Molecular characterization of extended-spectrum cephalosporin-resistance in Escherichia coli in pigs on-farm and from clinical cases throughout Quebec, Canada during 16 years

Le développement de la multirésistance chez Escherichia coli est un problème important en médecine animale et humaine. En outre, l’émergence et la diffusion des déterminants de résistance aux céphalosporines à larges spectres de troisième génération (ESCs) parmi les isolats, incluant des céphalosporines essentielles en médecine humaine (ex. ceftriaxone et ceftiofur), est un problème majeur de santé publique. Cette thèse visait trois objectifs. D’abord étudier la dynamique de la résistance aux antimicrobiens (AMR) ainsi que la virulence et les profils génétiques de la AMR des E. coli isolées de porcs recevant une nourriture post-sevrage supplémentée avec de la chlortétracycline et de la pénicilline G, et, accessoirement, évaluer les effets d'additifs alimentaires sur cette dynamique en prenant pour exemple d'étude un minéral argileux, la clinoptilolite, étant donné son possible lien avec le gène blaCMY-2 qui confère la résistance au ceftiofur. L'objectif suivant était d'investiguer les mécanismes menant à une augmentation de la prévalence du gène blaCMY-2 chez les porcs qui reçoivent de la nourriture médicamentée et qui n'ont pas été exposés au ceftiofur Ici encore,nous avons examiné les effets d’un supplément alimentaire avec un minéral argileux sur ce phénomène. Enfin, notre dernier objectif était d’étudier, dans le temps, les génotypes des isolats cliniques d'E. coli résistant au ceftiofur, isolés de porcs malades au Québec à partir du moment où la résistance au ceftiofur a été rapportée, soit de 1997 jusqu'à 2012. Dans l'étude initiale, la prévalence de la résistance à 10 agents antimicrobiens, incluant le ceftiofur, s’accroît avec le temps chez les E.coli isolées de porcelets sevrés. Une augmentation tardive de la fréquence du gène blaCMY-2, encodant pour la résistance au ceftiofur, et la présence des gènes de virulence iucD et tsh a été observée chez les isolats. La nourriture supplémentée avec de la clinoptilolite a été associée à une augmentation rapide mais, par la suite, à une diminution de la fréquence des gènes blaCMY-2 dans les isolats. En parallèle, une augmentation tardive dans la fréquence des gènes blaCMY-2 et des gènes de virulence iucD et tsh a été observée dans les isolats des porcs contrôles, étant significativement plus élevé que dans les porcs ayant reçu l'additif au jour 28. La diversité, au sein des E. coli positives pour blaCMY-2 , a été observée au regard des profils AMR. Certaines lignées clonales d'E.coli sont devenues prédominantes avec le temps. La lignée clonale du phylotype A prédominait dans le groupe supplémenté, alors que les lignées clonales du phylotype B1, qui possèdent souvent le gène de virulence iucD associé aux ExPEC, prédominaient dans le groupe contrôle. Les plasmides d'incompatibilité (Inc) des groupes, I1, A/C, et ColE, porteurs de blaCMY-2, ont été observés dans les transformants. Parmi les souches cliniques d'E.coli ESC-résistantes, isolées de porcs malades au Québec de 1997 à 2012, blaCMY-2 était le gène codant pour une β-lactamase le plus fréquemment détecté; suivi par blaTEM et blaCTX-M,. De plus, les analyses clonales montrent une grande diversité génétique. Par contre, des isolats d'E. coli avec des profils PFGE identiques ont été retrouvés dans de multiples fermes la même année mais aussi dans des années différentes. La résistance à la gentamicine, kanamycine, chloramphenicol, et la fréquence de blaTEM et de IncA/C diminuent significativement au cour de la période étudiée, alors que la fréquence de IncI1 et de la multirésistance à sept catégories d'agents antimicrobiens augmente significativement avec le temps. L'émergence d'isolats d'E. coli positifs pour blaCTX-M, une β-lactamase à large spectre et produisant des ESBL, a été observée en 2011 et 2012 à partir de lignées clonales distinctes et chez de nombreuses fermes. Ces résultats, mis ensemble, apportent des précisions sur la dissémination de la résistance au ceftiofur dans les E. coli isolées de porcs. Au sein des échantillons prélevés chez les porcs sevrés recevant l'alimentation médicamentée sur une ferme, et pour laquelle une augmentation de la résistance au ceftiofur a été observée, les données révèlent que les souches d'E. coli positives pour blaCMY-2 et résistantes aux ESCs appartenaient à plusieurs lignées clonales différentes arborant divers profils AMR. Le gène blaCMY-2 se répand à la fois horizontalement et clonalement chez ces E. coli. L'ajout de clinoptilotite à la nourriture et le temps après le sevrage influencent la clonalité et la prévalence du gène blaCMY-2 dans les E. coli. Durant les 16 années d'étude, plusieurs lignées clonales différentes ont été observées parmi les souches d'E. coli résistantes au ceftiofur isolées de porc malades de fermes québécoises, bien qu’aucune lignée n'était persistante ou prédominante pendant l'étude. Les résultats suggèrent aussi que le gène blaCMY-2 s'est répandu à la fois horizontalement et clonalement au sein des fermes. De plus, blaCMY-2 est le gène majeur des β-lactamases chez ces isolats. À partir de 2011, nous rapportons l'émergence du gène blaCTX-M dans des lignées génétiques distinctes.

