Antibiotic resistance in enterobacteriaceae isolated from Portuguese deli meats

This study aimed to identify the presence of β-lactam-resistant bacteria in different types of Portuguese deli meats. The numbers of ampicillin resistant bacteria varied from negative in 25 g to 1.0 × 108colony-forming units/g. Within 78 randomly selected β-lactam-resistant bacteria, 24 different resistant phenotypes were found and 35.9% were multidrug resistant (MDR). The majority (87.2%) of the isolates identified belonged to the Enterobacteriaceae family. The presence of the blaTEM gene was detected in 23 out of 67 isolates (34.3%) and 16 of them presented MDR phenotypes. Four Klebsiella oxytoca isolates (6%) harbored a gene for the CTX-M/OXY-type enzyme. The direct sequencing of their purified amplicons confirmed the presence of three types of blaOXYgenes (blaOXY-1, blaOXY-2 and blaOXY-5). These results suggest that without good hygienic practices, deli meats may act as a vehicle of transfer of β-lactam-resistant bacteria to the gastrointestinal tract of consumers.

Diversity and characterisation of coagulasenegative staphylococci isolated from healthy individuals in Portugal

In the past few years the interest in coagulase-negative staphylococci (CoNS) has significantly increased in human medicine. CoNS are common commensal colonisers of the human skin, although now also recognised as major nosocomial pathogens. Over the last decades, several studies have been carried out in order to understand the pathogenicity mechanisms of CoNS. The well known determinants in the pathogenesis of CoNS infections are their ability to form biofilms and an exceptional resistance to several antibiotics. Nevertheless, there is a lack of studies regarding the commensal lifestyle of these microorganisms. Additionally, it is now hypothesised that commensal bacteria might be a reservoir of pathogenic determinants. Therefore, the work described throughout this thesis was aimed to perform a phenotypic and genotypic characterisation of different CoNS species isolated from healthy Portuguese individuals. A total of 61 CoNS isolates, comprising 7 different species, were obtained and characterised at the level of biofilm formation and antibiotic susceptibility profiles. According to the results, biofilm formation ability and presence of biofilm-associated genes were commonly found features, highlighting their pivotal role in the colonising lifestyle of CoNS. This study also addressed the correlation between phenotypic and genotypic characteristics of biofilm formation, corroborating and raising questions about the importance of some genes in this process. Moreover, it was observed a great proportion of isolates with decreased susceptibility and multiple resistances to some important antibiotics. A significant association between antibiotic resistance and biofilm formation was also demonstrated, and some hypotheses about the nature of such association were provided. Lastly, the expression patterns of two biofilm-associated genes at two distinct biofilm developmental stages were determined, confirming their importance in the accumulative stage of biofilm formation. Overall, the results presented in this thesis indicate that staphylococcal skin flora might be an important reservoir of potentially pathogenic bacteria and, simultaneously, bring to light new perceptions about the molecular basis of staphylococcal biofilm formation, and the nature of the association between antibiotic resistance and biofilm formation.

Prevalência de resistência a antimicrobianos em isolados ambientais de Escherichia coli e enterococos

A água é um recurso escasso e indispensável à vida, podendo ser um importante veículo de microrganismos patogénicos com origem fecal. A matéria fecal é também uma fonte de microrganismos resistentes a antimicrobianos e contribui para a sua disseminação e dos seus genes de resistência no ambiente e entre as comunidades microbianas comensais e microrganismos patogénicos humanos e animais. A qualidade microbiológica da água é monitorizada recorrendo à utilização de bioindicadores como Escherichia coli, enterococos e microrganismos totais. O presente estudo apresentou como principal objetivo determinar a prevalência de ESBLs e AmpCs e ainda avaliar a prevalência de estirpes de enterococos com resistência à vancomicina (VRE) em águas do rio Douro e da orla costeira da cidade do Porto. As amostragens de água foram realizadas em quatro locais localizados no estuário do rio Douro e orla costeira da cidade do Porto entre o mês de Abril e Julho. A deteção e quantificação dos bioindicadores foram realizadas pelo método de filtração por membrana. A suscetibilidade das estirpes de E. coli e enterococos foi testada pelo método de difusão em disco relativamente a várias classes de antimicrobianos. As contagens microbianas mais elevadas foram determinadas entre Abril e Junho e em amostras de água doce. Foram isoladas 62 estirpes de E. coli e 49 estirpes de enterococos que apresentaram prevalências de resistência a antimicrobianos de 90,3% (56/62) e 83,7% (41/49), respetivamente. As estirpes de E. coli apresentaram altas frequências de resistência à ampicilina (74,2%) e tetraciclina (61,3%). Nestas estirpes verificou-se ainda fenótipos associados a multirresistência a um mínimo de três classes de antimicrobianos em 56,5% (35/62) dos isolados. Verificou-se que as estirpes de enterococos apresentaram altos níveis de resistência à rifampicina (34,7%) e azitromicina (40,8%), detetando-se ainda a manifestação de fenótipo de resistência à vancomicina em 26,5% das estirpes. Observou-se uma prevalência de 36,7% (18/49) de estirpes de enterococos associadas a fenómenos de multirresistência antimicrobiana. Ana Martins vi Os resultados obtidos sugerem que o rio Douro e orla costeira, bem como os ambientes aquáticos, constituem reservatórios de bactérias e genes de resistência a antimicrobianos e possuem um papel preponderante na sua disseminação.

