Genomische und funktionelle Charakterisierung von multiresistenten Acinetobacter baumannii-Isolaten aus klinischem Untersuchungsgut von Kleintieren unter besonderer Berücksichtigung der Carbapenem-Resistenz
Seiten
2023
VVB Laufersweiler Verlag
978-3-8359-7151-6 (ISBN)
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Auch wenn A. baumannii (Ab) als einer der wichtigsten Erreger nosokomialer Infektionen in der Humanmedizin gilt, ist nur wenig über das potenzielle Reservoir sowie die Rolle von Tieren als Träger und Überträger dieser Spezies bekannt. Anhand dieser Arbeit sollten Informationen über das Vorkommen multiresistenter, insbesondere Carbapenem-resistenter (CR) Acinetobacter spp. aus dem klinischem Untersuchungsmaterial von Tieren gesammelt werden. Ziel war es, tierische Acinetobacter spp.-Isolate genotypisch und phänotypisch zu charakterisieren. Hierzu wurde neben dem phylogenetischen Hintergrund, dem antimikrobiellen Resistenzprofil und erworbenen Resistenz-Determinanten auch der Einfluss der Carbapenem-Resistenz auf die bakterielle Fitness, Biofilmbildung und Virulenz untersucht. Im Zeitraum von November 2000 bis September 2018 wurden insgesamt 1.540 Acinetobacter spp., darunter 821 A. baumannii, die am Institut für Hygiene und Infektionskrankheiten der Tiere im Rahmen der Routinediagnostik aus klinischem Probenmaterial, v.a. von Kleintieren, isoliert wurden, sowie Carbapenem-resistente Acinetobacter spp. eines kommerziellen veterinärmedizinischen Labors und zu Vergleichszwecken inkludierte humane CR Acinetobacter spp. untersucht. Die Speziesidentifikation erfolgte mithilfe der MALDI-TOF MS-Analyse und PCR, die antimikrobielle Empfindlichkeit wurde per VITEK2 und für Carbapenem-Antibiotika per E-Test bestimmt. Der Nachweis von Carbapenemase-Genen erfolgte mittels PCR. Unter 1.483 Acinetobacter spp. von Tieren konnten 74 (5 %) Isolate, darunter 48 (3,2 %) Ab, acht (0,5 %) A. pittii, acht (0,5 %) A. lwoffi, fünf (0,3 %) A. johnsonii, drei (0,2 %) A. indicus und zwei (0,1 %) A. species, als Träger von Carbapenemase-Genen identifiziert werden. OXA-58 trat als häufigste Carbapenemase auf (n=47 Isolate), gefolgt von OXA-23 (n=24) sowie OXA-72, OXA-143 und NDM-1 (je 1 Isolat). Die CR Isolate konnten von Hunden (n=39; 52,7 %) und Katzen (n=18; 24,3 %), lebensmittelliefernden Tieren (n=10; 13,5 %), Heimtieren (n=4; 5,4 %) und Pferden (n=2; 2,7 %) sowie von einer Klimaanlage einer Kleintierklinik (1,4 %) u.a. aus dem Urin (n=19; 25,7 %), dem Respirationstrakt (n=17; 23 %) und Wunden (n=10; 1,4 %) isoliert werden. Die meisten Carbapenemase-positiven Acinetobacter spp. waren Träger weiterer erworbener Resistenzgene, wie str, aac oder aad, tet, sul1/2 und ihren Varianten. Bei CR Ab-Isolaten konnten diese erworbenen Resistenzgene teilweise innerhalb von Resistenzinseln nachgewiesen werden. So trugen zehn der zwischen 2016 und 2018 isolierten ST1Past-OXA-58-positiven Ab-Isolate AbaR3-like bzw. ein Isolat eine AbaR10-like Insel.Vor 2016 isolierte Ab trugen dagegen keine Resistenzinseln. Der Erwerb der Resistengene spiegelte sich meist in einem multiresistenten Phänotyp wider. Jedoch zeigten nicht alle Isolate, die Träger eines Carbapenemase-Gens waren auch eine phänotypische Resistenz gegenüber den getesteten Carbapenemen. Dies war (i) in dem Fehlen von expressionssteigernden Insertionselementen, (ii) partiellen Deletionen in relevanten genetischen Strukturen oder (iii) in dem Fehlen von synergistischen Resistenzmechanismen, wie Efflux-Pumpen, begründet.
