Resistome, virulome and mobilome of nasal staphylococci from healthy humans and animals: A One Health approach with public health implications
- Autores: Idris Nasir Abdullahi
- Directores de la Tesis: Carmen Torres Manrique (dir. tes.), Carmen Lozano Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de La Rioja ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 361
- Títulos paralelos:
- Resistoma, viruloma y mobiloma de estafilococos nasales de personas y animales sanos: un enfoque One Health con implicaciones en salud publica
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Baquero Mochales (presid.), Rosa del Campo Moreno (secret.), Elena Gómez Sanz (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dialnet
- Resumen
- español
La resistencia a los antimicrobianos (RAM) y la patogenicidad de estafilococos constituyen uno de los principales desafíos de salud mundial que deben abordarse mediante un enfoque holístico de "Una sola salud". El estudio de este género bacteriano en la microbiota nasal de humanos y animales sanos y su caracterización molecular podría proporcionar información relevante. La inclusión de animales salvajes es necesaria para obtener vínculos epidemiológicos adecuados de Staphylococcus en los diferentes nichos desde la perspectiva “Una sola salud”. Esta tesis ha determinado la diversidad y ha realizado la caracterización molecular y genómica de cepas de especies de Staphylococcus obtenidas en muestras nasales de humanos (con o sin contacto con animales) y animales sanos (cerdos, perros y pollos de cigüeña blanca que se alimentaban en áreas naturales o en vertederos).
De los cuatro huéspedes estudiados, los pollos de cigüeña presentaron las especies de Staphylococcus más diversas, seguidos por los cerdos, mientras que los humanos sanos tenían la menor diversidad. En concreto, S. sciuri (85,7%) fue la especie más predominante en las cigüeñas; S. aureus en cerdos (64%) y trabajadores en contacto con estos animales (80%); S. pseudintermedius (32,4%) en perros y S. epidermidis (87,7%) en humanos sanos. En relación con la detección de resistencia a meticilina y las líneas genéticas identificadas en las cepas de estafilococos coagulasa positivos (SCoP), la mayoría de los S. aureus de cerdos (60 %, CC398), trabajadores de granjas (70 %, CC398) y un dueño de un perro (CC5) fueron resistentes a este antibiótico (SARM). Mientras que las cepas de S. aureus detectadas en los demás huéspedes fueron sensibles a meticilina (SASM) así como las cepas de S. pseudintermedius (SPSM). Entre todos ellos, la línea SASM-CC398 portadora de φSa3 fue el linaje predominante. Se confirmó la transmisión de SARM-CC398 de un cerdo a un trabajador, de SPSM-ST1115 de un perro a su dueño y la adquisición en cigüeñas del clado SASM-CC398 humano. También se confirmó la transmisión de S. borealis de cerdo a cerdo.
Se detectaron genes de resistencia a todas las clases de antibióticos analizados en las cepas de estafilococos obtenidas, incluidos genes inusuales y genes de resistencia a antibióticos de importancia crítica. Es notable la detección de resistencia a linezolid en SARM-CC5 mediada por nuevas mutaciones puntuales en G2261A y T1584A en 23S rDNA y en S. epidermidis- ST35 de dos dueños de perros gracias a cuatro mutaciones en L3 (I188V, G218V, N219I, L220D) y L4 (N158S). Además, se identificó el gen cfr unido a plásmido (41,6 kb) en una cepa de S. saprophyticus de un cerdo y este mismo gen localizado cromosómicamente en una cepa de S. epidermidis-ST16 de un granjero. Es importante la identificación de: una poco frecuente transmisión de cerdo a cerdo de SARM-CC398 positivo para el gen ermT, una cepa de S. lentus resistente a múltiples fármacos que albergaba ambos genes de resistencia a meticilina (mecA y mecC) en el híbrido SCCmec tipo VI en cigüeñas y una cepa porcina de S. borealis que contenía el gen ermT localizado en el plásmido repUS18.
Cepas de S. aureus de humanos sanos que no tuvieron contacto con animales (85%) pertenecientes a diversas líneas genéticas presentaron una alta frecuencia de genes de virulencia clínicamente relevantes (incluidos lukF/S-PV, tst, eta, etb, etd, sea, seb, sec). , seguido de cepas de cigüeña que portaban tst (CC22 y CC30), eta (CC9) y etb (CC45). Ninguna de las cepas de S. aureus procedentes de cerdos, granjeros, perros y sus dueños portaron estos factores de virulencia. Sin embargo, todos los S. pseudintermedius contenían los genes lukS/F-I, siet y sient. Sorprendentemente, se detectó una cepa S. epidermidis-ST595 de una cigüeña que fue positiva para los genes sec y sel.
Los datos de secuenciación del genoma completo de 107 cepas revelaron la presencia de múltiples genes de resistencia a antibióticos unidos a plásmidos, que fueron predominantes en las cepas de Staphylococcus de cerdos y granjeros, pero menos frecuentes en cigüeñas (p<0,0001). Además, se detectaron genes de resistencia unidos a transposones como ant9'(Tn554), ermA (Tn554), fexA (Tn554, Tn558), tet(M) (Tn916, Tn925, Tn6006) y dfrK (Tn559). El sistema CRISPR-Cas completo se detectó en el 19,2% de las cepas SCoN, de las cuales predominó cas-1, -2 y -9 y especialmente en el 75% de las cepas de S. borealis. Todas las cepas de S. aureus no presentaron CRISPR-Cas. El análisis filogenético identificó grupos de linajes de S. epidermidis relacionados con otros países (SNP <100).
