Staphylococcus aureus in companion animals: An infection source for the community?

Abstract

Staphylococcus (S.) aureus colonizes the skin and mucosa of various mammalian hosts, and up to 30% of the human population is permanently colonized. As a zoonotic pathogen, S. aureus plays an important role in both human and veterinary medicine, affecting a broad range of animals. When the general condition of the (animal or human) patient allows the bacteria to cause an infection, the diseases range from superficial to life-threatening. Especially infections with methicillin-resistant S. aureus (MRSA) are a major burden in medicine due to limited treatment options. The increasing detection of MRSA as causative agent of purulent infections in companion animal patients like dogs, cats and horses in the recent past resulted in a discussion about the general relevance and impact of this observation for these animals as well as for Public Health. In consequence, several localized studies investigated and reported MRSA infection frequencies. Further, genotypic characterization of MRSA from companion animal origin indicated the occurrence of genotypes that are also commonly reported in human medicine. The aim of this study was to obtain data on the frequency, geographic origin as well as information on numerous molecular characteristics of S. aureus isolated from infected dogs, cats and horses. Thus, this work provides for the first time both reliable and representative data, obtained by investigation of a large sample size within Germany. Results achieved by the analysis of 5,229 wound swabs from dogs, cats and horses demonstrated the importance and impact of S. aureus in general, and MRSA in particular, as a cause of wound infections in companion animals in Germany. The detected high MRSArates (62.7% for dogs, 46.4% for cats and 41.3% for horses) within this study are especially worrisome since multi-drug resistance in many of these strains leads to decreased therapeutic options. Genotypic characterization of MRSA, that was performed by use of various typing methods, identified in samples from dogs and cats mainly genetic lineages that are also relevant for infections in humans within Germany (for example clonal complexes CC5 and CC22). These results proof once more the existence of S. aureus belonging to extended host spectrum genotypes (EHSG) with the ability to infect several hosts. For MRSA of equine origin, most of the isolates (87.7%) belonged to CC398, a genetic lineage that can be isolated from livestock, dogs, cats and humans. The emergence of CC398-MRSA as predominant genotype in equine wound infections demonstrates the adaptive capacity of this lineage to other hosts respective niches than livestock and humans, showing an epidemiological change over time of dominating MRSA genotypes in horses. Further comparative analysis of EHSG-S. aureus originating from companion animals and humans based on various genetic characteristics by use of spa typing, multilocus sequence typing (MLST), pulsed field gel electrophoresis (PFGE) and DNA microarray analysis revealed a lack of host adaptation for both, methicillin-resistant as well as methicillinsusceptible (MSSA) isolates. Thus, MSSA from companion animals have to be considered as EHSG as well. The minor variations of all investigated S. aureus was independent of each respective host origin but rather displayed the natural variation within each investigated lineage. In conclusion, wound infections caused by S. aureus are a burden in companion animal medicine and the identified high infection rates with MRSA are of special concern due to limited treatment options. Genotypic investigation of isolates from companion animal origin revealed common human lineages that were further undistinguishable from representative isolates of human origin. Therefore, these animals should be considered as an infection source for humans and vice versa. To reduce the total burden of MRSA in both, human and veterinary medicine, it is necessary to take various epidemiological pathways into account and thus, to strengthen the collaboration between human and veterinary medicine according to the concept of “One Health”.

