Czy środowiska wodne z Delhi ukrywają oporność na antybiotyki?
Środowiska wodne Delhi jako rezerwuar wielolekoopornych szczepów Klebsiella pneumoniae – alarmujące wyniki badań
Oporność na antybiotyki stanowi jedno z najpoważniejszych globalnych zagrożeń dla zdrowia publicznego. Szacuje się, że do 2050 roku może ona być odpowiedzialna za około 10 milionów zgonów rocznie. W kontekście narastającej antybiotykooporności, szczególnie niepokojące są doniesienia o rozprzestrzenianiu się wielolekoopornych szczepów Klebsiella pneumoniae w środowisku naturalnym. Nowe badanie przeprowadzone w regionie Delhi-NCR w Indiach ujawnia alarmującą obecność wielolekoopornych szczepów K. pneumoniae w próbkach wody pochodzących zarówno ze ścieków, jak i naturalnych zbiorników wodnych.
Jakie są wyniki badań nad opornością K. pneumoniae?
Badacze pobrali próbki z 14 różnych lokalizacji w okresie styczeń 2023 – lipiec 2024, identyfikując 33 izolaty K. pneumoniae wykazujące oporność na amoksycylinę z kwasem klawulanowym (AMC) oraz wiele innych antybiotyków. K. pneumoniae należy do grupy patogenów ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa i Enterobacter spp.), które charakteryzują się zdolnością unikania działania antybiotyków i są odpowiedzialne za większość zakażeń szpitalnych. Ta Gram-ujemna bakteria ma szeroki zasięg ekologiczny i może być wykrywana w żywności, ściekach, glebie, roślinach, a także stanowi część mikrobioty jelitowej zwierząt i ludzi. K. pneumoniae jest oportunistycznym patogenem, który kolonizuje powierzchnie śluzowe bez wywoływania choroby, ale może być drugą najczęstszą przyczyną zakażeń układu moczowego po E. coli.
Wyniki testów wrażliwości na antybiotyki pokazały, że wszystkie izolaty były oporne na ampicylinę (100%), a większość z nich wykazywała oporność na ampicylinę z sulbaktamem, cefotaksym i ceftazydym (97%), ciprofloksacynę (94%), ceftriakson i lewofloksacynę (82%), ertapenem (79%) oraz kotrimoksazol (73%). Co więcej, ponad połowa izolatów była oporna na aztreonam (67%) i imipenem (58%). Wskaźnik MAR (Multiple Antibiotic Resistance) dla większości izolatów (91%) wynosił ≥0,5, co wskazuje na znaczny stopień zanieczyszczenia środowiska szczepami wysoce opornymi. Jeden izolat (Oh-7) wykazywał nawet oporność na wszystkie testowane antybiotyki (MAR = 1,0), a trzy inne (Va-24, Sn-39 i Sn-51) wykazywały bardzo wysoki wskaźnik MAR wynoszący 0,94.
Jakie mechanizmy genetyczne wzmacniają oporność?
W badaniach fenotypowych 61% (20 z 33) izolatów K. pneumoniae potwierdzono jako producentów ESBL, a 64% (21 izolatów) sklasyfikowano jako pozytywne pod względem produkcji karbapenemaz (CPE), wykazując strefy zahamowania ≤19 mm zarówno dla ertapenemu, jak i imipenemu. Wartości MIC dla różnych antybiotyków wahały się od 2 do ≥1024 μg/ml, przy czym najwyższe wartości odnotowano dla AMC, CTX i COT. Dziesięć izolatów tolerowało stężenia 64 μg/ml lub wyższe dla wszystkich testowanych antybiotyków.
Szczególnie niepokojące jest wykrycie wśród badanych szczepów genów kodujących enzymy rozkładające antybiotyki β-laktamowe, w tym ESBL (Extended-Spectrum Beta-Lactamases) i karbapenemazy. Gen blaTEM został zidentyfikowany we wszystkich izolatach, podczas gdy blaSHV i blaCTX-M wykryto odpowiednio w 76% i 55% izolatów. Geny karbapenemaz blaNDM i blaOXA-48 zidentyfikowano odpowiednio w 27% i 39% izolatów. Ponadto, geny oporności na fluorochinolony qnrS i qnrB wykryto w odpowiednio 94% i 88% izolatów. Gen oporności na tetracyklinę tetA występował w 82% izolatów, a tetB w 24%. Wśród genów antyfolatowych, sul1 i dfrA12 wykryto odpowiednio w 91% i 9% izolatów.
