Tahanan Kritikal Terhadap Carbapenem dan Aminoglikosida dalam Pseudomonas aeruginosa: Penyebaran Isolat Pembawa blaNDM/16S Methylase armA dengan Mekanisme Tahanan Asli di Kerman, Iran | BMC Penyakit Berjangkit

P. aeruginosa adalah bakteria opportunistik yang penting dan sering terlibat dalam jangkitan hospital yang serius seperti pneumonia dan sepsis [22]. Carbapenem adalah pilihan utama untuk merawat jangkitan hospital yang disebabkan oleh P. aeruginosa yang tahan ubat (MDR) [24]. Malangnya, kini semakin banyak jangkitan yang disebabkan bakteria ini tek pernah dirawat dengan carbapenem [16]. Beberapa mekanisme, termasuk pengeluaran yang berlebihan AmpC, penghasilan carbapenemase, aktiviti efflux pump yang berlebihan, dan kehilangan atau pengurangan porin membran luar seperti OprD, menyumbang kepada ketahanan carbapenem dalam P. aeruginosa. Selain itu, laporan menunjukkan bakteria tahan carbapenem biasanya juga tahan kepada kelas antibiotik lain seperti fluoroquinolones dan aminoglycosides [25]. Dalam dekad yang lalu, salah satu mekanisme ketahanan dalam bacilli gram-negatif yang mungkin berkaitan dengan gen carbapenemase adalah ketahanan aminoglycosides yang disebabkan oleh gen metilase rRNA 16S seperti armA, rmtA hingga rmtH, dan npmA [26]. Faktor risiko seperti hospitalisasi yang panjang, intervensi perubatan invasif, dan terapi antibiotik yang berpanjangan adalah faktor utama dalam perkembangan mekanisme ketahanan antimikrob di hospital [27].

Tujuan kajian ini adalah untuk menilai mekanisme ketahanan terhadap carbapenem dan aminoglycosides serta kesan CLX terhadap aktiviti antibakteria dan antibiofilm CAZ, FEP, IMP, dan MEM terhadap isolat klinikal P. aeruginosa yang tahan carbapenem (CRPA).

Laporan global menunjukkan bahawa prevalensi CRPA bergantung kepada pelbagai faktor seperti kawasan geografi, jenis jangkitan dan mikroorganisma, sumber spesimen, tekanan selektif antibiotik, dan tahap kebersihan di persekitaran hospital [28]. Namun, kadar ketahanan carbapenem dilaporkan antara 10 hingga 100% di negara yang berbeza [29,30,31,32]. Di Iran, kadar ketahanan terhadap carbapenem dalam isolat klinikal P. aeruginosa adalah berbeza, mungkin disebabkan oleh geografi negara yang luas atau polisi rawatan yang berbeza. Sebagai contoh, kajian oleh Mirsalehian et al. menunjukkan bahawa 100% dari P. aeruginosa yang diambil dari luka pesakit terbakar di Teheran adalah tahan carbapenem, sementara Farajzadeh Sheikh et al. mendapati 90.7% isolat P. aeruginosa dari Ahvaz di barat daya Iran adalah tahan terhadap carbapenem [7, 33]. Selain itu, ketahanan carbapenem di Kerman, Iran, dilaporkan berada pada kadar 35.8% pada tahun 2020; hasil kajian ini menunjukkan peningkatan ketahanan terhadap carbapenem berbanding masa lalu di kawasan kami [15].

Dalam kajian kami, prevalensi gen ketahanan di kalangan isolat adalah 63% untuk bla_NDM, 56.6% untuk armA, 18% untuk bla_IMP, 9% untuk bla_VIM, 3% untuk bla_GES, dan 6% untuk bla_SIM, dan malangnya, dalam kebanyakan kes, gen carbapenemase ini biasanya muncul bersama armA sebagai metilase rRNA 16S yang menyebabkan ketahanan tahap tinggi terhadap aminoglycosides. Oleh itu, penyebaran isolat klinikal yang mengandungi kedua-dua gen carbapenemase dan metilase rRNA 16S adalah risiko besar dalam mengurangkan pilihan rawatan dan kegagalan merawat jangkitan. Di samping itu, isolat ini boleh menjadi takungan penting bagi gen ketahanan dan pemindahannya kepada bakteria lain [34].

