Disseminação horizontal de genes que codificam para β-lactamases de espectro alargado em isolados de enterobacteriaceae de origem hospitalar

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Carbapenemases of Serratia fonticola UTAD54

As carbapenemases, serínicas e metalo-β-lactamases (MBLs), formam um grupo cada vez mais importante de β-lactamases capazes de tornar as bactérias resistentes a antibióticos β-lactâmicos, incluindo carbapenemos utilizados como antibióticos de último recurso no tratamento de infecções causadas por bactérias multirresistentes. De modo a compreender melhor a relação estrutura-função deste grupo de enzimas, prosseguimos com a caracterização bioquímica e estrutural das carbapenemases SFC-1 e Sfh-I específicas de Serratia fonticola UTAD54, uma estirpe ambiental isolada previamente de águas de consumo não tratadas no Nordeste de Portugal. Ambas as β-lactamases foram sobre-expressas em Escherichia coli e purificadas por cromatografia líquida. A SFC-1 recombinante, uma carbapenemase serínica, hidrolisa eficientemente antibióticos β-lactâmicos de todas as classes e exibe, comparativamente a enzimas relacionadas (ex. KPC), uma maior eficiência contra a ceftazidima e uma menor susceptibilidade aos inibidores convencionais das β-lactamases. As estruturas do cristal da SFC-1 nativa e de complexos de mutantes, obtidos por mutagénese dirigida, com o meropenemo não hidrolisado e na forma de acetilenzima foram determinados por substituição molecular utilizando cristalografia de raios-X. A estrutura da SFC-1 contém todas as características conservadas do centro activo das carbapenemases de classe A. Nas estruturas dos mutantes o meropenemo aparece orientado no centro activo por Thr236 e Thr238, posicionando-o próximo da Ser130 para a transferência do protão. Nas enzimas de classe A inibidas por carbapenemos, a interacção com a Arg244 impõe uma orientação diferente do meropenemo ligado, prejudicando a transferência do protão. Estas constituem as primeiras estruturas de uma carbapenemase de classe A com um carbapenemo no centro activo e revelam que estas enzimas alteram a orientação do meropenemo ligado para promover a catálise, sem alteração significativa da estrutura geral. A Sfh-I, tal como as outras MBLs da subclasse B2, apresenta um perfil de substratos reduzido, que inclui maioritariamente os carbapenemos. A Sfh-I hidrolisa imipenemo e meropenemo com um kcat de 51 e 109 s-1 e um KM de 79 e 215 μM, respectivamente. A Sfh-I liga um equivalente de zinco, como demonstrado por espectrometria de massa. Contrariamente a enzimas da subclasse B2 previamente caracterizadas, a Sfh-I hidrolisa a cefepima, mostrando que a Sfh-I é uma MBL da subclasse B2 com propriedades únicas. Por espectroscopia de fluorescência mostrou-se que a Sfh-I é capaz de ligar até 3 equivalentes de zinco (Kd2 = 95 μM; Kd3 = 2.3 mM). A estrutura do cristal da Sfh-I, determinada por substituição molecular utilizando a CphA como modelo, é a primeira para uma MBL da subclasse B2 não ligada. Esta estrutura revela a disposição das moléculas de água no centro activo corroborando um mecanismo catalítico para as MBLs da subclasse B2 no qual a His118, em vez do Asp120 proposto anteriormente, activa a molécula de água nucleofílica.

The Challenges of Antimicrobial Resistance in Brazil

Brazil is a country with continental proportions with high geographic and economic diversity. Despite its medical centers of excellence, antimicrobial resistance poses a major therapeutic challenge. Rates of methicillin-resistant Staphylococcus aureus are up to 60% and are related to an endemic Brazilian clone. Local resistance to vancomycin in Enterococci was first related to Enterococcus faecalis, which differs from European and American epidemiology. Also, local Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli isolates producing extended-spectrum beta-lactamases have a much higher prevalence (40%-50% and 10%-18%, respectively). Carbapenem resistance among the enterobacteriaceae group is becoming a major problem, and K. pneumoniae carbapenemase isolates have been reported in different states. Among nonfermenters, carbapenem resistance is strongly related to SPM-1 (Pseudomonasaeruginosa) and OXA-23 (Acinetobacter baumannii complex) enzymes, and a colistin-only susceptible phenotype has also emerged in these isolates, which is worrisome. Local actions without loosing the global resistance perspective will demand multidisciplinary actions, new policies, and political engagement.

