Инфекции, вызванные грамотрицательными патогенами с множественной лекарственной резистентностью (MDR), в настоящее время представляют собой одну из самых серьезных глобальных проблем здравоохранения, а ВОЗ объявила их чрезвычайно важными в международном масштабе.
Главным среди этих патогенов является MDR Escherichia coli, которая ответственна за тревожный рост заболеваемости инфекциями кровотока и мочевыводящих путей, резистентными к антимикробным препаратам (AMR). MDR E. coli в значительной степени связана с носительством крупных MDR-плазмид, кодирующих бета-лактамазы расширенного спектра действия (ESBL) и карбапенемазы, такие как NDM, KPC и Oxa-48, которые придают резистентность соответственно к цефалоспоринам третьего поколения и карбапенемам. Интересно, что такие плазмиды крайне редко встречаются у кишечных патогенных E. coli, таких как E. coli O157 или распространенных энтеропатогенных и энтеротоксигенных штаммов E. coli. Напротив, носительство плазмид MDR сосредоточено в ряде линий, ответственных за внекишечный патогенез, таких как инфекции кровотока и мочевыводящих путей.
Внекишечные патогенные E. coli (ExPEC) - это название штаммов E. coli, способных вызывать внекишечные инфекции, но не представляющих собой филогенетически отдельную группу организмов. ExPEC встречаются в филогенезе видов, в основном в филогруппах B2, D и F. Недавние лонгитюдные исследования национальных изолятов инфекций кровотока показали, что наиболее распространенными линиями ExPEC являются ST131, ST73, ST69, ST95, ST410 и члены комплекса ST10, включая ST167. Не менее интересно и то, что плазмиды MDR не равномерно распределены между этими линиями ExPEC, а их носительство сосредоточено в небольшом количестве высокоуспешных клонов, распространившихся по всему миру. Наиболее успешным из таких клонов является клон С ST131, являющийся наиболее частой причиной MDR инфекций кровотока и мочевыводящих путей во всем мире. К другим распространенным линиям MDR E. coli относятся ST69, ST410, ST167 и ST648.
Вопрос о том, что делает определенные клоны или линии E. coli успешными патогенами с MDR, остается открытым. Недавний сравнительный анализ изолятов инфекции кровотока из Норвегии показал, что штаммы ST131 успешно доминировали в отсутствие носительства плазмид MDR, что указывает на то, что не только MDR является фактором их успеха. Проведенный в Великобритании лонгитюдный анализ изолятов показывает, что одной только MDR недостаточно для полного доминирования штаммов в эпидемиологическом ландшафте.
Последние данные свидетельствуют о том, что важным фенотипом, отличающим E. coli с MDR от других линий, является их способность быстро и бессимптомно колонизировать кишечный тракт человека. Исследование COMBAT, включавшее 1847 человек, путешествовавших из Нидерландов в Азию, Африку и Южную Америку, показало, что 34% из них приобрели в кишечном тракте ESBL E. coli во время путешествия, причем это число возросло до 75% среди путешествовавших в Азию. Из числа тех, кто был колонизирован в ходе исследования, 11% были колонизированы в течение 12 месяцев.
Небольшое исследование, проведенное среди студентов Бирмингемского университета, показало, что все участники, отправлявшиеся в Азию, были колонизированы ESBL E. coli, причем геномный анализ подтвердил, что это произошло из-за приобретения нового штамма с MDR, а не из-за того, что постоянная комменсальная E. coli стала MDR. В недавнем исследовании медицинского персонала, выезжавшего в Лаос, пробы отбирались в режиме реального времени и показали, что каждый человек был колонизирован MDR E. coli во время поездки, причем колонизация происходила в течение нескольких дней после прибытия.
Совсем недавно наша группа провела метагеномное секвенирование образцов, полученных в ходе исследования COMBAT, и показала, что при колонизации людей MDR E. coli не было обнаружено заметного влияния на разнообразие или состав микробиома кишечника в целом. Несмотря на то, что обсервационные исследования позволили получить данные, позволяющие выдвинуть гипотезу о конкуренции между штаммами, этот факт никогда не проверялся непосредственно in vivo.
Исследования генетических детерминант, дифференцирующих линии MDR E. coli от остальной популяции, также выявили ряд параллельных наблюдений. Исследования, сравнивающие ST131 из клада С с его предковой популяцией, показывают набор адаптивных нуклеотидных замен в хромосомных промоторных областях, связанных со специфической плазмидой, носителями которой является данный штамм, что также наблюдалось у ST167. Изучение ST131 с использованием пангеномного подхода для выявления аллельных вариаций в генах показало, что число нуклеотидных замен в генах, участвующих в колонизации млекопитающих, включая анаэробный метаболизм, приобретение железа и адгезинов, сильно увеличено. Подобная картина не наблюдалась у успешных линий ExPEC без MDR, таких как ST73. Подобное аллельное разнообразие генов анаэробного метаболизма наблюдалось также у ST167 и ST648, а также было показано, что рекомбинация новых аллелей генов поглощения железа fhu стала ключевым эволюционным событием, обусловившим появление карбапенем-резистентного клона B4/H24RxC в линии ST410. Мы предполагаем, что эти генетические адаптации могут способствовать более эффективной колонизации кишечника млекопитающих.
В данной работе мы использовали гнотобиотическую мышиную модель колонизации кишечника для непосредственной проверки гипотезы о том, что MDR E. coli может превзойти комменсальные E. coli посредством межштаммовой конкуренции и установить доминирующую колонизацию кишечного тракта in vivo в отсутствие какой-либо антибиотической селекции. Мы продемонстрировали, что штамм ST131 с MDR может конкурировать с комменсальными штаммами, обеспечивая колонизацию кишечника у гнотобиотических мышей. Более того, при введении в кишечник мышей, предварительно колонизированных комменсальными кишечными палочками, MDR ST131 может вытеснить комменсальные E. coli из кишечника и установить доминирующую колонизацию.
Вытеснение резидентного комменсального штамма происходит в течение 48 ч после совместного проживания с мышами, колонизированными MDR ST131, причем ST131 становится доминирующим штаммом у всех совместно проживавших мышей. Для понимания биологических процессов, лежащих в основе этой конкуренции, мы использовали фенотипический микрочип Biolog, который позволяет выявить изменения в утилизации источников углерода. Целенаправленное геномное сравнение анализируемых штаммов позволяет выявить различные мутационные сигнатуры. Далее мы распространили этот анализ на массив данных из 19 571 генома, представляющих все филогенетическое и AMR-разнообразие E. coli, чтобы выявить существенную связь между метаболизмом и носительством AMR-генов. Мы обнаружили, что линии MDR E. coli демонстрируют повышенное нуклеотидное разнообразие в генах, связанных с утилизацией углеводов, что может обеспечить конкурентные преимущества при колонизации кишечника млекопитающих по сравнению с комменсальными штаммами E. coli.
В совокупности наши данные свидетельствуют о том, что MDR E. coli обладает высокой способностью к колонизации кишечника хозяина, вытесняя резидентную комменсальную E. coli, становясь доминирующим штаммом и легко передаваясь между хозяевами. Проведенный нами геномный анализ указывает на то, что метаболизм является ключевым фактором в эволюции AMR, связанным с невероятной способностью MDR E. coli к колонизации кишечника.
