Molekulare Untersuchungen zu Extended-Spektrum β-Laktamase (ESBL)-bildenden Enterobacteriaceae als Besiedler und Infektionserreger des Menschen

Eller, Christoph

doi:10.24355/dbbs.084-201411260838-0

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Molekulare Untersuchungen zu Extended-Spektrum β-Laktamase (ESBL)-bildenden Enterobacteriaceae als Besiedler und Infektionserreger des Menschen

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Extended-Spektrum β-Laktamase (ESBL)-produzierende Enterobacteriaceae stellen ein wachsendes Problem für die Gesundheitsversorgung dar, da ihre häufige Multiresistenz therapeutische Optionen drastisch einschränkt. Problematisch ist dabei die Lokalisation der ESBL-kodierenden Gene auf mobilen genetischen Elementen. Dies begünstigt deren inter- und intraspezifischen Austausch innerhalb der Enterobacteriaceae. Insbesondere ESBL-bildende Escherichia coli und Klebsiella pneumoniae zeigen neben ihrer β-Laktam-Resistenz auch Resistenzen gegen andere Antibiotikaklassen und stellen eine ernstzunehmende Gefahr in Krankenhäusern und dem ambulanten Bereich dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 84 ESBL-E. coli–Isolate von ambulanten Patienten aus einer Fall-Kontroll-Studie der Charité Berlin, 231 ESBL-E. coli-Isolate aus Krankenhäusern sowie dem ambulanten Bereich und 150 ESBL-produzierende Salmonella enterica-Isolate aus Stuhlproben molekular charakterisiert. Anhand dieser Daten konnte die ESBL-Verteilung in den verschiedenen Bereichen beschrieben und die Gruppe der CTX-M-Enzyme mit den ESBL-Typen CTX-M-15 und CTX-M-1 als dominanteste ESBL-Familie in E. coli bestätigt werden. Die Analyse der Drittgenerations-Cephalosporin-resistenten S. enterica zeigte als häufigsten ESBL-Typ CTX-M-1, welcher regelmäßig auch aus Enterobacteriaceae-Isolaten aus Nutztieren und Fleischprodukten isoliert wird. Zusätzlich konnte der weltweit seltene ESBL-Typ CTX-M-8 in sieben klinischen Enterobacteriaceae-Isolaten sowie einem Salmonella-Isolat aus Hackfleisch detektiert werden. Dabei war das blaCTX-M-8 auf einander ähnlichen Plasmiden lokalisiert. Diese Ergebnisse unterstützen die bereits postulierte Theorie der Transmission von ESBL-produzierenden Bakterien und/oder Resistenzplasmiden vom Nutztier auf den Menschen. Weiterhin wurde in dieser Arbeit ein Ausbruch ESBL-produzierender K. pneumoniae mittels Ganzgenom-Sequenzierung aufgearbeitet. Es konnte ein 3,4 Mb großes Referenzgenom sequenziert und eine Gesamtzahl von 61 Nukleotidpolymorphismen (SNPs) innerhalb der Ausbruchsisolate identifiziert werden. Unter Verwendung Bayes’scher Analysemethoden wurde eine Evolutionsrate für den Ausbruchsstamm so wie der Zeitpunkt des Ausbruchsbeginns kalkuliert. Basierend auf der genetischen Variabilität der Ausbruchsisolate konnte eine Patient-Patient-Transmission als Verbreitungsmodus postuliert und ein potentielles Reservoir des Ausbruchsstammes in langzeitkolonisierten Patienten identifiziert werden.

The production of extended-spectrum β-lactamases (ESBL) in clinical Enterobacteriaceae causes serious problems in health care settings. Since ESBL-producing pathogens are often multidrug resistant therapeutic options are limited. ESBL-coding genes are often located on mobile genetic elements allowing their inter- and intraspecific transmission among Enterobacteriaceae. ESBL-producing bacteria like Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae are a growing threat in hospitals and the ambulant setting as they frequently show resistances to various antimicrobial agents. In this thesis 84 community-acquired E. coli isolates from a case-control study by the Charité Berlin, 231 ESBL-E. coli from German hospitals and outpatient departments, as well as 150 Salmonella enterica from stool samples were characterised to compare ESBL type distribution in the different settings. The group of CTX-M enzymes could be identified as the dominant ESBL-group and CTX-M-15 and CTX-M-1 as the most prevalent ESBLs in E. coli in hospitals as well as in the outpatient setting. Analysis of the 3rd generation cephalosporin-resistant S. enterica revealed CTX-M-1 as the dominant ESBL in Salmonella. The same type is frequently detected in studies on ESBL-producing E. coli and Salmonella from livestock and the food chain. Additionally, the rare CTX-M-8-ESBL could be identified on similar plasmids in seven clinical Enterobacteriaceae Isolates from different species and a food sample. These findings again support the already postulated transmission of ESBL-producing bacteria and/or resistance plasmids from livestock to humans. Furthermore, an outbreak of ESBL-producing K. pneumoniae on a neonatal ward in a German hospital could be further elucidated using whole genome sequencing. A reference genome consisting of a 5.4 Mb chromosome and a supposed plasmid were reconstructed. Comparing the core genomes of all sequenced isolates a number of 61 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were detected. Using a Bayesian approach, the evolutionary rate for the K. pneumoniae outbreak strain was calculated and the beginning of the outbreak could be deduced. Based on their genetic diversity the relatedness of the outbreak isolates was analysed and a putative patient-to-patient transmission was detected. Also a potential reservoir of the outbreak strain in long term colonized patients could be predicted.