Salmonella enterica– Mechanisms of fluoroquinolone and macrolide resistance

Abstract

<b><i>Salmonella enterica</i> – Fluorokinoloni- ja makrolidiresistenssimekanisimit</b>

Vakavia salmonellainfektioita on pitkään hoidettu fluorokinoloniantibiooteilla, kuten siprofloksasiinilla. Fluorokinolonien runsas käyttö niin ihmisillä kuin eläimilläkin on kuitenkin johtanut fluorokinoloniresistenttien salmonellakantojen lisääntymiseen. Vuoteen 2002 asti kaikki matalan tason fluorokinoloniresistenssiä ilmentävät salmonellakannat olivat resistenttejä nalidiksiinihapolle, joka on vanha ensimmäisen polven kinoloniantibiootti jota ei enää käytetä infektioiden hoidossa. Vuonna 2003 havaitsimme aivan uudentyyppisen resistenssifenotyypin salmonelloissa. Kaikki uuden fenotyypin kannat osoittivat matalaa fluorokinoloniresistenssiä (MIC ≥0.125 mg/L), mutta useat kannat olivat yllättäen aikaisempaa herkempiä nalidiksiinihapolle (MIC ≤32 mg/L). Ilmiöllä on suuri merkitys salmonellan antibioottiherkkyyksien määrittämisessä, sillä jos kanta on ollut nalidiksiinihapolle herkkä, sitä on pidetty herkkänä myös fluorokinoloneille.

Väitöskirjatyössä määritettiin vuosina 2003–2007 Suomessa kerättyjen kotimaisten ja ulkomaalaisten <i>S. enterica</i> -kantojen fluorokinoloniresistenssiä sekä tutkittiin uuden salmonellafenotyypin epidemiologiaa ja resistenssimekanismeja. Lisäksi tutkittiin salmonellan hoidossa mahdollisesti käyttökelpoisen makrolidiantibioottijohdannaisen, atsitromysiinin tehoa salmonelloihin ja erityisesti matalaa fluorokinoloniresistenssiä ilmentäviin kantoihin.

Tutkimuksessa havaittiin, että matalaa fluorokinoloniresistenssiä osoittavien salmonellakantojen määrä vähenee. Lasku oli voimakkainta Kaakkois-Aasiasta tuoduissa kannoissa. Uusi resistenssifenotyyppi on plasmidivälitteinen ja <i>qnr</i>-geenit olivat ainoa plasmidivälitteinen kinoloniresistenssimekanismi, joka kannoista löydettiin. Myöskään kromosomaalisten <i>gyrA, gyrB</i> ja <i>parE</i> -geenien QRDR-alueelta ei löydetty fluorokinoloniresistenssiä aiheuttavia mutaatioita. Transformaatiolla osoitettiin <i>qnr</i>-plasmidien olevan siirtyviä ja uusi resistenssifenotyyppi saatiin ilmennettyä myös herkässä vastaanottajakannassa.

Nämä tulokset osoittavat, että vaikka <i>S. enterican qnr</i>-fenotyyppi on toistaiseksi levinnyt pääasiassa Kaakkois-Aasiaan, se siirtyy helposti bakteerista toiseen ja tulee todennäköisesti aiheuttamaan hoito-ongelmia myös muualla maailmassa. Uudentyyppinen <i>qnr</i>-fenotyyppi voi olla vaikea havaita perinteisellä herkkyysmäärityksellä. Siksi laboratorioissa tulisi aina määrittää sekä siprofloksasiiniettä nalidiksiinihappoherkkyydet. Atsitromysiinin osoitettiin olevan herkkyysmääritysten mukaan tehokas salmonelloja kohtaan mukaanlukien matala-asteista fluorokinoloniresistenssiä ilmentävät bakteerikannat.

<b><i>Salmonella enterica</i> – Mechanisms of fluoroquinolone and macrolide resistance</b>

Severe <i>Salmonella</i> infections are usually treated with fluoroquinolones, like ciprofloxacin. Along with the extensive use of fluoroquinolones both in humans and veterinary medicine, there has been a reduction in the fluoroquinolone susceptibility among the <i>Salmonella enterica</i> isolates.

Before 2002, all isolates with reduced fluoroquinolone susceptibility were highly resistant to nalidixic acid, a first generation quinolone which is no longer used in the treatment of infections. In 2003, a new quinolone resistance phenotype of <i>S. enterica</i> was detected. These non-classical quinolone resistance phenotype isolates showed reduced susceptibility to ciprofloxacin (MIC ≥0.125 mg/L), but were susceptible or only low-level resistant to nalidixic acid (MIC ≤32 mg/L). This phenomenon has a great significance in fluoroquinolone susceptibility testing, since previously all <i>Salmonella</i> strains that were susceptible to nalidixic acid, were considered to be susceptible to ciprofloxacin as well. In this thesis, the incidence of reduced fluoroquinolone susceptibility among domestic and foreign <i>S. enterica</i> isolates collected during 2003–2007 was determined and the epidemiology and resistance mechanisms of the non-classical quinolone resistance phenotype were investigated. Also the <i>in vitro</i> activity of azithromycin was determined, with the aim to find an alternative for the fluoroquinolone treatment of salmonellosis. The results of this study show that reduced fluoroquinolone susceptibility among foreign <i>S. enterica</i> isolates decreased significantly during the study period. The decrease was the most prevalent in Southeast Asia. The non-classical quinolone resistance phenotype was shown to be plasmid-mediated and all isolates belonging to this phenotype were <i>qnr</i>positive. No other plasmid-mediated quinolone resistance (PMQR) determinants were found and the isolates were also negative for all fluoroquinolone resistance causing mutations in the QRDR of the chromosomal <i>gyrA, gyrB</i> and <i>pare</i> genes. A transformation assay revealed that the <i>qnr</i> plasmids were transferable and the novel phenotype reproducible <i>in vitro</i>.

These results indicate that although the <i>qnr</i> phenotype in <i>S. enterica</i> is concentrated so far, in Southeast Asia, the novel phenotype is readily transferable and therefore treatment problems will occur also in the other parts of the world. The <i>qnr</i> phenotype isolates might be hard to identify with conventional screening tests. Thus, laboratories should examine both ciprofloxacin and nalidixic acid susceptibility. Finally, azithromycin proved to be <i>in vitro</i> active against <i>S. enterica</i> isolates including those with reduced fluoroquinolone susceptibility, suggesting that it may be a useful alternative for the treatment of multiresistant <i>Salmonella</i> isolates.