hakkında şirket haberleri mBio. 12 yıl boyunca Doğu Çin'deki domuzlarda Escherichia coli'nin antimikrobiyal direncini değerlendirmek için genomik teknolojiyi kullanıyor.

Tıp ve tarımda antibiyotiklerin aşırı kullanımı, halk sağlığı için ciddi bir tehdit olan antimikrobiyal direncin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Ancak, mevcut araştırmalar büyük ölçüde klinik ortamlara odaklanmış olup, özellikle hayvanlardan insanlara bulaşma riski olmak üzere, hastalıklı hayvanlardan elde edilen Escherichia coli'nin direnç özelliklerini inceleyen yetersiz araştırma bulunmaktadır.

Yakın zamanda, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Yaşam Bilimleri Fakültesi ve Zhejiang Tarım Bilimleri Akademisi Hayvancılık ve Veterinerlik Enstitüsü'nden bir araştırma ekibi, mBio dergisinde yeni bir çalışma yayınladı. Bu çalışma, genomik teknoloji kullanarak, Doğu Çin'de 12 yıllık bir süre boyunca hastalıklı domuzlardan toplanan 114 Escherichia coli suşunun antibiyotik direncini analiz etti. Çalışma, ilk kez, hem mcr-1 hem de mcr-3 genlerini taşıyan enterotoksijenik E. coli (ETEC) suşlarını belirledi.

Giriş

Hayvancılık ve sağlık hizmetlerinde antibiyotiklerin uygunsuz kullanımı, "süper direnç genleri" (blaNDM, mcr-1 ve tet(X4) gibi) taşıyan ilaç dirençli bakterilerin yaygınlaşmasına yol açmıştır. Bu durum, "son çare antibiyotiklerin" etkinliğini zayıflatmış ve yeni ilaç sıkıntısına neden olarak ciddi bir sorun yaratmıştır.

Önemli bir zoonotik patojen olan E. coli, hem hastalığa neden olabilir hem de ekosistemler arasında ilaç dirençli genleri yayabilir (yüksek riskli blaNDM-5, mcr-1 ve tet(X4/X5) genlerini taşıyanlar gibi). Yüksek virülans ve çoklu ilaç direncinin birleşimi riski artırmaktadır. Tüm genom dizileme (WGS), ilaç direnci ve patojenite genlerini belirlemek için önemli bir teknolojidir ve hayvan ve insan hastalıklarının önlenmesi ve kontrolü için bir temel sağlar.

Araştırma Sonuçları

1. Bu Çalışmada Escherichia coli'nin Yaygınlığı

Şekil 1A'da gösterildiği gibi, bu çalışma, 2010-2021 yılları arasında Zhejiang Eyaleti'ndeki 11 şehirde bulunan 82 çiftlikten hasta ve ölü domuzlardan elde edilen 114 E. coli izolatını analiz etti. Bu domuzlar ishal, splenomegali ve hepatomegali rahatsızlıklarından muzdaripti.

Şekil 1B'de gösterildiği gibi, genomik analiz 39 dizi tipi (ST) ortaya çıkardı; bunlardan ST88 (%15,8 ile) en yaygın olanıydı. En yüksek ST çeşitliliği Shaoxing ve Hangzhou'da gözlemlendi. Birden fazla ST, yıllar ve şehirler arasında bir arada bulundu. Bazı ST tipleri (ST88 gibi) dokuz yıllık süre boyunca sürekli yaygınken, diğerleri (ST117 ve ST48 gibi) yalnızca belirli dönemlerde ortaya çıktı. Numune tanımlaması güvenilirdi ve suşlar arasındaki küçük SNP farklılıkları, olası çiftlikler arası ve zamanla değişen bulaşmayı düşündürüyordu.

Şekil 1. 114 Escherichia coli izolatının epidemiyolojik özellikleri

Şekil A: Zhejiang Eyaletindeki örnekleme dağılımı ve zamanı (mavi işaretler)

Şekil B: Suşların şehir, yıl ve yüksek riskli ilaç direnci genleri ile ilişkisi. Çizgi kalınlığı, suş sayısına karşılık gelir.

Şekil C: MLST'ye dayalı olarak oluşturulan minimum kapsayan ağaç. Düğüm boyutu, suş sayısını temsil eder ve dal uzunluğu genetik varyasyonu yansıtır.

