Quinolone resistance acquisition and impact on virulence in Salmonella enterica: a cost-benefit matter

Abstract

Infections due to Salmonella enterica are of great concern worldwide as they represent an important cause of morbidity and mortality.

Resistance to antibiotics used to treat salmonellosis has emerged along the years, and thus, the treatment of choice has been changing in order to adapt to the new features of the circulating pathogens causing disease. Currently, fluoroquinolones, mainly represented by ciprofloxacin and ofloxacin, are widely used to treat this kind of infections although other antimicrobial classes as well as new generations of fluoroquinolones are sometimes required when treatment failure occurs. This situation is mainly due to the rise in the number of isolates showing nalidixic acid resistance associated with a decrease in the susceptibility to fluoroquinolones (e.g. ciprofloxacin). Moreover, the spread of multidrug resistant isolates carrying several resistance plasmid or chromosomally-located determinants also explains, in part, the decrease in the efficacy of the current treatment and represents an important issue.

Despite this trend, a low frequency of fluoroquinolone-resistant Salmonella enterica isolates are still reported in the literature, a fact that has been the object of attention in our research group. In order to explain the current scene, we have hypothesized a presumable link between quinolone-resistance acquisition and the decrease in the virulence features among this species.

This PhD thesis addresses the context of Salmonella from different perspectives, including an epidemiological approach as well as in vitro models in order to understand the biology of this pathogen and its relation with quinolone resistance. In order to develop our hypothesis, the following specific objectives were defined: 1) Evaluation of the clonal relatedness of S. Enteritidis and S. Typhimurium clinical isolates using two different typing techniques, 2) Analysis of the outer-membrane subproteome of S. Typhimurium SL1344, 3) Investigation of the molecular mechanisms of quinolone resistance and their regulation, 4) Assessment of virulence-related properties in clinical and in vitro-selected mutants of Salmonella enterica isolates presenting different degrees of susceptibility/resistance to quinolones, 5) Identification of novel genes potentially involved in quinolone resistance and/or virulence in S. Typhimurium, 6) Genome comparison of S. Typhimurium isolates causing invasive versus non-invasive salmonellosis from different geographical areas.

These objectives have been fulfilled in 5 papers, a manuscript and additional results.

Las infecciones debidas a Salmonella enterica son de gran relevancia clínica ya que representan una importante causa de mortalidad y morbilidad en todo el mundo. Debido a la aparición de resistencia a los antibióticos utilizados para el tratamiento de la salmonelosis, la terapia de elección ha ido cambiando con el tiempo para adaptarse a las nuevas características de los patógenos circulantes causantes de la enfermedad.

Actualmente, las fluoroquinolonas, representadas mayoritariamente por la ciprofloxacina y ofloxacina, son los antibióticos más usados contra estas infecciones, aunque en algunos casos es necesario recurrir a otras familias de antibióticos. Esto es debido al aumento en el número de casos resistentes al ácido nalidíxico, asociado a un descenso en la sensibilidad a las fluoroquinolonas, como la ciprofloxaciona.

A pesar de esta tendencia, el número de casos reportados de Salmonella enterica altamente resistente a fluoroquinolonas permanece bajo. El estudio de esta inusual situación es una de las líneas de nuestro grupo de investigación siendo la hipótesis de partida la existencia de un vínculo entre adquisición de resistencia a quinolonas y una disminución de las características vinculadas a la virulencia en esta especie.

La presente tesis doctoral aborda el contexto de la Salmonella desde diferentes perspectivas, incluyendo una aproximación epidemiológica así como modelos in vitro para entender la biología de este patógeno y su relación con la resistencia a quinolonas. Este trabajo incluye 5 artículos científicos, un manuscrito y resultados adicionales que responden a los siguientes objetivos: 1) Evaluación de la relación clonal entre aislados clínicos de S. Enteritidis y S. Typhimurium mediante el uso de dos técnicas distintas; 2) Análisis del subproteoma de la membrana externa de S. Typhimurium SL1344; 3) Investigación de los mecanismos moleculares de resistencia a quinolonas y de su regulación; 4) Evaluación de las propiedades relacionadas con la virulencia en aislados clínicos así como en mutantes seleccionados in vitro de Salmonella enterica con diferentes niveles de sensibilidad/resistencia a quinolonas; 5) Identificación de nuevos genes potencialmente implicados en la resistencia a quinolonas y/o virulencia en S. Typhimurium; 6) Comparativa de los genomas de aislados clínicos de S. Typhimurium causantes de salmonelosis invasiva versus no-invasiva procedentes de diferentes áreas geográficas.