Staphylococcus (S.) aureus kolonisiert die Haut und Schleimhäute vieler Mammalia und bis zu 30% der Menschen sind permanent besiedelt. Als zoonotischer Erreger ist S. aureus sowohl in der Human- als auch in der Tiermedizin bedeutsam, da Infektionen durch S. aureus bei vielen verschiedenen Tierarten relevant sind. Wenn die Gesamtkondition des Patienten (Mensch oder Tier) eine Infektion ermöglicht, können die Krankheiten entweder oberflächlich oder aber lebensbedrohlich sein. Insbesondere Infektionen mit Methicillinresisenten S. aureus (MRSA) sind, bedingt durch die limitierten Behandlungsmöglichkeiten, eine schwere Belastung für die Medizin. Der vermehrte Nachweis von MRSA als Erreger purulenter Infektionen bei Begleittieren wie beispielsweise Hunden, Katzen und Pferden in jüngerer Zeit führte zu einer Diskussion über die Relevanz und Bedeutung von MRSAInfektionen bei diesen Tieren sowie in Bezug auf die öffentliche Gesundheit. Daraufhin wurden verschiedene Studien durchgeführt, die überwiegend in kleinen Gebieten die Häufigkeit von MRSA-Infektionen untersuchten. Zusätzlich wurden isolierte MRSA genotypisch charakterisiert, wobei gezeigt werden konnte, dass MRSA von Begleittieren häufig Genotypen aufweisen, die auch humanmedizinisch relevant sind. Ziel dieser Arbeit war es, Informationen über die Häufigkeit und geographische Verteilung von S. aureusbedingten Infektionen zu erhalten und des Weiteren Daten zu molekularen Charakteristiken zu Isolaten von infizierten Hunden, Katzen und Pferden bereitzustellen. Die Arbeit stellt zum ersten Mal repräsentative und belastbare Zahlen zur Verfügung, die im Rahmen einer Deutschland-weiten Untersuchung erarbeitet wurden. Die Ergebnisse der Untersuchung, basierend auf der Analyse von 5.229 Wundtupfern von Hunden, Katzen und Pferden, zeigt die Bedeutung von S. aureus allgemein sowie insbesondere von MRSA als Wund-Infektionserreger bei Begleittieren innerhalb Deutschlands. Die im Rahmen dieser Arbeit detektieren hohen MRSA-Raten (62,7% für Hunde, 46,4% für Katzen und 41,3% für Pferde) sind besonders besorgniserregend, da Multiresistenzen in vielen dieser Isolate verringerte Therapiemöglichkeiten zur Folge haben. Die genotypische Charakterisierung der isolierten MRSA wurde mit Hilfe verschiedener Typisierungsmethoden durchgeführt, wobei identifizierte Genotypen der Begleittier-Proben überwiegend relevante genetische Linien aus der Humanmedizin wiederspiegelten (zum Beispiel klonale Komplexe (CC)5 und CC22). Dieses Ergebnis bestätigt einmal mehr die Existenz von S. aureus, die Genotypen mit erweiterten Wirtsspektren aufweisen (aus dem englischen: extended host spectrum genotypes: EHSG) und somit die Möglichkeit besitzen, verschiedene Wirte zu infizieren. Bei Pferden hingegen wurden überwiegend CC398-MRSA isoliert (87,7%). Hierbei handelt es sich um einen Genotypen der auch bei landwirtschaftlichen Nutztieren, Hunden, Katzen und Menschen isoliert werden kann. Das Auftreten von CC398-MRSA als prädominanter Genotyp in equinen Wundinfektionen zeigt die adaptive Kapazität dieser genetischen Linie zu anderen Wirten beziehungsweise Nischen als landwirtschaftliche Nutztiere und Menschen. Außerdem zeigt die Prädominanz von CC398-MRSA den epidemiologischen Wandel dominanter MRSA- Genotypen bei Pferden im Laufe der Jahre auf. Basierend auf verschiedenen genetischen Eigenschaften wurden unter der Nutzung von Spa-Typisierung, Multilokus-Sequenztypisierung (MLST), Pulsfeldgelelektrophorese (PFGE) und DNA-Microarray-Analyse weitere vergleichende Untersuchungen von EHSG-S. aureus von Begleittieren und Menschen durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass sowohl untersuchte Methicillin-resistente als auch Methicillin-sensible (MSSA) S. aureus keine Wirtsspezifischen Eigenschaften aufwiesen. Deshalb müssen auch MSSA von Begleittieren als EHSG in Betracht gezogen werden. Vorhandene genetische Variationen in den untersuchten Isolaten waren unabhängig von der jeweiligen Wirtsspezies. Vielmehr stellte sie die natürliche Variation innerhalb jeder untersuchten genetischen Linie dar. Mit Hilfe dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass S. aureus ein wichtiger Wundinfektionserreger bei den untersuchten Begleittieren ist. Insbesondere die hohe MRSARate ist wegen der limitierten Behandlungsmöglichkeiten sehr besorgniserregend. Die genetische Untersuchung der Isolate von Begleittieren zeigte eine Übereinstimmung zu humanmedizinisch bedeutsamen Genotypen und mit Hilfe der durchgeführten Methoden war eine Unterscheidung der Isolate mit S. aureus von humanen Infektionen nicht möglich. Daher sollten die untersuchten Tierarten als Infektionsquelle für Menschen sowie Menschen als Infektionsquelle für Begleittiere in Betracht gezogen werden. Um das Infektionsrisiko mit MRSA sowohl im Bereich der Human- als auch der Tiermedizin zu verringern ist es nötig, verschiedene epidemiologische Routen in Betracht zu ziehen. Dafür muss im Sinne des Konzeptes „One Health“ die Zusammenarbeit zwischen Human- und Tiermedizin ausgeweitet und verstärkt werden.