Antimicrobial resistance in human and broiler chicken Escherichia coli isolates

Jonas

Ghyselinck

Het einde van het antibioticatijdperk?

We keren zeshonderd jaar terug in de tijd: hygiëne is een begrip dat tot ontwikkeling moet komen, straten zijn open riolen en de pest beweegt als een zwarte schim door de straten, een Magere Hein op zoek naar het volgende slachtoffer. Ziektes, veroorzaakt door een onzichtbare vijand, zijn een ware plaag en behandelingen zijn weinig efficiënt, met in vele gevallen nefaste werkingen op de patiënt. Zij zijn gebaseerd op het toedienen van chemische substanties en het uitspreken van loze woorden die hopelijk leiden tot eliminatie van de onzichtbare vijand, maar die niet altijd positief zijn voor de getroffen gastheer.

Vandaag zijn behandelingen veel efficiënter geworden en bacteriële infecties vormen niet langer een onoverkomelijk probleem. Waar ligt de oorzaak van deze ommekeer in de medische evolutie? Inderdaad, met de introductie van antibiotica heeft de mens een grote stap voorwaarts gezet. Agentia, door micro-organismen (bacteriën en fungi) geproduceerd om concurrerende micro-organismen uit te schakelen, hebben de positieve eigenschap dat ze inwerken op bepaalde celcomponenten van de bacteriën die niet, of onder een andere vorm, aanwezig zijn in menselijke en dierlijke cellen. Toediening van antibiotica bij bacteriële infecties zal dus leiden tot eliminatie van de ongewenste gast zonder hierbij schade te berokkenen aan de gastheer. ‘Zonder’ moet echter met een korrel zout genomen worden want negatieve bijwerkingen zijn altijd mogelijk.

Het probleem van bacteriële infecties leek opgelost te zijn. Ervaring leert ons echter dat de euforie moet worden getemperd wanneer een grote ontdekking wordt gedaan. Immers, gevolgen op langere termijn zijn in een dichte mist gehuld en wachten geduldig om tevoorschijn te komen. Zo bleek ook antibioticagebruik zijn schaduwzijde te hebben: langdurig gebruik leidde snel tot resistentie tegen het wondermiddel.
Antimicrobiële resistentie tegen verschillende groepen van antibiotica werd reeds aangetoond in bacteriën: een verdedigingssysteem dat hen in staat stelt het antibioticum af te breken, uit hun cel te pompen, of te omzeilen, zodat toediening niet langer leidt tot eliminatie van de gast. De oorsprong van de resistentie is nog steeds ongekend. Een aanneembare hypothese is dat de bacteriën (of fungi) die het antibioticum produceren verantwoordelijk zijn, dit wegens hun resistentie tegen de eigen geproduceerde molecule. Bacteriën beschikken over een mechanisme dat hen in staat stelt bepaalde genen door te geven aan andere bacteriën, een proces dat laterale genentransfer wordt genoemd. Ook genen die coderen voor deze resistentiemechanismen kunnen dit proces ondergaan. De hypothese stelt dat deze producerende bacteriën resistentiegenen hebben doorgegeven aan andere bacteriën en zo de verspreiding ervan hebben veroorzaakt.

Door het wijdverspreide gebruik, en misbruik, van antibiotica wordt onbewust een selectiedruk gecreëerd waarin resistente bacteriën voordeel hebben, niet-resistente bacteriën zijn immers niet in staat te overleven in milieus waar deze worden blootgesteld aan antibiotica. Gebruik als groeibevorderaar in veevoeders en het voorschrijven ter genezing van virale infecties zijn twee voorbeelden van onverantwoord gebruik.

Het probleem wordt veroorzaakt door enerzijds selectie voor resistente organismen, te wijten aan overmatig antibioticagebruik, en anderzijds door het proces van laterale genentransfer. Twee processen die elkaar versterken en een versnelde distributie van de resistentie tot gevolg hebben. Volgend gedachte-experiment kan dit verduidelijken.
Een bacterie die resistentie heeft verworven (bijvoorbeeld door blootstelling aan tetracycline in veevoeder) wordt opgenomen door de landbouwer door inhalatie of door de consument via het eten van besmet vlees. Het komt terecht in het intestinale stelsel van de persoon in kwestie. Inwendig kan dit zijn resistentiegenen doorgeven aan andere bacteriën, bijvoorbeeld aan Escherichia coli, een bacterie die deel uitmaakt van het intestinale stelsel van de mens (commensaal). Tot hiertoe wordt geen direct schadelijk effect veroorzaakt, maar wanneer deze persoon geïnfecteerd wordt met een salmonellabacterie, dan kan de resistente commensaal op zijn beurt de problematische genen doorgeven. Het onoverkomelijke gevolg is dat behandeling met het antibioticum in geval van infectie tevergeefs is!