Anhand einer MLST-Analyse (Pasteur-Schema) konnten die tierischen Ab-Isolate sechs unterschiedlichen Sequenztypen (STs), darunter den weltweit in der Humanmedizin verbreiteten Klonen ST1Past und ST25Past, zugeordnet werden. Des Weiteren korrelierte sowohl die Verteilung der erworbenen Resistenzgene als auch die der Virulenz-assoziierten Gene mit den jeweilig zugeordneten STs. Mittels einer core genome MLST (cgMLST) konnten die CR Ab zwölf unterschiedlichen Clustern (CTs) zugeordnet werden. Der Großteil der ST1Past-OXA-58-positiven Ab (93,1%) wurde dem CT-1808 zugeordnet. In Isolaten aus Deutschland dominierte bei OXA-23-Ab der CT-2177, während Isolate auf Frankreich und Italien acht unterschiedlichen CTs angehörten. Dies deutet auf eine klonale Verbreitung des CT-1808 bzw. CT-2177 bei Haustieren in Deutschland hin, wohingegen die Verbreitung von OXA-positiven Ab in Frankreich und Italien unabhängig von diesem Geschehen zu sein scheint.
Der genetische Kontext der Carbapenemase-Gene, sowohl bei Ab als auch bei non-baumannii Acinetobacter zeigte Überschneidungen mit der Struktur von CR Isolaten, die bei nosokomialen Infektionen beim Menschen auftreten. Besonders die Einbettung innerhalb mobiler genetischer Elemente wie blaOXA-23 in die Transposonstruktur Tn2008 sowie blaNDM-1 in Tn125 liefern Hinweise auf einen möglichen Austausch entsprechender Resistenzgene zwischen Acinetobacter spp. tierischer sowie humaner Herkunft.
Im Rahmen der vergleichenden Untersuchung des Einflusses der CR auf die bakterielle Fitness zeigte das Tragen des Resistenz-Plasmids einen negativen Einfluss auf die Fitness von Ab. Gleiches lässt sich bei der Biofilmbildung beobachten: so zeigten CR Ab eine signifikant niedrigere Biofilmbildung als die jeweils isogenen plasmidfreien Varianten. Im Gegensatz dazu zeigten die CR Ab-Isolate im Galleria mellonella-Infektionsmodell einen deutlich virulenteren Phänotyp als die entsprechenden Carbapenem-sensiblen Varianten. Der Erwerb von Carbapenemase-Genen hat nach den vorliegenden Daten einen negativen Einfluss auf die bakterielle Fitness und Biofilmbildung, nicht jedoch auf die Virulenz der Isolate.
