におけるコリスチン耐性の有病率といくつかの可能なメカニズム多剤耐性および広範囲の薬剤耐性緑膿菌

はじめに

緑膿菌(緑膿菌)は、土壌、水、植物、病院環境などの環境で一般的に見られる日和見病原体であり、多くの抗菌剤に対する固有の抵抗性および耐性を有することが知られている。生命を脅かす感染症を引き起こす。 これは、集中治療室(Icu)における敗血症の第二の一般的な原因と考えられ、人工呼吸器関連肺炎、創傷感染症および尿路感染症(UTI)を引き起こす可能性があ 多くの研究では、緑膿菌に関連する感染症、特に多剤耐性パターンを示す感染症の死亡率および罹患率の増加が報告されています。1-3

多剤耐性(MDR)または広範囲の薬剤耐性(XDR)またはpandrug耐性(PDR)Pの出現。 緑膿菌は、特にカルバペネム耐性緑膿菌の出現により、抗菌療法の遅延またはその失敗および死亡率の増加につながる可能性のある重大な公衆衛生上の問題となっている。 したがって、これらの耐性株は、利用可能なすべての抗菌剤に対して耐性を示すか、またはコリスチンまたはポリミキシンなどの毒性のものにのみ感受性を示し、MDR P.Aeruginosaに関連する重度の感染症の治療においてヘルスケアチームに選択肢を残さないため、注意が必要である。4

最近、k.pneumoniae、e.coli、Enterobacter aerogenes、Enterobacter cloacaeなどの腸内細菌科の特定の種では、獣医学における感染制御に広く使用されているため、ポリミキシンに対する耐性の出現が観察された。 コリスチン耐性は、特にesbl、MBL、汎薬剤耐性の出現の可能性を持つNDM遺伝子として他の複数の薬剤耐性遺伝子とmcr-1遺伝子の共存と生命を脅かす感染症の治療のための主要な課題となっている。5,6

ポリミキシンEとして知られているコリスチンは、ポリミキシンとして知られているカチオン性ポリペプチドのファミリーの一つである。 この抗生物質ファミリーは、親油性脂肪アシル側鎖の存在を特徴とする。 この頃は、colistinは医学療法で再導入され、MDRおよびXDRの汚れによって引き起こされる厳しい伝染の処置のための最後の手段として考慮されます。 一般に、細菌に対するポリミキシンの作用は、主に、正に荷電した抗生物質と、その結合後に外膜に局在する脂質Aの負に荷電したリン酸基との間の静電的相互作用に依存し、外膜、ペリプラズム空間を通って拡散し、内膜と相互作用する。 ポリミキシンは、外膜への不安定化、細孔形成、透過性の増加、細胞質含量への漏出、続いて細胞溶解を引き起こす。7

コリスチン耐性は、主に、リポ多糖の脂質A部分の4π-リン酸基にホスホエタノールアミンを酵素的に添加することによる化学修飾により、外膜の正味負電荷を減少させ、ポリミキシン親和性を減少させることによって生じる。 コリスチンに対する耐性は、k.pneumoniaeで報告されているように染色体的にコードされた変異またはコリスチン耐性遺伝子(mcr-1)を運ぶプラスミドによる耐性の水平移動に起因する可能性がある。8-11

アジア、ヨーロッパ、アフリカのいくつかの国におけるコリスチン耐性の出現は、世界的な懸念の一つとなっている。 として、コリスチン耐性播種は、抱合プラスミドによって水平に、または染色体突然変異によって垂直に移動する能力を示す。12,13また、治療不可能な感染症の出現によって世界を脅かすコリスチン耐性分離株の出現を作り、深刻な感染症への治療の最後の行の一つであること。14エジプトにおけるコリスチン耐性の検出は、感染症の負担が高く、獣医学および医学の両方における抗菌使用に対する低または無制限の存在によって知られており、コリスチン耐性を高耐性細菌に移す可能性があるため、私たちの地域では治療不可能な疾患の出現を示している。15