Hoe moet dit probleem worden opgelost? Stopzetten van antibioticagebruik in de strijd tegen bacteriële infecties zou de selectiedruk inderdaad doen dalen, en zou hoogstwaarschijnlijk opnieuw ontstaan geven aan gevoelige bacteriën: genen die niet langer noodzakelijk zijn voor het organisme gaan uiteindelijk verloren. Dit zou ons echter terugbrengen naar het preantibiotica tijdperk en zou het probleem van infectieziekten opnieuw creëren. Het zou bovendien nutteloos zijn want hergebruik na het herstellen van de gevoeligheid zou al snel weer aanleiding geven aan het ontstaan van resistente organismen. Tot op heden is de beste strategie echter een goed beleid inzake het voorschrijven en gebruik van antibiotica. Deze mogen enkel gebruikt worden wanneer het gerechtvaardigd is: ter behandeling van infectieziekten.
Nieuwe antibiotica die in staat zijn te ontsnappen aan de huidige resistentiemechanismen, of alternatieve technieken, zoals de vernietiging van schadelijke bacteriën door andere bacteriën (faag-therapie), moeten worden gezocht.

Het ligt in de aard van de mens om problemen opzij te schuiven en pas te reageren wanneer een proces onomkeerbaar is geworden: wanneer we de gevolgen effectief zien en ondervinden. Maar hebben we niet de verantwoordelijkheid ten opzichte van onze nakomelingen om het probleem, dat door deze generatie werd gecreëerd, op te lossen? Kunnen we het toestaan dat bacteriën vrij spel krijgen en de meest afzichtelijke en gevreesde ziektes aan ons overleveren? Hoe moet het voelen om een geliefde te verliezen aan een onzichtbare vijand die ooit eenvoudig te bestrijden was?

Bibliografie

Aubry A., Pan X.-S., Fisher L.M., Jarlier V. & Cambau E. (2004) Mycobacterium tuberculosis

DNA Gyrase: Interaction with Quinolones and Correlation with Antimycobacterial Drug

Activity.

Antimicrobial agents and chemotherapy, 48, 1281-1288

Antimicrobial Agents and Chemotherapy

Bradford P.A. (2001) Extended-Spectrum

Characterization, Epidemiology, and Detection of This Important Resistance Threat.

Microbiology Reviews

Bruckner R. & Matzura H. (1985) Regulation of the inducible chloramphenicol

acetyltransferase gene of the Staphylococcus aureus plasmid pUB112.

4, 2295-2300

Caroff N., Espaze E., Gautreau D., Richet H. & Reynaud A. (2000). Analysis of the effects of

-42 and -32 ampC promoter mutations in clinical isolates of Escherichia coli hyperproducing

AmpC. J. Antimicob. Chemother. 45, 783-788

Chopra I. & Roberts M. (2001) Tetracycline Antibiotics: Mode of Action, Applications,

Molecular Biology, and Epidemiology of Bacterial Resistance.

biology reviews

Depardieu F., Podglajen I., Leclercq R., Collatz E., & Courvalin P. (2007) Modes and

Modulations of Antibiotic Resistance Gene Expression.

114

Dharmananda S. (2005)

Sulfate, Sulfur, and Sulfiting Agents

http://www.itmonline.org/arts/sulfa.htm

Edberg S.C., Gam K., Bottenbley C.J. & Singer J.M. (1976) Rapid spot test for the

determination of esculin hydrolysis.

, 40, 1504-1507β-Lactamases in the 21st Century:Clinical, 14, 933-951The EMBO Journal,Microbiology and molecular, 65, 232-260Clinical microbiology reviews, 20, 79-Differentiating Sulfur Compounds Sulfa Drugs, Glucosamine. Consulted 01/03/08 atJ Clin Microbiol., 4, 180-184

113

Fluit C., Visser M.R. & Schmitz F.-J. (2001) Molecular detection of antimicrobial resistance.