High Prevalence of bla(CTX-M) Extended Spectrum Beta-Lactamase Genes in Klebsiella pneumoniae Isolates from a Tertiary Care Hospital: First report of bla(SHV-12), bla(SHV-31), bla(SHV-38), and bla(CTX-M-15) in Brazil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Detection of P. aeruginosa harboring bla(CTX-M-2), bla(GES-1) and bla(GES-5), bla(IMP-1) and bla(SPM-1) causing infections in Brazilian tertiary-care hospital

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Resistência aos beta-lactâmicos e detecção dos genes blashv, blatem, blactx-m e blages em Enterobacteriaceae isoladas de efluentes hospitar e comunitário em um município do noroeste paulista

Pós-graduação em Microbiologia - IBILCE

Beta-lactamase detection in Staphylococcus aureus and coagulase-negative Staphylococcus isolated from bovine mastitis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Time-kill and synergism studies of ceftobiprole against Enterococcus faecalis, including beta-lactamase-producing and vancomycin-resistant isolates.

Ceftobiprole (BAL9141) is an investigational cephalosporin with broad in vitro activity against gram-positive cocci, including enterococci. Ceftobiprole MICs were determined for 93 isolates of Enterococcus faecalis (including 16 beta-lactamase [Bla] producers and 17 vancomycin-resistant isolates) by an agar dilution method following the Clinical and Laboratory Standards Institute recommendations. Ceftobiprole MICs were also determined with a high inoculum concentration (10(7) CFU/ml) for a subset of five Bla producers belonging to different previously characterized clones by a broth dilution method. Time-kill and synergism studies (with either streptomycin or gentamicin) were performed with two beta-lactamase-producing isolates (TX0630 and TX5070) and two vancomycin-resistant isolates (TX2484 [VanB] and TX2784 [VanA]). The MICs of ceftobiprole for 50 and 90% of the isolates tested were 0.25 and 1 microg/ml, respectively. All Bla producers and vancomycin-resistant isolates were inhibited by concentrations of

Characterization of the beta-lactamase gene from {\it Enterococcus faecalis\/} strain HH22

The plasmid-encoded, constitutively produced $\beta$-lactamase gene from Enterococcus faecalis strain HH22 was genetically characterized. A restriction endonuclease map of the 5.1 kb EcoRI fragment encoding the enterococcal $\beta$-lactamase was prepared and compared with the restriction map of a cloned staphylococcal $\beta$-lactamase gene (from the naturally-occurring staphylococcal $\beta$-lactamase plasmid pI258). Comparison and hybridization studies showed that there were identical restriction sites in the region of the $\beta$-lactamase structural gene but not in the region surrounding this gene. Also the enterococcal $\beta$-lactamase plasmid did not encode resistance to mercury or cadmium which is encoded by the small, transducible staphylococcal $\beta$-lactamase plasmids. The nucleotide sequence of the enterococcal gene was shown to be identical to the published sequences of three of four staphylococcal type A $\beta$-lactamase genes; more differences were seen with the genes for staphylococcal type C and D enzymes. One hundred-forty nucleotides upstream of the $\beta$-lactamase start codon were also determined for the inducible staphylococcal $\beta$-lactamase gene on pI258; this sequence was identical to that of the constitutively expressed enterococcal gene indicating that the changes resulting in constitutive expression are not due to changes in the promoter or operator region. Moreover, complementation studies indicated that production of the enterococcal enzyme could be repressed. The gene for the enterococcal $\beta$-lactamase and an inducible staphylococcal $\beta$-lactamase were each cloned into a shuttle vector and then transformed into enterococcal and staphylococcal recipients. The major difference between the two host backgrounds was that more enzyme was produced by the staphylococcal host, regardless of the source of the gene but no qualitative difference was seen between the two genera. Also a difference in the level of resistance to ampicillin was seen between the two backgrounds with the cloned enzymes by MIC and time-kill studies. The location of the enzyme was found to be host dependent since each cloned gene generated extracellular (free) enzyme in the staphylococcus and cell bound enzyme in the enterococcus. Based on the identity of the enterococcal $\beta$-lactamase and several staphylococcal $\beta$-lactamases, these data suggest recent spread of $\beta$-lactamase to enterococci and also suggest loss of a functional repressor. ^