本研究では、MDRとXDR Pの間でコリスチン抵抗性の有病率を調査します。 エジプトのMinia大学病院の集中治療室(ICU)のいろいろな伝染に苦しんでいる患者から隔離されるaeruginosa。

材料および方法

分離株の収集

エジプトのMinia大学病院でICUに入院した患者から、異なる感染源の臨床サンプルを収集しました。 全ての臨床試料を、トリプチカーゼ大豆寒天(Lab M、UK)上で、3 7℃および4 2℃で2 4時間培養した。 一つのコロニーをMacconkey寒天プレートとセトリミド寒天上でサブ培養した。 単離されたコロニーは、さらにコロニーの形態、乳糖発酵、生化学反応(硫化インドール運動性、カタラーゼ、三重糖鉄、ウレアーゼおよびオキシダーゼ試験を含む)、セトリミドアガー上で成長し、42℃で成長する能力に応じて同定された16p.緑膿菌コロニーは、ストリーキングによって精製され、純粋なコロニーは4℃で保存された。

抗生物質感受性試験

Kirby-Bauer Disc Diffusion Methodによる抗生物質感受性

異なるクラスの抗生物質に対する抗生物質感受性をKirby-Bauer disc diffusion methodによって試験した。使用された17の抗生物質ディスクは、アモキシシリン/クラブラン(AMC)(20/10μ g)、アンピシリン/スルバクタム(SAM)(20μ g)、メロペネム(MEM)(10μ g)、イミペネム(IPM)(10μ g)、セフェピム(FEB)(30μ g)、セフペラゾン(CEP)(75μ g)、ポリミキシンB(PB)(300μ g)、シプロフロキサシン(cip)(5μ g)であった。セフタジジム(CAZ)(30μ g)、チゲサイクリン(TGC)(15μ g)、アミカシン(AK)(30μ g)、トブラマイシン(CF)(10μ g)、アズトレオナム(atm)(30μ g)、ピペラシリン(prl)(30μ g)、カルベニシリン(car)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)(100μ g)オキソイド;basingstoke,uk)。 分離株は、inhibition zones’interpretation standards of Clinical Laboratory standards Institute(CLSI)2018.18

コリスチン抗生物質のMIC決定

Muller-Hinton寒天の寒天希釈法を用いて、コリスチン最小阻害濃度を決定した。19MICがclsiの標準的な指針に従って≤4μ g/mLならコリスチンへの抵抗は考慮されました。18

抗生物質感受性の結果によると、分離株は以前に報告された基準に従ってMDR、XDRおよびPDRに分類された。2 0<4 0 8><6 1 0 3>複合ディスク拡散試験(CDT)<8 1 8 7><5 9 7 5>全てのコリスチン耐性単離株(MIC≧4)を1 0 0m M EDTA(Sigma−Aldrich;St. 細菌株をMuller−Hinton寒天(Lab M,UK)上で培養し、その上に3枚の円盤を使用した。 1つのディスクを1 0μ lの1 0 0m M EDTAで飽和させて、使用されたEDTA濃度による細菌増殖の阻害を保証しなかった。 他の二つのディスクは、10μ gコリスチンディスクと10μ gコリスチンプラス10μ l100mM EDTAディスクであった。 分離株は、コリスチンディスクと比較してコリスチン/EDTAディスクの阻害ゾーン直径の≤3mmの増加のために観察された。21

ゼータ電位の変化

mcr遺伝子は、グラム陰性細菌の外膜の脂質Aにホスホエタノールアミン(PEtN)部分を酵素的に結合するホスホエタノールアミントランスフェラーゼ酵素をコードし、その正味の負電荷の減少につながり、コリスチン耐性を付与する。22