Esta tesis mostró la influencia de diferentes nichos ecológicos en los niveles de resistencia a antimicrobianos y la presencia y/o transmisión de varias especies y linajes epidémicos de Staphylococcus entre humanos y animales sanos y su relación con cepas internacionales. Dado que se detectó SASM-CC398 en tres de los cuatro ecosistemas estudiados, la combinación de resistencia a eritromicina y resistencia inducible a clindamicina y la detección del gen ermT podrían ser marcadores de diagnóstico útiles del subclado SASM-CC398. En conjunto, este trabajo subraya la necesidad de fortalecer el enfoque epidemiológico genómico y la inclusión de todas las especies de Staphylococcus de todos los huéspedes (no solo cepas clínicas sino también individuos sanos) para comprender adecuadamente la propagación global de cepas resistentes a los antimicrobianos y rastrear aquellas que puedan resultar patogénicas utilizando el modelo "Una salud"
- English
Antimicrobial resistance (AMR) and pathogenicity in Staphylococcus constitute one of the major global health challenges that need to be addressed using a holistic “One Health” approach. Nasal Staphylococcus microbiota in healthy hosts and their molecular characterizations could provide relevant information. The inclusion of wild animals has been considered necessary to obtain adequate epidemiological links of Staphylococcus across the “One Health” niches. This thesis determined the diversity and performed the molecular and genomic characterization of Staphylococcus species in the nasal cavities of healthy humans (with or without animal contact) and healthy animals (pigs, dogs, and nestlings of parent white storks that foraged in natural and landfill areas).
Of the four hosts studied, nestling storks had the most diverse Staphylococcus species, followed by pigs, whereas healthy humans had the least. Specifically, S. sciuri (85.7%) was the most predominant species in the storks; S. aureus in pigs (64%) and pig farmers (80%); S. pseudintermedius (32.4%) in dogs and S. epidermidis (87.7%) in healthy humans. In relation to methicillin-resistance trait and genetic lineages of coagulase-positive staphylococci, most of the S. aureus from pigs (60%, CC398), pig farmers (70%, CC398) and one from a dog owner (CC5) were MRSA. Whereas all other ones from the four hosts were methicillin-susceptible (MS)-S. aureus (MSSA) and methicillin-susceptible S. pseudintermedius (MSSP), of which the φSa3-carrying MSSA-CC398 was the predominant lineage. Using core-genome single nucleotide polymorphism analyses, transmission of MRSA-CC398 from pig-to-pig farmer, MSSP-ST1115 from dog-to-dog owner and acquisition of human-adapted MSSA-CC398 in nestling storks were confirmed. Moreover, pig-to-pig transmission of S. borealis was also observed.
AMR genes to all classes of antibiotics in staphylococci were detected including unusual and critically important ones. It is remarkable the detection of linezolid-resistance in MRSA-CC5 mediated by novel point mutations at G2261A & T1584A in 23S rDNA and in S. epidermidis-ST35 from two dog owners with four mutations in L3 (I188V, G218V, N219I, L220D) and L4 (N158S). Moreover, a plasmid-bound (41.6kb) cfr in S. saprophyticus from a pig and a chromosomally located cfr in S. epidermidis-ST16 from a pig farmer were identified. It is also remarkable the identification of a rare pig-to-pig farmer transmission of ermT-positive MRSA-CC398 as wells as a multidrug-resistant S. lentus strain harbouring both mecA and mecC genes in SCCmec type VI hybrid in nestling stork and the detection of the ermT gene located in the plasmid repUS18 in a pig in a S. borealis strain.
Diverse lineages of S. aureus strains from healthy humans who had no animal contact (85%) showed the highest frequency of clinically relevant virulence genes (including lukF/S-PV, tst, eta, etb, etd, sea, seb, sec), followed by strains from nestling storks which carried tst (CC22 and CC30), eta (CC9) and etb (CC45). None of the S. aureus strains from pigs, pig farmers, dogs and dog owners carried these virulence factors. However, all the S. pseudintermedius carried the lukS/F-I, siet, and sient genes. Remarkably, sec- and sel-carrying S. epidermidis-ST595 from a nestling stork was detected.
The whole genome sequencing data of 107 strains revealed the presence of multiple plasmids-bound AMR genes, which were predominant in Staphylococcus strains from pigs and pig farmers, but least in nestling storks (p<0.0001). Moreover, transposons-linked AMR genes such as ant9’(Tn554), ermA (Tn554). fexA (Tn554, Tn558), tet(M) (Tn916, Tn925, Tn6006) and dfrK (Tn559) were identified. Complete CRISPR-Cas system was detected in 19.2% of the CoNS strains, of which cas-1, -2 and -9 predominated and especially in 75% of the S. borealis strains. All the S. aureus strains had no CRISPR-Cas. The phylogenetic analysis identified clusters of related S. epidermidis lineages with other countries (SNP <100).
This thesis showed the influence of ecological niches on AMR levels and the presence and/ or transmission of various epidemic Staphylococcus species and lineages across healthy humans and animals and their relatedness with international strains. Since MSSA-CC398 was detected in three of the four ecosystems studied, the combination of erythromycin-clindamycin inducible resistance and ermT gene could be useful diagnostic markers of the MSSA-CC398 subclade. Collectively, this report underscores the need to strengthen the genomic epidemiological approach and inclusion of all Staphylococcus species from all hosts (even the healthy ones) to adequately understand the global spread of antimicrobial-resistant strains and track pathogenic ones using the “One Health” model.
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