Clinical microbiology reviews

Goffin C. & Ghuysen J.-M. (2002) Biochemistry and Comparative Genomics of SxxK

Superfamily Acyltransferases Offer a Clue to the Mycobacterial Paradox: Presence of

Penicillin-Susceptible Target Proteins versus Lack of Efficiency of Penicillin as Therapeutic

Agent.

Grohmann E., Muth G. & Espinosa M. (2003) Conjugative Plasmid Transfer in Gram-Positive

Bacteria.

Healy M., Huong J., Bittner T., Lising M., Frye S., Raza S., Schrock R., Manry J., Renwick A.,

Nieto R., Woods C., Versalovic J. & Lupski J.R. (2005) Microbial DNA Typing by Automated

Repetitive-Sequence-Based PCR.

Heddle J. & Maxwell A. (2002) Quinolone-Binding Pocket of DNA Gyrase: Role of GyrB.

(Antimicrobial agents and chemotherapy, 46, 1805-1815

Jun Y.-T., Kim H.-J., Song M.-J., Lim J.-H., Lee D.G., Han K.-J., Choi S.-M., Yoo J.-H., Shin

W.-S. & Choi J.-H. (2003) In Vitro Effects of Ciprofloxacin and Roxithromycin on Apoptosis of

Jurkat T Lymphocytes.

Kariuki S., Gilks C., Kimari J., Obanda A., Muyodi J., Waiyaki P. & Hart C.A. (1999)

Genotype Analysis of Escherichia coli Strains Isolated from Children and Chickens Living in

Close Contact.

Kehrenberg C. & Schwarz S. (2006) Distribution of Florfenicol Resistance Genes fexA and

cfr among Chloramphenicol-Resistant Staphylococcus Isolates.

chemotherapy

Koch A.L. (2001) Autolysis Control Hypotheses for Tolerance to Wall Antibiotics.

, 14, 836-871Microbiology and molecular biology reviews, 66, 702-738Microbiol Mol Biol Rev., 67, 277-301J Clin Microbiol., 43, 199-207Antimicrobial agents and chemotherapy, 47, 1161-1164Applied and environmental microbiology, 65, 472-476Antimicrobial agents and, 50, 1156-1163

Antimicrobial agents and chemotherapy

Koch A.L. (2003) Bacterial Wall as Target for Attack: Past, Present, and Future Research.

, 45, 2671-2675

Clinical microbiology reviews

, 16, 673-687

114

Lietzau S., Raum E., von Baum H., Marre R. & Brenner H. (2006) Clustering of antibiotic

resistance of E. coli in couples: suggestion for a major role of conjugal transmission.

infectious diseases 2006

Linton A.H., Howe K., Bennett P.M., Richmond M.H., Whiteside E.J. (1977) The colonization

of the human gut by antibiotic resistant Escherichia coli from chickens

465-469.

Long K.S. & Porse B.T. (2003) A conserved chloramphenicol binding site at the entrance to

the ribosomal peptide exit tunnel.

Madigan M.T. & Martinko J. (2006)

BMC, 6. J Appl Bacteriol, 43,Nucleic Acids Research, 31, 7208-7215Brock biology of micro-organisms: eleventh edition

Martínez J.L. and Baquero F. (2002) Interactions among Strategies Associated with Bacterial

Infection: Pathogenicity, Epidemicity, and Antibiotic Resistance.

reviews

Meneau I., Sanglard D., Bille J. & Hauser P.M. (2004) Pneumocystis jiroveci Dihydropteroate

Synthase Polymorphisms Confer Resistance to Sulfadoxine and Sulfanilamide in

Saccharomyces cerevisiae.

Miles T.D., McLaughlin W. & Brown P.D. (2006) Antimicrobial resistance of Escherichia coli

isolates from broiler chickens and humans.

Miller E.L. (2002) The penicillins: a review and update.

Health

Nahimana A., Rabodonirina M., Bille J., Francioli P. & Hauser P.M. (2004) Mutations of

Pneumocystis jirovecii Dihydrofolate Reductase Associated with Failure of Prophylaxis.