細菌細胞は、80μ g/mL EDTAの存在下および非存在下で増殖させた。 次いで、細菌懸濁液を5 0 0 0rpmで5分間、5℃で遠心分離し、次いでペレットを2回洗浄し、その後、ペレットを、0. 試料を1m M Naclを用いて1:4に希釈した。 ゼータ電位を2mlの希釈試料中で測定した。 EDTAによって誘導されるゼータ電位の変化は、ゼータ電位比(RZP=ZP+EDTA/ZP-EDTA)から計算され、ZP+EDTAおよびZP-EDTAは、それぞれ80μ g/mL EDTAの存在または非存在下で増殖させた細菌懸濁液 Mcr-1陽性株の同定のための基準として考慮される≥2.5値のRZP。21

DNA抽出

DNAテンプレートは、前述のように緑膿菌の一晩培養から抽出しました。23細菌ペレットの懸濁液を10分間煮沸し、次いで遠心分離した。 上清をPCRアッセイに直接使用した。

試験した遺伝子のPCR解析

エキソトキシンAは、臨床感染における緑膿菌の重要な病原性因子(細胞毒性剤)である。 この要因は大きいティッシュおよび器官の損傷の原因となる蛋白質の生合成を禁じる。 P.aeruginosa染色体上に位置する固有の遺伝子配列であるtoxa遺伝子をPCRによるp.aeruginosa確認に用いた。<4 0 8><5 9 7 5>PCRは、1X PCR緩衝液、1μ mol/lの各プライマー、1μ lのゲノムDNA(約1 5 0ng)、2 0 0μ mol/LのdNTPSミックス、2mmol/LのMgcl2、および0. PCR増幅は、Toxa F W:CTGCGCGGGTCTATGTGCC、RV:GATGCTGGACGGGTCGAGについて、以下の条件下で、自動サーマルサイクラー(Eppendorf、Hamburg、Germany)で実施した:9 4℃で1分間の3 0サイクル、6 3℃で1.プライマー: mcr−1FW(5’−AGTCCGTTTGTTCTTGTGGC−3’)、RV(5’−AGATCCTTGGTCTCGGCTTG−3’)およびmcr−2Fw(5’−ATGACATCACATCACTCTTGG−3’)、Rv(5’−TTACTGGATAAATGCCGCGC−3’)である。25,26技術条件は、34サイクルの95°Cで1分、mcr-1で58°C、52°Cで30秒、72°Cで1分、72°Cで5分間の最終延長であった。<4 0 8><6 1 0 3>Efflux Pump Inhibitor(CCCP)を用いたMIC還元によるEfflux Pump阻害の決定<8 1 8 7><5 9 7 5>陽イオン調整Mueller−Hinton broth(Sigma−Aldrich,St Louis,USA)を用いたMicの決定には寒天希釈法を用いた。 CCCP(EPI)とコリスチンのMicを試験した分離株について決定した。 CccpのサブMICは、コリスチンMICに対するその効果を決定するために使用された;CCCPの濃度(0.5×MIC)は、抗生物質のそれが連続的に増加した間、常に上記のMIC濃度 CCCPの非存在下および存在下でのコリスチンへの単離株のMicは、既に記載されているようにCCCPのサブMIC(1 0mg/Lの最終濃度)を用いて決定した。得られたCCCPの添加後のMIC倍変化は、CCCP添加抗生物質のMICレベルとCCCP添加抗生物質のMICレベルとの比として計算された。 Osei Sekyere、Amoako28が以前に説明したように、分離株における流出ポンプの存在の肯定的な基準は、CCCPを添加した後のコリスチンMICの≥8倍の減少であったと報

外膜タンパク質パターン

試験した緑膿菌分離株の単一コロニーを、5mLのlbブロス中で37℃で2日間、200rpmで振とうして培養した。 細胞を8 0 0 0rpmで5分間遠心分離した。 0 5M Tris H CL、2%SDS、1 0%グリセロール)に懸濁し、9 5℃で1 0分間加熱した。 次いで、試料を10.000rpmで30分間遠心分離した。 抽出されたタンパク質約50μ lを、試料緩衝液(4mLの脱イオン水、1mLの0.5MトリスHCL、1.6mLの10%SDS、0.4mLの2-メルカプトエタノール、0.2mLの1%(w/v)ブロモフェノールブルー)(1:1)と混合し、12%ドデシル硫酸ナトリウム-ポリアクリルアミドゲル(SDS-PAGE)によって分離した。29

