The role of the efflux mechanisms in multidrug resistance in Mycobacterium tuberculosis

Abstract The emergence of multi and extensively drug resistant tuberculosis (MDRTB and XDRTB) has increased the concern of public health authorities around the world. The World Health Organization has defined MDRTB as tuberculosis (TB) caused by organisms resistant to at least isoniazid and rifampicin, the main first-line drugs used in TB therapy, whereas XDRTB refers to TB resistant not only to isoniazid and rifampicin, but also to a fluoroquinolone and to at least one of the three injectable second-line drugs, kanamycin, amikacin and capreomycin. Resistance in Mycobacterium tuberculosis is mainly due to the occurrence of spontaneous mutations and followed by selection of mutants by subsequent treatment. However, some resistant clinical isolates do not present mutations in any genes associated with resistance to a given antibiotic, which suggests that other mechanism(s) are involved in the development of drug resistance, namely the presence of efflux pump systems that extrude the drug to the exterior of the cell, preventing access to its target. Increased efflux activity can occur in response to prolonged exposure to subinhibitory concentrations of anti-TB drugs, a situation that may result from inadequate TB therapy. The inhibition of efflux activity with a non-antibiotic inhibitor may restore activity of an antibiotic subject to efflux and thus provide a way to enhance the activity of current anti-TB drugs. The work described in this thesis foccus on the study of efflux mechanisms in the development of multidrug resistance in M. tuberculosis and how phenotypic resistance, mediated by efflux pumps, correlates with genetic resistance. In order to accomplish this goal, several experimental protocols were developed using biological models such as Escherichia coli, the fast growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis, and Mycobacterium avium, before their application to M. tuberculosis. This approach allowed the study of the mechanisms that result in the physiological adaptation of E. coli to subinhibitory concentrations of tetracycline (Chapter II), the development of a fluorometric method that allows the detection and quantification of efflux of ethidium bromide (Chapter III), the characterization of the ethidium bromide transport in M. smegmatis (Chapter IV) and the contribution of efflux activity to macrolide resistance in Mycobacterium avium complex (Chapter V). Finally, the methods developed allowed the study of the role of efflux pumps in M. tuberculosis strains induced to isoniazid resistance (Chapter VI). By this manner, in Chapter II it was possible to observe that the physiological adaptation of E. coli to tetracycline results from an interplay between events at the genetic level and protein folding that decrease permeability of the cell envelope and increase efflux pump activity. Furthermore, Chapter III describes the development of a semi-automated fluorometric method that allowed the correlation of this efflux activity with the transport kinetics of ethidium bromide (a known efflux pump substrate) in E. coli and the identification of efflux inhibitors. Concerning M. smegmatis, we have compared the wild-type M. smegmatis mc2155 with knockout mutants for LfrA and MspA for their ability to transport ethidium bromide. The results presented in Chapter IV showed that MspA, the major porin in M. smegmatis, plays an important role in the entrance of ethidium bromide and antibiotics into the cell and that efflux via the LfrA pump is involved in low-level resistance to these compounds in M. smegmatis. Chapter V describes the study of the contribution of efflux pumps to macrolide resistance in clinical M. avium complex isolates. It was demonstrated that resistance to clarithromycin was significantly reduced in the presence of efflux inhibitors such as thioridazine, chlorpromazine and verapamil. These same inhibitors decreased efflux of ethidium bromide and increased the retention of [14C]-erythromycin in these isolates. Finaly, the methods developed with the experimental models mentioned above allowed the study of the role of efflux pumps on M. tuberculosis strains induced to isoniazid resistance. This is described in Chapter VI of this Thesis, where it is demonstrated that induced resistance to isoniazid does not involve mutations in any of the genes known to be associated with isoniazid resistance, but an efflux system that is sensitive to efflux inhibitors. These inhibitors decreased the efflux of ethidium bromide and also reduced the minimum inhibitory concentration of isoniazid in these strains. Moreover, expression analysis showed overexpression of genes that code for efflux pumps in the induced strains relatively to the non-induced parental strains. In conclusion, the work described in this thesis demonstrates that efflux pumps play an important role in the development of drug resistance, namely in mycobacteria. A strategy to overcome efflux-mediated resistance may consist on the use of compounds that inhibit efflux activity, restoring the activity of antimicrobials that are efflux pump substrates, a useful approach particularly in TB where the most effective treatment regimens are becoming uneffective due to the increase of MDRTB/XDRTB.