Clinical microbiology, 15, 647-679Antimicrobial agents and chemotherapy, 48, 2610-2616BMC Veterinary Research 2006, 2Journal of Midwifery & Women’s, 47, 434

Antimicrobial agents and chemotherapy

Nataro J.P. & Kaper J.B. (1998) Diarrheagenic Escherichia coli.

reviews

No author (2005)

, 48, 4301-4305Clinical microbiology, 11, 142-201Stevens-Johnson Syndrome (SJS) and Toxic Epidermal Necrolysis (TEN).

Consulted 01/03/08 via http://www.merck.com/mmpe/sec10/ch117i.html

115

No author (2007)

http://www.usp.org/pdf/EN/veterinary/florfenicol.pdf

Novak R., Charpentier E., Braun J & Tuomanen E. (2000) Signal transduction by a death

signal peptide: uncovering the mechanism of bacterial killing by penicillin.

49-57

Olive D.M. & Bean P. (1999) Principles and Applications of Methods for DNA-Based Typing

of Microbial Organisms.

Paterson D.L. & Bonomo R.A. (2005) Extended-Spectrum

FLORFENICOL (Veterinary—Systemic). Consulted 13/03/08 viaMolecular Cell, 5,J Clin Microbiol. 37, 1661-1669β-Lactamases: a Clinical Update.

Clinical microbiology reviews

Poppe C., Martin L.C., Gyles C.L., Reid-Smith R., Boerlin P., McEwen S.A., Prescott J.F. &

Forward K.R. (2005) Acquisition of Resistance to Extended-Spectrum Cephalosporins by

Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Newport and Escherichia coli in the Turkey

Poult Intestinal Tract

Price L.B., Graham J.P., Lackey L.G., Roess A., Vailes R. & Silbergeld E. (2007) Elevated

Risk of Carrying Gentamicin-Resistant Escherichia coli among U.S. Poultry Workers.

, 18, 657-686Applied and environmental microbiology, 71, 1184-1192

Environmental Health Perspectives

Salyers A.A., Shoemaker N.B., Stevens A.M. and Li L.Y. (1995) Conjugative transposons:

, 115, 1738-1742an

unusual and diverse set of integrated gene transfer elements.

Microbiology

Samaha-Kfoury J.N., Araj G.F. (2003) Recent developments in

spectrum

Schroeder C.M., Zhao C., DebRoy C., Torcolini J., Zhao S., White D.G., Wagner D.D.,

McDermott P.F., Walker R.D. & Meng J. (2002) Antimicrobial Resistance of Escherichia coli

O157 Isolated from Humans, Cattle, Swine, and Food.

microbiology

Smith J.L., Drum D.J. V., Dai Y., Kim J.M., Sanchez S., Maurer J.J., Hofacre C.L., & Lee

M.D. (2007) Impact of Antimicrobial Usage on Antimicrobial Resistance in Commensal

American Society for, 59, 579-590β-lactamases and extendedβ-lactamases. BMJ, 327, 1209-1213Applied and environmental, 68, 576-581

116

Escherichia coli Strains Colonizing Broiler Chickens

microbiology

Tahir K. & Robinson J.L. (2002) Review of the use of cephalosporins in children with

anaphylactic reactions from penicillins.

Vakulenko S.B. & Mobashery S. (2003) Versatility of Aminoglycosides and Prospects for

Their Future.

van den Bogaard A.E., London N., Driessen C. & Stobberingh E.E. (2001) Antibiotic

resistance of faecal Escherichia coli in poultry, poultry farmers and poultry slaughterers.

. Applied and environmental, 73, 1404-1414Can J Infect Dis, 13, 253-258Clinical microbiology reviews, 16, 430-450

Journal of Antimicrobial Chemotherapy

van den Bogaard A.E., Stobberingh E.E. (1999) Antibiotic usage in animals: impact on

bacterial resistance and public health.

Xaplanteri M.A., Andreou A., Dinos G.P. & Kalpaxis D.L. (2003) Effect of polyamines on the

inhibition of peptidyltransferase by antibiotics: revisiting the mechanism of chloramphenicol

action.

, 47, 763-771Drugs, 58, 589-607Nucleic Acids Research, 31, 5074-5083

Bazile-Pham-Khac S., Truong Q.C., Lafont J.-P., Gutmann L., Zhou X.Y., Osman M. &

Moreau N.J. (1996) Resistance to Fluoroquinolones in Escherichia coli Isolated from Poultry.