทนต่อยาเสพติดสามชั้นขึ้นไป (รูปที่ 3B)) ความต้านทานต่อแอมปิซิลลินและการเตรียมการรวมกันถึง 100% และความต้านทานต่อ ciprofloxacin และ tetracycline เกิน 94% (รูปที่ 3A) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง 21.05% ของสายพันธุ์ทนต่อโคลิสติน หลังจากปี 2561 อัตราการต้านทานของโคลิสติน (15.71%) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญจากช่วงเวลาก่อนหน้า (29.55%) (ดังแสดงในรูปที่ 3C, 2018-2021) อย่างไรก็ตามอัตราการดื้อยา Florfenicol เพิ่มขึ้นเป็น 94.29%ในขณะที่อัตราการต้านทานต่อยาอื่น ๆ ยังคงค่อนข้างเสถียร การเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกนี้อาจเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนนโยบายการใช้ยา

รูปที่ 3. ความต้านทานยาต้านจุลชีพของ 114 E. coli isolates

รูปที่ A: อัตราความต้านทาน 114 ไอโซเลทต่อ 13 ยาปฏิชีวนะ; รูปที่ B: การกระจายของสายพันธุ์ที่ทนต่อหลายคน

รูปที่ C: การเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของอัตราความต้านทานระหว่างปี 2010-2017 ถึง 2018-2021 ด้วยการทดสอบไคสแควร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์ความสำคัญของความแตกต่าง

สรุป: การดื้อยาหลายตัวที่รุนแรงเป็นที่แพร่หลายใน E. coli ที่แยกได้จากหมูที่เป็นโรคในจังหวัดเจ้อเจียงโดยมีการต่อต้านโคลิสตินโดดเด่นเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตามหลังจากการห้ามในปี 2560 อัตราการต้านทานลดลงอย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ความต้านทานต่อฟลอรินิกอลเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกนี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการปรับเปลี่ยนนโยบายการใช้ยา

3. การศึกษาลักษณะของคุณสมบัติจีโนมที่เกี่ยวข้องกับ AMR ใน E. coli isolates

การศึกษาพบว่า 114 E. coli แยกได้จากหมูที่เป็นโรคมีค่าเฉลี่ย 4.9 plasmids โดย incfib plasmid เป็นที่พบมากที่สุด (78.07% ของสายพันธุ์) สายพันธุ์ทั้งหมดเก็บรักษายีนต่อต้านยาเสพติดอย่างน้อยสองยีน (ARGS) และ 80.7% เก็บรักษามากกว่า 10 args ด้วย MDF (A), TET (A), Flor และ Sul2 เป็นที่แพร่หลายที่สุด การค้นพบที่สำคัญเผยให้เห็นความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างพลาสมิดเฉพาะและยีนต้านทานยา (เช่นประเภท inchi2 กับ AADA2B/SUL3/TET (A) และประเภท INCI2 กับ MCR-1) และการทดลองยืนยันว่า plasmids inci2 สามารถไกล่เกลี่ยการถ่ายโอน MCR-1 ระหว่างสายพันธุ์

รูปที่ 4. ผลการทำนายของยีนต้านทานที่ได้รับใน 114 Escherichia coli isolates

รูปที่ 5. ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่าง args และ plasmid replicons ใน 114 E. coli isolates

สรุป: E. coli จากหมูที่เป็นโรคมักมีพลาสมิดหลายตัวและได้รับการเสริมสมรรถนะสำหรับยีนต้านทาน พลาสมิด Inci2 แสดงให้เห็นว่าเป็นเวกเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการถ่ายโอนแนวนอนของยีนต้านทานคีย์ MCR-1

4. การระบุคุณสมบัติจีโนมที่เกี่ยวข้องกับความรุนแรงใน E. coli isolates

การศึกษาพบว่าการวิเคราะห์ทั้งหมด 114 E. coli ที่วิเคราะห์ดำเนินการอย่างน้อยหนึ่งยีน virulence โดยมีการเก็บรักษาอย่างน้อยเกือบ 80%อย่างน้อย 10 ในกลุ่มเหล่านี้ยีน TERC นั้นพบได้บ่อยที่สุด (99.12%) ตามด้วยยีน Trat (81.58%) ยีนที่สำคัญอื่น ๆ , STB, STA1, STX2A, STX2B และ ASTA เกิดขึ้นใน 24.56% ถึง 36.84% ของไอโซเลท การวิเคราะห์เปิดเผยความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญระหว่างประเภทความเครียดที่เฉพาะเจาะจง (ชนิด ST) และยีนความรุนแรงบางอย่าง: ST501 มีความสัมพันธ์กับ STB และ STA1, ST100 กับ ASTA และ STB และ ST88 และ ST4214 กับ STB, STA1, STX2A และ STX2B นอกจากนี้ยังพบความสัมพันธ์ระหว่างการเกิดร่วมอย่างมีนัยสำคัญระหว่าง ASTA และ STB และระหว่าง STB, STA1, STX2A และ STX2B การศึกษายังระบุ 28 Escherichia coli (STEC), 43 enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) และ Escherichia coli (EPEC)

