Pesquisa de factores de virulência em estirpes de Escherichia coli em resíduos de produção animal

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

Hybrid systems biology: application to Escherichia coli

Dissertation presented to obtain a Master degree in Biotechnology

Biological and genetic characteristics of uropathogenic Escherichia coli strains

The aim of the present study was to determine biological characteristics such as expression of fimbriae, Congo red binding, production of hemolysin and aerobactin, adhesion to HeLa and uroepithelial cells and invasion of HeLa cells by Escherichia coli isolates obtained from patients showing clinical signs of urinary tract infection (UTI). Also, the presence of genes (apa, afa, spa) for fimbria expression and cytotoxic necrotizing factors (CNF1, CNF2) was assayed using specific primers in PCR. The data obtained were compared with the clonal relationships obtained by analysis of multilocus enzyme electrophoresis (MLEE), restriction fragment length polymorphism (RFLP) of the rDNA (ribotyping) and enterobacterial repetitive intergenic consensus-PCR (ERIC-PCR). All isolates but one presented a combination of at least two of the characteristics studied, a fact suggesting the presence of pathogenicity islands (PAIs). Diffuse adherence type to HeLa cells was observed to occur in most of the strains, but adhesion to uroepithelial cells seems to be a more reliable test to verify pathogenicity. Although four strains seemed to be able to invade HeLa cells when assayed by light microscopy, electron microscopy studies demonstrated that these strains were not invasive. MLEE, RFLP and ERIC-PCR were able to group the isolates differently into main clusters that were not correlated with the presence of pathogenic traits.

Stochastic model of transcription initiation of closely spaced promoters in escherichia coli

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Virulence factors of uropathogenic Escherichia coli from a University Hospital in Ribeirão Preto, São Paulo, Brazil

The aim of the study was to determine the occurrence of virulence genes expressing fimbriae, production of hemolysin, colicin and aerobactin among a hundred Escherichia coli isolates obtained from in-and outpatients of a tertiary-care teaching hospital, between July and August 2000, showing clinical and laboratory signs of urinary tract infection (UTI). The presence of genes (pap, afa, sfa) for fimbriae expression was assayed using specific primers in a polymerase chain reaction. Among the isolates studied, the prevalence of the virulence factors was 96.0%, 76.0%, 24.0%, for hemolysin, aerobactin and colicin, respectively; the prevalence of genes coding for fimbrial adhesive systems was 32.0%, 19.0% and 11.0% for pap, sfa and afa respectively. The strains isolated from the outpatients displayed a greater number of virulence factors compared to those from hospitalized subjects, emphasizing the difference between these two kinds of patients.

Genotypic characterization of virulence factors in Escherichia coli strains from patients with cystitis

Adhesins (P-fimbriae, S-fimbriae, type 1 fimbriae and afimbrial adhesin), toxins (α-hemolysin and cytotoxic necrotizing factor type 1), iron acquisition systems (aerobactin) and host defense avoidance mechanisms (capsule or lipopolysaccharide) have been shown to be prevalent in Escherichia coli strains associated with urinary tract infections. In this work, 162 Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) strains from patients with cystitis were genotypically characterized by polymerase chain reaction (PCR) assay. We developed three multiplex PCR assays for virulence-related genes papC, papE/F, papG alleles, fimH, sfa/foc, afaE, hly, cnf-1, usp, cdtB, iucD, and kpsMTII, all of them previously identified in UPEC strains. The PCR assay results identified 158 fimH (97.5%), 86 kpsMTII (53.1%), 53 papC/papEF/papG (32.7%), 45 sfa (27.8%), 42 iucD (25.9%), 41 hly (25.3%), 36 usp (22.2%), 30 cnf-1(18.5%) and 10 afa (6.2%) strains. No strain was positive for cdtB. In this work, we also demonstrated that adhesins may be multiple within a single strain and that several virulence genes can occur combined in association.

Risk factors for and mortality of extended-spectrum-β-lactamase-producing Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli nosocomial bloodstream infections

A case-control study, involving patients with positive blood cultures for Klebsiella pneumoniae (KP) or Escherichia coli (EC) EC and controls with positive blood cultures for non-ESBL-KP or EC, was performed to assess risk factors for extended-spectrum-β-lactamase (ESBL) production from nosocomial bloodstream infections (BSIs). Mortality among patients with BSIs was also assessed. The study included 145 patients (81, 59.5% with K. pneumoniae and 64, 44.1% with E. coli BSI); 51 (35.2%) isolates were ESBL producers and 94 (64.8%) nonproducers. Forty-five (55.6%) K. pneumoniae isolates were ESBL producers, while only six (9.4%) E. coli isolates produced the enzyme. Multivariate analysis showed that recent exposure to piperacillin-tazobactam (adjusted Odds Ratio [aOR] 6.2; 95%CI 1.1-34.7) was a risk factor for ESBL BSI. K. pneumoniae was significantly more likely to be an ESBL-producing isolate than E. coli (aOR 6.7; 95%CI 2.3-20.2). No cephalosporin class was independently associated with ESBLs BSI; however, in a secondary model considering all oxymino-cephalosporins as a single variable, a significant association was demonstrated (aOR 3.7; 95%CI 1.3-10.8). Overall 60-day mortality was significantly higher among ESBL-producing organisms. The finding that piperacillin-tazobactam use is a risk factor for ESBL-production in KP or EC BSIs requires attention, since this drug can be recommended to limit the use of third-generation cephalosporins.

