Caracterización del entorno genético de genes blaBLEE y plásmidos asociados en cepas circulantes de Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae en España

Abstract

Las betalactamasas de espectro extendido (BLEE) descritas frecuentemente en Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae confieren resistencia a cefalosporinas de espectro extendido y monobactámicos. En un inicio, la descripción de BLEE abarcaba en su mayoría brotes hospitalarios que frecuentemente implicaban K. pneumoniae y BLEE derivadas de SHV-1 o de TEM-1. En los últimos años se ha detectado el incremento de las BLEE de tipo CTX-M. Su difusión en bacterias de la misma o de diferente especie se ha asociado a ciertos elementos genéticos como las secuencias de inserción, transposones y plásmidos. En los últimos años, son muchos los hospitales españoles que han observado un cambio en la prevalencia de las diferentes enzimas detectadas. Por esto, en la “Red Española para la Investigación en Patología Infecciosa” (REIPI) se planteó un estudio multicéntrico que ha permitido conocer y actualizar la evolución y el tipo de BLEE en E. coli y K. pneumoniae en diferentes hospitales de España y descartar, mediante estudios moleculares, la posible expansión clonal de los microorganismos portadores de estas betalactamasas. El presente trabajo formó parte del proyecto Nº 3 (Estudio de la epidemiología clínica y molecular de enterobacterias productoras de BLEE) de la REIPI, en el cual participaron cuatro centros: el Hospital Ramón y Cajal, el Hospital Universitario Son Dureta, el Centro Nacional de Microbiología y el Hospital de la Santa Creu i Sant Pau. Se estudiaron un total de 92 cepas de E. coli y 32 de K. pneumoniae aisladas en el primer trimestre del año 2004 en 11 hospitales españoles. La relación clonal entre las cepas se descartó mediante estudios de macrorestricción genómica con la enzima de restricción XbaI. Las BLEE se caracterizaron mediante isoelectroenfoque, PCR y secuenciación. En las cepas de E. coli se observó una gran diversidad clonal en los patrones de restricción obtenidos por PFGE, y un predominio de las betalactamasas CTX-M-14 (45,7%), CTX-M-9 (20,6%) y SHV-12 (21,7%); en cambio, en las cepas de K. pneumoniae se observó una menor diversidad clonal con un predominio de betalactamasas de tipo CTX-M (62,5%) que incluían CTX-M-1, CTX-M-9, CTX-M-14 y CTX-M-15. Se estudiaron los entornos genéticos y perfiles plasmídicos de 58 cepas de E. coli y K. pneumoniae y se determinó el grupo de incompatibilidad de los plásmidos mediante rep typing-PCR, digestión con la enzima S1, campo pulsado, Southern-blot e hibridación con sondas específicas. Se observó gran variabilidad de plásmidos que contienen genes blaBLEE asociados a diferentes entornos genéticos. Los genes bla asociados a una mayor variabilidad plasmídica fueron los blaCTX-M-9, encontrándose en plásmidos de los grupos Inc I1, HI2, FIB y K. Los genes blaSHV-12 se encontraron en plásmidos de los grupos Inc I1, FII, K y HI2. Por otro lado, blaCTX-M-14 se encontró sólo en plásmidos del grupo Inc K. Finalmente, se realizó el estudio epidemiológico mediante Multi Locus Sequence Typing (MLST) y la determinación de los grupos filogenéticos de las cepas de E. coli para determinar la posible asociación entre los diferentes ST, grupos filogenéticos y BLEE. Se observó una gran diversidad de ST, siendo los más comunes el patrón ST131 y los complejos ST10 y ST23; además, las cepas de E. coli pertenecientes al ST131 fueron portadoras de una gran variedad de betalactamasas (CTX-M-15, CTX-M-9, CTX-M-10, CTX-M-14, SHV-12 y CTX-M-1). Por lo tanto, en este estudio se observó una mayor diversidad de BLEE que en un estudio multicéntrico del año 2000, siendo estas BLEE vehiculadas por elementos genéticos como plásmidos y secuencias de inserción, ambos muy diversos dentro del grupo de cepas estudiadas. Por otro lado no se observó asociación entre los diferentes tipos de MLST, los grupos filogenéticos hallados y las BLEE que portaban las cepas de E. coli.