รูปที่ 6. ผลการทำนายยีนที่รุนแรงสำหรับ 114 E. coli isolates

กริดสีแดงบ่งบอกถึงยีน E. coli virulence ที่มีความเสี่ยงสูงในขณะที่กริดสีชมพูบ่งบอกถึงยีนที่มีความรุนแรงทั่วไป

สรุป: E. coli ที่แยกได้จากหมูที่เป็นโรคมักมียีนที่มีความรุนแรงหลายอย่าง ประเภทความเครียดที่เฉพาะเจาะจง (เช่น ST501/ST100) มีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับยีนสารพิษคีย์และชนิดย่อยที่ทำให้เกิดโรคเช่น STEC, ETEC และ EPEC ได้รับการระบุสำเร็จ

5. การจำแนกลักษณะจีโนมของพลาสมิดที่มี MCR-1 และ MCR-3

การศึกษาพบว่าสายพันธุ์อีโคไลสองสายมีทั้งยีน MCR-1 และ MCR-3 ยีนเหล่านี้ตั้งอยู่บนพลาสมิดที่แตกต่างกัน: MCR-1 ตั้งอยู่บนพลาสมิด inci2 ซึ่งมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและศักยภาพในการส่งผ่านสูงในขณะที่ MCR-3 ตั้งอยู่บนพลาสมิด inchi2 ซึ่งซับซ้อนและหลากหลายและมียีนต้านทานยาหลายตัว

รูปที่ 7 การวิเคราะห์เปรียบเทียบพลาสมิดที่มี MCR และ TET (x4) กับพลาสมิดที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้โดยใช้เครื่องมือระเบิด

สรุป: ยีน MCR-1 และ MCR-3 ใน E. coli พบว่าตั้งอยู่บนโครงสร้างที่เรียบง่าย (INCI2) และ plasmids ที่ซับซ้อน (inchi2) ตามลำดับแนะนำกลไกที่แตกต่างกันของการส่งผ่านยีนต้านทาน

6. การจำแนกลักษณะของจีโนมของ TET (x4)-พลาสมิด

การศึกษาพบว่า E. coli ที่ทนต่อ tigecycline สองสายพันธุ์มีพลาสมิดที่แตกต่างกันสองอย่างมีโครงสร้าง (x4) พลาสมิด: พลาสมิดขนาดเล็ก p626a1-38k-tetx4 (ประเภท INCX1, โครงสร้างที่เรียบง่าย (x4) และ flor) และ p802a1-191k-tet ทั้งสองมีความคล้ายคลึงกับกระดูกสันหลังของพลาสมิดระบาดที่รู้จักกันดีและมีภูมิภาคเคลื่อนที่รอบ TET (x4) ที่มียีนต้านทานหลายตัวและลำดับการแทรกซึ่งแสดงถึงความเสี่ยงในการส่งผ่านระดับสูง

รูปที่ 8. การวิเคราะห์สภาพแวดล้อมทางพันธุกรรมของยีน MCR

ตอบ: สภาพแวดล้อมทางพันธุกรรมของยีน * MCR-3 * ในพลาสมิด P204A1-223K-MCR3 และ P602A1-220K-MCR3;

B: สภาพแวดล้อมทางพันธุกรรมของยีน * MCR-1 * ในพลาสมิด P204A1-63K-MCR1 และ P602A1-65K-MCR1

สรุป: การศึกษาครั้งนี้พบว่าพลาสมิดที่มีโครงสร้างที่แตกต่างกันทั้งสอง (x4) ที่ดำเนินการโดย E. coli ที่ทนต่อ tigecycline ทั้งคู่มีคุณสมบัติกระดูกสันหลังคล้ายกับพลาสมิดที่แพร่หลายและมีพื้นที่เคลื่อนที่รอบยีน

บทสรุป

การศึกษาครั้งนี้พบว่ามีการดื้อยาหลายตัว (รวมถึงยาแนวสุดท้าย) ใน Escherichia coli ที่แยกได้จากหมูที่เป็นโรคในจีนตะวันออก ยีนต้านทานที่สำคัญ MCR-1/MCR-3/TET (x4) ถูกส่งผ่านพลาสมิดที่ซับซ้อน (ประเภท INCI2/inchi2) สิ่งนี้เป็นการยืนยันว่าพลาสมิดเป็นเวกเตอร์หลักของการแพร่กระจายของยาเสพติดและเรียกร้องให้มีการแทรกแซงทันทีเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาจากสัตว์สู่มนุษย์และสิ่งแวดล้อม