Extended spectrum cephalosporin-resistant E. coli from poultry : virulence-associated traits and their zoonotic potential

Abstract

Antimicrobial resistant microbes have become a global problem. In Norway, ESCresistant E. coli was discovered on retail poultry meat through the Norwegian monitoring program for antimicrobial resistance in bacteria from food, feed and animals (NORM-VET) between 2012 and 2016 but has not been detected since. This finding was surprising as cephalosporins are not used for poultry in Norway. The work of this thesis aimed to fill in knowledge gaps about the ESC-resistant E. coli in the poultry-consuming chain, as their survival through digestion and the risk of these AMR isolates becoming ExPEC isolates in humans. Firstly, poultry receive higher amounts of Zn and Cu than what they biologically require, and as heavy metals are known to drive resistance development the first aim of this thesis was to investigate the effect of these metals on conjugation of ESC-resistance. In contrast to the hypothesis, it was concluded that exposure to the heavy metals Zn and Cu reduced the conjugation frequency between E. coli in a concentration dependent manner, possibly by downregulation of conjugation related genes. Secondly, the phenotypical and genotypical potentials of these isolates to become uropathogens were investigated as AMR E. coli from poultry have been documented to be genetically closely related to UPEC in humans. A total of 141 isolates was included in Paper 2 to evaluate their genetic population structure, and 18 isolates were selected for further analyses of phenotypical characteristics. The study concluded that the uropathogenic potential is highly isolate dependent. Finally, little knowledge about the fate of these ESC-resistant E. coli if ingested, and the possible alteration of their phenotypical traits, were available in the literature. These abilities were further studied in detail by using an in vitro digestion model (INFOGEST) with subsequent investigation of cell-association and conjugational properties after digestion. All 31 isolates included in the third study were able to survive digestion and displayed variable changes in ability to transfer their resistance plasmids as well as altered cell-association qualities. A virulence associated gene analysis of the total genome sequences concluded that two of the 31 isolates were to be considered UPEC isolates, while a third can be regarded a hybrid pathogen. In conclusion, this work does not change that Norwegian poultry is safe to eat despite the previous finding of ESC-resistant E. coli on retail chicken meat. Yet it is important to continue surveillance and monitoring to avoid the occurrence and spread of such resistance in the food-production chain to ensure food that is safe for consumers.

Antimikrobielt resistente mikrober har blitt et globalt problem. I Norge har ESCresistente E. coli blitt oppdaget på kyllingkjøtt gjennom Norsk overvåkning for resistente mikrober i mat, fôr og dyr (NORM-VET) mellom 2012 og 2016, men ikke blitt detektert siden. Dette funnet var overraskende siden cephalosporiner ikke blir brukt til kylling i Norge. Arbeidet i denne avhandlingen hadde som mål å fylle ut kunnskapshull om ESC-resistente E. coli i kyllingkonsum-kjeden, overlevelsen av disse gjennom fordøyelse og risikoen for at disse isolatene kan bli ExPEC isolater hos mennesker. For det første, kylling får høyere nivåer av Zn og Cu i fôret enn hva de biologisk krever, og siden tungmetaller er kjent for å drive resistensutvikling var det første målet for denne avhandlingen å undersøke effekten av disse metallene på konjugering av ESC-resistens. I kontrast til hypotesen ble det konkludert at eksponering til tungmetallene Zn og Cu reduserte konjugasjonsfrekvensen mellom E. coli i takt med konsentrasjonen, mulig ved nedregulering av gener relatert til konjugasjon. For det andre, det fenotypiske og genotypiske potensialet for disse isolatene for å bli uropatogener ble undersøk siden AMR E. coli fra kylling har blitt dokumentert å være genetisk nært beslektet med UPEC fra mennesker. Totalt 141 isolater var inkludert i artikkel 2 for å evaluere den genetiske populasjonsstrukturen, og 18 isolater var valgt ut for videre analyser av fenotypiske egenskaper. Studien konkluderte at det uropatogene potensialet er høyst avhengig av det aktuelle isolatet. Avslutningsvis, lite kunnskap var tilgjengelig om skjebnen til disse ESC-reisstente E. coli hvis de blir inntatt via munnen, og den mulige endringen av fenotypiske egenskaper i litteraturen. Disse egenskapene ble videre undersøkt i detalj ved å bruke en in vitro fordøyelsesmodell (INFOGEST) med påfølgende undersøkelse av celle-assosiasjon og konjugasjonsegenskaper etter fordøyelse. Alle 31 isolater inkludert i den tredje artikkelen var i stand til å overleve fordøyelse og demonstrerte varierende endringer i evne til å overføre resistensplasmider i tillegg til celle-assosierte egenskaper. En virulensassosiert gen-analyse av de totale gensekvensene konkluderte med at to av de 31 isolatene kan regnes som UPEC isolater, mens et tredje kan regnes som et hybrid patogen. For å konkludere, dette arbeidet endrer ikke at Norsk kylling er trygg å spise til tross for det tidligere funnet av ESC-resistente E. coli på kyllingfileter. Likevel er det viktig å fortsette overvåkning og monitorering for å unngå forekomst og spredning av slik resistens i matproduksjonskjeden for å sikre mat som er trykk for forbrukere.