Prevalencia de bacterias productoras de beta-lactamasas en el Hospital Vicente Corral Moscoso periodo enero-diciembre del 2014

Antecedentes: la adaptación de las bacterias a los tratamientos antibióticos ha ido mejorando, hasta el punto de llegar a presentar resistencia a los tratamientos más agresivos, esto se debe a la evolución constante que han sufrido estas con la aparición de nuevas especies, por mecanismos como la conjugación o trasmisión de plásmidos, con la producción de diferentes tipos de beta-lactamasas, estas características nuevas les han permitido mejorar su capacidad de evadir los mecanismos de acción farmacológicos. Objetivo general: establecer la prevalencia de bacterias productoras de beta-lactamasas en el Hospital Vicente Corral Moscoso, durante el periodo de enero a diciembre del 2014, Cuenca - Ecuador. Metodología: Tipo de estudio: se realizó un estudio de tipo descriptivo, observacional; Universo y muestra: historias clínicas de todos los pacientes atendidos en el Hospital Vicente Corral Moscoso, a los que se había realizado cultivo y antibiograma con reporte de producción de beta-lactamasas, durante el periodo enero a diciembre del 2014; Método de recolección de datos: observación y revisión de historias clínicas que fueron registrados en el formulario de recolección de datos; Tabulación y análisis de los resultados: Todos los datos fueron tabulados y procesados en el programa SPSS Versión 15.0, elaborando tablas simples, compuestas. Resultados: de un total de 160 bacterias aisladas, la prevalencia de bacterias productoras de betalactamasas fue 13,1%, 74,4%, 12,5% para BLEA, BLEE y carbapenemasas respectivamente. El sexo femenino fue el más afectado por las bacterias productoras de BLEA, y carbapenemasas, pero el sexo masculino fue el más afectado por bacterias productoras de BLEE. La E. coli representa el 74,79% de bacterias productoras de BLEE, representando la Klebsiella pneumoniae el 50% de todas las bacterias productoras de carbapenemasas. Al analizar la mortalidad se observa que al incrementar la resistencia incrementa el riesgo de mortalidad: BLEA 5%, BLEE 15% y Carbapenemasa 25%

Analysis of Hydrogen Bonding and Stability of Protein Secondary Structures in Molecular Dynamics Simulation

Molecular Dynamics (MD) simulations provide an atomic level account of the molecular motions and have proven to be immensely useful in the investigation of the dynamical structure of proteins. Once an MD trajectory is obtained, specific interactions at the molecular level can be directly studied by setting up appropriate combinations of distance and angle monitors. However, if a study of the dynamical behavior of secondary structures in proteins becomes important, this approach can become unwieldy. We present herein a method to study the dynamical stability of secondary structures in proteins, based on a relatively simple analysis of backbone hydrogen bonds. The method was developed for studying the thermal unfolding of beta-lactamases, but can be extended to other systems and adapted to study relevant properties.

Multi-drug resistance profiles and the genetic features of Acinetobacter baumannii isolates from Bolivia

Introduction: Acinetobacter baumannii is opportunistic in debilitated hospitalised patients. Because information from some South American countries was previously lacking, this study examined the emergence of multi-resistant A. baumannii in three hospitals in Cochabamba, Bolivia, from 2008 to 2009. Methodology: Multiplex PCR was used to identify the main resistance genes in 15 multi-resistant A. baumannii isolates. RT-PCR was used to measure gene expression. The genetic environment of these genes was also analysed by PCR amplification and sequencing. Minimum inhibitory concentrations were determined for key antibiotics and some were determined in the presence of an efflux pump inhibitor, 1-(1-napthylmethyl) piperazine. Results: Fourteen strains were found to be multi-resistant. Each strain was found to have the bla(OXA-58) gene with the ISAba3-like element upstream, responsible for over-expression of the latter and subsequent carbapenem resistance. Similarly, ISAba1, upstream of the bla(ADC) gene caused over-expression of the latter and cephalosporin resistance; mutations in the gyrA(Ser83 to Leu) and parC (Ser-80 to Phe) genes were commensurate with fluoroquinolone resistance. In addition, the adeA, adeB efflux genes were over-expressed. All 15 isolates were positive for at least two aminoglycoside resistance genes. Conclusion: This is one of the first reports analyzing the multi-drug resistance profile of A. baumannii strains isolated in Bolivia and shows that the over-expression of thebla(OXA-58), bla(ADC) and efflux genes together with aminoglycoside modifying enzymes and mutations in DNA topoisomerases are responsible for the multi-resistance of the bacteria and the subsequent difficulty in treating infections caused by them.