Anhand phylogenetischer Analysen konnte gezeigt werden, dass die tierischen Isolate dieser Arbeit vermutlich eine eigene Gruppe repräsentieren, die jedoch mit humanen Isolaten aus Australien, Südkorea, Thailand, Tschechien und den USA, clustern. Die für die Analysen verfügbaren Genome humaner Ab aus Europa wiesen dagegen nur geringe Ähnlichkeiten zu den veterinärmedizinischen Isolaten auf. Ähnlich wie in der Humanmedizin haben sich offenbar auch in der Tiermedizin erfolgreiche Klone etabliert, die sich nosokomial im veterinärklinischen Umfeld verbreiten. Es muss angenommen werden, dass Ab-Isolate und/oder deren Resistenzdeterminanten zwischen Tieren und Menschen übertragen werden. Während Tiere intitial als Empfänger fungierten, ist inzwischen eine gegenseitige Übertragung nicht auszuschließen. Eine gezielte Überwachung und Charakterisierung multiresistenter Ab, insbesondere von CR Isolaten, in der Veterinärmedizin sollte daher in Betracht gezogen werden. Dies ist zudem unerlässlich, um in Veterinärkliniken effektive Interventionsmaßnahmen zur Reduzierung von Infektionen mit diesem nosokomialen Erreger zu implementieren. Schließlich ist eine gemeinsame Betrachtung von humanen und tierischen Isolaten mit zeitlichem und regionalem Zusammenhang zwingend erforderlich, um die Ausbreitung und Übertragung von CR Ab-Isolaten im One-Health-Kontext besser beurteilen zu können. Although A. baumannii (Ab) is considered as one of the most important pathogens of nosocomial infections in human medicine, little is known about the potential reservoir and the role of animals as carriers and vectors of this species. Based on this work, information on the occurrence of multidrug-resistant, in particular carbapenem-resistant (CR) Acinetobacter spp., should be observed from clinical animal samples. The aim was the genotypically and phenotypically characterization of animal Acinetobacter spp. isolates. For this purpose, the influence of CR on bacterial fitness, biofilm formation and virulence was investigated in addition to the phylogenetic background, antimicrobial resistance profile and acquired resistance determinants. A total of 1,540 Acinetobacter spp., including 821 Ab, were collected between November 2000 and September 2018. The collection was based on isolates from the Institute of Hygiene and Infectious Diseases of Animals as part of routine diagnostics as well as CR Acinetobacter spp. of a commercial veterinary laboratory and human CR Acinetobacter. Species identification was performed using MALDI-TOF MS analysis and PCR. Antimicrobial susceptibility was determined by VITEK2 and for carbapenem antibiotics by E-test. Acquired carbapenemase genes were detected using PCR. Among 1,483 Acinetobacter spp. from animals, 74 (5 %) isolates, including 48 (3.2 %) Ab, eight (0.5 %) A. pittii, eight (0.5 %) A. lwoffi, five (0.3 %) A. johnsonii, three (0.2 %) A. indicus, and two (0.1 %) A. species, were identified as carriers of carbapenemase genes. OXA-58 occurred as the most frequent carbapenemase (n=47), followed by OXA-23 (n=24), and OXA-72, OXA-143, and NDM-1 (1 isolate each). CR isolates were obtained from dogs (n=39; 52.7 %) and cats (n=18; 24.3 %), livestock (n=10; 13.5 %), pets (n=4; 5.4 %), horses (n=2; 2.7 %), and from an air conditioner of a veterinary clinic (1.4 %). The Acinetobacter strains were isolated from urine (n=19; 25.7 %), the respiratory tract (n=17; 23 %), wounds (n=10; 1.4 %) and other clinical sites (n=28; 37.8 %). Most carbapenemase-positive Acinetobacter spp. were carriers of other acquired resistance genes, such as str, aac or aad, tet, sul1/2 and their variants.
In CR Ab isolates, these acquired resistance genes were partially detected within resistance islands. Thus, ten of the ST1Past-OXA-58-positive Ab isolated between 2016 and 2018 carried AbaR3-like and one isolate carried an AbaR10-like island. In contrast, Ab isolated before 2016 did not carry resistance islands. Acquisition of resistance genes was mostly reflected in a multidrug-resistant phenotype. However, not all isolates, which carried a carbapenemase gene showed a phenotypic resistance to the tested carbapenem antibiotics. This was due to (i) the absence of expression-enhancing insertion elements, (ii) partial deletions in relevant genetic structures, or (iii) the absence of synergistic resistance mechanisms, such as efflux pumps.
Using MLST analysis (Pasteur scheme), the animal Ab isolates could be assigned to six different sequence types (STs), including ST1Past and ST25Past, which are distributed worldwide in human medicine. Furthermore, the distribution of acquired resistance genes and virulence-associated genes correlated with the respectively assigned STs. Using core genome MLST (cgMLST), the CR Ab could be assigned to twelve different clusters (CTs). The majority of ST1Past-OXA-58-positive Ab (93.1%) were assigned to CT-1808. In Germany OXA-23-Ab isolates CT-2177 dominated, whereas isolates from France and Italy belonged to eight different CTs. This suggests a clonal spread of CT-1808 respectively CT-2177 in companion animals in Germany, whereas the spread of OXA-positive Ab in France and Italy seems to be independent.
