Antimicrobial resistance and one health: occurrence of multiresistant human pathogenic bacteria in food and environment.

Abstract

Im Laufe der Evolution hat sich das Spektrum der Krankheitserreger, die eine Bedrohung für die Gesundheit und das Leben des Menschen darstellen, konstant verändert. Um deren Verbreitung einzudämmen, ist eine ständige Überwachung infektiöser Erreger als Maßnahme im Bereich der öffentlichen Gesundheit unerlässlich. Das Auftreten beziehungsweise Wiederauftreten von Infektionskrankheiten kann durch unterschiedliche Faktoren verursacht werden. Der übermäßige Gebrauch und Missbrauch antimikrobieller Substanzen sind für eine zunehmende Antibiotika Resistenz der Krankheitserreger verantwortlich und erschweren notwendige medizinische Behandlungen damit erheblich. Sowohl Gram positive als auch Gram negative Bakterien entwickeln zunehmende Resistenzen gegen die jeweiligen Antibiotikatherapien. Reservoire von Krankheitserregern sind nicht nur auf Krankenhäuser, in denen der selektive Druck durch Antibiotika besonders hoch ist, beschränkt, sondern befinden sich auch in der Umwelt (z. B. Wasser, Lebensmittelproduktion, Landwirtschaft). Insbesondere lebensmittelbedingte Krankheitserreger sind eine weitere treibende Kraft für die Ausbreitung von Infektionskrankheiten. Durch behördliche Kontrollen können Kontaminationsquellen zwar reduziert werden, jedoch können lebensmittelbedingte Infektionen in allen Altersgruppen auftreten und sind nach wie vor weit verbreitet. Daher sind regelmäßige Kontrollen und zugleich eine genaue Typisierung von Bakterien notwendig, um die Risiken einer Infektion und deren Ausbreitung zu minimieren. Ziel dieses Projekts war es, natürliche Reservoirs und Quellen pathogener Mikroorganismen zu definieren. Dabei lag ein besonderer Schwerpunkt auf multiresistenten Mikroorganismen in Gewässern. Dazu wurden österreichische Flüsse auf die Präsenz humanpathogener, multiresistenter Erreger untersucht. Weiters wurde das Vorkommen eines Lebensmittelassoziierten Erregers namens Cronobacter sakazakii, der besonders schwere Krankheitsausbrüche bei Säuglingen verursachen kann, im Zuge einer europäischen Multicenter-Studie im Jahr 2017 untersucht. Mittels Ganzgenomsequenzierung wurde eine detaillierte Charakterisierung und Subtypisierung pathogener klinischer und lebensmittelbedingter Erreger durchgeführt und der jeweilige Antibiotikaresistenzund Virulenz-Status bestimmt. Die Ergebnisse des ersten Projekts zeigen, dass multiresistente Erreger, die in Krankenhäusern vorkommen auch im österreichischen Oberflächengewässer nachgewiesen werden können. Es gelang der Nachweis eines Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus USA300 Isolats und der Nachweis von multiresistenten Klebsiella pneumoniae Isolaten, die mit den aus Krankenhäusern erhaltenen Isolaten eine genombasierte Übereinstimmung zeigten. Der Nachweis humaner Krankheitserreger, wie dem Staphylococcus aureus USA300 Isolat und den Klebsiella pneumoniae Isolaten in österreichischen Flüssen hat gezeigt, dass Antibiotikaresistenzen nicht nur auf Krankenhäuser beschränkt sind, sondern von dort auch in die Umwelt gelangen können. Die anthropogene Verschmutzung durch Kläranlagen der jeweiligen Flüsse, wurde durch den Nachweis von multiresistenten Klebsiella pneumoniae Isolaten bestätigt, da sie von in Krankenhäusern gesammelten klinischen Isolaten nicht unterschieden werden konnten. Da Antibiotikagaben zur primären Behandlungsmethode gegen bakterielle Infektionen gehören, ist die zunehmende Ineffektivität alarmierend und erfordert Strategien, um eine Ausbreitung multiresistenter Stämme in der Umwelt zu minimieren. Die europäische Cronobacter sakazakii Multicenter-Studie ermöglichte einen Überblick über die Situation der Cronobacter Infektionen in ganz Europa. Die Studie hat gezeigt, dass in Ländern, die 2017 Cronobacter sakazakii Isolate nachweisen konnten, keine europaweiten Ausbrüche vorlagen. Die korrekte Identifizierung von Cronobacter Spezies stellte sich als eine große Herausforderung für die teilnehmenden Laboratorien heraus und trug daher zu einer unterschätzten Verbreitung in ganz Europa bei. Die Etablierung eines Typisierungsschemas für Ausbruchsuntersuchungen ermöglichte die Entdeckung von vier bisher unveröffentlichten historischen Ausbrüchen (vor 2016). Die Typisierung von Bakterien mittels Ganzgenomsequenzierung erlaubt eine Unterscheidung der Isolate in höchstmöglicher Auflösung und ist daher die Methode der Wahl, um Übertragungswege und Ausbrüche durch pathogene Erreger aufzudecken. Darüber hinaus ermöglichen genombasierten Sequenzdaten die Analyse und Charakterisierung von Genen, welche Antibiotikaresistenzen und Virulenzeigenschaften verursachen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass Ganzgenomsequenzierung besonders zur Überwachung, Erkennung von Ausbrüchen und zur Beobachtung der Entwicklung von Krankheitserregern geeignet ist.