Sonuç: Zhejiang'daki enfekte domuzlardan elde edilen E. coli izolatları yüksek genetik çeşitlilik (39 ST tipi) sergiledi. Ancak, suşlar arasındaki ince genetik farklılıklar da çiftlikler arası bulaşma riskini düşündürmektedir. ST88 suşu, dokuz yıla kadar süren sürekli bir salgın aktivitesi göstermiştir.

Şekil 2. 114 E. coli İzolatının ANI'si

2010'dan 2017'ye kadar izole edilen E. coli suşlarının adları mavi renkte, 2018'den 2021'e kadar izole edilen E. coli suşlarının adları ise pembe renkte işaretlenmiştir.

2. 114 E. coli İzolatının Antimikrobiyal Direnç Analizi

Hasta domuzlardan elde edilen 114 E. coli izolatı genel olarak şiddetli çoklu ilaç direnci sergiledi (%99,12'si üç veya daha fazla ilaç sınıfına dirençliydi (Şekil 3B)). Ampisilin ve kombinasyon preparatlarına direnç %100'e ulaşırken, siprofloksasin ve tetrasikline direnç %94'ü aştı (Şekil 3A). Özellikle, suşların %21,05'i kolistine dirençliydi. 2018'den sonra, kolistin direnç oranı (%15,71) önceki döneme göre (%29,55) önemli ölçüde azaldı (Şekil 3C, 2018-2021'de gösterildiği gibi). Ancak, florfenikol direnç oranı %94,29'a yükselirken, diğer ilaçlara karşı direnç oranları nispeten sabit kaldı. Bu dinamik değişiklik, ilaç politikalarındaki ayarlamalarla ilgili olabilir.

Şekil 3. 114 E. coli izolatının antimikrobiyal direnci

Şekil A: 114 izolatın 13 antibiyotiğe karşı direnç oranları; Şekil B: Çoklu ilaç dirençli suşların dağılımı;

Şekil C: 2010-2017 ve 2018-2021 arasındaki direnç oranlarındaki değişikliklerin karşılaştırılması, farklılıkların anlamlılığını analiz etmek için ki-kare testleri kullanılmıştır.

Sonuç: Zhejiang Eyaleti'ndeki hastalıklı domuzlardan izole edilen E. coli'de şiddetli çoklu ilaç direnci yaygındı ve kolistin direnci özellikle belirgindi. Ancak, 2017'deki yasaktan sonra, direnç oranları önemli ölçüde azalırken, florfenikol direnci arttı. Bu dinamik değişiklik, ilaç kullanım politikalarındaki ayarlamalarla yakından ilgilidir.

3. E. coli İzolatlarında AMR ile ilişkili genomik özelliklerin karakterizasyonu

Çalışma, hasta domuzlardan elde edilen 114 E. coli izolatının ortalama 4,9 plazmid taşıdığını ve IncFIB plazmidinin en yaygın olduğunu (%78,07) buldu. Tüm suşlar en az iki ilaç direnci geni (ARG) barındırıyordu ve %80,7'si mdf(A), tet(A), floR ve sul2 olmak üzere 10'dan fazla ARG barındırıyordu. Temel bulgular, belirli plazmidler ve ilaç direnci genleri arasında güçlü ilişkiler ortaya koydu (örneğin, IncHI2 tipi ile aadA2b/sul3/tet(A) ve IncI2 tipi ile mcr-1) ve deneyler, IncI2 plazmidlerinin mcr-1 geninin suşlar arasında transferini etkili bir şekilde sağlayabileceğini doğruladı.

Şekil 4. 114 Escherichia coli izolatında edinilmiş direnç genlerinin tahmin sonuçları

Şekil 5. 114 E. coli izolatında ARG'ler ve plazmid replikonları arasındaki korelasyon katsayıları

Sonuç: Hastalıklı domuzlardan elde edilen E. coli genellikle birden fazla plazmid taşır ve direnç genleri açısından zengindir. IncI2 plazmidlerinin, anahtar direnç geni mcr-1'in yatay transferi için oldukça verimli vektörler olduğu gösterilmiştir.

