Origin and Evolution of Antibiotic Resistance: The Common Mechanisms of Emergence and Spread in Water Bodies

The environment, and especially freshwater, constitutes a reactor where the evolution and the rise of new resistances occur. In water bodies such as waste water effluents, lakes, and rivers or streams, bacteria from different sources, e.g., urban, industrial, and agricultural waste, probably selected by intensive antibiotic usage, are collected and mixed with environmental species. This may cause two effects on the development of antibiotic resistances: first, the contamination of water by antibiotics or other pollutants lead to the rise of resistances due to selection processes, for instance, of strains over-expressing broad range defensive mechanisms, such as efflux pumps. Second, since environmental species are provided with intrinsic antibiotic resistance mechanisms, the mixture with allochthonous species is likely to cause genetic exchange. In this context, the role of phages and integrons for the spread of resistance mechanisms appears significant. Allochthonous species could acquire new resistances from environmental donors and introduce the newly acquired resistance mechanisms into the clinics. This is illustrated by clinically relevant resistance mechanisms, such as the fluoroquinolones resistance genes qnr. Freshwater appears to play an important role in the emergence and in the spread of antibiotic resistances, highlighting the necessity for strategies of water quality improvement. We assume that further knowledge is needed to better understand the role of the environment as reservoir of antibiotic resistances and to elucidate the link between environmental pollution by anthropogenic pressures and emergence of antibiotic resistances. Only an integrated vision of these two aspects can provide elements to assess the risk of spread of antibiotic resistances via water bodies and suggest, in this context, solutions for this urgent health issue

Resistance to carbapenems in animals in the absence of use

Les carbapénèmes, classe d’antibiotiques naturels ou semi-synthétiques de la famille des bêta-lactamines sont des antibiotiques de première importance en médecine humaine. Même si l’usage des carbapénèmes est interdit en médecine vétérinaire (antibiotiques critiques), des souches bactériennes résistantes à cette classe d’antibiotiques sont décrites dans le secteur animal. À partir d’exemple récents, cette communication a pour objectif de faire un point sur la situation chez l’animal domestique en France. En particulier, l’exemple de Pseudomonas aeruginosa dans des infections cutanées chez le chien illustre comment la résistance aux carbapénèmes est très probablement sélectionnée par l’usage des fluoroquinolones et/ou des aminosides (mécanismes d’efflux). Au final, ces éléments constituent une occasion supplémentaire de rappeler à la profession vétérinaire, l’importance de l’usage raisonné des antibiotiques en toutes circonstances.Carbapenems, a class among beta-lactams are antibiotics of crucial importance in human medicine. Even though carbapenems are not authorized in veterinary medicine, various bacteria harbouring resistance to carbapenems have been reported in the animal sector. Here, based on recent examples, we provide an update on the epidemiological situation of carbapenem resistance in domestic animals in France. Notably, the case of Pseudomonas aeruginosa in the context of external otitis in dogs highlights to what extent resistance to carbapenems may have likely been selected by the use of fluoroquinolones and/or aminoglycosides. At the end, these data stress again the importance of a rational use of antibiotics at any time in veterinary medicine

Is Penicillin Plus Gentamicin Synergistic against Clinical Group B Streptococcus isolates?: An In vitro Study.

Group B Streptococcus (GBS) is increasingly causing invasive infections in non-pregnant adults. Elderly patients and those with comorbidities are at increased risk. On the basis of previous studies focusing on neonatal infections, penicillin plus gentamicin is recommended for infective endocarditis (IE) and periprosthetic joint infections (PJI) in adults. The purpose of this study was to investigate whether a synergism with penicillin and gentamicin is present in GBS isolates that caused IE and PJI. We used 5 GBS isolates, two clinical strains and three control strains, including one displaying high-level gentamicin resistance (HLGR). The results from the checkerboard and time-kill assays (TKAs) were compared. For TKAs, antibiotic concentrations for penicillin were 0.048 and 0.2 mg/L, and for gentamicin 4 mg/L or 12.5 mg/L. In the checkerboard assay, the median fractional inhibitory concentration indices (FICIs) of all isolates indicated indifference. TKAs for all isolates failed to demonstrate synergism with penicillin 0.048 or 0.2 mg/L, irrespective of gentamicin concentrations used. Rapid killing was seen with penicillin 0.048 mg/L plus either 4 mg/L or 12.5 mg/L gentamicin, from 2 h up to 8 h hours after antibiotic exposure. TKAs with penicillin 0.2 mg/L decreased the starting inoculum below the limit of quantification within 4-6 h, irrespective of the addition of gentamicin. Fast killing was seen with penicillin 0.2 mg/L plus 12.5 mg/L gentamicin within the first 2 h. Our in vitro results indicate that the addition of gentamicin to penicillin contributes to faster killing at low penicillin concentrations, but only within the first few hours. Twenty-four hours after antibiotic exposure, PEN alone was bactericidal and synergism was not seen

