Untersuchungen zur Dynamik des Vorkommens und zur Persistenz Cephalosporin- oder Fluorchinolon-resistenter Escherichia coli-Stämme in der Mastschweineproduktion

Ziel dieser Studie war die Bestimmung der Prävalenz Cephalosporin- bzw. Fluorchinolon-resistenter Gammaproteobakterien auf vier thüringischen Betrieben über einen längeren Zeitraum. Dabei wurden Informationen zu den beprobten Tiergruppen und zu antibiotischen Therapien gesammelt sowie als Indikatororganismen dienende Cephalosporin- bzw. Fluorchinolon-resistente E. coli-Stämme isoliert und charakteri¬siert. Aus den gewonnenen Daten sollte die mögliche Persistenz einzelner Stämme nachgewiesen und damit der Erhalt der Cephalosporin- bzw. Fluorchinolon-Resistenzdeterminanten analysiert werden. Trotz der 2018 verabschiedeten Reglemen¬tierung des veterinärmedizinischen Einsatzes von Fluorchinolonen sowie Cephalospo¬rinen der dritten und vierten Generation wurden in allen Betrieben Gamma¬proteo¬bakterien mit Resistenzen gegenüber diesen Antibiotikaklassen detektiert. Allerdings schwankte ihr Anteil an der Gesamt¬population zwischen den Betrieben, den verschiedenen Altersstufen der beprobten Schweine und zwischen den Mastdurchgängen eines Betriebs. Durch die intensive, longitudinale Beprobung ließ sich die Dynamik der Resistenzprävalenzen innerhalb eines Mastdurchgangs und über mehrere Mastdurchgänge für jeden Betrieb darstellen. Dabei nahm die Resistenzprävalenz meist mit zunehmendem Alter der Tiere ab. Diese Reduktion und
die restliche Dynamik ließ sich allerdings nur teilweise mit den durchgeführten Antibiotikatherapien erklären. Aus den Sammelkotproben aller Betriebe und Altersstufen wurden Cephalosporin- bzw. Fluorchinolon-resistente E. coli-Stämme isoliert, die alle multiresistent waren sowie häufig Resistenzen gegenüber Wirkstoffen aufwiesen, die die Europäische Arzneimittel-Agentur in Kategorie D einordnet, da sie als therapeutische Antibiotika der ersten Wahl angewandt werden sollten. Die auf der multiple-locus variable-number tandem-repeat Analyse beruhenden Profile der Stämme erlaubten es, ähnliche Stämme an verschiedenen Beprobungszeit¬punkten auf den Betrieben, aber auch Stamm-cluster über die Betriebe hinweg zu identifizieren.
Anhand der Vollgenom¬sequenzen von etwa der Hälfte der Stämme konnten Sequenztypen identifiziert werden, die auf den einzelnen Betrieben persistent auftraten und auch über mehrere Monate große genetische Übereinstimmung zeigten – inklusive der Cephalosporin- bzw. Fluorchinolon-Resistenzdeterminanten sowie ihrer Sequenz¬umgebung. Viele persistente Stämme gehörten zum klonalen Komplex 10,
aber auch andere persistente Stämme wurden als Sequenztypen identifiziert, die aus der Literatur als Risikoklone für eine weltweite Verbreitung mit pathogenem Potenzial bekannt sind. Die genetische Grundlage der Persistenz in Betrieben mit geschlossener Haltungsform ist wahrscheinlich im akzessorischen Genom zu finden, konnte jedoch mit den vorhandenen Daten noch nicht genauer bestimmt werden. Es zeigte sich aber,
dass Eigenschaften wie die Betriebszugehörigkeit, die Phylogruppe oder die Anzahl an Resistenzen gegenüber verschiedenen AB-Klassen in dieser Studie keinen maßgeblichen Einfluss auf das Vermögen zur Persistenz hatten. Auch die Persistenz der Cephalosporin- und Fluorchinolon-Resistenzdeterminanten selbst konnte dargestellt und unter anderem in Zusammenhang mit Ko-Selektion und Kreuz-Resistenz, aber auch mit der konservierten Lokalisation auf Plasmiden bzw. erfolgreichen Stamm-Plasmid-Kombinationen gebracht werden. Die vorliegende Studie zeigte damit, dass der Einsatz eines Antibiotikums nicht der einzige Einflussfaktor auf die entsprechende Resistenzprävalenz bzw. die Ausbreitung und Erhaltung von Resistenzdeterminanten in landwirtschaftlichen Betrieben ist. Daher wird die alleinige Beschränkung des Einsatzes bestimmter Antibiotika in der Veterinärmedizin nicht ausreichen, um die Prävalenz der entsprechenden Resistenzen nachhaltig zu senken. Eine Analyse der Mechanismen,
