The impact of antibiotic exposure on the human microbiome and resistome: from laboratory to clinical studies

Antibiotikaresistens er en stor og økende trussel mot den globale folkehelsen. Utvikling av resistens skjer i hovedsak som følge av at bakterier blir eksponert for antibakterielle virkestoffer, og deretter utvikler egenskaper som beskytter dem mot disse stoffene. I og på menneskekroppen finnes det tusenvis av bakteriearter med ulike genetiske egenskaper. Denne totale samlingen av bakterier (og deres gener) blir kalt det humane mikrobiom, mens samlingen av alle antibiotikaresistensgener som finnes i mikrobiomet kalles resistomet. Når man behandler en infeksjon med antibiotika, vil hele mikrobiomet eksponeres for virkestoffet, ikke bare bakteriene som forårsaker sykdommen. Dette vil kunne påvirke både sammensetningen av bakteriearter og resistomet. Disse bieffektene av antibiotikabruk har fått stadig mer oppmerksomhet de senere årene, men det er fortsatt mye som er ukjent. Formålet med Ph.D-prosjektet var å undersøke hvordan bruk av antibiotika påvirker vårt mikrobiom og resistom. I første del av prosjektet ble det undersøkt hvordan antibiotika påvirker ulike kommunikasjonssystemer i streptokokker. Streptokokker utgjør en viktig del av det orale mikrobiomet, og disse bakteriene innehar kommunikasjonssystemer som blant annet gjør dem i stand til å ta opp fremmed DNA. I andre del av prosjektet ble kliniske prøver fra munnhule og feces undersøkt før, under og etter antibiotikabehandling med henholdsvis kort eller lang behandlingstid. I disse undersøkelsene ble det benyttet dyp metagenomsekvensering. Funnene i denne avhandlingen viste at antibiotika påvirket DNA-opptaket (naturlig transformasjon) i Streptococcus pneumoniae, en bakterie som forårsaker alvorlig sykdom hos millioner av mennesker hvert år. Effekten var ulik ved eksponering til forskjellige antibakterielle midler. Evnen til opptak av DNA er særlig viktig for bakterienes mulighet til å erverve, eller spre, antibiotikaresistens. Avhandlingen beskriver også et hittil ukjent kommunikasjonssystem hos Streptococcus mitis, en vanligvis harmløs bakterie i munnhulen med nært slektskap med S. pneumoniae. Analysene av kliniske prøver fra pasienter som ble behandlet med antibiotika indikerte at selv en kort kur med smalspektret penicillin kan påvirke sammensetningen av bakteriearter i det fekale mikrobiomet, mens det orale mikrobiomet var til sammenligning nesten uendret. Analyser av orale prøver fra pasienter som ble behandlet med amoxicillin i tre måneder viste også denne stabiliteten. Kun små, og svært individuelle endringer i det orale mikrobiomet ble observert etter tre måneders behandling. I resistomet ble det imidlertid observert en økning i antall resistensgener etter både kort og lang antibiotikabehandling. Økt forståelse av hvordan bakteriene i kroppen påvirkes av en antibiotikakur kan føre til utvikling av nye metoder som reduserer bieffektene på mikrobiomet, noe som tidligere har vært oversett. Dette kan bidra i den globale kampen for å begrense utvikling og spredning av antibiotikaresistens

Impact of narrow-spectrum penicillin V on the oral and faecal resistome in a young child treated for otitis media

Objectives Antibiotic overuse has led to the global emergence of antimicrobial-resistant bacteria, and children are among the most frequent users of antibiotics. Most studies with broad-spectrum antibiotics show a severe impact on resistome development in patients. Although narrow-spectrum antibiotics are believed to have fewer side effects, their impact on the microbiome and resistome is mostly unknown. The aim of this study was to investigate the impact of the narrow-spectrum antibiotic phenoxymethylpenicillin (penicillin V) on the microbiome and resistome of a child treated for acute otitis media. Methods Oral and faecal samples were collected from a 1-year-old child before (Day 0) and after (Days 5 and 30) receiving penicillin V for otitis media. Metagenomic sequencing data were analysed to determine taxonomic profiling using Kraken and Bracken software, and resistance profiling using KMA in combination with the ResFinder database. Results In the oral samples, antimicrobial resistance genes (ARGs) belonging to four classes were identified at baseline. At Day 5, the abundance of some ARGs was increased, whereas some remained unchanged and others could no longer be detected. At Day 30, most ARGs had returned to baseline levels or lower. In the faecal samples, seven ARGs were observed at baseline and five at Day 5. At Day 30, the number of ARGs had increased to 21. Conclusions Following penicillin V, we observed a remarkable enrichment of the aecal resistome, indicating that even narrow-spectrum antibiotics may have important consequences in selecting for a more resistant microbiome

Differential response to prolonged amoxicillin treatment: long-term resilience of the microbiome versus long-lasting perturbations in the gut resistome

ABSTRACTThe collateral impact of antibiotics on the microbiome has attained increasing attention. However, the ecological consequences of long-term antibiotic exposure on the gut microbiome, including antibiotic resistance, are still limited. Here, we investigated long-term exposure effects to amoxicillin on the human gut microbiome and resistome. Fecal samples were collected from 20 patients receiving 3-months of amoxicillin or placebo treatment as part of a Norwegian multicenter clinical trial on chronic low back pain (AIM study). Samples were collected at baseline, last day of treatment, and 9 months after antibiotic cessation. The abundance and diversity of microbial and resistome composition were characterized using whole shotgun and functional metagenomic sequencing data. While the microbiome profiles of placebo subjects were stable over time, discernible changes in diversity and overall microbiome composition were observed after amoxicillin treatment. In particular, health-associated short-chain fatty acid producing species significantly decreased in proportion. However, these changes were short-lived as the microbiome showed overall recovery 9 months post-treatment. On the other hand, exposure to long-term amoxicillin was associated with an increase in total antimicrobial resistance gene load and diversity of antimicrobial resistance genes, with persistent changes even at 9 months post-treatment. Additionally, beta-lactam resistance was the most affected antibiotic class, suggesting a targeted response to amoxicillin, although changes at the gene level varied across individuals. Overall, our results suggest that the impact of prolonged amoxicillin exposure was more explicit and long-lasting in the fecal resistome than in microbiome composition. Such information is relevant for designing rational administration guidelines for antibiotic therapies