Genomica in Sanità Pubblica: integrazione tra dati molecolari e sorveglianza epidemiologica per la prevenzione e il controllo delle infezioni sostenute da batteri patogeni multi-resistenti

Antimicrobial resistance (AMR) is a global concern. Klebsiella pneumoniae and Acinetobacter baumannii responsible of hospital infections and non-typhoidal Salmonella enterica relevant in the food chain are among pathogens showing high multi-drug resistance (MDR). Aim of this study was to describe the epidemiological insights related to AMR characterizing by different molecular approaches K.pneumoniae and A.baumannii collected within the ‘Alert organism’ surveillance system in the ‘A. Cardarelli’ hospital (Molise Region, central Italy), and non-typhoidal S. enterica collected during the inspection activities carried out by Public Health England, London, United Kingdom. Twenty-six K.pneumoniae and 24 A.baumannii were analyzed to evaluate resistance profile (resistotype) assessing Minimal Inhibitory Concentration for different antibiotics, and prevalence of AMR determinants (KPC/GES/VIM/IMP,NDM,OXA-48,CTX-M/TEM/SHV; GIM/AmpC, OXA-23/24/51/58 only in A.baumannii, such as adeB/J/G/S/M, soxR and craA coding for efflux systems) by PCR. In colistin-resistant K.pneumoniae, detection of mcr1-8variants trough PCR and mutations in mgrB by sequencing was also performed. For molecular typing, Pulsed field gel electrophoresis (PFGE) (using XbaI for K.pneumoniae and ApaI/AscI for A.baumannii) and Multilocus sequence typing (MLST) according to Pasteur and Oxford schemes for K.pneumoniae and A.baumannii, respectively, were used. Whole genome sequencing (WGS) data of non-typhoidal S.enterica collected between 2013-18 were analyzed, including 74,958 samples from different sources to evaluate prevalence and serovars, and AMR determinants analysis focused on strains from United Kingdom, Thailand and Brazil. KPC was confirmed as the endemic carbapenemase in MDR K.pneumoniae, together with a high prevalence of VIM, TEM and SHV, while colistin resistance(70%) was attributed to point mutations and sequence insertions (IS5like, ISKpn14) in mgrB. PFGE and MLST allowed identifying an epidemic cluster occurred in the hospital intensive care unit and high prevalence of sequence type (ST) 512 followed by ST101, in line with national data. OXA-23 and OXA-51 were observed in all MDR A.baumannii, according to other Italian studies and VIM carbapenemase was found in 30% isolates, while is typically found in K. pneumoniae. The genes coding for the efflux pumps were identified in all strains, while abeM and craA were absent. PFGE grouped the strains in clusters, while ST1720 was the prevalent clone, although not found in other Italian studies. Prevalence non-typhoid S.enterica was of 1.3%, and was high in chicken and betel leaves, and S. Heidelberg was the serovar mostly identified. Analysis of AMR determinants covered 384 strains including those from Brazil, Thailand and the United Kingdom. The isolates from Brazil showed a high MDR (to more than 3 classes of antibiotics), due to the presence of aac(6')-Iy(100%), parC(97.2%), tet(A)-1(94.6%) sul-2(94,2%) and CMY-2(75%), associated with resistance to aminoglycosides, fluoroquinolones, tetracyclines, sulfamethoxazole and β-lactams, respectively. Strains from Thailand also showed high AMR levels, showing parC(59%) and aac(6')-Iy(56%). Among isolates from UK, AMR was found at lower level compared to the others, and parC(70%) and aac(6')-Iy(68.8%) prevailed. The different prevalence of resistance genes is likely associated with diverse strategies to fight AMR in the United Kingdom and Thailand, while are still absent in Brazil.