Characterization of Neisseria gonorrhoeae isolates detected in Switzerland (1998–2012): emergence of multidrug-resistant clones less susceptible to cephalosporins

Background: The spread of Neisseria gonorrhoeae (Ng) isolates resistant to the clinically implemented antibiotics is challenging the efficacy of treatments. Unfortunately, phenotypic and molecular data regarding Ng detected in Switzerland are scarce. Methods: We compared the characteristics of Ng detected during 1998–2001 (n = 26) to those detected during 2009–2012 (n = 34). MICs were obtained with the Etest and interpreted as non-susceptible (non-S) according to EUCAST criteria. Sequence type (ST) was achieved implementing the NG-MAST. BlaTEM, ponA, penA, mtrR, penB, tet (M), gyrA, parC, mefA, ermA/B/C/F, rplD, rplV, and 23S rRNA genes were analyzed. Results: The following susceptibility results were obtained (period: % of non-S, MIC90 in mg/L): penicillin (1998–2001: 42.3%, 3; 2009–2012: 85.3%, 16), cefixime (1998–2001: 0%, ≤0.016; 2009–2012: 8.8%, 0.125), ceftriaxone (1998–2001: 0%, 0.004; 2009–2012: 0%, 0.047), ciprofloxacin (1998–2001: 7.7%, 0.006; 2009–2012: 73.5%, ≥32), azithromycin (1998–2001: 11.5%, 0.25; 2009–2012: 23.6%, 0.38), tetracycline (1998–2001: 65.4%, 12; 2009–2012: 88.2%, 24), spectinomycin (1998–2001: 0%, 12; 2009–2012: 0%, 8). The prevalence of multidrug-resistant (MDR) isolates increased from 7.7% in 1998–2001 to 70.6% in 2009–2012. International STs and genogroups (G) emerged during 2009–2012 (G1407, 29.4%; G2992, 11.7%; G225, 8.8%). These isolates possessed distinctive mechanisms of resistance (e.g., G1407: PBP1 with L421, PBP2 pattern XXXIV, GyrA with S91F and D95G, ParC with S87R, PorB with G120K and A121N, mtrR promoter with A deletion). Conclusions: The prevalence of penicillin- ciprofloxacin- and tetracycline-resistant Ng has reached dramatic levels, whereas cefixime and ceftriaxone show MICs that tend to increase during time. International MDR clones less susceptible to cephalosporins are rapidly emerging indicating that the era of untreatable gonococcal infections is close

A Multiplex Real-Time PCR with High Resolution Melting Analysis for the Characterization of Antimicrobial Resistance in Neisseria gonorrhoeae.

Resistance to antibiotics used against Neisseria gonorrhoeae infections is a major public health concern. Antimicrobial resistance (AMR) testing relies on time-consuming culture-based methods. Development of rapid molecular tests for detecting AMR determinants could provide valuable tools for surveillance, epidemiological studies and to inform individual case management. We developed a fast (<1.5 hrs) SYBR-green based real-time PCR method with high resolution melting (HRM) analysis. One triplex and three duplex reactions included two sequences for N. gonorrhoeae identification and seven determinants of resistance to extended-spectrum cephalosporins (ESCs), azithromycin, ciprofloxacin, and spectinomycin. The method was validated by testing 39 previously fully-characterized N. gonorrhoeae strains, 19 commensal Neisseria spp., and an additional panel of 193 gonococcal isolates. Results were compared with culture-based AMR determination. The assay correctly identified N. gonorrhoeae and the presence or absence of the seven AMR determinants. There was some cross-reactivity with non-gonococcal Neisseria species and the detection limit was 10(3)-10(4) gDNA copies/reaction. Overall, the platform accurately detected resistance to ciprofloxacin (sensitivity and specificity, 100%), ceftriaxone (sensitivity 100%, specificity 90%), cefixime (sensitivity 92%, specificity 94%), azithromycin and spectinomycin (both sensitivity and specificity, 100%). In conclusion, our methodology accurately detects mutations generating resistance to antibiotics used to treat gonorrhea. Low assay sensitivity prevents direct diagnostic testing of clinical specimens but this method can be used to screen collections of gonococcal isolates for AMR more quickly than with current culture-based AMR testing

