ESBL, AmpC & Co. Beta-Lactamasen in Enterobacteriaceae

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1 Antibiotikaresistenz Gram-negativer nosokomialer Infektionserreger ESBL, AmpC & Co. Beta-Lactamasen in Enterobacteriaceae Yvonne Pfeifer Bad Honnef Symposium 2008

2 Enterobakterien (Enterobacteriaceae) als nosokomiale Erreger Escherichia coli Klebsiella ssp. Enterobacter ssp. Citrobacter ssp. Providencia ssp. Klebsiella ssp. Escherichia coli Harnwegsinfektionen, Urosepsis Wundinfektionen, Bakteriämie Sepsis Infektion der Atemwege/ Nosokomiale Pneumonie Therapie: Fluorchinolone (Ciprofloxacin) Beta-Lactam-Antibiotika Aminobenzylpenicilline (Ampicillin) Cephalosporine (Ceftazidim, Cefotaxim) Monobactame (Aztreonam) Carbapeneme (Imipenem, Meropenem) 6-Aminopenicilliansäure

3 Mechanismen der Beta-Lactam-Resistenz Beta-Lactam Hydrolyse Enterobacteriaceae 2. Abb. sitemaker.umich.edu/.../files/resistance.gif P. aeruginosa

4 Einteilung der β-lactamasen nach Ambler Serin-β-Lactamasen Metallo-β-Lactamasen A C D TEM-1 SHV-1 ESBL TEM SHV CTX-M Ceftazidim Cefotaxim Cefpodoxim AmpC CMY MOX ACT Cefoxitin Ceftazidim Cefotaxim Cefpodoxim Enterobacteriaceae ESBL OXA Resistenzen Oxacillin Carbapeneme B Carbapenemasen VIM IMP Imipenem Meropenem P. aeruginosa; Enterobacteriaceae

5 Verbreitung der ESBL-Gene Mobilisierung chromosomaler Vorläufer-Gene über Transposons und Integration in Resistenzplasmide Horizontaler Gentransfer - Übertragung von konjugativen Plasmiden innerhalb der Spezies oder in andere Spezies A B Ausbreitung von Resistenz- Plasmiden zwischen verschiedenen Spezies A Donor B Rezipient Akkumulation von verschiedenen Resistenzgenen auf mehreren Transposons hintereinander möglich: multi-drug resistance regions (MDR) Multiresistenz

6 Verbreitung der Cephalosporin-Resistenz bei Enterobakterien EARSS - European Antimicrobial Resistance Surveillance System In Deutschland sind derzeit 5% der E. coli resistent gegenüber Cephalosporinen der Gruppe 3

7 Untersuchungen zu Auftreten und Verbreitung der β-lactamasen in Enterobacteriaceae in Deutschland NS(20) n = 30 NRW(16) n = 36 H (5) n = 7 RP(3) 2 BW(14) n = 29 MVP(2) n = 20 B (1) n = 20 BY(11) 5 Sammlung von klinischen Isolaten mit bundesweitem Einzugsgebiet Enterobacteriaceae 63 Escherichia coli n = 91 Klebsiella pneumoniae n = 37 Klebsiella oxytoca n = 22 Enterobacter cloacae n = 8 Enterobacter aerogenes n = 2 Citrobacter freundii n = 2 Providencia stuartii Phänotypische Resistenzbestimmung Genotypische Charakterisierung: B, Berlin; BW, Baden-Württemberg; BY, Bayern; H, Hessen; MVP, Mecklenburg-Vorpommern; NRW, Nordrhein-Westfalen; NS, Niedersachsen; RP, Rheinland-Pfalz; (x), Anzahl der Kliniken; n = x, Anzahl der Isolate aus den Kliniken des jeweiligen Bundeslandes PCR und Sequenzierung relevanter Resistenz Gene (bla TEM, bla SHV, bla CTX-M, bla ampc ) Einsatz schnelldiagnostischer Methoden (Microarray)

8 Beta-Lactamase-Typ und Phänotypische Resistenz Antibiotika Hemmbarkeit durch β-lactamase AP CPD CTX CAZ FOX SUL, CLV, EDTA TEM ESBL R R V R S SUL, CLV SHV ESBL R R V R S SUL, CLV CTX-M-ESBL R R R V S SUL, CLV K1 (K. oxytoca) R R V S S - AmpC R R R R R - MBL R R R R R EDTA AP, Ampicillin; CPD, Cefpodoxim; CTX, Cefotaxim; CAZ, Ceftazidim; FOX, Cefoxitin; SUL, Sulbactam; CLV, Clavulansäure; Resistent; V, variabel; S, sensitiv Veränderung des Phänotyps durch Kombination von verschiedenen Beta-Lactamasen in einem Isolat Molekulare Diagnostik (Resistenz-Genotyp) erforderlich