L’antibiotico-resistenza (AMR) è un problema diffuso a livello globale. Tra i patogeni che mostrano spiccata multi-resistenza (MDR) sono rilevanti Klebsiella pneumoniae e Acinetobacter baumannii responsabili di infezioni correlate all’assistenza e Salmonella enterica non tifoidea di quelle a trasmissione alimentare. Obiettivo principale del lavoro è stato quello di descrivere le caratteristiche epidemiologiche di AMR relative a tali patogeni caratterizzando, con diversi approcci molecolari, ceppi di K.pneumoniae e A.baumannii isolati nell’ambito del sistema di sorveglianza ‘Alert organisms’ presso il Presidio Ospedaliero(PO)‘A.Cardarelli’ di Campobasso (Regione Molise) e ceppi di S.enterica non tifoidea raccolti nelle attività di ispezione del Public Health England, Regno Unito. Sono stati analizzati 26 ceppi di K.pneumoniae e 24 di A.baumannii per valutare, mediante antibiogramma, il profilo di resistenza (resistotipo) a diversi antibiotici e, mediante PCR, la prevalenza di determinanti di AMR (KPC,GES,VIM,IMP,NDM,OXA-48,CTX-M,TEM, SHV; GIM,AmpC,OXA-23/24/51/58 solo in A.baumannii, come adeB/J/G/S/M,soxR e craA codificanti per sistemi di efflusso. Nei ceppi di K.pneumoniae colistina-resistenti è stata effettuata la ricerca di varianti mcr(1-8) e di mutazioni in mgrB mediante sequenziamento. La tipizzazione molecolare è stata condotta mediante Pulsed field gel electrophoresis(PFGE), con XbaI per K.pneumoniae e ApaI/AscI per A.baumannii, e Multilocus sequence typing(MLST), usando rispettivamente i protocolli Pasteur e Oxford. Sono stati analizzati i dati ottenuti mediante Whole genome sequencing(WGS) relativi a 74.958 campioni di diversa origine (alimenti, mangimi, acqua, ambiente) raccolti nel periodo 2013-18 per determinare la prevalenza di S.enterica non tifoidea e dei serovar e di geni di AMR nei soli ceppi provenienti da Regno Unito, Tailandia e Brasile. Nei ceppi MDR di K.pneumoniae, è stata confermata la presenza di KPC a livello endemico e l’elevata diffusione di VIM,TEM e SHV, implicati nella resistenza ai carbapenemi, mentre la resistenza alla colistina(70%) è stata attribuita alla sola presenza di mutazioni puntiformi e inserzioni di sequenza(IS5like,ISKpn14) in mgrB. PFGE e MLST hanno identificato rispettivamente un cluster epidemico verificatosi nel reparto di terapia intensiva del PO e una maggiore prevalenza del sequence type(ST)512 seguito da ST101, in linea con dati nazionali. In tutti i ceppi MDR di A.baumannii, è stata osservata la presenza di OXA-23 e OXA-51, in linea con molti studi italiani e nel 30% anche VIM, tipicamente riscontrata in K.pneumoniae. I geni codificanti per le pompe di efflusso sono stati individuati in tutti i ceppi, tranne abeM e craA risultati assenti. La PFGE ha raggruppato i ceppi in cluster, mentre ST1720 è risultato il clone prevalente, sebbene non riscontrato in altri studi italiani. La prevalenza di S.enterica non tifoidea è stata pari all’1,3% e più elevata in campioni di pollo e foglie di betel. S.Heidelberg è risultato il serovar maggiormente coinvolto nella diffusione di geni di AMR, in accordo con evidenze in letteratura. L’analisi di determinanti di AMR ha riguardato 384 ceppi includendo quelli da Brasile, Tailandia e Regno Unito. Gli isolati da Brasile hanno mostrato un’elevata MDR (a più di 3 classi di antibiotici), dovuta alla presenza di aac(6')-Iy(100%), parC(97,2%), tet(A)-1(94,6%) sul-2(94,2%) e CMY-2(75%), associati rispettivamente alla resistenza verso aminoglicosidi, fluorochinoloni, tetracicline, sulfametossazolo e β-lattamici. Anche i ceppi provenienti da Tailandia hanno mostrato livelli elevati di AMR presentando soprattutto parC(59%) e aac(6')-Iy(56%). Negli isolati da Regno Unito è stato riscontrato il livello di AMR più basso e parC(70%) e aac(6')-Iy(68,8%) sono stati prevalenti. La differente prevalenza di geni di resistenza è plausibilmente associata a diverse strategie per contrastare il fenomeno dell’AMR nel Regno Unito e in Tailandia, mentre sono ancora assenti in Brasile.