Pilot testing the EARS-Vet surveillance network for antibiotic resistance in bacterial pathogens from animals in the EU/EEA

IntroductionAs part of the EU Joint Action on Antimicrobial Resistance (AMR) and Healthcare-Associated Infections, an initiative has been launched to build the European AMR Surveillance network in veterinary medicine (EARS-Vet). So far, activities included mapping national systems for AMR surveillance in animal bacterial pathogens, and defining the EARS-Vet objectives, scope, and standards. Drawing on these milestones, this study aimed to pilot test EARS-Vet surveillance, namely to (i) assess available data, (ii) perform cross-country analyses, and (iii) identify potential challenges and develop recommendations to improve future data collection and analysis.MethodsEleven partners from nine EU/EEA countries participated and shared available data for the period 2016–2020, representing a total of 140,110 bacterial isolates and 1,302,389 entries (isolate-antibiotic agent combinations).ResultsCollected data were highly diverse and fragmented. Using a standardized approach and interpretation with epidemiological cut-offs, we were able to jointly analyze AMR trends of 53 combinations of animal host-bacteria–antibiotic categories of interest to EARS-Vet. This work demonstrated substantial variations of resistance levels, both among and within countries (e.g., between animal host species).DiscussionKey issues at this stage include the lack of harmonization of antimicrobial susceptibility testing methods used in European surveillance systems and veterinary diagnostic laboratories, the absence of interpretation criteria for many bacteria–antibiotic combinations of interest, and the lack of data from a lot of EU/EEA countries where little or even surveillance currently exists. Still, this pilot study provides a proof-of-concept of what EARS-Vet can achieve. Results form an important basis to shape future systematic data collection and analysis