9 Projekt-Ergebnisse: ESBL in Enterobacteriaceae bla TEM n = 76 bla SHV n = 49 bla CTX-M n = 56 TEM-1 TEM-12 TEM-29 TEM-30 TEM-52 n = 57 n = 3 4 SHV-1 SHV-2 SHV-2a SHV-5 SHV-11 SHV-12 SHV-28 SHV-33 SHV-36 SHV-31 SHV-76 n = 9 1 n = 4 n = 5 n = 4 1 CTX-M-1 CTX-M-2 CTX-M-3 CTX-M-9 CTX-M-10 CTX-M-14 CTX-M-15 CTX-M-58 1 n = n = 5 1 n = 2 ESBL-Typen in E. coli, Klebsiella spp. sowie Enterobacter cloacae Dominanz von CTX-M-Typen (61% aller ESBL-Bildner) Identifikation neuer Varianten SHV-76 und CTX-M-58 Mehr als 1/3 der ESBL-Isolate sind multiresistent

10 AmpC-β-Lactamasen in Enterobacteriaceae Plasmid-kodierte AmpC-β-Lactamasen CMY ACC ACT FOX LAT MOX 6 Gen-Familien abgeleitet von verschiedenen Ursprungsspezies High-level Expression z.b. in E. coli ; K. pneumoniae Cefoxitin-resistent Chromosomal-kodierte AmpC-β-Lactamasen Konstitutive o. induzierbare high-level Expression des Wildtyp ampc Gens in E. cloacae, Citrobacter freundii Cefoxitin-resistent Konstitutive low-level Expression des Wildtyp ampc Gens in Escherichia coli Cefoxitin-sensitiv

11 Cephalosporin-Resistenz verursacht durch AmpC-β-Lactamasen Cefoxitin-Resistenz in E. coli : Plasmid-kodierte AmpC-β-Lactamasen chromosomal-kodierte AmpC-β-Lactamasen Sequenzierung der chromosomalen ampc Promoter Region box box -1 WT AmpC* TCCTGACAGTTGTCACGCTGATTGGTGTCGTTACAATCTAACGCATCGCCAATGTAAATCCGGCCCGCC 108/04 --T A T / A---A T / I T WT AmpC* TATGGCGGGCCGTTTTGTATGGAAACCAGACCCTATGTTCAAAACGACGCTCTGCGCCTTATTAAT 108/ T / D T A / T Ergebnis: High-level Expression des E. coli ampc durch Promoter-Mutationen

12 XbaI-Makrorestriktionsanalyse: (PFGE) Pulsfeld-Gelelektrophorese Cefoxitin-resistenter E. coli Isolate Dice (Tol 1%-1%) (H>0.0% S>0.0%)[ %] RKI-Nr. 65/04 109/04 78/04 86/04 66/04 87/04 108/04 15/04 43/04 18/04 21/ /04 74/04 85/04 17/04 54/04 51/04 56/04 16/04 68/04 36/04 30/04 49/04 99/04 28/04 24/04 67/04 98/04 89/04 62/04 Bundesland BW BY BW NRW BY NRW NRW RP BW BW H n.s. NRW RP RP NRW BY n.s. NRW BW BW BY BW H BW NRW BY H RP n.s. neuer ampc- Promoter Phylogenetische Gruppe A neuer ampc- Promoter Phylogenetische Gruppe A

13 Projekt Antibiotika-Resistenz-Surveillance in Deutschland (ARS) Cephalosporin-Resistenz in Enterobacteriaceae Molekulare Untersuchung von ESBL Isolaten (Blutkultur) aus mehr als 50 beteiligten Kliniken: Escherichia coli Klebsiella pneumoniae Klebsiella oxytoca Proteus mirabilis Projekt-Erweiterung: Untersuchung von ESBL Isolaten anderer Herkunft (Urinkultur ambulant/nosokomial) Molekulare Untersuchung von Isolaten mit Cefoxitin-Resistenz (AmpC-β-Lactamasen) und Carbapenem-Resistenz (OXA-, Metallo-β-Lactamasen) sichere Diagnostik und deren Weiterentwicklung Erkennen von Resistenz-Trends, z. B. durch Untersuchungen von Ausbrüchen

14 Untersuchung von Ausbruchs- Isolaten 23 E. coli aus der Neonatologie/ Neointensivstation mit ESBL-Verdacht RKI-Nr. Herkunft bla-gen (ESBL-MP-PCR) 165/07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind CTX-M-2 170/07 Kind CTX-M-2 CTX-M-15 als häufigste ESBL-Variante Klonale Verbreitung durch Hygienemängel KLUC-1 CTX-M-10 CTX-M-3 CTX-M-28 CTX-M-15 CTX-M-22 CTX-M-23 CTX-M-1 CTX-M-21 CTX-M-17 CTX-M-24 CTX-M-14 CTX-M-9 CTX-M-16 CTX-M-6 CTX-M-7 [AAK08976] [AAF65843] [BAB40925] [AJ549244] [AAL02127] [AAL86924] [AAL99990] [P28565] [CAD08929] [AAM33515] [AAN38836] [AAF72530] [AAF05311] [AAK32961] [CAA06311] [CAA06312] KLUC-1 Gruppe CTX-M-1 Gruppe > 97 % Sequenz-Identität CTX-M-9 Gruppe > 98 % Sequenz-Identität 171/07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind CTX-M /07 Kind CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M /07 Kind TEM-1 + CTX-M-15 CTX-M-4 CTX-M-2 CTX-M-20 KLUA-Enzyme [CAA74573] [P74841] [CAC95175] [CAB59824] CTX-M-2 Gruppe > 94 % Sequenz-Identität 183/07 Mutter TEM-1 + CTX-M-1 184/07 Personal TEM-1 + CTX-M-15 KLUG-1 CTX-M-8 CTX-M-25 CTX-M-26 [AF501233] [AAF04388] [AAM70498] [AY157676] CTX-M-8 Gruppe > 98 % Sequenz-Identität CTX-M-25 Gruppe > 98 % Sequenz-Identität 20/08 (1) Mutter TEM-1 + CTX-M-15 20/08 (2) Mutter TEM-1 + CTX-M-15 21/08 Personal TEM-1 + CTX-M-15