Extended-spectrum beta-lactamases (ESBL), described frequently in Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae confer resistance to extended spectrum cephalosporins and monobactams. ESBL are a heterogeneous group of enzymes that were initially described in hospital outbreaks of K. pneumoniae, and derivates of the SHV-1 and TEM-1 were the most common. In recent years, detection of the the CTX-M type has become more frequent. The spread of ESBL in bacteria of the same or different species has been associated with genetic elements such as insertion sequences, transposons and plasmids. The increase in the prevalence of ESBL-producing microorganisms has been reported by several authors, both in Spain and internationally. For this reason, the Spanish Network for Research on Infectious Pathology (REIPI) recognized the need for a multicenter study. Based on the findings, it was possible to identify and update the progress and the type of ESBL in E. coli and K. pneumoniae in several Spanish hospitals. Furthermore, molecular studies ruled out the possible clonal spread of ESBL-producing microorganisms. The present study was conducted as Project No. 3 (Clinical epidemiology and molecular characterization of ESBL-producing enterobacteria) of the REIPI. It involved four centers: Hospital Ramon y Cajal, Hospital Universitario Son Dureta, National Center for Microbiology and Hospital de la Santa Creu i Sant Pau. A total of 92 strains of E. coli and 32 K. pneumoniae isolated from 11 Spanish hospitals in 2004 were analyzed. The clonal relationship between strains was ruled out by genomic studies comparing the XbaI-PFGE patterns. The ESBL were characterized by isoelectric focusing, PCR and sequencing. E. coli showed a high clonal diversity in the restriction patterns obtained by PFGE, and a predominance of the enzymes CTX-M-14 (45.7%), CTX-M-9 (20.6%) and SHV-12 (21.7%), whereas K. pneumoniae had a lower clonal diversity with a predominance of the enzymes CTX-M type (62.5%) involving CTX-M-1, CTX-M-9, CTXM- 14 and CTX-M-15. We then studied the genetic environments and plasmid profiles of 58 strains of E. coli and K. pneumoniae and determined the incompatibility group of plasmids by rep typing, S1 enzyme digestion, pulsed field gel electrophoresis, southern-blot and hybridization with specific probes for each incompatibility group. As a result there was a large variability of plasmids containing blaESBL genes associated with different genetic environments. The gene with the greatest plasmid variability was blaCTX-M-9, associated to Inc groups I1, HI2, FIB and K. The blaSHV-12 gene was found in plasmids of groups Inc I1, FII, K and HI2. However, blaCTX-M-14 was found only on IncK plasmids. In a third phase of the study, the National Microbiology Center in Spain performed the Multi Locus Sequence Typing (MLST) and determined the phylogenetic groups of strains of E. coli to determine the possible association between ST, phylogenetic groups and ESBL. A wide variety of MLST were detected, and the most common patterns were ST131 and ST10 and ST23 complexes. In addition, strains of E. coli ST131 carried a variety of betalactamase (CTX-M-15, CTX-M-9, CTX-M-10, CTX-M-14, SHV-12 and CTX-M-1). Regarding the phylogenetic groups, we found that ST10 and ST23 complexes were linked to phylogenetic group A, whereas the pattern ST131 was related to the virulent extraintestinal group B2. In conclusion, this study identified a greater variety of ESBL than observed in the multicenter study of 2000. These ESBL were transported by genetic elements such as plasmids and insertion sequences which were very diverse within the group of strains studied. We did not detect an association between the different types of MLST, the filogenetic groups and the ESBL-producing E. coli.