Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом
Jun 20, 2023
Расшифровка загадочного механизма резистентности к метронидазолу среди фторхинолонов, распространенных во всем мире
Nature Communications, том 14, номер статьи: 4130 (2023) Цитировать эту статью 1420 Доступов 19 Подробности Altmetric Metrics Тяжелые вспышки и смертность были связаны с появлением и глобальным
Nature Communications, том 14, номер статьи: 4130 (2023) Цитировать эту статью
1420 Доступов
19 Альтметрика
Подробности о метриках
За последние два десятилетия с появлением и глобальным распространением устойчивого к фторхинолонам Clostridioides difficile были связаны серьезные вспышки и случаи смерти. В то же время метронидазол, нитросодержащий антибиотик, продемонстрировал снижение клинической эффективности при лечении инфекции C. difficile (CDI). Большинство устойчивых к метронидазолу C. difficile проявляют необычный фенотип устойчивости, который можно обнаружить только в тестах на чувствительность с использованием молекулярно интактного гема. Здесь мы описываем механизм, лежащий в основе этой черты. Мы обнаружили, что большинство штаммов C. difficile, устойчивых к метронидазолу, несут мутацию T-to-G (которую мы называем PnimBG) в промоторе гена nimB, что приводит к конститутивной транскрипции. Замалчивание или удаление nimB устраняет резистентность к метронидазолу. NimB родственен белкам Nim, которые, как известно, придают устойчивость к нитроимидазолам. Мы показываем, что NimB представляет собой гем-зависимый флавиновый фермент, который расщепляет нитроимидазолы до аминов, не обладающих противомикробной активностью. Кроме того, возникновение мутации PnimBG связано с заменой Thr82Ile в ДНК-гиразе, которая придает эпидемическим штаммам устойчивость к фторхинолонам. Наши результаты показывают, что пандемия резистентного к фторхинолонам C. difficile, возникшая в последние несколько десятилетий, также характеризовалась широко распространенной резистентностью к метронидазолу.
Инфекция Clostridioides difficile (CDI), ведущая причина внутрибольничной диареи, привлекла международное внимание из-за ухудшения клинических исходов в результате глобального распространения эпидемических штаммов ПЦР-риботипа (RT) 0271,2,3; RT027 принадлежит к филогенетической кладе 2 (дополнительные данные 1 показывают связь между риботипом и филогенетической классификацией, основанной на геномах штаммов; в этом исследовании штаммы классифицируются на основе их риботипа и/или филогенетической клады, если не указано иное)4,5. Эти штаммы вызвали вспышки ИКД в Северной Америке, Великобритании, Европе и Латинской Америке с увеличением частоты тяжелых заболеваний, заболеваемости и смертности1,2,6. Эти глобальные вспышки также ознаменовали начало пандемической эры CDI3. В то время метронидазол и ванкомицин были двумя основными антибиотиками, используемыми для лечения ИКД, пока фидаксомицин не был одобрен FDA в 2011 году. Однако из-за снижения эффективности метронидазол больше не рекомендуется в качестве препарата первой линии для лечения ИКД у взрослых в обновленной версии. Рекомендации IDSA/SHEA и ESCMID CDI7,8. Это представляет собой значительный сдвиг в парадигме лечения CDI9,10,11,12: метронидазол резервируется для внутривенной терапии в сочетании с ванкомицином при фульминантном CDI7,8. Эти изменения в терапии ИКД, вызванные снижением эффективности метронидазола, требуют выяснения микробных генетических факторов, влияющих на этот препарат, и глобальной эпидемиологии ИКД. Микробные генетические детерминанты резистентности к метронидазолу изучены недостаточно.
Метронидазол был признан антибиотиком при ИКД после клинических испытаний в 1980-х и 1990-х годах, где он не только показал сопоставимые показатели клинического успеха с ванкомицином, но и был гораздо дешевле13,14. Однако за последние два десятилетия он стал менее эффективным по сравнению с ванкомицином15,16. Первоначально это было обнаружено в рандомизированном клиническом исследовании, проведенном в период с 1994 по 2002 год, где метронидазол продемонстрировал показатель излечения 84% по сравнению с 97%, наблюдаемым при использовании ванкомицина15. Во втором клиническом исследовании, проведенном в период с 2005 по 2007 год, ванкомицин показал более высокие показатели излечения, чем метронидазол: 81,1% по сравнению с 72,7%16. Эти два исследования показывают, что метронидазол стал менее эффективным в эпоху эпидемии. Действительно, количество неудачных попыток лечения метронидазолом в Квебеке более чем удвоилось с 9,6% в 1991–2002 гг. до 25,7% в 2003–2004 гг.17, и это также регион, в котором была зарегистрирована первая вспышка эпидемии RT0272. Причины снижения клинической эффективности метронидазола долгое время оставались загадкой. Одна из возможностей заключается в том, что более широкое использование метронидазола в ответ на рост заболеваемости ИКД привело к давлению отбора, которое способствовало появлению и распространению устойчивой к лекарственным препаратам C. difficile.
Our analyses of population-level genomic data found nimB and gyrA variants are advantageous, as expected for drug resistance mutations. The two mutations were strongly linked, and phylogenetic analyses suggest that strains carrying both mutations spread more rapidly in healthcare settings (Figs. 4b, 5a–f). This hypothesis is consistent with previously published data suggesting that fluroquinolone-resistant C. difficile spread rapidly across continents24,25,26. We found the combination of nimB and gyrA mutations in Clade 2 and to a lesser extent Clade 1 (Figs. 4b, 5a–f). This association could reflect niche specialization among the Clades. Large scale surveys of C. difficile genomic data have identified high rates of carriage of both antimicrobial resistance determinants and toxin genes in Clade 221,59,60. This genetic cargo reflects adaptation of Clade 2 to the antibiotic milieu of health care settings and pathogenicity in human diarrheal disease21,25. Clade 5 is similarly associated with antibiotic resistance and increased virulence59, but we did not identify the nimB-promoter mutation in our sample of Clade 5 isolates (Fig. 5f). Clade 5 antimicrobial resistance determinants reflect the livestock and farming environments that are associated with this Clade21 and absence of the nimB-promoter mutation from this Clade could reflect the distinct antibiotic selection pressures encountered in these environments. It is also possible that the nimB-promoter mutation, and resulting heme-dependent metronidazole resistance, is a human-specific adaptation. Given the small number of Clade 5 isolates included in our analyses, a larger sample size will be required to test this hypothesis. An alternative, but not mutually exclusive, explanation for the observed associations between the nimB-promoter mutation, the gyrA mutation and the Clade 2 genetic background is epistasis, i.e., interactions among genetic loci that affect cell physiology. It is striking that the nimB mutation almost exclusively appears among strains with the gyrA mutation (Fig. 4b). A potential explanation for this phenomenon is that the nimB-promoter mutation and constitutive formation of nimB imposes a metabolic burden and fitness costs that might be ameliorated in strains with the gyrA mutation. However, isogenic 23468 and 23475, which are resistant and susceptible respectively, did not show significant differences in growth rates (Supplementary Fig. 3). On the other hand, Thr82Ile mutation in GyrA either marginally enhances fitness or has no fitness costsIle on Clostridioides difficile fitness. J. Antimicrob. Chemother. 74, 877–884 (2019)." href="/articles/s41467-023-39429-x#ref-CR61" id="ref-link-section-d282361552e2966"61,62. Future studies will be required to determine the extent to which coexisting metronidazole and fluoroquinolone resistance affects C. difficile transmission, using clinically reflective animal and in vitro models./p>