Biochemical and structural characterization of β-lactamases tem-180 and tem-201

With the constant development of new antibiotics, selective pressure is a force to reckon when investigating antibiotic resistance. Although advantageous for medical treatments, it leads to increasing resistance. It is essential to use more potent and toxic antibiotics. Enzymes capable of hydrolyzing antibiotics are among the most common ways of resistance and TEM variants have been detected in several resistant isolates. Due to the rapid evolution of these variants, complex phenotypes have emerged and the need to understand their biological activity becomes crucial. To investigate the biochemical properties of TEM-180 and TEM-201 several computational methodologies have been used, allowing the comprehension of their structure and catalytic activity, which translates into their biological phenotype. In this work we intent to characterize the interface between these proteins and the several antibiotics used as ligands. We performed explicit solvent molecular dynamics (MD) simulations of these complexes and studied a variety of structural and energetic features. The interfacial residues show a distinct behavior when in complex with different antibiotics. Nevertheless, it was possible to identify some common Hot Spots among several complexes – Lys73, Tyr105 and Glu166. The structural changes that occur during the Molecular Dynamic (MD) simulation lead to the conclusion that these variants have an inherent capacity of adapting to the various antibiotics. This capability might be the reason why they can hydrolyze antibiotics that have not been described until now to be degraded by TEM variants. The results obtained with computational and experimental methodologies for the complex with Imipenem have shown that in order to this type of enzymes be able to acylate the antibiotics, they need to be capable to protect the ligand from water molecules.

In vitro transference and molecular characterization of bla TEM genes in bacteria isolated from Portuguese ready-to-eat foods

The principal aim of this study was to investigate the possibility of transference to Escherichia coli of β-lactam resistance genes found in bacteria isolated from ready-to-eat (RTE) Portuguese traditional food. From previous screenings, 128 β-lactam resistant isolates (from different types of cheese and of delicatessen meats), largely from the Enterobacteriaceae family were selected and 31.3% of them proved to transfer resistance determinants in transconjugation assays. Multiplex PCR in donor and transconjugant isolates did not detect bla CTX, bla SHV and bla OXY, but bla TEM was present in 85% of them, while two new TEMs (TEM-179 and TEM-180) were identified in two isolates. The sequencing of these amplicons showed identity between donor and transconjugant genes indicating in vitro plasmid DNA transfer. These results suggest that if there is an exchange of genes in natural conditions, the consumption of RTE foods, particularly with high levels of Enterobacteriaceae, can contribute to the spread of antibiotic resistance.

Post-surgical wound infections involving Enterobacteriaceae with reduced susceptibility to ß-lactams in two Portuguese hospitals

The post-surgical period is often critical for infection acquisition. The combination of patient injury and environmental exposure through breached skin add risk to pre-existing conditions such as drug or depressed immunity. Several factors such as the period of hospital staying after surgery, base disease, age, immune system condition, hygiene policies, careless prophylactic drug administration and physical conditions of the healthcare centre may contribute to the acquisition of a nosocomial infection. A purulent wound can become complicated whenever antimicrobial therapy becomes compromised. In this pilot study, we analysed Enterobacteriaceae strains, the most significant gram-negative rods that may occur in post-surgical skin and soft tissue infections (SSTI) presenting reduced β-lactam susceptibility and those presenting extended-spectrum β-lactamases (ESBL). There is little information in our country regarding the relationship between β-lactam susceptibility, ESBL and development of resistant strains of microorganisms in SSTI. Our main results indicate Escherichia coli and Klebsiella spp. are among the most frequent enterobacteria (46% and 30% respectively) with ESBL production in 72% of Enterobacteriaceae isolates from SSTI. Moreover, coinfection occurred extensively, mainly with Pseudomonas aeruginosa and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (18% and 13%, respectively). These results suggest future research to explore if and how these associations are involved in the development of antibiotic resistance.

Ligand-Induced structural changes in TEM‑1 probed by molecular dynamics and relative binding free energy calculations

The TEM family of enzymes has had a crucial impact on the pharmaceutical industry due to their important role in antibiotic resistance. Even with the latest technologies in structural biology and genomics, no 3D structure of a TEM- 1/antibiotic complex is known previous to acylation. Therefore, the comprehension of their capability in acylate antibiotics is based on the protein macromolecular structure uncomplexed. In this work, molecular docking, molecular dynamic simulations, and relative free energy calculations were applied in order to get a comprehensive and thorough analysis of TEM-1/ampicillin and TEM-1/amoxicillin complexes. We described the complexes and analyzed the effect of ligand binding on the overall structure. We clearly demonstrate that the key residues involved in the stability of the ligand (hot-spots) vary with the nature of the ligand. Structural effects such as (i) the distances between interfacial residues (Ser70−Oγ and Lys73−Nζ, Lys73−Nζ and Ser130−Oγ, and Ser70−Oγ−Ser130−Oγ), (ii) side chain rotamer variation (Tyr105 and Glu240), and (iii) the presence of conserved waters can be also influenced by ligand binding. This study supports the hypothesis that TEM-1 suffers structural modifications upon ligand binding.