Development of multidrug resistance in Escherichia coli is an important problem in animal and human medicine. Further, emergence and spread of determinants for resistance to third generation extended-spectrum cephalosporins (ESCs) such as the critically important cephalosporins in human medicine (e.g. ceftriaxone and ceftiofur) among isolates is a public health concern. Thus, the objectives of the present thesis were (1) to study the dynamic of antimicrobial resistance (AMR) phenotypes as well as virulence and AMR gene profiles in E. coli from pigs receiving a feed medicated with chlortetracycline and penicillin G following weaning and to study the effect of feed supplementation with a clay mineral, clinoptilolite, on this dynamic; (2) To investigate the mechanisms leading to an increase in the prevalence of blaCMY-2 conferring resistance to ceftiofur in pigs receiving medicated feed but which had not received ceftiofur, and to examine the effect of feed supplementation with a clay mineral on this phenomenon; and (3) to investigate the temporal characterization of clinical isolates of ceftiofur-resistant E.coli from diseased pigs in Quebec, Canada from 1997, when ceftiofur resistance was first reported, to 2012. In the initial study, prevalence of resistance to 10 antimicrobial agents, including ceftiofur, increased over time in E.coli isolates from weaned pigs. A late increase in the frequency of blaCMY-2, the gene encoding resistance to ceftiofur, and the presence of virulence genes iucD and tsh were observed in the isolates. Feed supplementation with clinoptilolite was associated with an early increase but later decrease in the frequency of the blaCMY-2 gene in isolates. Concurrently, a later increase in the frequency of the blaCMY-2 and the virulence genes iucD and tsh was observed in the control pig isolates, being significantly greater than in the supplemented pigs at day 28. Diversity among the blaCMY-2-positive E. coli isolates with respect to AMR patterns was observed. Certain clonal lineages of E. coli became predominant with time. The clonal lineage of phylotype A predominated in the supplemented group, whereas the clonal lineages of phylotype B1 which often possessed the ExPEC-associated virulence gene iucD, predominated in the control group. The blaCMY-2-carrying plasmids of incompatibility (Inc) groups, I1, A/C, and ColE were observed in transformants. In ESC-resistant E.coli clinical isolates from diseased pigs in Quebec, from 1997 to 2012, blaCMY-2 was the most frequently detected β-lactamase gene, followed by blaTEM and blaCTX-M and clonal analysis showed high diversity. E. coli isolates with identical PFGE patterns were found in multiple farms in the same year and also in different years. Resistance to gentamicin, kanamycin, chloramphenicol, and the frequency of blaTEM and IncA/C significantly decreased over the study time, whereas the frequency of IncI1 and multidrug-resistance to seven antimicrobial categories significantly increased over time. Emergence of blaCTX-M-positive, extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing E. coli isolates was observed in 2011 and 2012 from distinct clonal lineages and multiple farms. Taken together, this work gives some insight into the spread of ceftiofur resistance in E.coli isolates from pigs. Results reveal that in weaned pigs receiving medicated feed on one farm in which an increase in ceftiofur resistance was observed, the blaCMY-2-positive E.coli resistant to ESCs belonged to several different clonal lineages with diverse AMR patterns. The blaCMY-2 gene spread both horizontally and clonally in E. coli. Feed supplementation with clinoptilolite and time period after weaning influenced the clonality and the prevalence of blaCMY-2 gene in E. coli. In ceftiofur-resistant E.coli strains isolated from diseased pigs in farms throughout Quebec over a 16 year period, several different pathogenic clonal lineages were observed, although none was persistent or predominant over the study time. The results suggest that blaCMY-2 gene spreads both horizontally and clonally on and between farms. Furthermore, blaCMY-2 was the major β-lactamase gene in these isolates. From 2011, we report the emergence of blaCTX-M in distinct clonal lineages.