Characterization of the amp genes involved in the regulation of beta-lactamase expression in Pseudomonas aeruginosa

Antibiotic resistance, production of alginate and virulence factors, and altered host immune responses are the hallmarks of chronic Pseudomonas aeruginosa infection. Failure of antibiotic therapy has been attributed to the emergence of P. aeruginosa strains that produce β-lactamase constitutively. In Enterobacteriaceae, β-lactamase induction involves four genes with known functions: ampC, ampR, ampD, and ampG, encoding the enzyme, transcriptional regulator, amidase and permease, respectively. In addition to all these amp genes, P. aeruginosa possesses two ampG paralogs, designated ampG and ampP. In this study, P. aeruginosa ampC, ampR, ampG and ampP were analyzed. Inactivation of ampC in the prototypic PAO1 failed to abolish the β-lactamase activity leading to the discovery of P. aeruginosa oxacillinase PoxB. Cloning and expression of poxB in Escherichia coli confers β-lactam resistance. Both AmpC and PoxB contribute to P. aeruginosa resistance against a wide spectrum of β-lactam antibiotics. The expression of PoxB and AmpC is regulated by a LysR-type transcriptional regulator AmpR that up-regulates AmpC but down-regulates PoxB activities. Analyses of P. aeruginosa ampR mutant demonstrate that AmpR is a global regulator that modulates the expressions of Las and Rhl quorum sensing (QS) systems, and the production of pyocyanin, LasA protease and LasB elastase. Introduction of the ampR mutation into an alginate-producing strain reveals the presence of a complex co-regulatory network between antibiotic resistance, QS alginate and other virulence factor production. Using phoA and lacZ protein fusion analyses, AmpR, AmpG and AmpP were localized to the inner membrane with one, 16 and 10 transmembrane helices, respectively. AmpR has a cytoplasmic DNA-binding and a periplasmic substrate binding domains. AmpG and AmpP are essential for the maximal expression of β-lactamase. Analysis of the murein breakdown products suggests that AmpG exports UDP-N-acetylmuramyl-L-alanine-γ-D-glutamate-meso-diaminopimelic acid-D-alanine-D-alanine (UDP-MurNAc-pentapeptide), the corepressor of AmpR, whereas AmpP imports N-acetylglucosaminyl-beta-1,4-anhydro-N-acetylmuramic acid-Ala-γ-D-Glu-meso-diaminopimelic acid (GlcNAc-anhMurNAc-tripeptide) and GlcNAc-anhMurNAc-pentapeptide, the co-inducers of AmpR. This study reveals a complex interaction between the Amp proteins and murein breakdown products involved in P. aeruginosa β-lactamase induction. In summary, this dissertation takes us a little closer to understanding the P. aeruginosa complex co-regulatory mechanism in the development of β-lactam resistance and establishment of chronic infection. ^

Characterization of the poxAB Operon Encoding a Class D Carbapenemase in Pseudomonas aeruginosa,

Pseudomonas aeruginosa is a dreaded opportunistic pathogen that causes severe and often intractable infections in immunocompromised and critically ill patients. This bacterium is also the primary cause of fatal lung infections in patients with cystic fibrosis and a leading nosocomial pathogen responsible for nearly 10% of all hospital-acquired infections. P. aeruginosa is intrinsically recalcitrant to most classes of antibiotics and has the ability to acquire additional resistance during treatment. In particular, resistance to the widely used β-lactam antibiotics is frequently mediated by the expression of AmpC, a chromosomally encoded β-lactamase that is ubiquitously found in P. aeruginosa strains. This dissertation delved into the role of a recently reported chromosomal β-lactamase in P. aeruginosa called PoxB. To date, no detailed studies have addressed the regulation of poxB expression and its contribution to β-lactam resistance in P. aeruginosa. In an effort to better understand the role of this β-lactamase, poxB was deleted from the chromosome and expressed in trans from an IPTG-inducible promoter. The loss of poxB did not affect susceptibility. However, expression in trans in the absence of ampC rendered strains more resistant to the carbapenem β-lactams. The carbapenem-hydrolyzing phenotype was enhanced, reaching intermediate and resistant clinical breakpoints, in the absence of the carbapenem-specific outer membrane porin OprD. As observed for most class D β-lactamases, PoxB was only weakly inhibited by the currently available β-lactamase inhibitors. Moreover, poxB was shown to form an operon with the upstream located poxA, whose expression in trans decreased pox promoter (Ppox) activity suggesting autoregulation. The transcriptional regulator AmpR negatively controlled Ppox activity, however no direct interaction could be demonstrated. A mariner transposon library identified genes involved in the transport of polyamines as potential regulators of pox expression. Unexpectedly, polyamines themselves were able induce resistance to carbapenems. In summary, P. aeruginosa carries a chromosomal-encoded β-lactamase PoxB that can provide resistance against the clinically relevant carbapenems despite its narrow spectrum of hydrolysis and whose activity in vivo may be regulated by polyamines.