Carbapenem-resistant and carbapenem-susceptible isogenic isolates of Klebsiella pneumoniae ST101 causing infection in a tertiary hospital

Background: In this study we describe the clinical and molecular characteristics of an outbreak due to carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae (CR-KP) producing CTX-M-15 and OXA-48 carbapenemase. Isogenic strains, carbapenem-susceptible K. pneumoniae (CS-KP) producing CTX-M-15, were also involved in the outbreak. Results: From October 2010 to December 2012 a total of 62 CR-KP and 23 CS-KP were isolated from clinical samples of 42 patients (22 had resistant isolates, 14 had susceptible isolates, and 6 had both CR and CS isolates). All patients had underlying diseases and 17 of them (14 patients with CR-KP and 3 with CS-KP) had received carbapenems previously. The range of carbapenem MICs for total isolates were: imipenem: 2 to >32 mu g/ml vs. <2 mu g/ml; meropenem: 4 to >32 mu g/ml vs. <2 mu g/ml; and ertapenem: 8 to >32 mu g/ml vs. <2 mu g/ml. All the isolates were also resistant to gentamicin, ciprofloxacin, and cotrimoxazole. Both types of isolates shared a common PFGE pattern associated with the multilocus sequence type 101 (ST101). The bla(CTX-M-15) gene was detected in all the isolates, whereas the bla(OXA-48) gene was only detected in CR-KP isolates on a 70 kb plasmid. Conclusions: The clonal spread of K. pneumoniae ST101 expressing the OXA-48 and CTX-M-15 beta-lactamases was the cause of an outbreak of CR-KP infections. CTX-M-15-producing isolates lacking the blaOXA-48 gene coexisted during the outbreak.

Estudo fenotípico e molecular de resistência aos antimicrobianos em amostras clínicas e ambientais de enterobactérias

Buscamos detectar evidências da presença de genes envolvidos na produção de Enzimas Modificadoras de Aminoglicosídeos (EMAs), Beta-lactamases de espectro estendido (ESBLs) e Mecanismos Plasmidiais de Resistência a Quinolonas (PMQRs) em cepas de K. pneumoniae, K. ozaenae e E. coli isoladas de amostras de água de rios afluentes da Baía de Guanabara e de materiais clínicos de origem hospitalar, além de avaliar o "status sanitário" dos corpos aquáticos abordados no tocante à contaminação fecal recente e indicações de contaminação hospitalar e por outros ambientes de alta seletividade. As cepas de materiais clínicos foram selecionadas entre Maio e Julho de 2010, a partir da semeadura em meio de cultura contendo 8g/mL de gentamicina. As amostras de água foram coletadas em Abril e em Julho de 2009. Realizamos testes de colimetria, empregando para tal, a metodologia convencional e outra, na qual adicionamos 32g/mL de cefalotina e 8g/mL de gentamicina aos caldos Lactosado e Escherichia coli (caldo EC), a fim de detectar e quantificar coliformes resistentes. Para o isolamento das cepas empregamos meios de cultura contendo 32g/mL de cefalotina e 8g/mL de gentamicina. As cepas foram identificadas e submetidas a testes de susceptibilidade aos antimicrobianos (TSA), testes presuntivos para presença de ESBLs, extração de DNA plasmidial e ensaios de Reação em Cadeia de Polimerase (PCR) para a detecção dos genes. A utilização de agentes antimicrobianos nos testes de colimetria nos permitiu detectar a presença e quantificar coliformes totais e fecais resistentes nas amostras de água analisadas nos diferentes pontos. O TSA das cepas isoladas de amostras de água exibiu perfis de multirresistência, compatíveis com o de bactérias de origem hospitalar, semelhante ao encontrado nas cepas isoladas de materiais clínicos. Todas as cepas isoladas de amostras de água e 90% das cepas de materiais clínicos apresentaram pelo menos uma banda plasmidial. Os ensaios de PCR evidenciaram a presença de produtos de amplificação para EMAs, ESBLs e PMQRs, sendo que 7,4% das cepas de amostras de água e 20% das cepas de materiais clínicos apresentaram produtos de amplificação para as três classes de antimicrobianos. A realização de testes de colimetria empregando antimicrobianos, como gentamicina e cefalotina, pode ser uma ferramenta adicional importante ao teste convencional, quando o interesse for, o monitoramento e a prevenção de contaminação ambiental, especialmente associada a microrganismos carreando genes de resistência. O uso criterioso de antimicrobianos em atividades de cunho hospitalar e veterinário e medidas no sentido de prevenção de lançamento de esgoto e/ou tratamento dos efluentes, são fundamentais para o controle da disseminação de elementos genéticos de resistência transferíveis entre os microrganismos. A detecção e identificação de microrganismos apresentando elementos de resistência em ambiente extra-hospitalar como em água e solo, em particular, o emprego de testes de colimetria empregando antimicrobianos, se faz necessária, como forma de prevenção e controle de disseminação destes microrganismos com potencial de causar infecções em humanos e outros animais que eventualmente entram em contato com estes ambientes.