ANTIMICROBIAL DRUG RESISTANCE IN STRAINS OF Escherichia coli ISOLATED FROM FOOD SOURCES

A variety of foods and environmental sources harbor bacteria that are resistant to one or more antimicrobial drugs used in medicine and agriculture. Antibiotic resistance in Escherichia coli is of particular concern because it is the most common Gram-negative pathogen in humans. Hence this study was conducted to determine the antibiotic sensitivity pattern of E. coli isolated from different types of food items collected randomly from twelve localities of Hyderabad, India. A total of 150 samples comprising; vegetable salad, raw egg-surface, raw chicken, unpasteurized milk, and raw meat were processed microbiologically to isolate E. coli and to study their antibiotic susceptibility pattern by the Kirby-Bauer method. The highest percentages of drug resistance in isolates of E. coli were detected from raw chicken (23.3%) followed by vegetable salad (20%), raw meat (13.3%), raw egg-surface (10%) and unpasteurized milk (6.7%). The overall incidence of drug resistant E. coli was 14.7%. A total of six (4%) Extended Spectrum β-Lactamase (ESBL) producers were detected, two each from vegetable salads and raw chicken, and one each from raw egg-surface and raw meat. Multidrug resistant strains of E. coli are a matter of concern as resistance genes are easily transferable to other strains. Pathogen cycling through food is very common and might pose a potential health risk to the consumer. Therefore, in order to avoid this, good hygienic practices are necessary in the abattoirs to prevent contamination of cattle and poultry products with intestinal content as well as forbidding the use of untreated sewage in irrigating vegetables.

Caracterização preliminar da bioenergética do efluxo pelo sistema AcrAB-TolC EM Escherichia Coli

A resistência aos antibióticos em bactérias Gram-negativas pode ser aumentada pela extrusão de antibióticos através de sistemas de efluxo. Em Escherichia coli, o principal sistema de efluxo é o AcrAB-TolC o qual tem como principal fonte energética a força proto-motriz. Este trabalho pretendeu estudar alguns aspectos essenciais da bioenergética na actividade de efluxo de E. coli usando três estirpes bem caracterizadas genotipica e fenotipicamente. Foi utilizado um método fluorimétrico semi-automático no qual a fluorescência do fluorocromo brometo de etídeo, substrato de bombas de efluxo foi seguida, permitindo a medição em tempo real da actividade de efluxo e acumulação de fluorocromo (inibição do efluxo). A utilização de brometo de etídeo é particularmente vantajosa pois emite baixa fluorescência no exterior da célula bacteriana tornando-se extremamente fluorescente no seu interior. Este método é uma nova aplicação do termociclador em tempo real RotorGeneTM 3000 que permite o cálculo da cinética de transporte reflectindo o balanço entre acumulação de substrato por difusão passiva através da membrana e a sua extrusão/efluxo, proporcionando uma detecção rápida e económica de inibidores de efluxo. Os resultados obtidos mostram, para todas as estirpes, que a GLU e o pH afectam a acumulação e o efluxo do brometo de etídeo. De todos os inibidores de vias biossintéticas testados, o ortovanadato de sódio, foi o que demonstrou maior actividade inibitória, a qual é revertida na presença de GLU. Em conclusão, este estudo mostra que a actividade de efluxo de E. coli depende não só da fosforilação oxidativa por via da força proto-motriz mas também da energia proveniente da hidrólise de ATP pelas ATPases. O ortovanadato de sódio tem potencial para ser um novo inibidor de bombas de efluxo de largo espectro. A tecnologia utilizada neste trabalho demonstrou ser apropriada para a caracterização bioenergética da actividade de bombas de efluxo e permite a selecção de novos inibidores de bombas de efluxo em bactérias.

Supercomplexes of Prokaryotic Aerobic Respiratory Chains-Escherichia coli and Bacillus subtilis supramolecular assemblies

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry.

Aspectos biológicos e moleculares de amostras uropatogênicas de Escherichia coli isoladas na Cidade do Rio de Janeiro

Amostras uropatogênicas de Escherichia coli isoladas de indivíduos moradores de localidades distintas na Cidade do Rio de Janeiro, foram caracterizadas quanto o sorotipo, propriedades hemolíticas e hemaglutinantes, susceptibilidade a antimicrobianos e perfil isoenzimático. O método molecular empregado associado com a investigação de marcadores de urovirulência, permitiu detectar uma grande diversidade entre os isolados. Entretanto, foi observada uma relação mais estreita entre amostras de Escherichia coli epidemiologicamente relacionadas.