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.

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.

Computational analysis and physico-chemical characterization of an inclusion compound between praziquantel and methyl-beta-cyclodextrin for use as an alternative in the treatment of schistosomiasis

Schistosomiasis is still an endemic disease in many regions, with 250 million people infected with Schistosoma and about 500,000 deaths per year. Praziquantel (PZQ) is the drug of choice for schistosomiasis treatment, however it is classified as Class II in the Biopharmaceutics Classification System, as its low solubility hinders its performance in biological systems. The use of cyclodextrins is a useful tool to increase the solubility and bioavailability of drugs. The aim of this work was to prepare an inclusion compound of PZQ and methyl-beta-cyclodextrin (MeCD), perform its physico-chemical characterization, and explore its in vitro cytotoxicity. SEM showed a change of the morphological characteristics of PZQ:MeCD crystals, and IR data supported this finding, with changes after interaction with MeCD including effects on the C-H of the aromatic ring, observed at 758 cm(-1). Differential scanning calorimetry measurements revealed that complexation occurred in a 1:1 molar ratio, as evidenced by the lack of a PZQ transition temperature after inclusion into the MeCD cavity. In solution, the PZQ UV spectrum profile in the presence of MeCD was comparable to the PZQ spectrum in a hydrophobic solvent. Phase solubility diagrams showed that there was a 5.5-fold increase in PZQ solubility, and were indicative of a type A(L) isotherm, that was used to determine an association constant (K(a)) of 140.8 M(-1). No cytotoxicity of the PZQ:MeCD inclusion compound was observed in tests using 3T3 cells. The results suggest that the association of PZQ with MeCD could be a good alternative for the treatment of schistosomiasis.

Towards a single crystal Raman spectrum of kaolinite at 77 K

The Raman spectra at 77 K of the hydroxyl stretching of kaolinite were obtained along the three axes perpendicular to the crystal faces. Raman bands were observed at 3616, 3658 and 3677 cm−1 together with a distinct band observed at 3691 cm−1 and a broad profile between 3695 and 3715 cm−1. The band at 3616 cm−1 is assigned to the inner hydroxyl. The bands at 3658 and 3677 cm−1 are attributed to the out-of-phase vibrations of the inner surface hydroxyls. The Raman spectra of the in-phase vibrations of the inner-surface hydroxyl-stretching region are described in terms of transverse and longitudinal optic splitting. The band at 3691 cm−1 is assigned to the transverse optic and the broad profile to the longitudinal optic mode. This splitting remained even at liquid nitrogen temperature. The transverse optic vibration may be curve resolved into two or three bands, which are attributed to different types of hydroxyl groups in the kaolinite.

Mutation frequency of non-ESBL phenotype SENTRY (Asia-Pacific) isolates of Klebsiella pneumoniae conversion to an ESBL positive phenotype

Extended spectrum β-lactamases or ESBLs, which are derived from non-ESBL precursors by point mutation of β-lactamase genes (bla), are spreading rapidly all over the world and have caused considerable problems in the treatment of infections caused by bacteria which harbour them. The mechanism of this resistance is not fully understood and a better understanding of these mechanisms might significantly impact on choosing proper diagnostic and treatment strategies. Previous work on SHV β-lactamase gene, blaSHV, has shown that only Klebsiella pneumoniae strains which contain plasmid-borne blaSHV are able to mutate to phenotypically ESBL-positive strains and there was also evidence of an increase in blaSHV copy number. Therefore, it was hypothesised that although specific point mutation is essential for acquisition of ESBL activity, it is not yet enough, and blaSHV copy number amplification is also essential for an ESBL-positive phenotype, with homologous recombination being the likely mechanism of blaSHV copy number expansion. In this study, we investigated the mutation rate of non-ESBL expressing K. pneumoniae isolates to an ESBL-positive status by using the MSS-maximum likelihood method. Our data showed that blaSHV mutation rate of a non-ESBL expressing isolate is lower than the mutation rate of the other single base changes on the chromosome, even with a plasmid-borne blaSHV gene. On the other hand, mutation rate from a low MIC ESBL-positive (≤ 8 µg/mL for cefotaxime) to high MIC ESBL-positive (≥16 µg/mL for cefotaxime) is very high. This is because only gene copy number increase is needed which is probably mediated by homologous recombination that typically takes place at a much higher frequencies than point mutations. Using a subinhibitory concentration of novobiocin, as a homologous recombination inhibitor, revealed that this is the case.

