Investigation of Antibiotic Resistance Gene Transmission among Cephalosporin-resistant Escherichia coli in Close Contact Environments

Abstract

Antibiotics are widely used to inhibit the growth of bacteria or to kill bacteria. Some bacteria get resistance to antibiotics by modifying, degrading or excreting the antibiotics and target modification. Infections caused by antibiotic-resistant bacteria are difficult to treat, and antibiotic-resistant bacteria and antibiotic resistance gene (ARG) threaten humans with powerful transmission. Antibiotic resistance genes are transmitted to other bacteria through various mobile genetic elements (MGEs) such as plasmids, insertion sequences, integrons, and transposons. Therefore, recent emphasis has been placed on antibiotic resistance monitoring from the viewpoint of one health that encompasses humans, animals, and the environment. Therefore, surveillance of antibiotic resistance is emphasized in terms of One-health. In this study, we investigated the antibiotic resistance dissemination of 128 E. coli strains producing extended-spectrum beta-lactamases (ESBL) isolated from animals, humans, and the environment in 20 farms and veterinary hospitals in Korea. Antibiotic susceptibility test (AST) was performed using seven antibiotics including Aztreonam, and Pulsed-Field Gel Electrophoresis (PGFE) was performed using XbaI restriction enzyme and S1 nuclease. In addition, generated data from Hiseq on the Illumina platform and MinION on the Oxford nanopore technology (ONT) platform were used for hybrid sequencing. ARG and MGE, plasmid prediction, and plasmid mobility were investigated with whole genome sequencing data. In the case of antibiotic resistance patterns, samples belonging to the same group were clustered except for the Seoul area. In some area samples, similar patterns were appeared among some groups. As it is predicted that antibiotic-resistant bacteria are transmitted from a common ancestor or the mobile ARG cassette is shared between animals, humans, and the environment, continuous attention and monitoring of antibiotic resistance is required. According to the prediction that antibiotic resistant genes are disseminated from same ancestor or confirmation of mobile ARG cassette sharing among the animals, human, environment, surveillance of antibiotic resistance is required.|항생제는 박테리아의 성장을 저해하거나 박테리아를 사멸시키기 위해 널리 사용되고 있다. 일부 박테리아는 항생제를 변형시키거나 분해, 배출하고 항생제 표적을 변형시켜 항생제에 내성을 지닌다. 항생제 내성균으로 인한 감염은 치료가 어려우며, 항생제 내성균 및 항생제 내성 유전자(antibiotics resistance gene (ARG))는 강력한 전파력을 가져 인간을 위협하고 있다. 항생제 내성 유전자는 plasmid, integron, transposon 등의 다양한 mobile genetic element (MGE)를 통해 다른 박테리아로 전파된다. 그렇기 때문에 최근 인간, 동물, 환경을 어우르는 One health 관점에서의 항생제 내성 모니터링이 강조되고 있다. 본 연구는 한국에 위치한 20 곳의 농장 및 동물 병원에서 동물, 인간, 환경에서 분리된 extended-spectrum beta-lactamases (ESBL)을 생성하는 E. coli 128 균주를 대상으로 항생제 내성 전파에 대해 조사하였다.Aztreonam 외 7개의 항생제를 사용하여 Antibiotic susceptibility test (AST)를 진행하였으며, XbaI restriction enzyme과 S1 nuclease를 사용하여 Pulsed-Field Gel Electrophoresis (PGFE)를 진행하였다. 또한 Illumina platform의 Hiseq과 Oxford nanopore technology (ONT) platform의 MinION을 이용해 hybrid sequencing을 진행하였다. Whole genome sequencing data를 가지고 ARG와 MGE, plasmid prediction, plasmid mobility를 조사하였다. 항생제 내성 패턴의 경우 서울 지역을 제외하고 동일한 그룹에 속하는 샘플들끼리 클러스터링 되는 경향이 존재했으며 일부 지역의 경우 그룹 간의 유사한 항생제 내성 패턴을 보이기도 했다. 그룹 내의 샘플 사이에서 항생제 내성균이 전파된 것으로 예측되거나 mobile ARG cassette가 plasmid를 통해 공유되는 것을 확인하였다. 동물, 인간, 환경 간에 공유되는 것이 확인됨에 따라 항생제 내성에 대한 지속적인 관심과 모니터링이 필요하다.