Obecność integronów klasy 1 (intI1) we wszystkich izolatach jest szczególnie alarmująca, ponieważ struktury te umożliwiają horyzontalny transfer genów oporności między bakteriami, co może prowadzić do szybkiego rozprzestrzeniania się oporności w populacjach bakteryjnych. Integrony klasy 2 (intI2) zidentyfikowano w 21% izolatów, wszystkie z nich posiadały również intI1. Analiza chi-kwadrat wykazała, że rozkład genów oporności wśród badanych izolatów bakteryjnych nie jest przypadkowy i jest kształtowany przez presję selektywną, taką jak stosowanie antybiotyków i ekspozycja środowiskowa.
Eksperyment transkonjugacji przeprowadzony przez badaczy potwierdził zdolność izolatów K. pneumoniae do przenoszenia genów oporności na wrażliwy szczep E. coli J53R, co doprowadziło do znacznego wzrostu wartości MIC u transkonjugantów. Szczególnie wysoki wskaźnik transferu (100%) odnotowano dla genów blaTEM i intI1, co podkreśla ich potencjał do szybkiego rozprzestrzeniania się w populacjach bakteryjnych.
Jak wirulencja i biofilm wpływają na leczenie zakażeń?
Oprócz genów oporności, badacze przeanalizowali również obecność genów wirulencji związanych z tworzeniem biofilmu i zdolnością do adhezji. Najczęściej wykrywanymi genami wirulencji były mrkD (79%), ecpA i iucC (po 55%) oraz fimH (33%), z najmniej częstym rmpA (6%). 15% izolatów współposiadało kombinację genów (fimH + ecpA + iucC + mrkD). Obecność genu iucC kodującego siderofor aerobaktynę, w połączeniu z pozytywnym wynikiem testu string (test sznurkowy), pozwoliła na sklasyfikowanie 42% izolatów jako hipervirulentne szczepy K. pneumoniae (hvKp). Dwa izolaty posiadające gen rmpA były pozytywne w teście string i wykazywały silne fenotypy tworzenia biofilmu.
Zdolność do tworzenia biofilmu, która zwiększa oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe i stres zewnętrzny, była obecna u 91% izolatów, przy czym 64% wykazywało silną zdolność do tworzenia biofilmu, 15% umiarkowaną, a 12% słabą. Zaobserwowano, że 83,33% izolatów posiadających gen iucC było silnymi producentami biofilmu. Łącznie 79% izolatów było pozytywnych w teście hipermukoidowości (test string). Obserwacje mikroskopowe przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) potwierdziły zdolność wybranych izolatów do tworzenia gęstych agregatów komórkowych, co może znacząco przyczyniać się do ich przetrwania w środowisku i oporności na antybiotyki. Warto zauważyć, że według szacunków National Institutes of Health (NIH), do 75% chorób zakaźnych jest powodowanych przez bakterie tworzące biofilm.
- 42% izolatów sklasyfikowano jako hipervirulentne (hvKp)
- 91% wykazuje zdolność do tworzenia biofilmu, który zwiększa oporność na antybiotyki i utrudnia leczenie
- Eksperymenty potwierdziły, że bakterie te mogą przekazywać geny oporności innym patogenom
- Środowiska wodne stanowią rezerwuar tych niebezpiecznych szczepów, które mogą krążyć między ludźmi, zwierzętami i ekosystemami
Klinicyści powinni zachować szczególną czujność przy leczeniu zakażeń K. pneumoniae, wykonywać testy wrażliwości przed terapią i rozważać alternatywne strategie leczenia.
Jak wyniki badań przekładają się na praktykę kliniczną?
Wykrycie wielolekoopornych szczepów K. pneumoniae przenoszących geny wirulencji i zdolnych do transkonjugacji w próbkach środowiskowych podkreśla rolę środowiska jako krytycznego rezerwuaru oporności na antybiotyki. Wyniki badania wzmacniają perspektywę One Health, zgodnie z którą oporne szczepy K. pneumoniae mogą krążyć między ludźmi, zwierzętami i ekosystemami, zwiększając ryzyko transmisji.
