Exploring antimicrobial resistance and bacterial dynamics: A comprehensive One Health investigation at the livestock-wildlife-human interface in rural western Uganda

Abstract

Tot i que els antimicrobians han jugat un paper crucial en la lluita contra les infeccions, la seva efectivitat és limitada en països en desenvolupament degut a factors com la pobresa, la manca d’higiene, l’accés limitat als medicaments i la feblesa dels sistemes de salut. Aquests reptes es veuen agreujats per l’aparició de la resistència als antimicrobians (RAM) i de les malalties infeccioses. La manca de recursos per estudiar i gestionar els patrons de susceptibilitat, juntament amb manca de dades fiables, dificulta el desenvolupament de tractaments eficaços i l’ús òptim d’agents antimicrobians, agreujant així l’impacte de les malalties infeccioses i la RAM. A Uganda, les pràctiques agrícoles i ramaderes extensives, juntament amb els alts nivells d’interacció entre humans i animals, creen condicions idònies que faciliten tant l’expansió de la RAM com la transmissió de bacteris patògens entre espècies i el medi ambient. Tot i els estudis realitzats, aquests s’han centrat predominantment en medicina humana i en producció alimentària, deixant un buit en la comprensió de la dinàmica de la RAM i dels agents patògens en la fauna salvatge i el medi ambient. Aquesta tesi doctoral explora la detecció i transmissió de la RAM i de bacteris patògens a l’oest d’Uganda, centrant-se en la interacció entre humans, animals i el seu entorn. El primer estudi revisa la literatura publicada i no publicada per avaluar la RAM en soques d’E. coli provinents d’humans, animals i fonts ambientals, revelant una manca d’estudis sobre RAM a Uganda, particularment en animals domèstics, fauna salvatge i el medi ambient. A més, a través d’una enquesta realitzada, es destaca una mancança significativa de conscienciació sobre aquesta problemàtica, així com un ús inadequat generalitzat dels antimicrobians tant en el context de salut humana com animal. Basant-se en aquests resultats, el tercer estudi demostra la presència extensa de gens de resistència, particularment el CTX-M-15, tant en aïllats d’E. coli com de Klebsiella pneumoniae resistents a cefalosporines, aïllats en diferents especies en regions similars a les prèviament estudiades. Això ressalta l’extensa propagació de la RAM tant en assentaments humans com en àrees naturals protegides de l’oest d’Uganda. A més, el segon estudi identifica Salmonella i Campylobacter spp. en bestiar i fauna salvatge en regions que coincideixen en gran mesura amb aquelles on es van detectar gens de resistència. S’ha observat una menor prevalença de patògens en fauna salvatge d’àrees remotes, suggerint una possible transmissió des del bestiar o els humans. Finalment, el quart estudi investiga la presència de bacteris entèrics potencialment patògens en ximpanzés, cabres i humans del Bosc de Budongo (BCFR) i regions properes. L’estudi evidencia que els bacteris trobats en ximpanzés són similars als trobats en cabres i humans, recolzant resultats d’estudis anteriors on s’evidencia que l’expansió agrícola prop dels hàbitats de la fauna salvatge millora la circulació de patògens a la interfície bestiar-humà-ximpanzé. En conclusió, aquesta tesi proporciona una visió general sobre la dinàmica de la RAM i la presència de patògens en regions amb diferents nivells d’interacció entre humans, animals i el medi ambient. Els resultats subratllen la importància d’adoptar un enfocament “Una Sola Salut” per comprendre i gestionar la dinàmica de transmissió de patògens i la RAM en zones rurals de l’oest d’Uganda.

