Untersuchungen zum Vorkommen von Carbapenemase-produzierenden Enterobacteriaceae bei Tieren und zum Einfluss von Resistenzplasmiden auf die bakterielle Fitness

Carbapenemase-produzierende Enterobacteriaceae stellen ein großes Problem in der Therapie von bakteriellen Infektionen dar. Besonders nosokomiale Infektionen mit diesen Erregern treten sowohl in der Human- wie auch in der Tiermedizin immer häufiger auf. Um einen Überblick über das Auftreten multiresistenter Enterobacteriaceae zu erlangen, sind Screening-Studien unerlässlich.
Zur Abklärung der Ausbreitung von Carbapenemase-produzierenden Enterobacteriaceae in der Tiermedizin wurden von Juni 2012 bis Dezember 2016 insgesamt 19.025 E. coli, 1.607 Klebsiella spp. und 570 Enterobcter spp. plus 367 archivierte ESBL-/AmpC-produzierende Enterobacteriaceae aus früheren Untersuchungen von Schweinen (n = 10.899), Rindern (n = 1.889), kleinen Wiederkäuern (n = 246), Vögeln (n=132), Hunden (n=3.775), Katzen (n = 932), Pferden (n = 2.573), Nagetieren und Kaninchen (n = 428), Zoo- und Wildtiere (n = 644) und anderen (n = 51) auf eine Carbapenem-Resistenz untersucht. Das Probenmaterial stammte von Einsendungen ca. 1500 verschiedener veterinärmedizinischer Einrichtungen in unterschiedlichen Regionen in Deutschland (externe Kliniken), sowie aus den Kliniken für Pferde, Wiederkäuer, Schweine und Kleintiere und aus dem Institut für Veterinär-Pathologie der JLU Gießen (interne Kliniken).
Phänotypisch Carbapenem-non-sensible Isolate wurden mittels PCR auf die Carbapenemasegene blaNDM like, blaVIM like, blaKPC-like und blaOXA-48 like und im positiven Falle auf die ESBL- und AmpC-β Laktamasen blaCTX M like, blaSHV like, blaTEM like, blaOXA like, blaCMY like, blaDHA like, blaACC like und blaFOX like getestet.
Die OXA 48 like Carbapenemasen OXA-48 und OXA 181 konnten in 137 bzw. in zwei Fällen nachgewiesen werden.
Alle blaOXA-48-Gene wurden auf konjugativen, ca. 60 kb IncL-Plasmiden lokalisiert. Diese Plasmide wiesen eine Sequenzhomologie von bis zu 100 % zu in der Literatur beschriebenen IncL-Plasmiden aus der Humanmedizin auf. Die OXA-48-positiven Isolate stammen ausschließlich von Kleintieren und konnten nicht bei Nutztieren nachgewiesen werden.
In K. pneumoniae wurde diese Carbapenemase am häufigsten gefunden (n=86; 6,6 %), gefolgt von E. cloacae (n=28; 5 %), K. oxytoca (n=1; 0,3 %) und E. coli (n=22; 0,1 %). Bei den OXA-48-tragenden K. pneumoniae-Isolaten waren der ST11 und ST15, bei E. cloacae der ST506 und ST78 und bei E. coli der ST1196 besonders häufig vertreten. Nur 20 der 137 OXA-48-tragenden Isolate stammten von externen Tierarztpraxen. Die große Anzahl an OXA-48-positiven Isolaten aus der internen Kleintierklinik, die Ähnlichkeit der Plasmide hinsichtlich ihres Replikontyps und der Größe, das Sequenztypensprektrum und die Ergebnisse der Makrorestriktionsanalysen weisen auf eine hohe Klonalität von Isolaten innerhalb der verschiedenen Sequenztypen hin und indizieren eine nosokomiale Verbreitung entsprechender Isolate. Die Ähnlichkeit der OXA-48-Plasmide hinsichtlich ihres Replikontyps und der Größe sowie ihre in vitro gezeigten konjugativen Eigenschaften lassen zudem vermuten, dass eine Übertragung der Plasmide zwischen verschiedenen Spezies und/oder Sequenztypen stattgefunden hat. Die wiederholten Nachweise von Isolaten mit identischen Makrorestriktionsprofilen über lange Zeiträume von bis zu vier Jahren (K. pneumoniae ST15) könnten auf eine Persistenz in der Klinikumgebung hinweisen, wobei wiederhholte externe Einträge jedoch nicht ausgeschlossen werden können.
Die OXA-181-tragenden E. coli-Isolate stammen aus zwei unterschiedlichen Tieren aus einem italienischen Schweinebestand. Mittels MLST wurden der ST359 und ST641 ermittelt. Ein OXA-181-tragendes Isolat beherbergte zusätzlich die Colistin-Resistenzdeterminante MCR 1 und das Methyltransferasegen armA. Beide OXA-181-Plasmide besaßen außerdem das Quinolon-Resistenzgen qnrS1. Das Carbapenemase-Gen blaOXA 181 konnte auf einem ca. 50 kb großen, nicht-konjugativen IncX3-Plasmid nachgewiesen werden. Das Colistin-Resistenzgen mcr 1 wurde auf einem ca. 30 kb großen IncX4-Plasmid lokalisiert. Während in der Humanmedizin bereits OXA 181-tragende IncX3-Plasmide mit bis zu 100 % Sequenzhomologie zu den Funden dieser Studie beschrieben wurden, handelt es sich hier um den einzigen OXA 181-Nachweis in Schweinebeständen. Das nachgewiesene IncX4-Plasmid wies ebenfalls eine hohe Sequenzhomologie von bis zu 99,97 % zu bereits beschriebenen IncX4-Plasmiden auf. Die Kombination von OXA-181 und der Colistin-Resistenz MCR 1 in einem Bakterium wird hier das erste Mal beschrieben.

