Characterization of antibiotic resistance mechanisms in gram negative bacteria isolated from animals and food products of animal origin

Abstract

ABSTRACT - Antibiotics were a truly innovative option in medical therapy for the treatment of diseases caused by microbial agents, having largely contributed for the decrease levels of human and animal morbidity and mortality. Therefore, the overuse and misuse of these drugs in human clinical therapy and in the veterinary medicine, including animal production, contributed for the emergence and dissemination of antibiotic resistant microorganisms, which are a serious threat to human and animal health, and to the ecosystem. The aim of the present thesis was to search the main acquired antibiotic resistance mechanisms to β-lactams, fluoroquinolones and polymixins in Gram negative bacteria recovered from different animal species and matrices, and to investigate the most important mobile genetic elements involved in the dissemination. Thus, the studies concerning antibiotic susceptibility and molecular characterization were performed in collections of bacterial isolates belonging to Enterobacteriaceae family (mainly Escherichia coli and Salmonella enterica). Both bacterial species were associated to antibiotic resistant determinants of clinical relevance in human and veterinary medicine, namely, blaCTX-M-1, blaCTX-M-14, blaCTX-M-15, blaCTXM- 32, blaCMY-2, qnrS1, aac(6’)-Ib-cr, mcr-1. The diversity of detected mobile genetic elements, e.g., IncI1, IncF and IncX4 plasmids, insertion sequences ISEcp1, as well as integrons of class 1 and 2, suggest their involvement in the dissemination of resistance genes interspecies, and movement within the bacterial cell. Genomic analysis of two isolates (Morganella morganii and Salmonella Enteritidis), highlighted the potencial of omic technologies, as an additional tool to the phenotypic and genotypic characterization of antibiotic resistance. The results obtained throughout this thesis highlight the importance of the different animal species as reservoirs of antibiotic resistant bacteria. In addition, it was reinforced the need of a permanent research and monitoring of antibiotic resistance in the different ecological niches, and the use of genomic approaches, which had an important role in the understanding of the complex problem represented by the dynamic of antibiotic resistance.

RESUMO - Os antibióticos constituíram uma opção verdadeiramente inovadora na terapêutica medicamentosa para o tratamento de doenças provocadas por agentes microbianos, tendo contribuído largamente para a diminuição das taxas de morbilidade e mortalidade humana e animal. Porém, a utilização abusiva e inadequada destes fármacos na prática clínica humana e na medicina veterinária, incluindo a produção animal, contribuiu para a emergência e disseminação de microrganismos resistentes, os quais constituem uma grave ameaça à saúde humana e animal, e para o ecossistema. A presente dissertação teve como objetivo central investigar os principais mecanismos de resistência adquirida aos antibióticos β-lactâmicos, fluoroquinolonas e polimixinas em bactérias de Gram negativo isoladas de diferentes espécies animais e matrizes, bem como os principais elementos genéticos móveis responsáveis pela sua disseminação. Assim, os estudos de suscetibilidade aos antibióticos e caracterização molecular foram realizados em coleções de estirpes bacterianas pertencentes à família Enterobacteriaceae (maioritariamente Escherichia coli e Salmonella enterica). Ambas as espécies bacterianas estavam associadas a determinantes de resistência de relevância clínica humana e veterinária, nomeadamente blaCTX-M-1, blaCTX-M-14, blaCTX-M-15, blaCTX-M-32, blaCMY-2, qnrS1, aac(6’)-Ib-cr, mcr-1. A diversidade de elementos genéticos móveis detetados, e.g. plasmídeos IncI1, IncF e IncX4, sequências de inserção ISEcp1, bem como integrões de classes 1 e 2, sugere o seu envolvimento na disseminação de genes de resistência aos antibióticos entre espécies, tal como a sua movimentação dentro da própria bactéria. A análise do genoma de duas estirpes (Morganella morganii e Salmonella Enteritidis) realçou o potencial das tecnologias ómicas, como ferramenta adicional na caracterização fenotípica e genotípica da resistência aos antibióticos. Os resultados obtidos salientam a importância que as várias espécies animais representam como reservatórios de bactérias resistentes aos antibióticos. Foi igualmente reforçada a necessidade de uma permanente investigação e monitorização da resistência aos antibióticos nos vários nichos ecológicos, e do uso de abordagens genómicas, as quais tiveram um papel importante na compreensão do complexo problema que representa a dinâmica da resistência aos antibióticos.