A pesar del papel fundamental de los agentes antimicrobianos en la lucha contra las infecciones, su efectividad en países en desarrollo se ha visto limitada por factores como la pobreza, la falta de higiene, el acceso restringido a los medicamentos y la debilidad de los sistemas de salud. Estos problemas se han visto agravados con la aparición de la resistencia a los antimicrobianos (RAM) y la emergencia de las enfermedades infecciosas. La insuficiencia de recursos para estudiar y gestionar los patrones de susceptibilidad, junto con falta de datos fiables, dificulta el desarrollo de tratamientos eficaces y el uso óptimo de los agentes antimicrobianos, intensificando así el impacto de las enfermedades infecciosas y la RAM. En Uganda las prácticas agrícolas y ganaderas, junto con los elevados niveles de interacción entre humanos y animales, crean condiciones idóneas que favorecen tanto la expansión de RAM como la transmisión de bacterias patógenos entre especies y el medio ambiente. A pesar de los estudios realizados, la investigación se ha enfocado principalmente en medicina humana y en animales de producción, dejando un vacío en la comprensión de la dinámica de la RAM en la fauna salvaje y el medio ambiente. Esta tesis doctoral aborda la detección y transmisión de la RAM y de bacterias patógenas en el oeste de Uganda, enfocándose en la interacción entre humanos, animales y el entorno. El primer estudio revisa la literatura publicada y no publicada para evaluar la RAM en cepas de E. coli aisladas de humanos, animales y fuentes ambientales, revelando una falta de estudios sobre la RAM en Uganda, especialmente en animales domésticos, fauna salvaje y el medio ambiente. Además, una encuesta realizada en el mismo estudio revela una falta de concienciación sobre la problemática de la RAM y un uso inadecuado de los antimicrobianos de forma generalizada tanto en salud humana como animal. Basándose en estos hallazgos, el tercer estudio demuestra la extensa presencia de genes de resistencia, especialmente el CTX-M-15, en cepas de E. coli y Klebsiella pneumoniae resistentes a cefalosporinas aisladas en diferentes especies en regiones similares a las estudiadas anteriormente. Esto pone de relieve la amplia propagación de la RAM tanto en asentamientos humanos como en áreas naturales protegidas del oeste de Uganda. Asimismo, el segundo estudio identifica Salmonella y Campylobacter spp. en ganado y fauna salvaje en regiones que coinciden en gran medida con aquellas donde se detectaron genes de resistencia. Se observó una menor prevalencia de patógenos en fauna salvaje de áreas remotas, sugiriendo una posible transmisión desde el ganado o los humanos. Finalmente, el cuarto estudio investiga la presencia de bacterias entéricas potencialmente patógenas en chimpancés, cabras y humanos del Bosque de Budongo (BCFR) y regiones cercanas. El estudio revela que las bacterias en chimpancés son similares a las encontradas en cabras y humanos, respaldando investigaciones anteriores que indican que la expansión agrícola cerca de hábitats de fauna salvaje incrementa la circulación de patógenos en la interfaz ganado-humano-chimpancé. En conclusión, esta tesis ofrece una visión integral de la dinámica de la RAM y la presencia de patógenos en regiones con diferentes niveles de interacción entre humanos, animales y el medio ambiente. Los resultados resaltan la importancia de adoptar un enfoque de “Una Sola Salud” para comprender y gestionar adecuadamente la dinámica de transmisión de patógenos y RAM en las áreas rurales del oeste de Uganda.

Although antimicrobial drugs have played a crucial role in combating infections, their effectiveness is significantly limited in developing countries due to factors like poverty, inadequate sanitation, limited access to medications, and weak healthcare systems. These challenges are further compounded by the emergence of antimicrobial resistance (AMR) and infectious diseases. The lack of resources to study and manage susceptibility patterns, along with the scarcity of reliable data, hampers the development of effective treatment and the optimal use of antimicrobial agents, thereby exacerbating the impact of infectious diseases and AMR. In Uganda, extensive agricultural and livestock practices, combined with high levels of human-animal interaction, create conditions that facilitate both the spread of AMR but also the transmission of pathogenic bacteria across species and environments. Although research has been conducted, it has predominantly focused on human medicine and food-producing animals, leaving a gap in understanding both the prevalence of AMR and the dynamics of pathogen transmission in wildlife and the broader environmental context. This doctoral thesis explores the detection and transmission of AMR and bacterial pathogens in western Uganda, focusing on the interaction between humans, animals and the environment. The first study reviews published and unpublished literature to assess AMR in E. coli strains from humans, animals, and environmental sources, revealing a lack of quantification of the resistance burden in Uganda, particularly in domestic animals, wildlife and the environment. Additionally, through a questionnaire survey, this study highlights a significant lack of awareness and a widespread misuse of antimicrobials in both human and animal health contexts. Building on these findings, the third study demonstrates the widespread presence of resistance genes, particularly CTX-M-15, in both cephalosporin-resistant E. coli and Klebsiella pneumoniae isolated from different species in regions similar to those previous surveyed. This highlights the extensive spread of AMR in both human settlements and natural protected areas in western Uganda. In addition, the second study identifies Salmonella and Campylobacter spp. in livestock and wildlife across regions closely aligned with those where AMR was reported. Lower pathogen rates were observed in wildlife from remote areas, suggesting a potential spillover from livestock or humans. Finally, the presence of potentially pathogenic enteric bacteria in chimpanzees, goats and humans from Budongo Central Forest Reserve (BCFR) and nearby regions is investigated in the fourth study of this thesis. The study finds that bacteria in chimpanzees are similar to those in goats and humans, supporting previous research that agricultural expansion near wildlife habitats enhances pathogen circulation at the livestock-human-chimpanzee interface. Overall, this thesis provides insights into the dynamics of AMR and pathogen detection in regions with significant human, animal, and environmental interactions. The findings underscore the importance of adopting a broader One Health approach to fully understand and manage pathogen and AMR transmission dynamics in rural areas of western Uganda.