Interplay of virulence, antibiotic resistance and epidemiology in Escherichia coli clinical isolates

Abstract

Escherichia coli are one of the microorganisms most frequently studied worldwide. They are Gram-negative bacilli, facultative anaerobic, rod-shaped bacterium, which are most often found in the gastrointestinal tract as a normal coloniser of warm blood organisms (mainly in mammals, but are also present in birds, reptiles and fish). Taxonomically, E. coli belong to the Enterobacteriaceae family and are an important component of the intestinal microbiota, being involved in some essential metabolic processes such as the production of vitamin K and vitamin B12. E. coli also help to maintain the anaerobic environment needed for most of the microbiota by consuming oxygen that enters the gut and competitively exclude pathogens from the lower intestine of their hosts. E. coli can also adapt to life in an external environment outside hosts, such as soil, water, plants and food, due to their hardiness and metabolic flexibility. Despite establishing symbiotic relationships, this well-known microorganism can also have an important pathogenic role within their hosts, especially from a human point of view. It is able to cause a wide variety of infections that can reach a high prevalence and even cause significant morbidity and mortality. According to a recent report on this topic, it is predicted that three million people will die from a drug-resistant E. coli infection by 2050 if no measures are taken to tackle the problem of antimicrobial resistance. Although this figure exceeds that expected in a developed continent, it demonstrates the presence of an emerging health threat - antimicrobial resistance. Bacterial pathogenicity is defined as the genetic capacity of the bacterium to cause disease, based on the virulence and resistance traits it possesses. Unfortunately, E. coli can easily acquire this capacity and is considered a major cause of human infectious disease worldwide. In order to better understand the double component of the pathogenicity of E. coli, it is important to accurately define two concepts: virulence and resistance. Virulence is the pathogenic ability to cause damage in a host and is mediated by the expression of combined virulence factors. Resistance is the capacity to persist and grow in a determinate environment taking into account different variables such as temperature, pH conditions or antimicrobial concentrations. The antimicrobial resistance of E. coli is a worrisome aspect, which is very important and difficult to manage. This PhD dissertation is focused on the study of the molecular bases of the most prevalent antimicrobial resistance mechanisms in E. coli as well as the prevalence of different VFGs in various intestinal and extraintestinal E. coli infections in order to better understand the pathogenic aspects of this bacterium in human hosts.

Escherichia coli és un dels bacteris més estudiats arreu del món des del seu descobriment l’any 1885 pel bacteriòleg i pediatra alemany-austríac Theodore von Escherich. És un bacil Gram-negatiu, anaeròbic facultatiu, que es troba majoritàriament com a colonitzador normal del tracte intestinal d’animals de sang calenta, tot i que també es pot adaptar a ambients externs a l’hoste (aigua, sòl, plantes i aliments) donada la seva robustesa i flexibilitat metabòlica. Taxonòmicament pertany a la família Enterobacteriaceae, essent un component important de la microbiota intestinal i involucrat en alguns processos metabòlics essencials com la producció de vitamina K i vitamina B12. L’E. coli també ajuda a mantenir l’ambient anaeròbic necessari per la majoria de microbiota tot consumint l’oxigen que entra als intestins i exclou competitivament patògens del còlon dels seus hostes. Tot i establir relacions simbiòtiques, aquest conegut microorganisme també pot tenir un paper patogènic en els seus hostes, especialment des del punt de vista humà. L’E. coli pot adquirir varis trets o factors de virulència (FV), ja sigui d’altres espècies o d’altres soques d’E. coli, que li confereixen la capacitat de causar patologies intestinals resultants en diarrea. A més, aquests trets també els poden ajudar a travessar la barrera intestinal, tot arribant a altres parts del cos, essent capaços de causar gran varietat d’infeccions com urinàries, genitals i obstètriques o septicèmia en adults i nounats. Aquestes infeccions poden presentar gran prevalença i fins i tot arribar a altes taxes de morbiditat o mortalitat. Com a exemple, la càrrega associada a les infeccions del torrent sanguini degudes a E. coli a Europa fou de 17.000 morts el 2016, de les quals 6.000 van ser causades per bacteris resistents a antibiòtics. Tot i que aquestes xifres excedeixen les esperades en un continent desenvolupat, demostren la presència d’un repte de salut emergent –la resistència antimicrobiana. Segons un informe recent sobre aquesta problemàtica, es prediu que moriran 3 milions de persones per infeccions degudes a E. coli resistent a antibiòtics abans del 2050 si no es prenen mesures per afrontar el tema en qüestió. La patogenicitat bacteriana es defineix com la capacitat genètica del bacteri per a causar malaltia, basada en els trets de virulència i resistència que posseeixi. Desafortunadament, l’E. coli pot adquirir fàcilment aquesta capacitat donada la seva plasticitat genètica (s’ha estimat que fins a un 18% del seu genoma és representat per ADN adquirit horitzontalment) i és considerat una de les majors causes d’infeccions bacterianes en humans arreu del món. Per tal d’entendre millor el doble component de la patogenicitat de l’espècie, cal definir acuradament els conceptes de virulència i resistència. La virulència és l’habilitat patogènica per a causar dany a l’hoste i és controlada per l’expressió de factors de virulència combinats. Aquests factors estan codificats pels anomenats gens de factors de virulència (GFV) i poden incloure adhesines i invasines per a la colonització de teixits o ambients específics, toxines, sistemes de secreció i sistemes d’absorció de ferro o sideròfors. Els GFV no són específics de cap infecció, de cap soca d’E. coli ni de cap hoste. La seva combinació determinarà la seva capacitat de causar infecció en una localització específica de l’hoste. Aquests gens es poden trobar a diferents llocs del genoma bacterià, ja sigui en el cromosoma o en elements genètics mòbils com bacteriòfags, plasmidis o illes genòmiques (illes associades a patogenicitat –IAPs– quan estan formades per GFV). La resistència és la capacitat de persistir i créixer en un determinat ambient, tenint en compte diferents variables com la temperatura, les condicions de pH o les concentracions d’antibiòtic presents. La resistència antimicrobiana en E. coli és un aspecte preocupant, la gestió de la qual és important però complicada; mentre els antibiòtics són la solució per a lluitar contra les malalties infeccioses, també són la causa de la selecció de bacteris resistents. El mal ús i abús dels antibiòtics fa augmentar la prevalença d’aquests últims, pel que ara s’estan prenent moltes mesures a nivell global (no només en humans sinó en animals i en l’agricultura) per a evitar que els medicaments que ara curen esdevinguin inefectius en uns anys. En aquesta línia, s’estan dedicant molts esforços en millorar o implementar sistemes de vigilància, revisar les guies terapèutiques, millorar el diagnòstic i impulsar el desenvolupament de noves famílies d’antimicrobians. Per a desenvolupar totes aquestes accions és essencial el coneixement en les bases moleculars de la resistència antimicrobiana així com la seva relació amb la virulència. La present tesi està enfocada a l’estudi de les bases moleculars dels mecanismes de resistència a antibiòtics més comunament usats en la teràpia d’E. coli, així com de la prevalença dels diferents GFV en diverses infeccions d’E. coli intestinals i extraintestinals, per tal de comprendre millor els aspectes de la patogènia del bacteri en l’hoste humà.