Análise da prevalência de resistência aos antimicrobianos em pacientes com infecção urinária comunitária de um laboratório privado na cidade do Rio de Janeiro

Descrever a prevalência das espécies bacterianas isoladas nas infecções urinárias comunitárias. Descrever os perfis de susceptibilidade aos antibióticos de uso oral utilizado frente às bactérias isoladas nas infecções urinárias comunitárias. Avaliar a prevalência de fenótipos de resistência bacterianos através dos resultados dos testes de susceptibilidade e dos rastreamentos específicos utilizados. Amostras colhidas exclusivamente no atendimento ambulatorial com contagens de unidades formadoras de colônias entre 100.000 a ≥1.000.000 por mililitro (UCF/ml) Com ou sem piúria no exame de elementos anormais na urina e sedimentoscopia (EAS). Foram analisados retrospectivamente os resultados de urinoculturas e dos testes de susceptibilidade a antimicrobianos, realizados em um Laboratório da rede privada na cidade do Rio de janeiro, de pacientes atendidos em ambulatórios e com quadros de ITU. As amostras de urina coletadas englobavam basicamente os seguintes bairros: Botafogo, Barra da Tijuca, Ipanema, Copacabana, Tijuca e Centro. Foram analisados um total de 8.475 culturas de urina divididas em 7.286 urinas de pacientes femininos e 1.189 de pacientes masculinos entre Janeiro de 2006 a Dezembro de 2012. As amostras foram todas coletadas na Cidade do Rio de Janeiro e englobavam basicamente os seguintes bairros: Botafogo, Barra da Tijuca, Ipanema, Copacabana, Tijuca e Centro. Encontramos um percentual de resistência de 27% para ciprofloxacina frente à Escherichia coli que com 68.23% é a principal etiologia encontrada na ITU na comunidade os resultados das três fluoroquinolonas avaliadas no estudo, ciprofloxacina (2 geração), levofloxacina (3 geração) e norfloxacina (2 geração), acharemos respectivamente 27%, 25% e 20% de resistência em Escherichia coli. O uso de fluoroquinolonas em infecções urinárias comunitárias e consequentemente os achados de padrões de resistência neste estudo, reforçam o que já foi descrito em outros trabalhos. A cefalosporina de 2 geração (cefuroxima), demonstrou percentuais de resistência bastante satisfatórios frente as principais etiologias. Em Escherichia coli o percentual foi de 2%, em Klebsiella pneumoniae 3% e em Proteus mirabilis não houve nenhum achado de resistência. Uma das vantagens da cefuroxima é ser ativa quanto à produção de beta lactamase, conferindo um espectro maior frente a possíveis produtoras desta enzima. Seu esquema posológico é de 250mg duas vezes ao dia por 7 dias para infecções urinárias não complicadas. O meio mais eficaz de melhorar a administração antimicrobiana provavelmente envolverá um programa abrangente que incorpora múltiplas estratégias e colaboração entre as diversas especialidades dentro de uma determinada instituição de saúde. Neste contexto, a observação periódica da incidência bacteriana com seus respectivos índices de resistência aos antimicrobianos por sitio de infecção e correlação com os antibióticos mais comumente utilizados, é mandatória para o sucesso terapêutico.