Sources of antibiotic resistance in the environment

Abstract

The discovery of antibiotics was a major breakthrough in medicine. However, short after their introduction in clinical practice resistant bacteria were detected. Nowadays, antibiotic resistance constitutes a serious public health problem. In hospital settings, with high resistance levels, reducing drastically the therapeutic options. Carbapenems are last-resort antibiotics used in Portugal, only in hospitals, to treat serious infections. Bacterial resistance towards this class of antibiotics has increased during last years. In Gram-negative bacteria the production of carbapenemases is a common resistance mechanism. OXA-48 is a carbapenemase of Ambler class D and represents a major concern for human health. It is frequently detected in clinical isolates of Enterobacteriaceae. There are few studies suggesting that genes encoding for OXA-48 variants originated from genes present in the chromosome of members of genus Shewanella, and have disseminated to Enterobacteriaceae members, associated with mobile genetic elements. The aim of this study was to characterize strains from different sources of Shewanella to confirm its role as OXA-48 progenitor. For this, the phylogenetic affiliation of 33 strains of Shewanella was performed by 16SrDNA and gyrB sequencing. The most common species were S. hafniensis and S. xiamenensis, but also S. aestuarii, S. baltica, S. indica, S. haliotis, S. putrefaciens, S. algidipiscicola, S. irciniae, S. algae and S. fodinae were identified. blaOXA-48-like genes were detected in 21 isolates: S. hafniensis (8/8), S. xiamenensis (5/5), S. baltica (4/4), S. algae (1/1), S. fodinae (1/1), S. putrefaciens (1/2) and S. algidipiscicola (1/2). Sequence analysis revealed that genes encoded enzymes identical to OXA-48, OXA-181 and OXA-204 but also new variants differing from OXA-48 from 2 to 81 aminoacids. Genetic context analysis revealed the C15 gene upstream and lysR gene downstream, identical to what has been identified so far flanking blaOXA-48-like genes in Shewanella spp. The assessment of antibiotic susceptibility was performed for all isolates using the disk diffusion method. In general, it was observed a great sensitivity for all antibiotics except to amoxicillin and aztreonam. Multidrug resistance was detected in only 1 isolate. Other resistance genes and the presence of integrons were not identified. Plasmids were detected in 30.3% isolates (10/ 33). These results reinforce the role of Shewanella spp. as origin of blaOXA-48-like genes.

A descoberta dos antibióticos foi um grande avanço na medicina. No entanto, pouco depois da sua introdução na clínica, bactérias resistentes foram detetadas. Nos dias de hoje, a resistência aos antibióticos constitui um grave problema de saúde pública. Em ambientes hospitalares os níveis de resistência são atualmente elevados, reduzindo drasticamente as opções terapêuticas. Os carbapenemos são antibióticos de último recurso utilizados em Portugal, unicamente em ambiente hospitalar, para o tratamento de infeções graves. A resistência a esta classe de antibióticos tem aumentado nos últimos anos. Em bactérias Gram-negativas a produção de carbapenemases é um mecanismo comum de resistência. OXA-48 é uma carbapenemase da classe D de Ambler e representa uma grande preocupação para a saúde humana sendo frequentemente detetada em isolados clínicos de Enterobacteriaceae. Existem alguns estudos que sugerem que os genes que codificam para variantes de OXA-48 foram originados em genes presentes no cromossoma de membros do género Shewanella, tendo sido disseminados posteriormente para membros de Enterobacteriaceae e associados a elementos genéticos móveis. O objetivo deste estudo foi caracterizar estirpes de Shewanella isoladas de diferentes fontes ambientais para confirmar o papel do género como reservatório de OXA-48. Para isso, a afiliação filogenética de 33 estirpes de Shewanella foi realizada por sequenciação dos genes 16S rDNA e gyrB. As espécies mais comuns foram S. hafniensis e S. xiamenensis mas foram também identificadas S. aestuarii, S. baltica, S. indica, S. haliotis, S. putrefaciens, S. algidipiscicola, S. irciniae, S. algae e S. fodinae.. O gene blaOXA-48-like foi detetado em 21 isolados: S. hafniensis (8/8), S. xiamenensis (5/5), S. baltica (4/4), S. algae (1/1), S. fodinae (1/1), S. putrefaciens (1/2) and S. algidipiscicola (1/2). Análises de sequenciação revelaram a presença de genes que codificam para enzimas idênticas a OXA48, OXA-181 e OXA-204 mas também foram detetadas novas variantes diferentes de OXA-48 de 2 a 81 aminoácidos. A análise do contexto genético revelou o gene C15 a montante e o gene LysR a jusante, contexto este idêntico ao já descrito para blaOXA-48-like em Shewanella spp. A avaliação da suscetibilidade a antibióticos foi realizada para todos os isolados, usando o método de difusão em agar com discos de antibióticos. Em geral, observou-se uma grande suscetibilidade a todos os antibióticos, exceto amoxicilina e aztreonam. A multirresistência foi detetada em apenas 1 isolado. Outros genes de resistência e a presença de integrões não foram identificados. A presença de plasmídeos foi detetada em 30.3% dos isolados (10 /33). Estes resultados reforçam o papel de Shewanella spp. como origem de genes blaOXA-48-like.