Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM -Lactamases Structure and Activity and Beta-Lactam Antibiotics

Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) prevalence was studied in the north of Portugal, among 193 clinical isolates belonging to citizens in a district in the boundaries between this country and Spain from a total of 7529 clinical strains. In the present study we recovered some members of Enterobacteriaceae family, producing ESBL enzymes, including Escherichia coli (67.9%), Klebsiella pneumoniae (30.6%), Klebsiella oxytoca (0.5%), Enterobacter aerogenes (0.5%), and Citrobacter freundii (0.5%). β-lactamases genes blaTEM, blaSHV, and blaCTX-M were screened by polymerase chain reaction (PCR) and sequencing approaches. TEM enzymes were among the most prevalent types (40.9%) followed by CTX-M (37.3%) and SHV (23.3%). Among our sample of 193 ESBL-producing strains 99.0% were resistant to the fourth-generation cephalosporin cefepime. Of the 193 isolates 81.3% presented transferable plasmids harboring genes. Clonal studies were performed by PCR for the enterobacterial repetitive intragenic consensus (ERIC) sequences. This study reports a high diversity of genetic patterns. Ten clusters were found for E. coli isolates and five clusters for K. pneumoniae strains by means of ERIC analysis. In conclusion, in this country, the most prevalent type is still the TEM-type, but CTX-M is growing rapidly.

ß-lactamases in the biochemistry and molecular biology laboratory

β-lactamases are hydrolytic enzymes that inactivate the β-lactam ring of antibiotics such as penicillins and cephalosporins. The major diversity of studies carried out until now have mainly focused on the characterization of β-lactamases recovered among clinical isolates of Gram-positive staphylococci and Gram-negative enterobacteria, amongst others. However, only some studies refer to the detection and development of β-lactamases carriers in healthy humans, sick animals, or even in strains isolated from environmental stocks such as food, water, or soils. Considering this, we proposed a 10-week laboratory programme for the Biochemistry and Molecular Biology laboratory for majors in the health, environmental, and agronomical sciences. During those weeks, students would be dealing with some basic techniques such as DNA extraction, bacterial transformation, polymerase chain reaction (PCR), gel electrophoresis, and the use of several bioinformatics tools. These laboratory exercises would be conducted as a mini research project in which all the classes would be connected with the previous ones. This curriculum was compared in an experiment involving two groups of students from two different majors. The new curriculum, with classes linked together as a mini research project, was taught to a major in Pharmacy and an old curriculum was taught to students from environmental health. The results showed that students who were enrolled in the new curriculum obtained better results in the final exam than the students who were enrolled in the former curriculum. Likewise, these students were found to be more enthusiastic during the laboratory classes than those from the former curriculum.

Caracterização molecular da resistência a antimicrobianos em Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado isoladas em cães e estudo da partilha de clones bacterianos entre animais de companhia e coabitantes humanos

A pressão seletiva originada pelo uso excessivo de antimicrobianos na medicina humana e veterinária tem contribuído para a emergência de estirpes bacterianas multirresistentes, sendo os estudos mais escassos relativamente à sua presença nos animais de companhia. Porque os animais e os seus proprietários partilham o mesmo espaço habitacional, apresentando comportamentos de contacto próximo, existe uma hipótese elevada de transferência microbiana inter-espécie. Ante esta possibilidade é importante escrutinar o papel dos animais de companhia enquanto reservatórios de estirpes e de genes de resistência, bem como a sua envolvência na disseminação de estirpes bacterianas multirresistentes. Importa também, investigar o papel das superfícies e objetos domésticos partilhados por ambos, como potenciadores deste fenómeno. O objetivo deste trabalho foi, identificar o filogrupo e fazer a caracterização molecular dos genes que conferem resistência aos β-lactâmicos e às quinolonas, em quarenta isolados de Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado (ESBL), obtidas em zaragatoas fecais de cães consultados no Hospital Veterinário do ICBAS-UP. Complementarmente pretendeu-se inferir sobre a partilha de clones de Escherichia coli e Enterococcus spp. com elevadas resistências, em cinco agregados familiares (humanos e seus animais de companhia) assim como avaliar a potencial disseminação de estirpes multirresistentes no ambiente doméstico. Previamente foram recolhidas zaragatoas de fezes, pelo e mucosa oral dos animais e em alguns casos, dos seus proprietários, e ainda do ambiente doméstico. As zaragatoas foram processadas e as estirpes isoladas com base em meios seletivos. Foram realizados testes de suscetibilidade antimicrobiana de modo a estabelecer o fenótipo de resistência de cada isolado. O DNA foi extraído por varias metodologias e técnicas de PCR foram utilizadas para caracterização de filogrupos (Escherichia coli) e identificação da espécie (Enterococcus spp.). A avaliação da proximidade filogenética entre isolados foi efetuada por ERIC PCR e PFGE. No conjunto de quarenta isolados produtores de ESBL e/ou resistentes a quinolonas verificou-se que 47,5% pertenciam ao filogrupo A, havendo uma menor prevalência do filogrupo D (25,0%), B1 (17,5%), e B2 (10,0%).A frequência de resistência nestes isolados é factualmente elevada, sendo reveladora de uma elevada pressão seletiva. Com exceção de dois isolados, os fenótipos foram justificados pela presença de β-lactamases. A frequência da presença de genes foi: 47% blaTEM, 34% blaSHV, 24% blaOXA , 18% blaCTX-M-15, 8% blaCTX-M-2, 3% blaCTX-M-9. Nos isolados resistentes às quinolonas verificou-se maioritariamente a presença de mutações nos genes cromossomais gyrA e parC, e em alguns casos a presença de um determinante de resistência mediado por plasmídeo – qnrS. Nos cinco “agregados familiares” (humanos e animais) estudados foi observada uma partilha frequente de clones de E. coli e Enterococcus faecalis com múltiplas resistências, isolados em fezes e mucosa oral de cães e gatos e fezes e mãos dos respetivos proprietários, evidenciando-se assim uma possível transferência direta entre coabitantes (agregados A, C, D, E). Ficou também comprovado com percentagens de similaridade genotípica superiores a 94% que essa disseminação também ocorre para o ambiente doméstico, envolvendo objetos dos animais e de uso comum (agregados A, E). Os resultados obtidos reforçam a necessidade de um uso prudente dos antimicrobianos, pois elevados padrões de resistências terão um impacto não só na qualidade de vida dos animais mas também na saúde humana. Adicionalmente importa sensibilizar os proprietários para a necessidade de uma maior vigilância relativamente às formas de interação com os animais, bem como para a adoção de medidas higiénicas cautelares após essa mesma interação.