Kewujudan bersama gen bla_NDM/metilase rRNA 16S dengan prevalensi 21.14% pernah dilaporkan buat pertama kalinya pada tahun 2018 di antara isolat klinikal Klebsiella pneumoniae di kawasan kami, dan seterusnya pada tahun 2020, satu kes isolat P. aeruginosa dengan bla_NDM dilaporkan [15, 35]. Penemuan kami dalam kajian ini menunjukkan peningkatan gen bla_NDM dalam isolat P. aeruginosa jika dibandingkan dengan tahun 2020, yang menunjukkan kurangnya strategi yang sesuai untuk mengawal jangkitan dan kemungkinan pemindahan gen ini secara mendatar di kalangan pelbagai bakteria di persekitaran hospital. Kemungkinan pemindahan gen carbapenemase dan metilase rRNA 16S di antara bakteria di hospital kami saling berkait dan boleh menjadi gen ketahanan endemik di kawasan ini, walaupun penyelidikan lanjut diperlukan mengenainya. Dalam keadaan apa pun, penyebaran isolat seperti ini adalah kebimbangan serius bagi kesihatan awam, dan kami memerlukan strategi yang sesuai untuk pemantauan epidemiologi, pengawalan jangkitan secara menyeluruh, dan terapi antibiotik. Selain itu, dalam tahun-tahun kebelakangan ini, isolat yang mempunyai kedua-dua carbapenemase dan metilase rRNA 16S, seperti bla_NDM−1+rmtC, bla_NDM−1+rmtC + rmtF, bla_NDM−1+rmtF + armA, dan bla_NDM−1+bla_VIM+rmtB, telah dilaporkan di banyak negara, terutamanya Iraq dan Pakistan sebagai negara jiran kami [33, 35,36,37].

Mekanisme lain yang berkaitan dengan ketahanan terhadap carbapenem dalam P. aeruginosa termasuk pengurangan ekspresi oprD, pengeluaran berlebihan AmpC β-laktamase, dan overekspresi efflux pump seperti mexAB–oprM, kesemuanya telah diperhatikan dalam isolat tahan carbapenem dalam kajian ini.

Dalam kajian ini, tahap transkripsi oprD dalam isolat klinikal berkurangan secara signifikan sebanyak 10 kali ganda berbanding strain PAO1, dan tahap ekspresi ampC dan mexA meningkat sebanyak 2-4 kali ganda dan 2-8 kali ganda, masing-masing, berbanding PAO1.

Satu kajian oleh Rostami et al. (2018) di Iran mendapati mekanisme ketahanan paling biasa terhadap carbapenem di kalangan isolat P. aeruginosa adalah overekspresi mexB, mexY, ampC, dan pengurangan ekspresi oprD dengan rentang MIC antara 16-≥256 µg/mL untuk IPM atau MEM, di mana hanya 18% dari isolat yang positif untuk bla_VIM dan bla_IMP [38]. Dalam kajian kami, berbanding dengan kajian Rostami, 90% isolat adalah positif untuk salah satu gen carbapenemase, termasuk bla_NDM, bla_IMP, bla_SIM, bla_VIM, dan bla_GES yang diiringi oleh overekspresi mexA dan ampC, menjadikan julat MIC dalam kajian ini (16–2048 µg/mL untuk IPM atau MEM) lebih tinggi.

