Transfer and structural alterations of resistance plasmids carrying carbapenemase-encoding genes in a broiler chicken infection model

Abstract

The antimicrobial resistance remains an important threat to the public and animal health. The current trends of antimicrobial resistance reveal an alarming and ongoing dissemination of associated genes to different bacteria. With the aim of preserving important antimicrobials for human treatment, certain antimicrobial classes, such as carbapenems are categorized as critically important antimicrobials and are not licensed for use in foodproducing animals. However, in recent years, reports of carbapenemase-producing bacteria in livestock animals started to emerge. In Germany, several studies reported detection of carbapenemase-producing enterobacteria in wild birds, livestock, meat and seafood products. An important observation was association of New Delhi Metallo (NDM-1) and Verona Integron Metallo (VIM-1) carbapenemases to different Salmonella serovars, suggesting their role as reservoirs of these carbapenemases. Motivated by the detection of carbapenemase-producing Salmonella serovars in a wild bird and poultry production, in this doctoral thesis scenarios of avian native NDM-1-producing Salmonella enterica subsp. enterica serovar (S.) Corvallis and VIM-1-producing S. Infantis entering a broiler flock were investigated. The aim of the in vivo studies was to understand behavior of these strains and their plasmids in the absence of antibiotic pressure. Particular focus was on the in vivo spread and stability of carbapenemase-encoding blaNDM-1-carrying plasmids belonging to the incompatibility group A/C2 (IncA/C2) and blaVIM-1-carrying plasmids belonging to group HI2 (IncHI2). The insight into transfer and structural alteration of plasmids was obtained by an in-depth molecular analysis with S1-pulsed-field gel electrophoresis plasmid profiling and subsequent short and long-read whole genome sequencing analysis. The in vivo studies showed that in a scenario of NDM-1-producing S. Corvallis entering a broiler flock, the blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid disseminates to different gut enterobacteria, such as Escherichia (E.) coli and Klebsiella (K.) pneumoniae, in the absence of antibiotic pressure. The acquisition of this plasmid was not restricted to a particular E. coli clone, as this plasmid was detected in different E. coli ST-types and a K. pneumoniae strain. The blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid remained detected in donor and E. coli strains until the end of trial, revealing stable persistence of this plasmid also in new hosts. Although less frequent in contrast to gut enterobacteria, acquisition of the blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid in broiler-associated S. Paratyphi B (dTartrate-positive) and S. Infantis strains was detected. Acquisition of the blaVIM-1-carrying IncHI2 plasmid was not detected in other bacteria during the course of in vivo study. As for the in vivo stability of blaNDM-1-carrying IncA/C2 and blaVIM-1-carrying IncHI2 plasmid, stable persistence of these plasmids in their native hosts was observed. In the case of blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid a smaller (~10 kb) and larger (~70 kb) structural deletion was identified, along with formation of a newly emerged blaNDM-1-carrying IncA/C2-IncHI2 multireplicon megaplasmid. Despite structural alterations, the blaNDM-1 gene was maintained in these variants of the blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid. In the selection of blaVIM-1-carrying IncHI2 plasmids, from donor reisolates, smaller (~10 kb) structural deletions were observed. In conclusion, the in vivo broiler chicken infection studies revealed stable persistence of the blaNDM-1-carrying IncA/C2 and blaVIM-1-carrying IncHI2 plasmids, despite sporadic structural alterations, in their hosts in a scenario of entry into a broiler flock. As for blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid, a worrying observation is the rapid and broad dissemination of the blaNDM-1-carrying IncA/C2 plasmid to gut enterobacteria and Salmonella recipients in the absence of selective pressure. Although here primarily investigating the behavior of NDM-1-producing S. Corvallis and VIM-1-producing S. Infantis strains, the results can serve as a model for the potential dissemination of other MDR-encoding broad host range plasmids in a broiler flock. Therefore, important preventive measure should be achieved to avoid such bacteria entering a broiler flock, as their entrance could lead to the spread of MDR-encoding plasmids even in the absence of antibiotic pressure.

