ISCR and their association with antibiotic resistance genes

Abstract

A prevalência de bactérias resistentes a antibióticos em ambiente hospitalar tem vindo a tornar-se dramática e preocupante a nível mundial. Contudo, com a utilização inadequada de antibióticos em áreas tão diversas como a veterinária, a aquacultura e a agricultura, esta deixou de estar confinada ao ambiente hospitalar, sendo o ambiente um reservatório natural de microganismos resistentes a estes compostos. O conhecimento detalhado dos determinantes de resistência a antibióticos presentes nestes ambientes, sejam estes genes de resistência ou estruturas envolvidas na sua mobilização, é fundamental, não só do ponto de vista do conhecimento como para a eventual implementação de medidas de contenção da sua disseminação. Neste contexto, são necessários estudos que permitam conhecer o panorama mais realista da distribuição destes determinantes de resistência a antibióticos, quer no meio ambiente quer no ambiente clínico. Assim, constituiu objectivo principal deste trabalho contribuir para o conhecimento do panorama actual da prevalência e distribuição dos elementos ISCR, bem como de outros determinantes de resistência a antibióticos em espécies de Gram-negativo clinicamente relevantes (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii e Citrobacter freundii) recolhidas a partir de amostras de pacientes do Hospital Infante D. Pedro, EPE, Aveiro, Portugal, entre 2006 e 2008. Adicionalmente, foram também recolhidas bactérias de Gram-negativo do meio ambiente, a partir de amostras de águas e de vísceras de peixes, nas quais foram igualmente pesquisados os elementos acima referidos. À excepção dos isolados de E. coli e de Gramnegativo ambientais, todas as estirpes estudadas foram seleccionadas com base no seu perfil de multirresistência a antibióticos. Os resultados mostraram que em todas as espécies recolhidas no ambiente hospitalar foi detectada a presença de elementos ISCR, do tipo ISCR1 ou ISCR2. O elemento ISCR1, foi encontrado em isolados de E. coli, K. pneumoniae e C. freundii e o elemento ISCR2 em isolados de A. baumannii. Não foi detectada a presença de ISCRs nos isolados de Gram-negativo ambientais, o que sugere que a ocorrência dos mesmos é fortemente influenciada pela pressão selectiva exercida pelo ambiente em que os microrganismos se encontram. Genes qnr e integrões de classe 1 foram os determinantes de resistência mais frequentemente encontrados associados aos elementos ISCR1. Os vários determinantes de resistência foram encontrados em diferentes contextos genéticos e localizados em estruturas móveis, nomeadamente em plasmídeos. O elemento ISCR2 presente em isolados de A. baumannii encontra-se associado ao gene sul2 em todos os isolados, dentro de um mesmo contexto genético e com uma localização cromossomal. Contudo, o contexto genético encontrado nestes isolados é novo não tendo sido descrito até à data em outros microrganismos. O presente estudo constitui a primeira descrição de elementos ISCR intrinsecamente ligados a genes de resistência a antibióticos, em Portugal. Uma vez que estes elementos parecem ser responsáveis pela mobilização de um grande número de genes de resistência a antibióticos, a sua elevada incidência entre estirpes resistentes e multirresistentes, bem como a sua associação com genes de resistência é preocupante e requer vigilância.

Within the hospital environment, antibiotic resistant bacteria are a problem of concern worldwide. However, the antibiotic resistance has breached outside the confined hospital environment due to an inappropriate and intensive use of antibiotics in areas such as veterinary, aquaculture and agriculture, being the natural environment also a reservoir of antibiotic resistant microorganisms. Accurate and detailed studies focusing on the existing resistance determinants, either resistance genes or structures enhancing/involved in their dissemination, is needed in order to provide a realistic scenario of their distribution as well as for the implementation of measures that could prevent the dissemination of those genes. Thus, studies giving a wider and realistic panorama of the distribution of antibiotic resistance genes in both the natural and the hospital environment are of utmost importance. The main goal of this thesis was to contribute to the present knowledge of distribution and prevalence of antibiotic resistance genes and ISCRs elements in clinically relevant Gram-negative species (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii and Citrobacter freundii) collected from clinical specimens from patients in the Hospital Infante D. Pedro, EPE, Aveiro, Portugal between 2006 and 2008. Additionally, environmental Gram-negative isolates, collected from water and fish guts were also screened for the presence of the ISCR elements. All the isolates that were included in the present study were multi-drug resistant, with the exception of Escherichia coli and the Gram-negative environmental isolates. The results obtained revealed that the ISCR1 and ISCR2 elements were present in all the species collected within the hospital settings. ISCR1 was present in E. coli, K. pneumoniae and C. freundii isolates and ISCR2 was detected in the A. baumannii isolates. The presence of ISCRs was not detected among the environmental Gram-negative isolates, suggesting that the occurrence of ISCR is clearly biased by the pressure exerted by the environment from where the microorganisms were isolated. qnr genes and class 1 integrons were the main resistance determinants found associated with ISCR1 and were both described in different genetic contexts, located on mobile structures such as plasmids. Moreover, the ISCR2 element was found associated with the sul2 gene in all the A. baumannii isolates with the same genetic context and located on the chromosome. Noteworthy is that the genetic context described is unique and was never described before in other microorganisms. This is the first study reporting the presence of ISCR elements in Portuguese isolates. Since these elements are responsible for the mobilization of several antibiotic resistance genes and were found intrinsically linked to them, their high incidence, among multi-drug resistant isolates is disconcerting and requires surveillance.