Tuberculose e infecção VIH/SIDA : uma análise comparativa em Portugal continental no biénio 2008-2009

RESUMO - Introdução: Actualmente 11,3 milhões de indivíduos estão co-infectados pela Tuberculose/Vírus Imunodeficiência Humana (TB/VIH), uma das principais causas de incapacidade e morte no mundo. É determinada pela exposição dos indivíduos aos factores de risco e condições/determinantes sociais de saúde. Várias são as medidas criadas a nível nacional e internacional na luta contra TB e a infecção VIH. Objectivo: Caracterizar e comparar os casos de TB entre os indivíduos não infectados com VIH e os infectados com VIH, considerando as características sócio-demográficas, o tratamento, patologias associadas e factores de risco. Método: Estudo descritivo, quantitativo e observacional. A informação foi obtida a partir da base de dados do Sistema Nacional de Vigilância Epidemiológica da Tuberculose dos casos de TB notificados entre 1 de Janeiro de 2008 a 31 de Dezembro de 2009. Para tratamento e análise estatística (descritiva e inferencial) o programa usado foi o SPSS versão 18,0. Resultados: 12,8% dos indivíduos estavam co-infectados com TB/VIH e 87,2% não estavam co-infectados. A presença de VIH nos casos de tuberculose apresenta evidência de relação com quase todas variáveis em estudo (p<0,00) excepto a presença de insuficiência renal (p<0,307). Apresentam maior probalidade de risco da co-infecção TB/VIH os homens, a faixa etária [35;44[, os estrangeiros, os desempregados, estar em retratamento e fumar. Os indivíduos com Doença Hepática (OR= 5,238; IC95%: 3,706;7,403; ORA = 3,104; IC95%: 2,164;4,454), patologias associadas (OR=13,199; IC95%: 11,246; 15,491; ORA=21,348; IC95%:17,569; 25,940) e factores de risco (OR=3,237; IC95%: 2,968; 3,531; ORA=2,644; IC95%: 2,414; 2,985) tem maior probalidade da co-infecção TB/VIH. O ajustamento para o sexo e a idade interferiu em todas variáveis em estudo. Conclusão: Os homens, da faixa etária [35;44 [, desempregados, estrangeiros, em retratamento, fumadores apresentam maior probalidade de risco de estar co-infectado com TB/VIH.

Aplicação de sistemas moleculares na detecção rápida de MDR-TB e XDR-TB

Mycobacterium tuberculosis é o agente etiológico da tuberculose em humanos e segundo as estimativas da Organização Mundial da Saúde, um terço da população mundial está infectada com esta bactéria, calculando-se que no ano de 2008 aproximadamente 9,4 milhões de pessoas contraíram tuberculose activa. Associada a esta tendência, encontra-se o aumento alarmante da incidência de tuberculose resistente aos antibióticos, mais propriamente da tuberculose multirresistente e extensivamente resistente. Nesta Dissertação estudaram-se três sistemas de detecção molecular (INNO-LiPA Rif. TB, Innogenetics, Ghent, Bélgica, MTBDRplus e MTBDRsl, GenoType, GmbH, Nehren, Alemanha), que permitem detectar o complexo M. tuberculosis e as mutações mais comuns associadas à resistência aos antibióticos de primeira e segunda linha. Para o efeito, na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo foram testados em 21 isolados clínicos pertencentes à colecção do Laboratório de Micobactérias do Instituto de Higiene e Medicina Tropical (IHMT, UNL), com o propósito de avaliar a sua capacidade para identificar o complexo M. tuberculosis e detectar mutações ligadas à resistência aos fármacos de primeira e segunda linha. Na segunda parte do trabalho, os sistemas INNO-LiPA Rif. TB e MTBDRplus foram testados em 33 amostras respiratórias com baciloscopia positiva, com o propósito de aferir a “performance” destes sistemas para a detecção directa de tuberculose multirresistente em amostras respiratórias. Na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo apresentaram elevada sensibilidade na identificação do complexo M. tuberculosis em culturas, bem como na detecção de mutações ligadas à resistência aos antibióticos de primeira linha, com excepção do etambutol. No que diz respeito à detecção da resistência aos antibióticos de segunda linha, não foi possível calcular os valores de sensibilidade e especificidade. Na segunda parte do trabalho, o INNO-LiPA Rif. TB demonstrou ser o sistema mais robusto para a análise directa de amostras respiratórias com baciloscopia positiva, para um diagnóstico precoce de tuberculose e detecção de resistência à rifampicina. O MTBDRplus não se mostrou uma alternativa viável ao INNO-LiPA Rif. TB, pois apresentou baixa sensibilidade para a identificação do complexo M. tuberculosis e vários problemas no passo de amplificação. O MTBDRsl não foi testado, por não ter sido detectada nenhuma amostra multirresistente.

