Genetic and phenotypic characterization of ampicillin susceptible Enterococcus faecium clinical isolates from bloodstream infections

Abstract

Enterococcus faecium és un patogen nosocomial crític, caracteritzat per una elevada resistència a múltiples antibiòtics, inclosos els β-lactàmics, fet que dificulta les opcions terapèutiques disponibles. Aquesta tesi analitza els mecanismes genètics i moleculars que sustenten la resistència d’E. faecium als antibiòtics β-lactàmics. Els aïllats estudiats corresponen a soques clíniques d’E. faecium susceptibles a l’ampicil·lina (AMP-S), obtingudes de pacients amb bacterièmia a l’Hospital Universitari Parc Taulí. La recerca avalua l’eficàcia de diverses combinacions d’antibiòtics, incloent-hi l’ampicil·lina amb ceftriaxona o ceftarolina, per superar la resistència en soques AMP-S. Els resultats mostren que certes combinacions, com ampicil·linaceftarolina, poden generar sinèrgia en alguns aïllats clínics. No obstant això, la resposta varia segons la soca, destacant la complexitat associada al tractament d’infeccions causades per aquest patogen. Un dels aspectes clau d’aquesta investigació és l’estudi de la redundància genètica, especialment la presència de múltiples còpies del gen pbp5, que codifica una proteïna d’unió a la penicil·lina (PBP) implicada en la resistència als β-lactàmics. Aquesta redundància, sovint associada a elements genètics mòbils com els plasmidis, confereix a E. faecium una elevada capacitat d’adaptació sota pressió selectiva, contribuint així a la disseminació de resistències a múltiples fàrmacs i a la co-selecció de resistència a diferents classes d’antibiòtics. A més, s’han investigat els mecanismes moleculars que expliquen la resistència natural d’E. faecium a les cefalosporines, un fenomen que fins ara encara no s’ha caracteritzat plenament. Per primera vegada, s’ha identificat un aïllat clínic amb concentracions mínimes inhibitòries (MICs) baixes a les cefalosporines, proporcionant una base única per a l’anàlisi exhaustiva d’aquests mecanismes. Això ha permès identificar mutacions específiques i canvis transcripcionals que ofereixen nous coneixements sobre les adaptacions genètiques d’E. faecium. Aquesta tesi proporciona una contribució significativa a la comprensió dels mecanismes complexos que sustenten la resistència d’E. faecium als antibiòtics β-lactàmics. Els resultats obtinguts suggereixen la necessitat de desenvolupar estratègies terapèutiques més precises i efectives per fer front al creixent repte de la resistència als antibiòtics.

Enterococcus faecium es un patógeno nosocomial crítico, caracterizado por una elevada resistencia a múltiples antibióticos, incluidos los β-lactámicos, lo que dificulta las opciones terapéuticas disponibles. Esta tesis analiza los mecanismos genéticos y moleculares que sustentan la resistencia de E. faecium a los antibióticos β-lactámicos. Los aislados estudiados corresponden a cepas clínicas de E. faecium susceptibles a la ampicilina (AMP-S), obtenidas de pacientes con bacteriemia en el Hospital Universitario Parc Taulí. La investigación evalúa la eficacia de diversas combinaciones de antibióticos, incluyendo la ampicilina con ceftriaxona o ceftarolina, para superar la resistencia en cepas AMP-S. Los resultados muestran que ciertas combinaciones, como ampicilina-ceftarolina, pueden generar sinergia en algunos aislados clínicos. Sin embargo, la respuesta varía según la cepa, destacando la complejidad asociada al tratamiento de infecciones causadas por este patógeno. Uno de los aspectos clave de esta investigación es el estudio de la redundancia genética, especialmente la presencia de múltiples copias del gen pbp5, que codifica una proteína de unión a la penicilina (PBP) implicada en la resistencia a los β-lactámicos. Esta redundancia, a menudo asociada a elementos genéticos móviles como los plásmidos, confiere a E. faecium una elevada capacidad de adaptación bajo presión selectiva, contribuyendo así a la diseminación de resistencias a múltiples fármacos y a la co-selección de resistencia a diferentes clases de antibióticos. Además, se han investigado los mecanismos moleculares que explican la resistencia natural de E. faecium a las cefalosporinas, un fenómeno que hasta ahora no había sido plenamente caracterizado. Por primera vez, se ha identificado un aislado clínico con concentraciones mínimas inhibitorias (MICs) bajas a las cefalosporinas, proporcionando una base única para el análisis exhaustivo de estos mecanismos. Esto ha permitido identificar mutaciones específicas y cambios transcripcionales que ofrecen nuevos conocimientos sobre las adaptaciones genéticas de E. faecium. Esta tesis proporciona una contribución significativa a la comprensión de los complejos mecanismos que sustentan la resistencia de E. faecium a los antibióticos β-lactámicos. Los resultados obtenidos sugieren la necesidad de desarrollar estrategias terapéuticas más precisas y efectivas para abordar el creciente desafío de la resistencia a los antibióticos.

Enterococcus faecium is a critical nosocomial pathogen, known for its high resistance to multiple antibiotics, including β-lactams, which complicates treatment strategies. This thesis investigates the genetic and molecular mechanisms driving E. faecium’s resistance to β-lactam antibiotics. All isolates studied were ampicillin-susceptible (AMP-S) E. faecium clinical strains derived from bacteremic patients at the Parc Taulí University Hospital. The research explores the efficacy of various antibiotic combinations, including ampicillin with ceftriaxone or ceftaroline, in overcoming resistance in AMP-S E. faecium strains. The findings suggest that while certain combinations, such as ampicillin-ceftaroline, exhibit synergy in some clinical isolates the response to combination therapy is strain-dependent, underscoring the complexity of treating infections caused by this pathogen. A key focus of the thesis is the role of genetic redundancy, particularly the presence of multiple copies of the pbp5 gene, which encodes a Penicillin-Binding Protein (PBP) involved in β-lactam resistance in E. faecium. This redundancy, often carried on mobile genetic elements like plasmids, enhances the pathogen’s ability to survive under selective antibiotic pressure. The study highlights how these redundant genes, along with other resistance determinants, contribute to the spread of multidrug resistance and facilitate the coselection of resistance to different antibiotic classes. Additionally, the thesis investigates the molecular mechanisms underlying the natural resistance of E. faecium to cephalosporins, a phenomenon that had not been fully understood until now. We describe for the first time a clinical isolate with low MICs to cephalosporins that provided a unique opportunity for a detailed investigation of the molecular mechanisms underlying E. faecium’s resistance to cephalosporins, enabling the identification of specific mutations and transcriptional changes that provide deeper insights into the genetic adaptations of E. faecium. This thesis provides valuable insights into the complex mechanisms underlying E. faecium resistance to β-lactam antibiotics. The findings enhance our understanding of the adaptive strategies of this pathogen, highlighting the need for improved therapeutic strategies to address the increasing challenge of antibiotic resistance.