Throughout evolution, the spectrum of pathogens affecting human health and the thereby associated infectious diseases changed. To decrease dissemination, disease and death, control via constant public health surveillance is essential. Emergence respectively re-emergence of infectious diseases can be promoted by diverse factors. Amongst others, the use, overuse and misuse of antimicrobials lead to the growing emergence of infections, caused by increased antibiotic resistance of pathogens to medical treatment. Gram positive as well as Gram negative bacteria progressively resist antibiotic therapy. Reservoirs of such bacteria are not restricted to hospitals where the selective pressure is particularly high, but can also be found in the environment (e.g. water, food-production, husbandry). In addition, foodborne pathogens are a driving force for infectious diseases. Although regulatory controls can reduce sources of contamination, infections transmitted through food still remain common. Outbreaks caused by foodborne pathogens can appear in all age groups, therefore reliable regulatory control and accurate bacterial typing is important to reduce the risk of infection and dissemination. The aim of this project was to define the natural reservoirs and sources of pathogenic bacterial organisms. One special focus was on multiresistant strains in the water environment. Main Austrian rivers were screened for the presence of multiresistant pathogens. Second, the occurrence of the foodborne pathogen Cronobacter sakazakii, which is associated with outbreaks of severe infections in infants, was investigated by a European multi-centre study in 2017. Clinical and foodborne pathogens were analysed in detail determining their antimicrobial resistanceand virulence status as well as characterization and subtyping of pathogenic isolates by whole genome sequencing (WGS). Results of the first project revealed that human pathogens, which were simultaneously occurring in hospitals, have been detectable in Austrian surface water. This included the detection of a community acquired methicillin resistant Staphylococcus aureus USA300 isolate and the detection of multiresistant Klebsiella pneumoniae isolates, which resembled isolates from specimens obtained in hospitals. Overall, the detection of human pathogens, such as the Staphylococcus aureus USA300 isolate in Austrian river water, shows that antimicrobial resistance is not restricted to hospitals, but that antibiotic resistant isolates spill over into the environment. Further, the occurrence of anthropogenic pollution by wastewater treatment plants has been affirmed by the detection of multiresistant Klebsiella pneumoniae isolates, which were indistinguishable with human isolates collected in hospitals. Since antibiotics belong to the treatment of choice against bacterial infections, the increasing ineffectiveness is alarming and demands attention and strategies to minimize the spread of multiresistant strains to the environment. The European multi-centre study of Cronobacter sakazakii infections in humans allowed a comparison of the situation for Cronobacter infections across Europe. This study revealed the absence of European wide outbreaks in countries submitting Cronobacter sakazakii isolates in 2017. Species identification turned out to be a major challenge for participating laboratories, contributing to an underestimated prevalence across Europe. The establishment of a typing scheme for outbreak investigations enabled the detection of four previously unpublished historical outbreaks (before 2016). Strain typing using WGS data discriminates isolates with the highest possible resolution and is therefore the method of choice for uncovering chains of transmission and outbreak investigations. In addition, WGS data allow the analysis and characterization of genes conferring antibiotic resistance and virulence. The findings corroborate, WGS as the recommended tool for surveillance, outbreak detection and for monitoring the evolution of pathogens.