Resistência mediada por efluxo em Escherichia coli: novas estra´tégias terapêuticas utilizando antibióticos e inibidores do efluxo

As bactérias desenvolveram ao longo do tempo, mecanismos que lhes permitem superar os efeitos nocivos causados por uma grande variedade de compostos antimicrobianos. Os sistemas de efluxo e a permeabilidade reduzida da parede celular são dois desses mecanismos. Para se estudar a resistência aos antibióticos mediada por efluxo em Escherichia coli, a influência dos inibidores de efluxo na resistência, os mecanismos de acção desses inibidores, a sua relação com a bioenergética e a competição entre substratos de efluxo, usaram-se duas estirpes de E. coli: a estirpe AG100, com o sistema de efluxo AcrAB-TolC funcional, e a estirpe AG100A, com o sistema AcrAB-TolC inactivo. Os inibidores testados foram a cloropromazina, tioridazina, ortovanadato sódio, arilpiperazina, carbonil cianeto m-clorofenilhidrazona e o verapamil. Estes compostos foram avaliados i) quanto à sua capacidade para inibir o sistema de efluxo AcrAB-TolC, através de um método fluorométrico semi-automático; ii) quanto à capacidade para diminuírem a susceptibilidade de E. coli aos antimicrobianos, através da determinação de concentrações mínimas inibitórias na presença e ausência de inibidores de efluxo; iii) quanto ao seu efeito ao nível da membrana celular, nomeadamente, disrupção do potencial de membrana, por microscopia de fluorescência. Para além disso, estes inibidores foram usados em ensaios de competição entre o brometo de etídio e os antibióticos tetraciclina, ofloxacina e oxacilina. Os resultados demonstraram que todos os compostos estudados foram capazes de diminuir a actividade de efluxo. Os compostos que apresentaram um efeito mais relevante foram a cloropromazina e o ortovanadato sódio. Contrariamente, as arilpiperazinas demonstraram um maior efeito na redução dos valores das concentrações mínimas inibitórias dos antibióticos testados realçando o facto de que o efeito destes compostos tidos como inibidores nem sempre corresponde à inibição real de efluxo. Para além disso, foi possível dividir os inibidores em dois grupos: (i) dependentes da acção da glucose – NMP e VP, e (ii) independentes da acção da glucose – CCCP, CPZ, Na3VO4. Os resultados de microscopia de fluorescência demonstraram que todos os compostos testados possuem um efeito imediato ao nível da produção de energia celular, afectando o potencial de membrana. Por último, os ensaios de competição entre substratos demonstraram a existência de um efeito sinérgico, nomeadamente com tetraciclina e ofloxacina, uma vez que permitiram a retenção de mais brometo de etídeo no interior das células. Os resultados obtidos evidenciam a relação entre a resistência aos antibióticos por efluxo activo em E. coli, em particular pelo sistema AcrAB-TolC, e a sua dependência de energia fornecida pela hidrólise de ATP. Deste modo, podemos concluir que os inibidores de efluxo podem ser potenciais alvos para o desenvolvimento de novas terapias no combate à resistência em E. coli.

Estudo dos fatores de virulência associados à formação de biofilme e agrupamento filogenético em Escherichia coli isoladas de pacientes com cistite

Amostras de Escherichia coli, isoladas de pacientes do sexo feminino com quadro clínico de cistite, foram caracterizadas quanto à presença de fatores de virulência associados à formação de biofilme e ao agrupamento filogenético. Os resultados da reação em cadeia da polimerase demonstraram que todas as amostras foram positivas para o gene fimH (fímbria do tipo1), 91 amostras foram positivas para o gene fliC (flagelina) 50 amostras positivas para o gene papC (fímbria P), 44 amostras positivas para o gene kpsMTII (cápsula) e 36 amostras positivas para o gene flu (antígeno 43). Os resultados dos ensaios de quantificação da formação de biofilme demonstraram que 44 amostras formaram biofilme em microplacas de poliestireno e 56 amostras apresentaram resultado ausente/fraco. Também confirmamos a incidência das amostras de Escherichia coli no grupo filogenético B2 e D.

Prevalência das famílias TEM, SHV e CTX-M de β-lactamases de espectro estendido em Escherichia coli e Klebsiella spp no Hospital Universitário de Santa Maria, Estado do Rio Grande do Sul

Neste estudo estimou-se a distribuição e prevalência de β-lactamases de espectro estendido pertencentes às famílias TEM, SHV e CTX-M entre amostras de Escherichia coli e Klebsiella spp. no Hospital Universitário de Santa Maria, Rio Grande do Sul. Durante 14 meses, 90 microrganismos foram selecionados como prováveis produtores de ESBL. Os isolados foram submetidos a testes fenotípicos confirmatórios para a presença de ESBL. A seguir, os tipos de ESBLs presentes em cada microrganismo foram determinados através da pesquisa dos respectivos genes através da reação em cadeia da polimerase. Empregando-se o método do disco combinado, a presença de ESBLs foi confirmada em 55 (61,1%) amostras; quando o método do duplo disco foi utilizado, 57 (63,3%) amostras foramprodutoras de ESBLs. Com base na PCR, as ESBLs do tipo TEM e SHV foram mais presentes em Klebsiella pneumoniae enquanto que ESBL do tipo CTX-M foram mais presentes em Klebsiella oxytoca.