Indie są jednym z największych konsumentów antybiotyków na świecie, a coraz więcej dowodów wskazuje na powszechną oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe zarówno w środowisku klinicznym, jak i społecznym. Region Delhi-NCR, z gęstą populacją, szybką urbanizacją i rozległym odprowadzaniem nieoczyszczonych ścieków szpitalnych i komunalnych do naturalnych zbiorników wodnych, stanowi krytyczny punkt zapalny dla pojawiania się i rozprzestrzeniania opornych patogenów. Badacze postawili hipotezę, że szczepy K. pneumoniae z środowisk wodnych i ścieków w regionie Delhi-NCR posiadają znaczące geny oporności na AMC i determinanty wirulencji, stanowiąc potencjalne zagrożenie dla zdrowia publicznego w ramach podejścia One Health.
Dla klinicystów, te ustalenia mają istotne implikacje. Po pierwsze, wskazują na potrzebę zwiększonej czujności przy leczeniu zakażeń wywołanych przez K. pneumoniae, zwłaszcza u pacjentów z obszarów o znanym zanieczyszczeniu środowiska. Po drugie, podkreślają znaczenie szybkiej diagnostyki i testów wrażliwości na antybiotyki przed rozpoczęciem terapii. Po trzecie, wskazują na potrzebę rozważenia alternatywnych strategii terapeutycznych, takich jak kombinacje antybiotyków lub terapie skierowane przeciwko biofilmowi, w przypadku zakażeń wywołanych przez wielolekooporne szczepy.
Jakie wyzwania i kierunki dalszych badań?
Badanie to jest pierwszym raportem dotyczącym genetycznych mechanizmów oporności na AMC u K. pneumoniae pochodzącej z wody w Indiach. Podkreśla ono krytyczną potrzebę monitorowania stosowania różnych środków przeciwdrobnoustrojowych oraz wdrażania standardowych procedur operacyjnych przed odprowadzaniem ścieków szpitalnych bezpośrednio do środowiska, co może pomóc ograniczyć globalne obciążenie opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe.
Autorzy badania podkreślają potrzebę dalszych badań, w tym analizy molekularnej epidemiologii, typowania plazmidów, mapowania koniugacji, badań długoterminowych do monitorowania przetrwania oraz metagenomiki, aby lepiej zrozumieć dynamikę populacji mikrobiologicznych i profilowanie rezystomu w różnych środowiskach. Tylko poprzez kompleksowe podejście do problemu antybiotykooporności, uwzględniające zarówno aspekty kliniczne, jak i środowiskowe, możliwe będzie skuteczne przeciwdziałanie temu narastającemu zagrożeniu dla zdrowia publicznego.
Podsumowanie
Badanie przeprowadzone w regionie Delhi-NCR w Indiach ujawnia alarmującą obecność wielolekoopornych szczepów Klebsiella pneumoniae w środowiskach wodnych, zarówno w ściekach, jak i naturalnych zbiornikach. Analiza 33 izolatów wykazała, że wszystkie były oporne na ampicylinę, a większość na szeroki zakres antybiotyków, w tym cefalosporyny trzeciej generacji i karbapenemy. Wskaźnik wielolekooporności MAR wynosił ≥0,5 dla 91% szczepów, przy czym jeden izolat był oporny na wszystkie testowane antybiotyki. Badania molekularne potwierdziły obecność genów kodujących enzymy ESBL i karbapenemazy, w tym bla-TEM w 100% izolatów, oraz genów oporności na fluorochinolony i tetracykliny. Szczególnie niepokojąca jest obecność integronów klasy 1 we wszystkich izolatach, co umożliwia horyzontalny transfer genów oporności między bakteriami. Dodatkowo 42% szczepów sklasyfikowano jako hipervirulentne, a 91% wykazywało zdolność do tworzenia biofilmu, co zwiększa ich przetrwalność i oporność. Eksperymenty transkonjugacji potwierdziły zdolność przenoszenia genów oporności na inne bakterie. Wyniki podkreślają środowisko wodne jako krytyczny rezerwuar antybiotykooporności i wskazują na potrzebę wdrożenia strategii One Health, łączącej monitorowanie środowiskowe z praktyką kliniczną, aby przeciwdziałać rozprzestrzenianiu się wielolekoopornych patogenów.