Cabot et al. menunjukkan bahawa overekspresi ampC adalah mekanisme ketahanan utama dalam 190 isolat P. aeruginosa yang diambil dari jangkitan dalam darah, dan kajian lain menunjukkan bahawa mekanisme utama ketahanan terhadap imipenem di kalangan P. aeruginosa di China adalah kehilangan oprD atau penghasilan MBLs [24, 39]. Oleh itu, seperti dalam kajian semasa, biasanya pelbagai mekanisme terlibat dalam ketahanan carbapenem dalam P. aeruginosa. Kewujudan serentak mekanisme ketahanan carbapenem, serta armA, memainkan peranan besar dalam mengurangkan kebolehan bakteria ini untuk merespon kepada carbapenem dan menyebabkan kegagalan dalam rawatan.

Dalam kajian ini, kami menilai kesan cloxacillin (CLX) terhadap MIC dan MBIC isolat terhadap MEM, CAZ, IMP, dan FEP. Tahap MIC untuk MEM, IPM, CAZ, dan FEP berkurang dengan ketara pada 500 dan 1000 µg/mL CLX, dan pengurangan MBIC terhadap MEM, IPM, CAZ, dan FEP dapat dilihat dengan signifikan pada 1000 dan 2000 µg/mL CLX di kalangan isolat. Pehlvanzadeh et al. menunjukkan bahawa gabungan IPM, MEM, CAZ, dan FEP dengan 250 µg/mL CLX membawa kepada pengurangan signifikan dalam tahap MIC dalam 56% isolat P. aeruginosa tahan carbapenem [16]. Selain itu, Rodríguez et al. (2010) mendapati bahawa di antara P. aeruginosa, tahap MIC berkurang sebanyak 2-32 kali ganda untuk IPM di 84% isolat dan 2-8 kali ganda untuk CAZ di 78% isolat dengan kehadiran 250 µg/mL CLX [18]. Mirsalehian et al. melaporkan penurunan 2-8 kali ganda untuk MIC kepada IPM dan 1-2 kali ganda untuk CAZ dalam 86% dan 9% isolat P. aeruginosa tahan carbapenem, masing-masing, pada 250 µg/mL CLX [40]. Beberapa sebab boleh menyebabkan perbezaan dalam pengurangan kepekaan isolat terhadap IPM, MEM, CAZ, dan FEP dengan kehadiran 500 dan 1000 µg/mL CLX dalam kajian kami berbanding dengan kajian terdahulu yang menunjukkan pengurangan yang signifikan pada tahap MIC kepada IPM, MEM, CAZ, dan FEP dengan kehadiran 250 µg/mL CLX. Dalam kajian kami, lebih daripada 90% isolat mempunyai sekurang-kurangnya satu gen carbapenemase, tetapi dalam kajian Pahlavanzadeh dan Mirsalehian, prevalensi gen carbapenemase ini tidak dilaporkan [7, 16]. Tambahan pula, beberapa mutasi titik dalam gen ampC, terutamanya penggantian di residu alanine pada posisi 105, peningkatan ekspresinya, dan ketahanan intrinsik terhadap CLX dalam P. aeruginosa seperti kebolehtelapan membran yang rendah, aktiviti efflux pump, dan hidrolysis CLX oleh bla_OXA, boleh mengurangkan kesan atau keupayaan CLX terhadap AmpC β-laktamase atau P. aeruginosa [18]. Sebaliknya, mengikut penemuan kami, kepekatan kloksasilin yang berkesan untuk mengurangkan MIC isolat kepada CAZ, FEP, IPM, dan MEM adalah ≥ 500 µg/mL, yang jauh lebih tinggi daripada tahap serum kloksasilin dalam manusia. Oleh itu, kewujudan pelbagai mekanisme ketahanan terhadap β-laktam dalam P. aeruginosa boleh memberi kesan terhadap kebolehan CLX untuk menghalang AmpC β-laktamase, dan gabungan β-laktam antipseudomonal dengan CLX mungkin tidak sesuai atau berguna untuk merawat jangkitan yang disebabkan oleh P. aeruginosa.

