Langzeitpersistenz und Evolution von multi-resistenten Enterobacterales in abwasserführenden Systemen

Abstract

Multi-resistente Enterobacterales gelten als eine der wachsenden Herausforderungen des One Health Ansatzes. Insbesondere β-Laktamasen und Carbapenemasen verkomplizieren oft die Behandlung von Patienten mit bakteriellen Infektionen. Diese Enzyme gehören zu den Hydrolasen und sind in der Lage, verschiedene β-Laktam-Antibiotika zu hydrolysieren. Trotz der relevanten Bedeutung von Abwassersystemen für die mögliche Verbreitung von multi-resistenten Bakterien und Resistenzgenen ist wenig über evolutionäre Prozesse und mögliche persistente klonale Linien von multi-resistenten Enterobacterales in dieser Umgebung bekannt. Im Verlauf der hier vorgestellten Arbeit wurden Abwasserproben des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) als Krankenhaus der Maximalversorgung im Abstand von 2,5 Jahren gesammelt. Es wurden insgesamt 299 Drittgenerations-Cephalosporin-resistente Enterobacterales mittels Gesamtgenomsequenzierung untersucht und die Persistenz, sowie das Resistom identifizierter klonaler Linien analysiert. In fünf von sechs untersuchten Spezies konnten dabei trotz diverser klassischer Sequenztypen (ST) mittels core genome Multilocus Sequence Typing (cgMLST) klonale Linien identifiziert werden, die teilweise nicht mit Sequenztypen aus klinischen Isolaten in Verbindung gebracht werden konnten. Verschiedene Cluster aus Plasmid-Replikons und Resistenzgenen innerhalb einzelner klonaler Linien geben Hinweise auf einen im Abwassersystem stattfindenden horizontalen Gentransfer. Neben den β-Laktamase-Genen konnte außerdem ein in allen Spezies hoher Prozentsatz an Carbapenemase-positiven Isolaten mit teilweise multiplen Carbapenemase-Genen innerhalb einzelner Isolate festgestellt werden. Für einzelne Linien wie dem hier häufig identifizierten, in mehrere klonale Linien unterteilten Escherichia coli ST635 konnte eine langfristige Persistenz im Abwasser bestätigt werden. Einzelne Klone dieses ST wiesen zudem eine besonders große Varianz der Resistenzgene, sowie vermehrt multiple Carbapenemase-Gene auf, was eine gesteigerte Fähigkeit zur Plasmid-Aufnahme einzelner klonaler Linien dieses ST nahelegt. Weiterhin wurden insgesamt 172 Drittgenerations-Cephalosporin-resistente E. coli aus Zu- und Ablauf mehrerer jeweils aufeinander folgender Tage von vier ländlich gelegenen Kläranlagen in Norddeutschland mittels Gesamtgenomsequenzierung analysiert. Es konnte in allen Kläranlagen trotz der enormen Durchflussmenge an Abwasser eine Persistenz einzelner klonaler Linien über mehrere Tage hinweg beobachtet werden. Die Eintragungsquellen einzelner klonaler Linien konnten dabei nur in Ausnahmefällen nachvollzogen werden, ließen sich jedoch an einem Punkt stromaufwärts der Kläranlagen verorten, da innerhalb der Kläranlagen selbst keine Anreicherung einzelner klonaler Linien beobachtet werden konnte. Auch eine Elimination bestimmter klonaler Linien durch den Reinigungsprozess innerhalb der Kläranlagen konnte nicht nachgewiesen werden. Diverse Resistenzgene und mit phänotypischer Fluorchinolon-Resistenz assoziierte Punktmutationen konnten in mehreren Isolaten identifiziert werden, wobei die variierenden Resistenzgene und Plasmid-Replikons in eng verwandten Isolaten in mehreren Fällen auf einen horizontalen Gentransfer stromaufwärts der Kläranlagen schließen lassen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen das Vorkommen von persistenten multi-resistenten, klonalen Linien in Abwassersystemen in Norddeutschland und liefern Hinweise auf evolutionäre Prozesse, wie horizontalen Gentransfer, die innerhalb der abwasserführenden Systeme stattfinden.