Caracterização de estirpes Mycobacterium Tuberculosis da família Lisboa: análise de regiões de diferença e single nucleotide polymorphisms

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Gold nanoprobes for the detection of mutations associated with antibiotic resistance in Mycobacterium tuberculosis complex

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Aplicação de sistemas moleculares na detecção rápida de MDR-TB e XDR-TB

Mycobacterium tuberculosis é o agente etiológico da tuberculose em humanos e segundo as estimativas da Organização Mundial da Saúde, um terço da população mundial está infectada com esta bactéria, calculando-se que no ano de 2008 aproximadamente 9,4 milhões de pessoas contraíram tuberculose activa. Associada a esta tendência, encontra-se o aumento alarmante da incidência de tuberculose resistente aos antibióticos, mais propriamente da tuberculose multirresistente e extensivamente resistente. Nesta Dissertação estudaram-se três sistemas de detecção molecular (INNO-LiPA Rif. TB, Innogenetics, Ghent, Bélgica, MTBDRplus e MTBDRsl, GenoType, GmbH, Nehren, Alemanha), que permitem detectar o complexo M. tuberculosis e as mutações mais comuns associadas à resistência aos antibióticos de primeira e segunda linha. Para o efeito, na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo foram testados em 21 isolados clínicos pertencentes à colecção do Laboratório de Micobactérias do Instituto de Higiene e Medicina Tropical (IHMT, UNL), com o propósito de avaliar a sua capacidade para identificar o complexo M. tuberculosis e detectar mutações ligadas à resistência aos fármacos de primeira e segunda linha. Na segunda parte do trabalho, os sistemas INNO-LiPA Rif. TB e MTBDRplus foram testados em 33 amostras respiratórias com baciloscopia positiva, com o propósito de aferir a “performance” destes sistemas para a detecção directa de tuberculose multirresistente em amostras respiratórias. Na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo apresentaram elevada sensibilidade na identificação do complexo M. tuberculosis em culturas, bem como na detecção de mutações ligadas à resistência aos antibióticos de primeira linha, com excepção do etambutol. No que diz respeito à detecção da resistência aos antibióticos de segunda linha, não foi possível calcular os valores de sensibilidade e especificidade. Na segunda parte do trabalho, o INNO-LiPA Rif. TB demonstrou ser o sistema mais robusto para a análise directa de amostras respiratórias com baciloscopia positiva, para um diagnóstico precoce de tuberculose e detecção de resistência à rifampicina. O MTBDRplus não se mostrou uma alternativa viável ao INNO-LiPA Rif. TB, pois apresentou baixa sensibilidade para a identificação do complexo M. tuberculosis e vários problemas no passo de amplificação. O MTBDRsl não foi testado, por não ter sido detectada nenhuma amostra multirresistente.

Infeção por Mycobacterium Tuberculosis em profissionais de saúde : metodologia de avaliação do risco e sua aplicação num hospital central

RESUMO - A Tuberculose surge, de acordo com o último relatório da Organização Mundial da Saúde, como a segunda principal causa de morte em todo o mundo, de entre as doenças infeciosas. Em 2012, 1.3 milhões de pessoas morreram devido a esta patologia e surgiram 8.6 milhões de novos casos. De entre os grupos de risco de infeção, surgem os profissionais de saúde. A dificuldade no diagnóstico da Tuberculose, o contacto próximo com os pacientes, as medidas de controlo de infeção por vezes inadequadas são algumas das razões que explicam o risco mais elevado de contrair Tuberculose no local de trabalho. Esta Dissertação de Mestrado pretende estabelecer uma nova classificação de risco de infeção por M. tuberculosis em estabelecimentos de saúde, com vista a promover a saúde destes profissionais, inovadora nos critérios de avaliação das medidas de controlo de infeção e de análise dos casos de exposição não protegida a Tuberculose ativa. Esta metodologia de avaliação foi o resultado de uma revisão bibliográfica sobre a temática, tendo sido aplicada num hospital para verificar a sua adequabilidade e mais-valia.