The genetic context of carbapenemase genes, both Ab and non-baumannii Acinetobacter overlapped with the structure of CR isolates occurring in human nosocomial infections. In particular, the embedding within mobile genetic elements such as blaOXA-23 in the transposon structure Tn2008 as well as blaNDM-1 in Tn125 provides evidence for a possible transmission of resistance genes between Acinetobacter spp. of animal and human origin.
The examination of the influence of CR on bacterial fitness, carrying the resistance plasmid showed a negative influence on the fitness of Ab. The same can be observed in biofilm formation: CR Ab showed significantly lower biofilm formation than the isogenic plasmid-free variants. In contrast, the CR Ab isolates showed a significantly more virulent phenotype than the corresponding carbapenem-sensitive variant in the Galleria mellonella infection model. According to the available data, the acquisition of carbapenemase genes has a negative impact on bacterial fitness and biofilm formation, but not on the virulence of the isolates.
Based on phylogenetic analyses of this study, it could be shown that the animal isolates from this work potentially represent a separate group, which clusters with human isolates from Australia, South Korea, Thailand, the Czech Republic and the USA. While human Ab from Europe were less similar to the veterinary isolates. Related to human medicine, successful clones have become established in veterinary medicine. These clones spread nosocomially in the veterinary clinical setting. It must be assumed that Ab isolates and/or their resistance determinants are transferred between animals and humans. Whereas animals intitially acted as recipients, mutual transmission cannot be ruled out. Accordingly, targeted monitoring of multidrug-resistant Ab, in particular CR isolates, in veterinary medicine should be considered. This is mandatory to implement effective intervention measures in veterinary hospitals to reduce infections with this pathogen. After all, a common consideration of human and animal isolates is required to assess the spread and transmission of CR Ab isolates within a One Health context.
Anhand einer MLST-Analyse (Pasteur-Schema) konnten die tierischen Ab-Isolate sechs unterschiedlichen Sequenztypen (STs), darunter den weltweit in der Humanmedizin verbreiteten Klonen ST1Past und ST25Past, zugeordnet werden. Des Weiteren korrelierte sowohl die Verteilung der erworbenen Resistenzgene als auch die der Virulenz-assoziierten Gene mit den jeweilig zugeordneten STs. Mittels einer core genome MLST (cgMLST) konnten die CR Ab zwölf unterschiedlichen Clustern (CTs) zugeordnet werden. Der Großteil der ST1Past-OXA-58-positiven Ab (93,1%) wurde dem CT-1808 zugeordnet. In Isolaten aus Deutschland dominierte bei OXA-23-Ab der CT-2177, während Isolate auf Frankreich und Italien acht unterschiedlichen CTs angehörten. Dies deutet auf eine klonale Verbreitung des CT-1808 bzw. CT-2177 bei Haustieren in Deutschland hin, wohingegen die Verbreitung von OXA-positiven Ab in Frankreich und Italien unabhängig von diesem Geschehen zu sein scheint.
Der genetische Kontext der Carbapenemase-Gene, sowohl bei Ab als auch bei non-baumannii Acinetobacter zeigte Überschneidungen mit der Struktur von CR Isolaten, die bei nosokomialen Infektionen beim Menschen auftreten. Besonders die Einbettung innerhalb mobiler genetischer Elemente wie blaOXA-23 in die Transposonstruktur Tn2008 sowie blaNDM-1 in Tn125 liefern Hinweise auf einen möglichen Austausch entsprechender Resistenzgene zwischen Acinetobacter spp. tierischer sowie humaner Herkunft.