4. E. coli İzolatlarında virülans ile ilişkili genomik özelliklerin tanımlanması

Çalışma, analiz edilen 114 E. coli izolatının tamamının en az bir virülans geni taşıdığını ve yaklaşık %80'inin en az 10 virülans geni taşıdığını buldu. Bunlar arasında terC geni en yaygın olanı (%99,12), ardından traT geni (%81,58) geliyordu. Diğer önemli virülans genleri, stb, sta1, stx2A, stx2B ve astA, izolatların %24,56 ila %36,84'ünde meydana geldi. Analiz, belirli suş tipleri (ST tipleri) ve bazı virülans genleri arasında önemli korelasyonlar ortaya koydu: ST501, stb ve sta1 ile, ST100 astA ve stb ile ve ST88 ve ST4214 stb, sta1, stx2A ve stx2B ile ilişkilendirildi. Ayrıca, astA ve stb arasında ve stb, sta1, stx2A ve stx2B arasında önemli birlikte bulunma ilişkileri gözlemlendi. Çalışma ayrıca 28 Shiga toksini üreten Escherichia coli (STEC), 43 enterotoksijenik Escherichia coli (ETEC) ve bir EPEC üreten Escherichia coli (EPEC) tanımladı.

Şekil 6. 114 E. coli İzolatı için Virülans Geni Tahmin Sonuçları

Kırmızı ızgaralar, bilinen yüksek riskli E. coli virülans genlerini, pembe ızgaralar ise yaygın virülans genlerini göstermektedir.

Sonuç: Hastalıklı domuzlardan izole edilen E. coli genellikle birden fazla virülans geni taşır. Belirli suş tipleri (ST501/ST100 gibi) önemli toksin genleri ile önemli ölçüde ilişkilidir ve STEC, ETEC ve EPEC gibi patojenik alt tipler başarıyla tanımlanmıştır.

5. mcr-1 ve mcr-3 Taşıyan Plazmidlerin Genomik Karakterizasyonu

Çalışma, iki E. coli suşunun hem mcr-1 hem de mcr-3 genlerini taşıdığını ortaya koydu. Bu genler farklı plazmidler üzerinde yer almaktadır: mcr-1, basit bir yapıya ve yüksek bulaşma potansiyeline sahip bir IncI2 plazmidinde yer alırken, mcr-3, karmaşık ve çeşitli olup birden fazla ilaç direnci geni taşıyan bir IncHI2 plazmidinde yer almaktadır.

Şekil 7. Daha önce rapor edilen plazmidlerle mcr ve tet(X4) taşıyan plazmidlerin BLAST araçları kullanılarak karşılaştırmalı analizi.

Sonuç: E. coli'deki mcr-1 ve mcr-3 genlerinin sırasıyla yapısal olarak basit (IncI2) ve karmaşık (IncHI2) plazmidler üzerinde bulunduğu tespit edildi; bu da farklı direnç geni bulaşma mekanizmalarına işaret etmektedir.

6. tet(X4) Taşıyan Plazmidlerin Genomik Karakterizasyonu

Çalışma, tigesikline dirençli iki E. coli suşunun iki yapısal olarak farklı tet(X4) plazmidi taşıdığını buldu: küçük plazmid p626A1-38K-tetX4 (IncX1 tipi, basit yapı, tet(X4) ve floR içeren) ve büyük plazmid p802A1-191K-tetX4 (karmaşık tip, tet(X4) ve beş diğer direnç geni içeren). Her ikisi de bilinen salgın plazmidlerin omurgasına benzer ve tet(X4) çevresinde çoklu direnç genleri ve ekleme dizileri içeren mobil bölgeler bulunmaktadır; bu da yüksek düzeyde bir bulaşma riskine işaret etmektedir.

Şekil 8. mcr Geninin Genetik Ortamının Analizi

A: *mcr-3* geninin plazmidler p204A1-223K-mcr3 ve p602A1-220K-mcr3'teki genetik ortamı;

B: *mcr-1* geninin plazmidler p204A1-63K-mcr1 ve p602A1-65K-mcr1'deki genetik ortamı.

Sonuç: Bu çalışma, tigesikline dirençli E. coli tarafından taşınan iki yapısal olarak farklı tet(X4) plazmidinin her ikisinin de yaygın plazmidlere benzer omurga özelliklerine sahip olduğunu ve genleri çevreleyen mobil bölgeler içerdiğini buldu; bu da yüksek bir bulaşma riskine işaret etmektedir.

Sonuçlar

Bu çalışma, Doğu Çin'deki hastalıklı domuzlardan izole edilen Escherichia coli'de (son çare ilaçlar dahil) yaygın çoklu ilaç direnci buldu. Anahtar direnç genleri, mcr-1/mcr-3/tet(X4), karmaşık bir plazmid (IncI2/IncHI2 tipi) aracılığıyla iletildi. Bu, plazmidlerin ilaç direnci bulaşımının temel vektörleri olduğunu doğrulamakta ve ilaç dirençli bakterilerin hayvanlardan insanlara ve çevreye yayılmasını önlemek için acil müdahale çağrısında bulunmaktadır.