Avaliação de funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais do interior de Vila Nova de Gaia

Esta dissertação descreve o trabalho desenvolvido ao longo de um ano e um mês desde a pesquisa teórica até à prática experimental no âmbito da unidade curricular de Dissertação/estágio do Mestrado em Engenharia Química, no ramo Tecnologias em Proteção Ambiental. O tema desta dissertação consiste na avaliação do funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) do interior do município de Vila Nova de Gaia no que diz respeito ao possível aumento da resistência a antibióticos na ETAR de Febros e na ETAR de Lever. Os testes de sensibilidade a antibióticos (TSA) foram executados para ambas as ETAR, sendo as amostras de água recolhidas na entrada e na saída dos reatores biológicos (tratamento secundário). Além disso, foram realizados testes de avaliação da eficiência de desinfeção por radiação ultravioleta (UV) relativamente à Escherichia coli (E. coli) na ETAR de Lever. Os antibióticos selecionados para a realização deste trabalho foram a Eritromicina, a Azitromicina, a Claritromicina, a Ofloxacina, a Ciprofloxacina, o Sulfametoxazol, o Trimetoprim e o Metronidazol. Esta seleção baseou-se no facto de estes serem alguns dos antibióticos mais consumidos e mais persistentes no meio ambiente. A bactéria E. coli (isolada a partir de amostras das águas residuais estudadas) foi escolhida para a realização deste estudo uma vez que está sempre presente nas águas residuais domésticas e está associada a fenómenos de multirresistência a antibióticos. Os testes de TSA foram realizados seguindo a metodologia de difusão por discos. No período do estudo (Março a Junho de 2015) identificaram-se situações quer de aumento de resistência quer de aumento de sensibilidade aos antibióticos testados. As situações mais graves de aumento de resistência, a que corresponderam a halos nulos, verificaram-se para os antibióticos Claritromicina, Trimetoprim e Metronidazol, ocorrendo com maior frequência para os dois últimos, que aliás são fármacos que são administrados em simultâneo. Os períodos mais problemáticos em termos de aumento das resistências foram ligeiramente diferentes nas duas ETAR. No caso da ETAR de Febros correspondeu ao mês Abril e na ETAR de Lever ocorreu entre o final de Abril e o início de Maio. Considera-se que estes períodos poderão coincidir com um aumento do consumo destes fármacos devido à sua utilização no combate a infeções respiratórias muito comuns nesta altura do ano. Não se observou qualquer sensibilidade da E. coli para o Metronidazol porque é um antibiótico com indicação para algumas bactérias anaeróbias, fungos e giardia, e que à partida não tem capacidade para eliminar a E. coli. A eficiência da desinfeção na ETAR de Lever relativamente à remoção de E. coli foi satisfatória. Sendo de salientar a importância da manutenção, no que se refere à identificação de possíveis avarias nas lâmpadas e correspondente limpeza. Os resultados deste trabalho provam a existência de estirpes da bactéria E. coli resistentes a alguns dos antibióticos estudados, o que reforça a importância da desinfeção no tratamento de águas residuais domésticas.

Preparation and characterization of beta-lactam antibiotic as Ionic liquids and salts

With the increase of bacterial resistance a large number of therapeutic strategies have been used to fight different kind of infections. In recent years ionic liquids (ILs) have been increasing the popularity and the number of applications. First ionic liquids were used mainly as solvent in organic synthesis, but now they are used in analytical chemistry, separation chemistry and material science among others. Additional to significant developments in their chemical properties and applications, ionic liquids are now bringing unexpected opportunities at the interface of chemistry with the life sciences Ionic liquids (ILs) are currently defined as salts that are composed solely of cations and anions which melt below 100ºC. Our goal in this work is to explore the dual activity of the ionic liquids, due to the presence of two different ions, an ion with bacterial activity as a beta-lactam antibiotic and different kinds of cations. In this work the anions of ILs and salts were derived from three different antibiotics: ampicillin, penicillin and amoxicillin. The cations were derived from substituted ammonium, phosphonium pyridinium and methylimidazolium salts, such as: tetraethyl ammonium, trihexiltetradecilphosphonium, cetylpyridinium, choline (an essential nutrient), 1-ethyl-3-methylimidazolium, and 1-ethanol-3-methyl imidazolium structures. Commercial ammonium and phosponium halogen salts were first transformed into hydroxides. on ionic exchange column (Amberlite IRA-400) in methanol. The prepared hydroxides were then neutralized with beta-lactam antibiotics. After crystallization we obtained pure ILs and salts containing beta-lactam antibiotics. This work presents a novel method for preparation of new salts of antibiotics with low melting point and their characterization.

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.