Die Antibiotikaresistenzen stellen nach wie vor eine große Bedrohung für die Gesundheit von Menschen und Tieren dar. Die derzeitigen Entwicklungen der Antibiotikaresistenzen zeigen eine alarmierende und anhaltende Verbreitung der Antibiotikaresistenzgene bei verschiedenen Bakterien. Mit dem Ziel, die wichtigsten Antibiotika für die Behandlung von Menschen zu bewahren, werden bestimmten Gruppen von Antibiotika, wie z.B. Carbapenemen, als Reserveantibiotika eingestuft und dürfen bei Nutzieren nicht verwendet werden. In den letzten Jahren wurden dennoch Carbapenemaseproduzierende Bakterien bei Nutztieren isoliert. In Deutschland haben mehrere Studien über den Nachweis von Carbapenemase-produzierende Enterobakterien in Wildvögeln, Nutztieren, Fleisch und Meeresfrüchten berichtet. Eine wichtige Beobachtung dieser Studien war der Zusammenhang der New Delhi Metallo (NDM-1) und Verona Integron Metallo (VIM-1) Carbapenemasen mit unterschiedlichen Salmonellen, was darauf hindeutet, dass die Salmonellen mögliche Reservoire dieser Carbapenemasen sind. Motiviert durch den Nachweis von Carbapenemase-produzierenden Salmonellen bei einem Wildvogel und in der Geflügelproduktion wurden in dieser Dissertation Eintrittsszenarien einer aviären NDM-1-produzierenden Salmonella enterica subsp. enterica serovar (S.) Corvallis und einer VIM-1-produzierenden S. Infantis in einen Masthähnchenbestand untersucht. In den in vivo Studien wurde das Verhalten dieser Salmonellen und der dazugehörigen Plasmide ohne Antibiotika-Einsatz untersucht. Insbesondere wurden hier die in vivo Übertragung und die Stabilität der Carbapenemasekodierenden blaNDM-1-tragenden Plasmide der Inkompatibilitätsgruppe A/C2 (IncA/C2) und blaVIM-1-tragenden Plasmide der Inkompatibilitätsgruppe HI2 (IncHI2) untersucht. Der Einblick in der Verbreitung und die Stabilität der Plasmide wurde durch die Verwendung von molekularbiologischen Methoden S1-Puls-Feld-Gelelektrophorese und die Gesamtgenomsequenzierung ermöglicht. Die in vivo Studien haben gezeigt, dass in einem Szenario in dem der NDM-1-produzierende S. Corvallis in einen Masthähnchenbestand eintritt, das blaNDM-1-tragende IncA/C2 Plasmid sich in unterschiedlichen Darmenterobakterien wie Escherichia (E.) coli und Klebsiella (K.) pneumoniae auch ohne Antibiotika-Einsatz verbreiten kann. Die Verbreitung dieses Plasmids war nicht auf einen bestimmten E. coli-Klon beschränkt. Das Plasmid wurde in verschiedenen E. coli ST-Typen und einem K. pneumoniae-Stamm nachgewiesen. Das blaNDM-1-tragende IncA/C2 Plasmid konnte in den Donorzellen und E. coli-Stämmen bis Ende des Versuchs nachgewiesen werden, was für eine stabile Persistenz des Plasmids in anderen Bakterien spricht. Im Gegensatz zu Darmenterobakterien war die Aufnahme des blaNDM-1-tragenden IncA/C2-Plasmids in Broiler-assoziierten S. Paratyphi B (dTartrat-positiv) und S. Infantis weniger häufig. Die Aufnahme des blaVIM-1-tragenden IncHI2 Plasmids in anderen Bakterien konnte im Verlauf der in vivo Studie nicht nachgewiesen werden. Bezüglich der in vivo Stabilität der blaNDM-1-tragenden IncA/C2 und blaVIM-1-tragenden IncHI2 Plasmide wurde eine stabile Persistenz dieser Plasmide in ihren Donorzellen beobachtet. Bei den blaNDM-1-tragenden IncA/C2 Plasmiden wurde eine kleinere (~10 kb) und eine größere (~70 kb) Deletion in dem Plasmid sowie die Entsehung eines blaNDM-1-tragenden IncA/C2-IncHI2-Multireplikon-Megaplasmids beobachtet. Trotz strukturellen Veränderungen des Plasmids konnte das blaNDM-1 Gen in diesen Varianten des blaNDM-1-tragenden IncA/C2 Plasmids nachgewiesen werden. Bei den untersuchten blaVIM-1-tragenden IncHI2 Plasmiden wurden kleinere (~10 kb) Deletionen beobachtet. Die im Tiermodell Huhn durchgeführten in vivo Studien haben eine stabile Persistenz der blaNDM-1-tragenden IncA/C2 und blaVIM-1-tragenden IncHI2-Plasmide in Donorzellen bei einem Eintrittsszenario in einen Masthähnchenbestand gezeigt. Besorgniserregend ist die Verbreitung des blaNDM-1-tragenden IncA/C2 Plasmids zu den Darmenterobakterien und Salmonellen ohne Antibiotika-Einsatz. Obwohl in den dargestellten Studien das Verhalten der NDM-1-produzierenden S. Corvallis und VIM-1-produzierenden S. Infantis untersucht wurde, können die Ergebnisse dennoch als ein Modell für die Verbreitung von Multiresistenzkodierenden Plasmiden in einem Masthänchenbestand dienen. Somit sollten Präventivmaßnahmen ergriffen werden um den Eintritt solcher Bakterien in einen Masthänchenbestand zu verhindern, insbesondere weil ihr Eintritt zur Verbreitung von Multiresistenz-kodierenden Plasmiden auch ohne Antibiotika-Einsatz führen könnte.