Im Rahmen der vergleichenden Untersuchung des Einflusses der CR auf die bakterielle Fitness zeigte das Tragen des Resistenz-Plasmids einen negativen Einfluss auf die Fitness von Ab. Gleiches lässt sich bei der Biofilmbildung beobachten: so zeigten CR Ab eine signifikant niedrigere Biofilmbildung als die jeweils isogenen plasmidfreien Varianten. Im Gegensatz dazu zeigten die CR Ab-Isolate im Galleria mellonella-Infektionsmodell einen deutlich virulenteren Phänotyp als die entsprechenden Carbapenem-sensiblen Varianten. Der Erwerb von Carbapenemase-Genen hat nach den vorliegenden Daten einen negativen Einfluss auf die bakterielle Fitness und Biofilmbildung, nicht jedoch auf die Virulenz der Isolate.
Anhand phylogenetischer Analysen konnte gezeigt werden, dass die tierischen Isolate dieser Arbeit vermutlich eine eigene Gruppe repräsentieren, die jedoch mit humanen Isolaten aus Australien, Südkorea, Thailand, Tschechien und den USA, clustern. Die für die Analysen verfügbaren Genome humaner Ab aus Europa wiesen dagegen nur geringe Ähnlichkeiten zu den veterinärmedizinischen Isolaten auf. Ähnlich wie in der Humanmedizin haben sich offenbar auch in der Tiermedizin erfolgreiche Klone etabliert, die sich nosokomial im veterinärklinischen Umfeld verbreiten. Es muss angenommen werden, dass Ab-Isolate und/oder deren Resistenzdeterminanten zwischen Tieren und Menschen übertragen werden. Während Tiere intitial als Empfänger fungierten, ist inzwischen eine gegenseitige Übertragung nicht auszuschließen. Eine gezielte Überwachung und Charakterisierung multiresistenter Ab, insbesondere von CR Isolaten, in der Veterinärmedizin sollte daher in Betracht gezogen werden. Dies ist zudem unerlässlich, um in Veterinärkliniken effektive Interventionsmaßnahmen zur Reduzierung von Infektionen mit diesem nosokomialen Erreger zu implementieren. Schließlich ist eine gemeinsame Betrachtung von humanen und tierischen Isolaten mit zeitlichem und regionalem Zusammenhang zwingend erforderlich, um die Ausbreitung und Übertragung von CR Ab-Isolaten im One-Health-Kontext besser beurteilen zu können. Although A. baumannii (Ab) is considered as one of the most important pathogens of nosocomial infections in human medicine, little is known about the potential reservoir and the role of animals as carriers and vectors of this species. Based on this work, information on the occurrence of multidrug-resistant, in particular carbapenem-resistant (CR) Acinetobacter spp., should be observed from clinical animal samples. The aim was the genotypically and phenotypically characterization of animal Acinetobacter spp. isolates. For this purpose, the influence of CR on bacterial fitness, biofilm formation and virulence was investigated in addition to the phylogenetic background, antimicrobial resistance profile and acquired resistance determinants. A total of 1,540 Acinetobacter spp., including 821 Ab, were collected between November 2000 and September 2018. The collection was based on isolates from the Institute of Hygiene and Infectious Diseases of Animals as part of routine diagnostics as well as CR Acinetobacter spp. of a commercial veterinary laboratory and human CR Acinetobacter. Species identification was performed using MALDI-TOF MS analysis and PCR. Antimicrobial susceptibility was determined by VITEK2 and for carbapenem antibiotics by E-test. Acquired carbapenemase genes were detected using PCR. Among 1,483 Acinetobacter spp. from animals, 74 (5 %) isolates, including 48 (3.2 %) Ab, eight (0.5 %) A. pittii, eight (0.5 %) A. lwoffi, five (0.3 %) A. johnsonii, three (0.2 %) A. indicus, and two (0.1 %) A. species, were identified as carriers of carbapenemase genes. OXA-58 occurred as the most frequent carbapenemase (n=47), followed by OXA-23 (n=24), and OXA-72, OXA-143, and NDM-1 (1 isolate each). CR isolates were obtained from dogs (n=39; 52.7 %) and cats (n=18; 24.3 %), livestock (n=10; 13.5 %), pets (n=4; 5.4 %), horses (n=2; 2.7 %), and from an air conditioner of a veterinary clinic (1.4 %). The Acinetobacter strains were isolated from urine (n=19; 25.7 %), the respiratory tract (n=17; 23 %), wounds (n=10; 1.4 %) and other clinical sites (n=28; 37.8 %). Most carbapenemase-positive Acinetobacter spp. were carriers of other acquired resistance genes, such as str, aac or aad, tet, sul1/2 and their variants.