Résistance aux antibiotiques: la pandémie bruyante, dissémination et réservoirs

La résistance bactérienne aux antibiotiques est un problème majeur tant pour la santé humaine que pour la santé animale. Ses origines sont anciennes et son évolution est inévitable. De nombreux facteurs ont été mis en évidence, qui contribuent à l’évolution de ce phénomène, impliquant autant le réservoir humain que les réservoirs environnemental et animal. De plus, les éléments génétiques mobiles facilitent la propagation des gènes de résistance dans les populations bactériennes.Pendant ma thèse, j’ai conduit l’analyse moléculaire de la résistance aux macrolides et à la tétracycline dans plusieurs espèces de Streptococcus, et particulièrement la caractérisation de l’environnement génétique des gènes appartenant aux familles mef(E), erm(B) et tet(M) dans une souche clinique de Streptococcus salivarius. Le gène mef(E) était localisé sur un élément génétique non-conjugatif MEGA (Macrolide Efflux Genomic Assembly) et les gènes erm(B) et tet(M) co-localisés sur le transposon composite Tn3872, de la famille Tn916, un élément intégratif et conjugatif. Ce dernier et/ou les recombinases propres de l’hôte ont permis la transmission de l’élément MEGA par conjugaison à une souche receveuse de Streptococcus pneumoniae. De façon très surprenante, nous avons retrouvé et analysé l’élément MEGA dans des espèces à Gram négatif très éloignées tel que Haemophilus influenzae. Récemment nous avons caractérisé un autre élément génétique qui porte des gènes donnant de hauts niveaux de résistance à la gentamicine chez des souches de Streptococcus dysgalactiae sbp. equisimilis isolées de cheval. Cet élément génétique était capable de transférer chez une souche receveuse de Streptococcus agalactiae, une espèce pathogène pour l’Homme. Toutes ces expériences suggèrent que la formation des éléments génétiques composites contribue au développement de la multi-résistance dans les pathogènes à Gram positif et que la diffusion de ces résistances peut se faire à une très large échelle.A la suite de mon travail de thèse et en considérant l’importance de l’environnement dans le développement et la diffusion de la résistance aux antibiotiques, j’ai rejoint comme PostDoc le Département d’Hydrobiologie à l’Université de Dresde en Allemagne. Mon activité a été conduite au sein du projet IWAS (International Water Alliance Saxony) avec pour objectifs d’améliorer i) l’accès à l’eau potable pour la population et ii) les sources d’eau douce et la gestion des eaux usées en Ukraine, pays sélectionné dû à la faible qualité de ses eaux douces et parce que candidate à devenir membre de l’UE, et devant donc se conformer aux critères Européens de qualité de l’eau. Nous avons analysé la qualité de l’eau de la rivière Bug. Un de ses affluents majeurs est la Poltva, qui prend naissance dans L’viv, recevant ses eaux usées.Nous avons évalué des paramètres biochimiques, physiques et microbiologiques en association avec l’analyse phénotypique et moléculaire de la résistance aux antibiotiques chez des bactéries à Gram négatif. Une haute charge de pollution organique était présente dans la rivière Bug quiprovenait de la Poltva. Nous avons trouvé un profil liant une basse qualité de l’eau et la présence de souches multi-résistantes et avons retracé la source de pollution ainsi que la dissémination de clones d’Escherichia coli multi-résistants aux antibiotiques. Le transfert horizontal de gènesde résistance a également été obtenu in vitro à partir d’une souche isolée de la rivière. Cette étude suggère que les sites particulièrement pollués sont une source non seulement de polluants connus mais aussi de bactéries multi-résistantes, capable de disséminer par clonalité maiségalement en transférant horizontalement leurs gènes de résistance.A la suite de ce PostDoc, je me suis engagée à l’Université de Berne en Suisse, dans le département de maladies infectieuses, dans le cadre de RadarGo, projet consistant à élaborer un test de diagnostic moléculaire pour la détection de Neisseria gonorrhoeae et la prédiction de larésistance aux antibiotiques associée. En parallèle de ce projet, j’ai eu l’opportunité de mener plusieurs projets visant à étudier la dissémination et l’épidémiologie de bactéries pathogènes humaines et leurs mécanismes de résistance aux antibiotiques. En collaboration avec l’Institut de Bactériologie Vétérinaire de la Faculté VetSuisse, nous avons trouvé des échantillons de viande vendus en Suisse contaminés par Acinetobacter baumannii. Cette bactérie pathogène opportuniste pour l’Homme, connue pour sa capacité à développer des multi-résistances aux antibiotiques, cause des infections sévères avec un choix thérapeutique limité. Le typage moléculaire de ces souches a montré que les isolats retrouvés dans la viande appartenaient au même complexe clonal que des isolats provenant de patients et présentant des résistancesmultiples aux antibiotiques. Ces résultats suggèrent ainsi que les aliments, la viande crue en l’occurrence, peuvent servir de réservoir de pathogènes humains.J’ai ensuite continué cet axe de recherche au laboratoire de l’ANSES-Lyon. Actuellement, une étudiante en thèse que je codirige est en charge d’un projet visant à analyser les relations phylogénétiques des souches d’A. baumannii retrouvées dans la nourriture avec celles responsables d’infections chez l’Homme. Ainsi, les mécanismes typiques d’adaptation au milieu hospitalier comme la capacité à acquérir des gènes de résistance, à résister aux biocides et à former du biofilm seront étudiés. A l’ANSES-Lyon je participe à l’activité de surveillance moléculaire des bactéries résistantes aux antibiotiques, en particulier d’Acinetobacter spp., chez les animaux malades et participe à la caractérisation moléculaire de gènes de résistance dans divers organismes. J’ai également initié des investigations au travers de l’encadrement de deux étudiants en thèse pour comprendre l’impact des antibiotiques sur la composition du microbiote ,intestinale des animaux et leur capacité à sélectionner des bactéries résistantes. Ces connaissances sont importantes pour continuer à connaitre les fonctions du microbiote et les protéger. Mieux connaitre les mécanismes de sélection par les thérapies antibiotiques dans lemicrobiote contribuera à définir des choix thérapeutiques efficaces et limitant la propagation de gènes de résistance au sein de celui-ci et dans l’environnement

Clonality and Antimicrobial Susceptibility of Burkholderia cepacia complex Isolates Collected from Cystic Fibrosis Patients during 1998-2013 in Bern, Switzerland.

For the first time, we analyzed the clonality and susceptibility of Burkholderia cepacia complex isolates (n=55) collected during 1998-2013 from 44 Swiss cystic fibrosis (CF)-patients. B. cenocepacia (n=28) and B. multivorans (n=14) were mainly of sequence type (ST) 833 and ST874, respectively; B. contaminans isolates were of ST102. Overall, the following MIC50/90s (mg/l) were obtained: piperacillin/tazobactam (≤ 4/≥ 128), ticarcillin/clavulanate (≥ 256/≥256), ceftazidime (2/≥ 32), aztreonam (16/≥ 32), meropenem (2/8), tobramycin (8/≥ 16), minocycline (≤ 1/16), levofloxacin (≤ 0.5/≥ 16), and trimethoprim/sulfamethoxazole (≤ 0.5/4). This is the first survey providing information on the clonality of Bcc detected in Switzerland. Species identification and antimicrobial susceptibility tests should always be routinely performed to adapt more targeted therapies