Kava Anxiety Depression Spectrum Study (KADSS): a mixed methods RCT using an aqueous extract of Piper methysticum

Objectives: To report on the design, significance and potential impacts of the first documented human clinical trial assessing the anxiolytic and thymoleptic efficacy of an aqueous monoextract of Piper methysticum (kava). The significance of the qualitative element of our clinical trial is also explored. The Kava Anxiety Depression Spectrum Study (KADSS) is a 3-week placebocontrolled, double-blind, cross-over trial involving 60 adult participants (18—65) with elevated stable anxiety and varying levels of depressive symptoms. Aims: The aims of KADSS are: (1) to determine whether an aqueous standardised extract of kava is effective for the treatment of anxiety; (2) to assess the effects of kava on differing levels of depression; and (3) to explore participants’ experience of taking kava via qualitative research. The study also provides preliminary assessment of the safety of an aqueous extract of kava in humans. Conclusion: If results reveal that the aqueous kava preparation exerts significant anxiolytic effects and appears safe, potentially beneficial impacts may occur. Data supporting a safe and effective kava extract may encourage a re-introduction of kava to Europe, UK and Canada. This may provide a major socioeconomic benefit to Pacific Island nations, and to sufferers of anxiety disorders.

The Kava Anxiety Depression Spectrum Study (KADSS): A randomized, placebo-controlled, cross-over trial using an aqueous extract of Piper methysticum.

Rationale: Piper methysticum (Kava) has been withdrawn in European, British, and Canadian markets due to concerns over hepatotoxic reactions. The WHO recently recommended research into “aqueous” extracts of Kava. Objective: The objective of this study was to conduct the first documented human clinical trial assessing the anxiolytic and antidepressant efficacy of an aqueous extract of Kava. Design and participants: The Kava Anxiety Depression Spectrum Study was a 3-week placebo-controlled, double-blind crossover trial that recruited 60 adult participants with 1 month or more of elevated generalized anxiety. Five Kava tablets per day were prescribed containing 250 mg of kavalactones/day. Results: The aqueous extract of Kava reduced participants' Hamilton Anxiety Scale score in the first controlled phase by −9.9 (CI = 7.1, 12.7) vs. −0.8 (CI = −2.7, 4.3) for placebo and in the second controlled phase by −10.3 (CI = 5.8, 14.7) vs. +3.3 (CI = −6.8, 0.2). The pooled effect of Kava vs. placebo across phases was highly significant (p < 0.0001), with a substantial effect size (d = 2.24, η² [sub]p[sub] = 0.428). Pooled analyses also revealed highly significant relative reductions in Beck Anxiety Inventory and Montgomery–Asberg Depression Rating Scale scores. The aqueous extract was found to be safe, with no serious adverse effects and no clinical hepatotoxicity. Conclusions: The aqueous Kava preparation produced significant anxiolytic and antidepressant activity and raised no safety concerns at the dose and duration studied. Kava appears equally effective in cases where anxiety is accompanied by depression. This should encourage further study and consideration of globally reintroducing aqueous rootstock extracts of Kava for the management of anxiety.

Developing the descriptions of landmark teaching styles : a spectrum inventory

Mosston & Ashworth‟s Spectrum of Teaching styles was first published in 1966 and is potentially the longest surviving model of teaching within the field of physical education. Its longevity and influence is surely testament to its value and influence. Many tools have also been developed through the years based on The Spectrum of Teaching Styles. In 2005 as part of a doctoral study, this tool was developed by the author, Dr Edwards and Dr Ashworth for researchers and teachers to identify which teaching styles were being utilised from The Spectrum when teaching physical education. It could also be utilised for self-assessment of the teaching styles and individual uses, or those who work with Physical Education Teacher Education courses. The development of this tool took approximately 4 months, numerous emails and meetings. This presentation will outline this process, along with the reasons why such a tool was developed and the differences between it and others like it.

Vitronectin modulates human mesenchymal stem cell response to insulin-like growth factor-I and transforming growth factor beta 1 in a serum-free environment

The use of animal sera for the culture of therapeutically important cells impedes the clinical use of the cells. We sought to characterize the functional response of human mesenchymal stem cells (hMSCs) to specific proteins known to exist in bone tissue with a view to eliminating the requirement of animal sera. Insulin-like growth factor-I (IGF-I), via IGF binding protein-3 or -5 (IGFBP-3 or -5) and transforming growth factor-beta 1 (TGF-beta(1)) are known to associate with the extracellular matrix (ECM) protein vitronectin (VN) and elicit functional responses in a range of cell types in vitro. We found that specific combinations of VN, IGFBP-3 or -5, and IGF-I or TGF-beta(1) could stimulate initial functional responses in hMSCs and that IGF-I or TGF-beta(1) induced hMSC aggregation, but VN concentration modulated this effect. We speculated that the aggregation effect may be due to endogenous protease activity, although we found that neither IGF-I nor TGF-beta(1) affected the functional expression of matrix metalloprotease-2 or -9, two common proteases expressed by hMSCs. In summary, combinations of the ECM and growth factors described herein may form the basis of defined cell culture media supplements, although the effect of endogenous protease expression on the function of such proteins requires investigation.