die der Persistenz von resistenten Stämmen und Resistenz¬determinanten zugrunde liegen, und die Aufklärung ihrer Komplexität ist nötig, um diese Mechanismen bei zukünftigen Maßnahmen zur Bekämpfung steigender Resistenzprävalenzen berücksichtigen zu können. This study set out to determine the prevalence of cephalosporin- and fluoroquinolone-resistant bacteria on four farms in Thuringia over an extended period of time while collecting information on the sampled animal groups, especially any antibiotic treatments they received. Cephalosporin- and fluoroquinolone-resistant E. coli strains, serving as indicator bacteria, were isolated and characterized. The data was collected in an attempt to investigate possible persistence of individual strains and thereby analyse the retention of cephalosporin and fluoroquinolone resistance determinants. Despite government amendments adopted in 2018 restricting veterinary usage of fluoro¬quinolones as well as third and fourth generation cephalosporins, fluoro¬quinolone- and cephalosporin-resistant bacteria were detected in pooled fecal samples from pigs on all farms. Yet, their percentage of the total bacterial population growing on Gassner agar varied strongly between farms, different age groups of the pigs sampled and between different fattening runs on a farm. Intensive longitudinal sampling allowed us to depict the dynamics of resistance prevalences within a fattening run and between several fattening runs for each farm. On all farms, the prevalences of cephalosporin- and fluoro¬quinolone-resistant bacteria were higher in piglets and declined thereafter.
However, this reduction and the remaining dynamics could only be partially explained by the antibiotic treatments. Cephalosporin- and fluoroquinolone-resistant E. coli strains were isolated from fecal samples of all farms and age groups. They were all multidrug-resistant and frequently exhibited resistance to agents that the European Medicines Agency classifies as category D, meaning that they should be used as first-line therapeutic antibiotics. Strain profiles based on multiple-locus variable-number tandem-repeat typing analysis yielded similar strains at different sampling time points on the farms, but also strain clusters spanning more than one farm. Whole-genome sequencing of about half of the strains identified sequence types that occurred persistently on individual farms and showed high genetic similarity over several months, including the cephalosporin- or fluoro¬quinolone-resistance determinants and their sequence surroundings. Many persistent strains belonged to clonal complex 10,
but other persistent strains were also identified featuring sequence types described in the literature as high-risk clones for global expansion with pathogenic potential.
The genetic basis enabling persistence in a closed-farm environ¬ment is likely to be found in the accessory genome, but could not yet be narrowed down more precisely with the data available. However, traits, such as association with one or several farms, phylogroup, or number of resistances to different antibiotic classes, were not found to have an influence on the ability to persist in this study. The persistence of cephalosporin and fluoroquinolone resistance determinants themselves could also be demonstrated and was related to, amongst others, co-selection and cross-resistance, but also to conserved localization on plasmids or successful strain-plasmid combinations.
The present work showed that the use of an antibiotic cannot be the only factor influencing the respective resistance prevalence or the spread and maintenance of the resistance determinants on a farm. Therefore, restricting the use of certain antibiotics in veterinary medicine alone will not be sufficient to sustainably reduce the prevalence of the corresponding resistances. The complexity of the mechanisms underlying the persistence of resistant strains and resistance determinants needs to be better understood before they can be included in the regulations addressing antibiotic use in future action plans geared towards fighting the presence of antimicrobial resistance.