In den ergänzenden Untersuchungen zum Einfluss des OXA-48-Plasmids auf die Biofilmbildung konnte aufgrund differierender Biofilmexpression der Isolate sowohl mit Resistenzplasmid (Wildtypstamm) als auch ohne OXA-48-Plasmid (Plasmid-gecurte Variante) keine Aussage über einen einheitlichen Effekt des Resistenzplasmids auf die Fähigkeit zur Biofilmbildung gegeben werden. Dies deutet auf sehr komplexe Mechanismen der Biofilmbildung hin.
Auf die Sterblichkeit der Wachsmottenlarven konnte in den hier beschriebenen Untersuchungen kein statistisch signifikanter Einfluss des OXA-48-Plasmids ermittelt werden. Zusammenfassend betrachtet lag die Letalität der Wachsmottenlarven, die mit Isolaten mit oder ohne Resistenzplasmid infiziert wurden, im selben Bereich.

Diese Arbeit konnte einen Überblick über die Verbreitung Carbapenemase-produzierender Enterobacteriaceae bei Tieren in Deutschland schaffen und Aufschluss über die nosokomiale Ausbreitung von verschiedenen Spezies und Sequenztypen mit einem OXA-48-Plasmid gleicher Größe und identischen Replikontyps in einer Tierklinik geben. Für die gezielte Bekämpfung von Tierklinik-assoziierten Infektionsgeschehen sind, analog zur Humanmedizin, Surveillance-Studien von großer Bedeutung. Die Kenntnis zur molekularen Epidemiologie von Carbapenemase-produzierenden Bakterien und deren Resistenzplasmiden ist eine wesentliche Voraussetzung für die Implementierung bzw. Optimierung von präventiven Hygienemaßnahmen in Tierkliniken. Es konnte gezeigt werden, dass Carbapenemase-Bildner aus der Veterinär- und Humanmedizin wesentliche gemeinsame Eigenschaften aufweisen. Dies verdeutlicht einmal mehr, dass der globalen Antibiotikaresistenz-Problematik nur mit einem „One Health“-Ansatz begegnet werden kann.