In CR Ab isolates, these acquired resistance genes were partially detected within resistance islands. Thus, ten of the ST1Past-OXA-58-positive Ab isolated between 2016 and 2018 carried AbaR3-like and one isolate carried an AbaR10-like island. In contrast, Ab isolated before 2016 did not carry resistance islands. Acquisition of resistance genes was mostly reflected in a multidrug-resistant phenotype. However, not all isolates, which carried a carbapenemase gene showed a phenotypic resistance to the tested carbapenem antibiotics. This was due to (i) the absence of expression-enhancing insertion elements, (ii) partial deletions in relevant genetic structures, or (iii) the absence of synergistic resistance mechanisms, such as efflux pumps.
Using MLST analysis (Pasteur scheme), the animal Ab isolates could be assigned to six different sequence types (STs), including ST1Past and ST25Past, which are distributed worldwide in human medicine. Furthermore, the distribution of acquired resistance genes and virulence-associated genes correlated with the respectively assigned STs. Using core genome MLST (cgMLST), the CR Ab could be assigned to twelve different clusters (CTs). The majority of ST1Past-OXA-58-positive Ab (93.1%) were assigned to CT-1808. In Germany OXA-23-Ab isolates CT-2177 dominated, whereas isolates from France and Italy belonged to eight different CTs. This suggests a clonal spread of CT-1808 respectively CT-2177 in companion animals in Germany, whereas the spread of OXA-positive Ab in France and Italy seems to be independent.
The genetic context of carbapenemase genes, both Ab and non-baumannii Acinetobacter overlapped with the structure of CR isolates occurring in human nosocomial infections. In particular, the embedding within mobile genetic elements such as blaOXA-23 in the transposon structure Tn2008 as well as blaNDM-1 in Tn125 provides evidence for a possible transmission of resistance genes between Acinetobacter spp. of animal and human origin.
The examination of the influence of CR on bacterial fitness, carrying the resistance plasmid showed a negative influence on the fitness of Ab. The same can be observed in biofilm formation: CR Ab showed significantly lower biofilm formation than the isogenic plasmid-free variants. In contrast, the CR Ab isolates showed a significantly more virulent phenotype than the corresponding carbapenem-sensitive variant in the Galleria mellonella infection model. According to the available data, the acquisition of carbapenemase genes has a negative impact on bacterial fitness and biofilm formation, but not on the virulence of the isolates.
Based on phylogenetic analyses of this study, it could be shown that the animal isolates from this work potentially represent a separate group, which clusters with human isolates from Australia, South Korea, Thailand, the Czech Republic and the USA. While human Ab from Europe were less similar to the veterinary isolates. Related to human medicine, successful clones have become established in veterinary medicine. These clones spread nosocomially in the veterinary clinical setting. It must be assumed that Ab isolates and/or their resistance determinants are transferred between animals and humans. Whereas animals intitially acted as recipients, mutual transmission cannot be ruled out. Accordingly, targeted monitoring of multidrug-resistant Ab, in particular CR isolates, in veterinary medicine should be considered. This is mandatory to implement effective intervention measures in veterinary hospitals to reduce infections with this pathogen. After all, a common consideration of human and animal isolates is required to assess the spread and transmission of CR Ab isolates within a One Health context.
| Erscheinungsdatum | 15.12.2023 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Edition Scientifique |
| Verlagsort | Gießen |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 300 g |
| Themenwelt | Veterinärmedizin ► Allgemein |
| Veterinärmedizin ► Kleintier | |
| Schlagworte | Acinetobacter baumannii • CARBAPENEM-RESISTENZ • Kleintiere |
| ISBN-10 | 3-8359-7151-4 / 3835971514 |
| ISBN-13 | 978-3-8359-7151-6 / 9783835971516 |
| Zustand | Neuware |
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