Enterobacteriaceae as mediators for carbapenems resistance transfer between environmental and human settings

Abstract

Antimicrobial resistance (AMR) is one of the biggest threats to global health. Lastresort drugs used to treat serious infections, such as carbapenems, are now being compromised by Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE). These resistant microorganisms are not restricted by any borders, affecting human, animal and environmental sectors. The main objective of this work was to determine the role of Enterobacteriaceae in the transfer of carbapenem resistance between the environment and humans. For this, we evaluated which carbapenem resistance mechanisms, as well as mobile genetic elements (MGEs), are present in environmental CRE; we assessed to which degree CRE are disseminated in aquatic environments and if the same mechanisms and MGEs are shared by environmental and clinical CRE; we also addressed the impact of human activities in this dissemination and the role of environmental bacteria in the evolution of carbapenem resistance. We performed a genomic analysis of Chromobacterium haemolyticum to characterize this species resistome, virulome and genome plasticity and to explore the origin of antibiotic resistance genes (ARGs) shared with Enterobacteriaceae. This analysis included the genomes of five clinical and one environmental isolates. Besides reinforcing the evidences of Chromobacterium spp. role in the origin of blaKPC, we demonstrated that clinical and environmental C. haemolyticum possess a large collection of ARGs, virulence factors and MGEs, highlighting the high adaptability of this species and its potential role in the dissemination of AMR. We examined the occurrence and spatial and temporal distribution of CRE and carbapenemase genes in a highly polluted river (Lis River, Leiria, Portugal) and in urban ponds (Aveiro, Portugal), using culture-dependent methods and, in the case of Lis River, also culture-independent methods (i.e., quantitative PCR). We characterized CRE resistance phenotypes and their capacity to transfer carbapenemase genes. Through whole-genome sequencing, we characterized CRE and the genetic platforms linked to the carbapenemase genes. In the Lis River, the correlations of water quality parameters with the abundance of ARGs were determined. In addition, correlations between ARGs abundance and Microbial Source Tracking (MST) indicators of human and animal fecal contamination were investigated. blaKPC predominated over other carbapenemase genes in these environments, being mainly associated with K. pneumoniae in the Lis River. We also detected CRE harboring blaGES, blaVIM and, for the first time in Portuguese environmental settings, blaNDM. Raoultella and Citrobacter were the dominant CRE in the urban ponds. Carbapenem resistance mechanisms and associated MGEs were similar to the ones reported in clinical CRE. The contribution of MGEs in the dissemination of carbapenemase genes was reinforced, with particular emphasis to plasmids, transposons and integrons. Lastly, human and animal fecal contamination and water quality parameters related to eutrophication and land-use were linked with CRE and ARGs abundance, including carbapenemase genes, in the Lis River. Overall, this work provides further evidence that carbapenem resistance is no longer confined to clinical settings, highlighting the role played by Enterobacteriaceae in its transfer between the environment and humans. We reinforce the importance of the environmental dimension of AMR, which still has many knowledge gaps that must be addressed by the scientific community.

A resistência a antimicrobianos (RAM) é uma das maiores ameaças atuais à saúde global. A eficácia de antibióticos de último recurso, usados para tratar infeções graves, como os carbapenemos, tem sido comprometida por Enterobacteriaceae resistentes a Carbapenemos (ERC). A dispersão destes microrganismos não é travada por nenhuma fronteira, afetando os setores humano, animal e ambiental. O principal objetivo deste trabalho foi determinar o papel de Enterobacteriaceae na transferência de resistência a carbapenemos entre o meio ambiente e o homem. Para isso, avaliámos quais os mecanismos de resistência a carbapenemos, bem como os elementos genéticos móveis (EGMs), que estão presentes em ERC ambientais; avaliámos também a disseminação de ERCs em ambientes aquáticos e se os mencionados mecanismos e EGMs são partilhados por ERCs ambientais e clínicas; avaliámos ainda o impacto das atividades humanas nesta disseminação e o papel das bactérias ambientais na evolução da resistência a carbapenemos. Realizámos uma análise de genómica comparativa de Chromobacterium haemolyticum no sentido de caracterizar o resistoma, viruloma e plasticidade do genoma desta espécie e ainda para explorar a origem de genes de resistência a antibióticos (GRAs) compartilhados com Enterobacteriaceae. Esta análise incluiu os genomas de cinco isolados clínicos e um isolado ambiental. Os resultados apontam para um papel deste género como origem de blaKPC, além de demonstrarem que os genomas de isolados clínicos e ambientais de C. haemolyticum transportam uma variedade de GRAs, fatores de virulência e EGMs, apontando para uma elevada adaptabilidade desta espécie e para um potencial papel na disseminação de RAM. Examinámos a ocorrência e distribuição espacial e temporal de genes de carbapenemases e de ERC num rio poluído (Rio Lis, Leiria, Portugal) e em lagos urbanos (Aveiro, Portugal), usando métodos dependentes do cultivo e, no caso do Rio Lis, também métodos independentes do cultivo (i.e, PCR quantitativo). Caracterizámos os fenótipos de resistência em ERC e a sua capacidade de transferir genes de carbapenemases para outros hospedeiros. Através de sequenciação do genoma, caracterizámos ERC e as plataformas genéticas associadas a genes de carbapenemases. No Rio Lis, verificaram-se correlações entre parâmetros de qualidade da água e abundância de GRAs. Além disso, pesquisaram-se correlações entre a abundância de GRAs e indicadores moleculares de contaminação fecal humana e animal. blaKPC foi o gene de carbapenemase predominante, estando principalmente associado a K. pneumoniae no Rio Lis. Também detetámos a presença dos genes blaGES e blaVIM em ERC, e pela primeira vez no ambiente em Portugal, blaNDM. Raoultella e Citrobacter foram os géneros de ERCs mais frequentemente isolados dos lagos urbanos. Os mecanismos de resistência a carbapenemos e EGMs identificados nas bactérias ambientais eram idênticos aos descritos para ERCs clínicas. A contribuição dos EGMs para a disseminação de genes de carbapenemases foi evidenciada pelos resultados, com destaque para plasmídeos, transposões e integrões. Por fim, no Rio Lis a contaminação fecal humana e animal e os parâmetros de qualidade da água relacionados com eutrofização e uso do solo relacionaram-se com a abundância de ERCs e GRAs, incluindo com os genes de carbapenemases. Em suma, este estudo fornece evidências adicionais de que a resistência a carbapenemos não está confinada a ambientes clínicos, salientando o papel de Enterobacteriaceae na transferência desta resistência entre o ambiente e o Homem. Reforçamos a importância da dimensão ambiental da RAM, existindo ainda muitas lacunas de conhecimento que têm de ser abordadas pela comunidade científica.