Characterization of cephalosporin-resistant Escherichia coli from Norwegian broiler production

Abstract

Recently, extended spectrum beta lactamase (ESBL)-producing E. coli with a new genotype (blaCTX-M-1) emerged in the Norwegian broiler production pyramid. Occurrence of ESBL-producing bacteria such as E. coli is a global concern because they resist highly important antimicrobials known as third-generation cephalosporins used in human medicine. Development of ESBL-producing bacteria have resulted from the use and misuse of antimicrobials in humans and livestock production. However, Norway hardly use antimicrobials in its broiler production but still detected ESBL-producing E. coli with blaCTX-M-1. Thus, the goal of this study was to examine three questions regarding ESBL-producing E. coli emergence in the Norwegian broiler production pyramid. First, was this emergence a clonal spread of a specific ESBL-E. coli variant with one plasmid? Second, could it have been the clonal spread of several genetically unrelated E. coli variants with different plasmids and third, did a horizontal transfer of blaCTX-M-1-harboring plasmids occur between different E. coli STs? Together 35 ESBL-producing E. coli isolates were investigated. To examine these questions, molecular typing methods including PCR-based phylotyping and pulsed-field gel electrophoresis were used to analyze genetic relatedness between the ESBL-producing E. coli isolates. Isolates’ phenotypic resistance was determined by minimum inhibitory concentration determinations -and disk-diffusion tests. Plasmids associated with blaCTX-M-1 were identified through conjugation experiments and plasmid replicon typing. For further characterization of the isolates, whole genome sequencing was performed to determine MLSTs, serotypes, virulence genes, acquired antimicrobial resistance genes, and genetic relatedness based on single nucleotide polymorphisms. Using the whole genome data, blaCTX-M-1-carrying plasmids were identified, and one blaCTX-M-1-IncI1α plasmid re-constructed. Results showed most of the E. coli isolates were genetically related and grouped into a large cluster represented by the phylogroup D- ST-57-O140:H25 clonal lineage. Moreover, E. coli isolates from parents seemed more genetically diverse than the broiler isolates. IncI1α plasmids grouped into plasmid multi-locus sequence types (pMLST) 3 and 7 were identified as the main blaCTX-M-1-carrying plasmids. IncI1αplasmids from this study shared close homology with other IncI1α plasmids detected in broilers from France and Switzerland. Genetic characteristics of the isolates and plasmids identified in this study were similar to previous reports in broilers from several European countries. Thus, the results demonstrated both clonal dissemination and horizontal transfer of the IncI1α plasmids disseminated cephalosporin resistant E. coli in the Norwegian broiler production. The blaCTX-M-1-IncI1α plasmid characterized carried a toxin component, hok gene that could have maintained IncI1α plasmid in E. coli in the broiler production pyramid.

Nylig ble det gjort funn av ESBL-produserende E. coli med en ny genotype (blaCTX-M-1) i den norske slaktekyllingproduksjonen. Forekomst av ESBL-produserende bakterier som E. coli er en global bekymring fordi de er motstandsdyktige mot kritisk viktige antimikrobielle midler som tredje generasjons-cefalosporiner, som brukes til behandling av infeksjoner hos mennesker. Utviklingen av ESBL-produserende E. coli skyldes bruk og misbruk av antimikrobielle midler hos mennesker og dyr. Imidlertid bruker Norge knapt antimikrobielle i sin slaktekyllingproduksjon, men allikevel påvises ESBL-produserende E. coli med blaCTX-M-1. Hensikten med denne oppgaven var derfor å undersøke tre problemstillinger angående forekomsten av ESBL-produserende E. coli i den norske slaktekyllingproduksjonen. Først, kunne forekomsten ha vært en klonal spredning av en ESBL-produserende E. coli variant med ett plasmid? For det andre, kunne det ha vært en klonal spredning av flere genetisk ulike E. coli varianter med ulike plasmider, og sist, skjedde det en horisontal overføring av blaCTX-M-1-bærende plasmider mellom forskjellige E. coli sekvenstyper? Til sammen ble 35 ESBL-E. coli med blaCTX-M-1 undersøkt. For å undersøke disse problemstillingene, ble det anvendt molekylære metoder som PCR-basert fylotyping og puls-felt gelelektroforese for å fastslå det genetiske slektskapet mellom de ESBL-produserende E. coli isolatene. Isolatenes fenotypiske resistens ble bestemt ved minste hemmende konsentrasjon og lappediffusjonstest. Plasmider assosiert med blaCTX-M-1 ble identifisert gjennom konjugasjonsforsøk og plasmid-replikon-typing. For videre karakterisering av isolatene, ble de helgenomsekvensert for å bestemme MLST, serotype, virulensgener, antibiotika resistensgener og genetisk slektskap basert på enkletnukleotidpolymorfier (SNP). Ved bruk av helgenomdata ble blaCTX-M-1-bærende plasmider identifisert, og ett blaCTX-M-1-IncIl-plasmid karakterisert. Resultatene viste at de fleste av E. coli-isolatene var genetiske relaterte og gruppert i et stort kluster representert av fylogruppe D-O140: H25 / ST-57 klonen. I tillegg så det ut som at det var en større genetisk variasjon i E. coli-isolatene fra foreldredyr enn isolatene fra slaktekylling. IncI1α/ST3 og IncI1α/ST7 ble identifisert som de viktigste blaCTX-M-1-bærende plasmidene. IncI1α plasmider fra denne studien var i større grad likt andre IncI1α plasmider funnet i slaktekylling fra Frankrike og Sveits. De genetiske egenskapene til isolatene og plasmidene funnet i denne studien lignet på isolater og plasmider fra slaktekylling i flere europeiske land. Stort sett indikerte resultatene at både klonal utbredelse og horisontal overføring av IncI1α plasmidene spredte cefalosporin resistent E. coli i den norske slaktekyllingproduksjonen. Det karakteriserte blaCTX-M-1-IncI1α plasmidet uttrykte en toksinkomponent, hok-genet, som kunne ha opprettholdt IncIl-plasmid i E. coli i slaktekyllingproduksjonen.