Sucesso terapêutico no controlo da tuberculose em Portugal : determinantes do resultado do tratamento e a sua capacidade preditiva

RESUMO - Enquadramento/objectivos: Apesar do elevado nível de comprometimento em estratégias eficazes para o controlo da tuberculose, em todo o mundo, esta constitui ainda um sério problema de Saúde Pública, com uma estimativa global de 9,4milhões de casos novos em 2008 e 1,8milhões de mortes/ano. O reduzido conhecimento das barreiras e facilitadores para o sucesso terapêutico constitui um importante obstáculo na procura de soluções eficazes de melhoramento da qualidade dos programas de controlo da tuberculose. Este estudo procura contribuir para a identificação atempada de doentes com perfis preditivos de insucesso terapêutico, através da identificação inicial de potenciais determinantes do resultado, com base num modelo epidemiológico e estatístico. Métodos: Foi desenvolvido um estudo de caso-controlo para a população de casos notificados ao Programa Nacional de Controlo da Tuberculose (n=24491), entre 2000-2007. Os factores preditivos de insucesso terapêutico foram identificados na análise bivariada e multivariada, com um nível de significância de 5%; a regressão logística foi utilizada para estimar a odds ratio de insucesso terapêutico, em comparação com o sucesso terapêutico, para diversos factores identificados na literatura, e para os quais os dados se encontravam disponíveis. Resultados: A dependência alcoólica (OR=2,889), o país de origem (OR=3,910), a situação sem-abrigo (OR=3.919), a co-infecção pelo VIH (OR=5,173), a interrupção (OR=60.615) ou falha terapêutica no tratamento anterior (OR=67.345) e a duração do tratamento inferior a 165 dias (OR=1930,133) foram identificados como factores preditivos de insucesso terapêutico. A duração do tratamento inferior a 165 dias provou ser o mais importante determinante do resultado terapêutico. Conclusões: Os resultados sugerem que um doente imigrante, em situação de sem-abrigo, dependente alcoólico, com tratamentos anteriores para a tuberculose e co-infectado pelo VIH apresenta uma elevada probabilidade de insucesso terapêutico. Assim, deverão ser definidas estratégias específicas, centradas no doente por forma a impedir este resultado. A base de dados (SVIG-TB), provou ser uma ferramenta de qualidade para a investigação sobre diversos aspectos do controlo da tuberculose. ------------------------------- ABSTRACT - Background/Objective: Despite the high commitment in good strategies for tuberculosis control worldwide, this is still a serious Public Health problem, with global estimates of 9,4million new cases in 2008 and 1,8million deaths/year. The poor understanding of the barriers and facilitators to treatment success is a major obstacle to find effective solutions to improve the quality of tuberculosis programs. This study tries to contribute to the timely identification of patients with predictive profiles of unsuccessful treatment outcomes, through the initial identification of characteristics probably affecting treatment outcome, found on the basis of an epidemiological and statistical model. Methods: A case-control study was conducted for the population of cases notified to the National Program for Tuberculosis Control (n=24 491), between 2000-2007. Predictive factors for unsuccessful outcome were assessed in a bivariate and multivariate analysis, using a significance level of 5%; a logistic regression was used to estimate the odds-ratio of unsuccessful, as compared to successful outcome, for several factors identified in the literature and to which data was available. Results: Alcohol abuse (OR=2,889), patient´s foreign origin (OR=3,910), homelessness (OR=3,919), HIV co-infection (OR=5,173), interruption (OR=60,615) or unsuccessful outcome in the previous treatment (OR=67,345) and treatment duration below 165 days (OR=1930,133) were identified as predictive of unsuccessful outcomes. A low treatment duration proved to be the most powerful factor affecting treatment outcome. Conclusions: Results suggest that a foreign-born patient, alcohol abuser, who has had a previous treatment for tuberculosis and is co-infected with HIV is very likely to have an unsuccessful outcome. Therefore, specific, patient-centered strategies should be taken to prevent an unsuccessful outcome. The database (SVIG-TB), has proved to be a quality tool on research of various aspects of tuberculosis control.

