Antimicrobial resistance (AMR) is an emerging global One Health issue, affecting both human and veterinary medicine, as well as the environment. Previous research revealed that clinics providing healthcare for companion animals, such as horses, in fact represent ’hot spots’ for the local spread of multidrug-resistant (MDR) pathogens. Equines receiving perioperative antibiotic prophylaxis (PAP), consisting of gentamicin and penicillin, were hereby found to be frequently colonized by MDR bacteria. Since the duration of antibiotic therapy influences the local selective pressure and recovery time of the microbiome, two distinct PAP regimens were comparatively investigated, particularly in regards to the emergence of genes conferring resistance to antibiotics, biocides and metals (ARGs) within the enteral and nasal microbiota. Hospitalized horses subjected to colic surgery were randomized into two groups receiving PAP, either as a single dosage prior to surgery (SSG) or across 5 consecutive days post-surgery, including the initial dosage (5DG). Faecal and nasal samples were collected on days 0 (hospital admission), 3 and 10 (post-surgery). Samples were subsequently 16S rRNA (n = 78) and metagenome shotgun (n = 64) sequenced. Two novel computational workflows were developed for analysis of the respective microbiome and resistome data sets (Meta16s and MetaGEN). Results were then tested for statistical correlation with study groups, sampling time points and taxonomic diversities. The results display unique metagenomes associated with each of the equine patients. Beyond the impact of hospital stay and surgery, PAP caused microbiome perturbations in both nasal and gut environments, resulting in the accumulation of ARGs throughout the study period. Genes conferring resistance to beta-lactamases and aminoglycosides increased significantly in relative abundance over time within the 5DG, while the latter stagnated within the SSG. Taxonomic alpha diversity was found to be negatively correlated with the reconstructed ARGs across the sample set. Metagenomes with low taxonomic diversity hereby illustrated elevated abundances of resistance genes. While ARGs were found to be primarily associated with the family of Enterobacteriaceae, increased taxonomic plasticity was observed towards day 10. Draft genomes of abundant bacteria were reconstructed, revealing the presence of genotypically MDR Gram-negative pathogens, including Acinetobacter spp., Escherichia coli and Klebsiella spp., among the patient set. The study has enabled insights on the multifaceted effects of both hospitalization and PAP on the equine microbiome. A significant increase in ARGs conferring resistance to aminoglycosides and beta-lactamases, particularly within metagenomes representing the 5DG, provides evidence for the selective effect of prolonged PAP in hospitalized horses subjected to colic surgery. The presence of MDR pathogens stresses the need to further strengthen antibiotic stewardship throughout veterinary hospital environments. The presented novel computational workflows, as well as the described data sets, will enable further studies within the field of microbiome research.
Antibiotikaresistenzen (AMR) stellen eine zunehmende globale One Health-Herausforderung dar, welche sowohl die Human- und Veterinärmedizin als auch die Umwelt betrifft. Vorherige Untersuchungen haben ergeben, dass Kliniken, in denen Haustiere (wie z.B. Pferde) behandelt werden, ’Hotspots’ für das Auftreten und die lokale Verbreitung von multiresistenten (MDR) Infektionserregern darstellen. Pferde, welche eine perioperative Antibiotikaprophylaxe (PAP) bestehend aus Gentamicin und Penicillin erhielten, wurden dabei besonders häufig mit MDR-Bakterien besiedelt. Da die Dauer der Antibiotikatherapie den lokalen Selektionsdruck und die Erholungszeit des Mikrobioms beeinflusst, wurden zwei unterschiedliche PAP-Schemata vergleichend untersucht, insbesondere im Hinblick auf das Auftreten von Genen innerhalb der enteralen und nasalen Mikrobiota, welche Resistenzen gegen Antibiotika, Biozide und Metalle (ARGs) vermitteln. Hospitalisierte Pferde, die einer Kolikoperation unterzogen wurden, sind randomisiert in zwei Gruppen eingeteilt worden und erhielten entweder eine PAP bestehend aus nur einer einmalig Dosis vor der Operation (SSG) oder an 5 aufeinanderfolgenden Tagen, einschließlich der initialen Dosis (5DG). Kot- und Nasenproben wurden dabei an den Tagen 0 (Klinikaufnahme), 3 und 10 (nach der Operation) entnommen. Die Proben wurden anschließend 16S rRNA (n = 78) und Metagenom-Shotgun (n = 64) sequenziert. Zwei neue bioinformatische Programme wurden für die Analyse der jeweiligen Mikrobiom- und Resistom-Datensätze entwickelt (Meta16s und MetaGEN). Deren Ergebnisse wurden dann auf statistische Korrelation mit den Studiengruppen, dem Zeitpunkt der Probenentnahme und der taxonomischen Diversität geprüft. Die Ergebnisse zeigen individuell zusammengesetzte Metagenome der Pferdekohorte. Neben dem Einfluss des Klinikaufenthaltes und der Operation als solches beeinflusste die PAP das Mikrobiom sowohl des Nasen- als auch des Darmmilieus, welches mit der Akkumulation von ARGs über den gesamten Studienzeitraum einherging. Gene, welche Resistenzen gegen Beta-Laktamasen und Aminoglykoside vermitteln, nahmen in ihrer relativen Häufigkeit im Laufe der Zeit signifikant in der 5DG zu, während letztere für die SSG stagnierten. Zudem wurde eine negative Korrelation zwischen der taxonomischen Alpha-Diversität und den rekonstruierten ARGs über den gesamten Probensatz festgestellt. Insgesamt wurde verdeutlicht, dass Metagenome mit einer geringeren taxonomischen Vielfalt ein vergleichweise erhöhtes Vorkommen von Resistenzgenen aufwiesen. ARGs wurden darüber hinaus primär mit der Familie der Enterobacteriaceae assoziiert, wobei eine erhöhte taxonomische Plastizität gegen Tag 10 beschrieben wurde. Rekonstruierte Ganzgenome konnten das Vorkommen von zahlreichen genotypisch MDR Gram-negativen Erregern, einschließlich Acinetobacter spp., Escherichia coli und Klebsiella spp., in der Patientengruppe aufzeigten. Diese Studie trägt dazu bei, ein Verständnis für die multifaktoriellen Auswirkungen von Hospitalisierung und PAP auf das Mikrobiom von Pferden zu entwickeln. Eine signifikante Zunahme von ARGs welche Resistenzen gegen Aminoglykoside und Beta-Laktamasen verleihen, primär in Metagenomen der 5DG, liefert Hinweise auf die selektive Wirkung der PAP-Regime bei Kolik-operierten und hospitalisierten Pferden. Das Vorkommen von MDR Erregern unterstreicht die Notwendigkeit, den Umgang mit Antibiotika im Veterinärklinikumfeld weiter zu verbessern. Die präsentierten neuen bioinformatischen Programme, sowie die beschriebenen Datensätze, werden hierbei weitere Studien im Bereich der Mikrobiomforschung ermöglichen.