コリスチン感受性およびコリスチン耐性分離株のリポ多糖SDS-ポリアクリルアミドゲルプロファイル

試験分離株のLPSをwestphal、Jann30を用いて熱水性フェノール法で抽出し精製し、SDS-PAGEを用いて精製した物質を分析し、炭水化物特異的銀染色を行った。31

結果

緑膿菌の単離と抗生物質感受性

異なる感染症に罹患している患者から収集された175サンプルのうち、75サンプル(42.8%)はPに対して表現型 toxaの遺伝子のための緑膿菌そして陽性。

抗菌感受性試験では、単離された緑膿菌はアモキシシリン/クラブラン酸に対して完全に耐性であり、アンピシリン/スルバクタム(68%)、セフタジジム(63%)およびアゼトレオナム(60%)に対して高い耐性が観察されたことが明らかになった。 適度な抵抗性は、トブラマイシンとティゲサイクリン(それぞれ50%)の両方に対して観察された。 さらに、イミペネム(6%)およびメロペネム(5.3%)に対して低抵抗を示した(図1)。 抗生物質感受性の結果によれば、耐性単離株はMDR(9 6%)、XDR(8 7%)に分類され、単離株はPDRとして分類されなかった。 さらに、75の分離株のうち、16の分離株(21.3%)は、MIC≤4μ g/mL(8-256μ g/mLの範囲)のコリスチン抗生物質に対する耐性を示したことが判明した。

図1すべての単離された緑膿菌分離株の抗生物質耐性パターン。

Mcr-1遺伝子とMcr-2遺伝子の決定

Mcr-1遺伝子は、コリスチン/EDTAディスクとコリスチンディスクの阻害ゾーンの直径の差が≥3mmであることを測定したCDTによってコリスチン耐性分離株で表現型的に検出され、その結果、6つの分離株(37.5%)がコリスチンディスク単独と比較してコリスチン/EDTAディスクの直径が3-10mm増加したことが示された(図2)。

図2複合ディスク拡散試験(CDT)によるmcr陽性分離株の表現型検出。 (A):mcr-1陽性株は、コリスチン単独と比較してコリスチンおよびEDTA≤3mmのディスクのゾーン直径の増加を示した。 (B):mcr-1陰性分離株は、コリスチン単独と比較してコリスチンおよびEDTAディスクの阻害ゾーン直径にわずかな変化(1mm)を示した。

ゼータ電位の変化

一方、ゼータ電位アッセイの変化は、MCR遺伝子への表現型検出として保持されたが、結果は2つの分離株を除いてゼータ電位に有意な変化

耐性遺伝子の検出

従来のPCR技術を用いたmcr遺伝子の遺伝子検出により、8(50%)の分離株がmcr-1陽性であり、そのうち6がCDT陽性であり、100%(16の分離株)がmcr-2陰性であったことが明らかになった。

コリスチン耐性分離株の抗生物質感受性

他の抗生物質に対するコリスチン耐性分離株の感受性は、Kirby-Bauer disc diffusion methodによって決定され、その結果、分離株の100%はアモキシシリン/クラブランに耐性があり、アンピシリン/スルバクタム、セフェピムおよびトブラマイシンに耐性がそれぞれ78.12%、71.87%および68.75%であったことが示された。 最も効果的な薬物は、メロペネム、イミペネムおよびシプロフロキサシンであった(図3)

図3コリスチン耐性分離株の抗生物質耐性パターン。

.