Au-nanossondas aplicação na detecção de Mycobacterium tuberculosis e plasmodium berghei

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia

Tuberculose nos imigrantes : análise comparativa entre os biénios 2000-2001 e 2008-2009 das características sóciodemográficas e clínicas dos casos de tuberculose em Portugal Continental

RESUMO - Objectivos: Este estudo pretende caracterizar os casos de Tuberculose notificados em Portugal Continental, em função das suas características sociodemográficas e clínicas, aferir a sua evolução através da comparação dos biénios 2000/2001 e 2008/2009 e a possibilidade de existência de diferenças entre os casos de Tuberculose na população imigrante e não imigrante. Métodos: Foi desenvolvido um estudo descritivo de casos notificados nos biénios 2000/2001 (n= 9182) e 2008/2009 (n= 6087). A fonte de dados foi o Sistema De Vigilância Intrínseco ao Programa Nacional de Luta contra a Tuberculose (SVIG-TB). Para calcular as incidências foram utilizados os dados disponibilizados pelo Instituto Nacional de Estatística e pelo Serviço de Estrangeiros e Fronteiras referentes à população não imigrante e imigrante residente em Portugal. Foi utilizado o teste do Qui-quadrado e o teste exacto de Fisher para analisar possíveis relações entre variáveis qualitativas. O teste de Mann-Whitney foi utilizado para comparação da distribuição entre variáveis quantitativas nos dois grupos. A odds ratio foi determinada para aferir a força de associação entre as variáveis e a condição de imigrante. Resultados: No biénio 2000/2001, 10,2% dos casos notificados eram de imigrantes e no biénio 2008/2009 aumentou para 13,3%. Relativamente às características sociodemográficas dos pacientes, observaram-se diferenças estatisticamente significativas apenas na idade. Nas características clínicas observaram-se diferenças significativas em algumas patologias associadas, nomeadamente na infecção VIH (p <0,001: OR=1,696).Quanto aos factores de risco, observaram-se diferenças no consumo do tabaco (p <0,001: OR= 0,499) e drogas (p <0,001; OR= 0,582). Relativamente à situação final de tratamento existem diferenças significativas nas categorias em tratamento (p <0,001;OR=0,661), tratamento completo (p <0,001;OR =1,293) e morte (p <0,001; OR=1,806). Conclusões: O número de casos de Tuberculose em Portugal, bem como a taxa de incidência, diminuíram do biénio 2000/2001 para o biénio 2008/2009 em ambos os grupos. Os imigrantes são mais jovens, têm maior risco de infecção VIH e menor risco de patologias crónicas.

Demora desde o aparecimento dos primeiros sintomas até ao diagnóstico da tuberculose pulmonar em Portugal : análise de sobrevivência

RESUMO - O presente estudo tem como objetivo contribuir para a Saúde Pública no controlo da tuberculose pulmonar (TBP), estudando a demora desde o aparecimento dos primeiros sintomas até ao diagnóstico da doença. As consequências da demora no diagnóstico podem ser fatais para os doentes e intensificar a proliferação do bacilo, influenciando a incidência da doença. Este estudo analisou os casos notificados com TBP pelo SVIG-TB, em Portugal Continental, no período de 2000 a 2009, com demora no diagnóstico de 1 a 365 dias. Foram utilizadas técnicas de estatística clássica para caracterização da base de dados e de análise de sobrevivência para caracterizar a demora até ao diagnóstico e modelar o risco de diagnóstico. As variáveis incluídas no estudo foram: género, idade, grupo etário, distrito de residência, área crítica de incidência da tuberculose, presença ou ausência da infeção pelo VIH, caso novo e reincidência, número de tratamentos anteriores, presença ou ausência de fatores de risco (álcool, tabaco, outras drogas, reclusão e sem-abrigo) e número de fatores de risco. Verificou-se que nos 35 711 casos notificados a mediana da demora até ao diagnóstico foi de 55 dias. Todas as variáveis referidas anteriormente demostraram estar correlacionadas com a demora, exceto no que diz respeito às áreas críticas ou não críticas e aos sem-abrigo. No modelo de Cox as variáveis que se mostraram relevantes ao diagnóstico foram o género em 10,2%, grupos etários, distritos, presença ou ausência de VIH em 12%, dependência alcoólica em 6,3% e dependência de tabaco em 8,8%. Estes resultados apontam para a efetividade de medidas de controlo da tuberculose, principalmente no caso de a pessoa apresentar alguns fatores de risco.

Novas estratégias no combate à tuberculose: a NADH-MENAQUINONA desidrogenase do tipo II de Mycobacterium tuberculosis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Microbiologia Médica

Lab on paper: biossensores colorimétricos de papel para a detecção de membros do complexo Mycobacterium tuberculosis

Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto Lab on Paper, desenvolvido no Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT - UNL)