Selain ketahanan antibiotik, pembentukan biofilm dalam bakteria menyebabkan kembali berulangnya jangkitan dan meningkatkan patogenisiti [13]. Semua isolat P. aeruginosa dalam kajian ini, serupa dengan laporan lain, telah dikenal pasti sebagai penghasil biofilm yang kuat [41]. Tahap MIC berkurang secara signifikan kepada IMP, MEM, CAZ, dan FEP dengan kehadiran 250–500 µg/mL CLX dalam kajian kami dan laporan lain, tetapi tahap MBIC terhadap IMP, MEM, CAZ, dan FEP menurun dengan kehadiran 2000 µg/mL CLX dalam kajian ini. Oleh itu, nampaknya pengeluaran atau halangan AmpC β-laktamase tidak memainkan peranan penting dalam pembentukan biofilm, walaupun beberapa kajian menunjukkan peningkatan ekspresi gen ampC dalam bentuk biofilm P. aeruginosa [42]. Di antara antibiotik β-laktam dalam kajian ini, IPM merupakan yang paling berkesan terhadap tahap MBIC dengan/atau tanpa CLX, menunjukkan kesan penghalang yang lebih besar daripada IPM pada pembentukan biofilm berbanding antibiotik β-laktam lain.

Pembentukan biofilm bergantung kepada pelbagai faktor genetik dan persekitaran [43]. Salah satu faktor berkesan dalam pembentukan biofilm adalah peningkatan aktiviti atau peningkatan ekspresi efflux pump, yang mungkin disebabkan oleh rembesan mediator quorum sensing oleh mereka; dalam kajian ini, semua isolat menunjukkan peningkatan ekspres mexA [43, 44]. Selain itu, menurut beberapa kajian, peningkatan ekspresi efflux pump dan ampC biasanya disertai dengan pengurangan ekspresi protein membran luar seperti OprD, yang memainkan peranan penting dalam ketahanan terhadap antibiotik carbapenem. Dalam kajian ini, kami melihat peningkatan ekspresi mexA dan ampC serta penurunan ekspresi oprD [45]. Namun, kewujudan serentak beberapa mekanisme ketahanan antibiotik, bersama dengan pembentukan biofilm, memainkan peranan utama dalam meningkatkan ketahanan carbapenem.

Dalam pengetikan ERIC-PCR, isolat dibahagikan kepada 4 kelompok dari A hingga D, manakala dua isolat tidak dapat dikategorikan, menunjukkan bahawa isolat yang mempunyai bla_NDM mungkin berasal dari pelbagai jenis ERIC dan sebaliknya. Penemuan ini menunjukkan heterogeniti genetik di kalangan isolat yang mengandungi gen ketahanan yang berbeza dan tahap MIC yang berbeza terhadap agen antibiotik (lihat Jadual 2; Gambar 4). Kepelbagaian genetik menunjukkan bahawa isolat kami bukan berasal daripada satu klon wabak, jadi kami mencadangkan bahawa isolat positif bla_NDM dengan jenis ERIC yang berbeza mungkin telah meningkatkan potensi epidemik mereka yang mungkin berkaitan dengan pemindahan gen secara mendatar (HGT) atau mutasi kromosom dan dapat memainkan peranan yang signifikan dalam penyebaran gen ketahanan di persekitaran hospital kami. Di samping itu, kami tidak mendapati sebarang hubungan yang signifikan antara pola ketahanan antibiotik, tahap MIC, pengeluaran berlebihan AmpC, dan kewujudan gen ketahanan dengan kelompok A hingga D, yang mungkin disebabkan oleh heterogeniti genetik, jumlah isolat yang rendah, dan pemindahan gen secara mendatar di kalangan isolat kami. Namun, penemuan ini menunjukkan penyebaran isolat P. aeruginosa dengan ketahanan tinggi terhadap pelbagai antibiotik dalam persekitaran hospital kami, dan kami memerlukan dasar yang lebih sesuai dalam program pengawalan jangkitan.