CCCPを用いたMIC還元による流出ポンプ阻害の決定

MICコリスチンに対するCCCPの0.5MICの効果を調べることにより、3/16の分離株(P6、P8&P16)(18.75%)のみがcccpの存在下でコリスチンのMic≥8倍(表1)の減少を示したことが分かった。 以前の結果から、単離はない。 図16に示すように、流出機構とmcr-1遺伝子を有することが判明した。

表1コリスチン耐性分離株、コリスチンに対する耐性のいくつかの可能なメカニズムおよび他の抗生物質に対する感受性

外膜SDS-PAGEプロファイル

表2および図4は、分子量が66.7、56.06、47.8、40.18および23の5つのバンドを示しています。6KDaは21KDaの分子量を持つ一つのバンドは、P1(mcr-1陽性)とP12(mcr-1陰性)であったコリスチン耐性株でのみ発見されたが、敏感で耐性の分離株で安定

表2コリスチン耐性およびコリスチン感受性緑膿菌の抽出外膜タンパク質の分子量および量%

図4コリスチン耐性株および感受性株の外膜SDS-PAGE。 レーン1: タンパク質マーカー、レーン2およびレーン3:コリスチン耐性株(P1&P12)、レーン4-6:コリスチン感受性株。

リポ多糖(LPS)SDS-PAGE

リポ多糖銀染色SDS-PAGEは、コリスチン耐性mcr-1陰性分離株(P3、P6およびP10)は、それらの損失の可能性とコリスチンに対するこれらの分離株の抵抗性を明らかにしたLPSバンドパターン(O抗原リピートまたはLPSコア)を示さなかったことを示した。 一方、コリスチン耐性mcr-1陽性株は、コリスチン感受性株のO抗原リピートパターン(図5、レーン5)とは異なるO抗原リピートパターン(図5、レーン4)を示し、いずれもLPSコアを示した。 これらの結果は、mcr-1陽性株における修飾LPSの存在を示している可能性がある。

図5LPSバンドのパターン レーン1、2<2 5 2 7>3:コリスチン耐性mcr−1陰性株(それぞれP3、P6<2 5 2 7>P1 0)、レーン4:コリスチン感受性株およびレーン5:コリスチン耐性mcr−1陽性株(P1)。 O抗原反復はボックス化され、矢印はLPSコアを指す。

ディスカッション

最近、利用可能な抗生物質のほとんどがそれらに対して有効ではない多剤耐性病原性細菌株が現れる。6,32-36ポリミキシンは、多剤耐性細菌感染症の治療のための最後の手段と考えられているので、コリスチン耐性の出現を研究する必要がありました。 ポリミキシンはグラム陰性細菌の脂質A上の負に荷電した部分との間の静電的相互作用により活性を示し,外膜の不安定化と細胞質含量の漏出と溶解をもたらした。37,38

ポリミキシン耐性の最も一般的な原因は、4-アミノ-4-デオキシ-L-アラビノース(Lara4N)とホスホエタノールアミン(mcr型遺伝子によってコードされる)またはガラクトサミンをLPSコアの脂質Aに添加することによるLPS修飾であることが分かった。 その結果、リン酸残基の正味負電荷の減少は、ポリミキシンの膜への親和性に影響を与えるか、または二成分調節系(TCSs)pmrA/pmrBおよびphoP/phoQの効果に起因する。39

我々の研究では、表現型法を用いたmcr-1ホスホエタノールアミントランスフェラーゼの存在とmcr-1geneの検出のための彼らのテストに続いてMICsの結果によ 表現型の方法は、mcr-1ホスホエタノールアミンが亜鉛メタロプロテインであることに依存する。 従って、亜鉛のどの減少でもmcr-1のために肯定的な分離株のコリスチンのMICsを減らします。 Mcr-1エンコード酵素であること、亜鉛メタロプロテインは、メディア中の亜鉛を減少させ、コリスチンMICsとmcr-1陽性分離株のゼータ電位に影響を与えるために、金属キレート剤としてEDTAを使用することを可能にする。40

私たちの研究では、緑膿菌(42.8%)の高い有病率を示しました。 MDR p.aeruginosaは全分離株の96%に対応し、87%はXDRであった。 コリスチン耐性緑膿菌の有病率が高い(21。3%)が検出され、我が国の病院の集中治療室における感染管理措置の不十分さおよび殺菌性抗生物質の誤用の結果である可能性がある。 さらに、Colistinはcarbapenemsが緊急事態で使用している間家禽工業の食糧生産動物の成長の昇進の私達の国で広く利用されています、特に。15したがって、カルバペネムは、コリスチンと比較して、試験された生物に対して観察可能な活性を示した。 一方、我々の結果は、Liassineら25によって報告されたものよりも高いことが観察され、異なる細菌種の300分離株の一つの分離株がコリスチンに対する耐性を示

複合ディスク拡散試験(CDT)とEDTAによって誘導されるゼータ電位の変化は、mcr-1遺伝子の検出のための表現型method41、42として使用されました。 結果は、分離株がmcr-2に対して陽性ではなく、コリスチン耐性分離株の8(50%)分離株がmcr-1陽性であったが、これらの分離株の2分離株はRZP>2.5を示した。 8つのmcr-1陽性分離株のうち、6つの分離株はCDT陽性であり、二つのmcr-1陽性であった(株No. P15およびP16)は、EDTAの効果を妨げるコリスチン抵抗性の追加のメカニズムの共生産に起因する可能性があるCDTのために陰性であった。21として、単離noであることが判明した。 P16(mcr-1陽性およびCDT陰性)は流出のために陽性であった。21,43-45さらに、mcr-1に対して陰性であったコリスチン耐性分離株は、抗菌剤の長期使用のために変異を有する可能性がある。

さらに、cccp(流出ポンプ阻害剤)を用いて流出メカニズムの存在と、感受性分離株と耐性分離株間の外膜タンパク質とLPS SDS-PAGEプロファイルの違いにつ 我々の結果は、3つの分離株の間で流出メカニズムの存在を明らかにしたが、そのうちの一つはmcr-1陽性であった。 外膜タンパク質プロファイルは、耐性分離株P1(mcr-1陽性)とP12(コリスチン耐性mcr-1陰性)で21KDaの分子量を持つ一つのバンドを示した。 さらに、コリスチン耐性mcr-1陰性株はLPSバンドパターン(O抗原リピートまたはLPSコア)を示さなかったが、mcr-1陽性(P1)とコリスチン感受性分離株はLPSコアが、異なるO抗原リピートパターンを示したことが分かった。 Machadoら20は、Acinetobacter baumanniにおけるコリスチン抵抗性における流出ポンプの役割を研究し、流出活性がAのヘテロ抵抗性に寄与することを見出した。 突然変異の不在のbaumanni。 Marjaniら43は、単離された緑膿菌の22.5%が我々の結果に近いコリスチンに耐性であり、コリスチン耐性分離株の50%以上が流出ポンプに陽性であったことを示

コリスチンまたはポリミキシンによる細菌の死滅の正確なメカニズムは明確には知られていないが、正に荷電したペプチドおよび負に荷電した脂質Aへのそれらの結合は重要なステップであることが知られている。 そこで、我々はそれらのLPS SDS−PAGEプロファイルを試験し、試験した株の間で有意な差が観察された。 Moffattらによって行われた研究では、LPSの損失は、脂質A生合成遺伝子(lpxA、lpxC、またはlpxD)の不活性化に起因するa.baumaniiコリスチン耐性の出現をもたらしたことが報告 外膜タンパク質パターンは、OprhがポリミキシンおよびEDTAに対するシュードモナスの抵抗性に役割を果たすことを報告したNicasおよびHancock47によって報告されたコリスチン耐性分離株における21KDaである分子量のバンドの存在を示した。 以前の発見は、なぜ株noを説明するかもしれません。 P1(mcr-1陽性)はCDTに対して陰性であった。

結論

本研究は、異なる感染症を患っているICUに入院した患者の間でコリスチン抵抗性を示すMDRおよびxdr p.aeruginosaの高い有病率を示した。 また、それはコリスチン抵抗性をもたらすことができる異なるメカニズムの存在を示した。 これは、ヒトと動物の両方の抗生物質治療戦略を変更する緊急の必要性を示しています。

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