15 XbaI-Makrorestriktionsanalyse (Pulsfeld-Gelelektrophorese) E. coli ESBL PFGE-Typ CTX-M-15 CTX-M-15 CTX-M-15; TEM-1 CTX-M-9; TEM-1 CTX-M-15 SHV-5; TEM-1 CTX-M-1; TEM-1 CTX-M-14; TEM-1 CTX-M-15 CTX-M-14; TEM-1 CTX-M-3; TEM-1 CTX-M-15; TEM-1 CTX-M-15 CTX-M-15 CTX-M-15 CTX-M-1; TEM-1 CTX-M-15; TEM-1 CTX-M-1; TEM-1 CTX-M-1; TEM-1 CTX-M-65; TEM-1 CTX-M-15 CTX-M-15; TEM Dice (Tol 1.0%-1.0%) (H>0.0% S>0.0%) [0.0%-100.0%]

16 ESBL in Salmonella 16 humane Isolate Salmonella enterica serovar Typhimurium, Lysotyp DT193 aus fünf Bundesländern Gastroenteritis,Harnwegsinfektion Resistenz gegen Cephalosporine der Gruppe 3 Xba-I-Makrorestriktionsanalyse (PFGE) S S S S = S. enterica Braenderup universal marker 1 = 6/07 CTX-M-1 + TEM-1 2 = 7/07 CTX-M-1 + TEM-1 3 = 8/07 CTX-M-1 + TEM-1 4 = 9/07 CTX-M-1 + TEM-1 5 = 10/07 CTX-M-1 + TEM-1 6 = 11/07 CTX-M-1 + TEM-1 7 = 12/07 CTX-M-1 + TEM-1 Bayern Bayern Niedersachsen Thüringen Thüringen Sachsen-Anhalt Bayern Nachweis von ESBL-Varianten TEM-52 und CTX-M-1 in Salmonella serovar Infantis (human und aus tierischem Material) Salmonella als mögliches ESBL-Reservoir

17 Einteilung der β-lactamasen nach Ambler Serin-β-Lactamasen Metallo-β-Lactamasen A C D TEM-1 SHV-1 ESBL TEM SHV CTX-M Ceftazidim Cefotaxim Cefpodoxim AmpC CMY MOX ACT Cefoxitin Ceftazidim Cefotaxim Cefpodoxim Enterobacteriaceae ESBL OXA Resistenzen Oxacillin Carbapeneme B Carbapenemasen VIM IMP Imipenem Meropenem P. aeruginosa; Enterobacteriaceae

18 Carbapenem-Resistenz und Metallo-Beta-Lactamasen Mobilisierung der Gene bla VIM und bla IMP aus Acinetobacter baumannii und Pseudomonas aeruginosa und Transfer in Enterobacteriaceae Phänotyp der Metallo-beta-Lactamases: Hemmbarkeit durch EDTA Variabilität des Resistenz-Levels verursacht durch Kombination der Beta- Lactamase-Bildung mit anderen Resistenzmechanismen: Carbapenem-Resistenz und Porin-Verlust OMP outer mebrane protein (OmpA-Trimer) 1, 2bp-Deletion STOP in ompk-35 2, 384 bp-deletion in ompk-36 3, 600 bp-deletion in ompk-36 Antibiotika K.p. 5 K.p. 54 K.p. 149 Imipenem Imipenem+EDTA Meropenem bla TEM bla SHV bla CTX-M bla ampc bla VIM qnr-gen - qnr-b - Porin OmpK Porin OmpK

19 Multiresistente Klebsiellen: ESBL, AmpC- und Metallo-Beta-Lactamasen Antibiotika Ampicillin Mezlocillin K.p. 62 > 16 K.o. 57 > 16 Klonale Verbreitung von Isolaten (Klebsiella spp.) mit Resistenzen gegenüber allen eingesetzten Antibiotika MSU Cefotiam Cefotaxim Ceftazidim > 8 > 16 > 8 > 16 Ursache ist die Kombination unterschiedlicher Beta- Lactamasen sowie Porin-Defekte in den Isolaten: Beta-Lactamase Gene (bla) Cefoxitin K.p. 62 K.o. 57 Gentamicin Kanamycin > 8 2 bla TEM - - Amikacin 2 bla SHV 1 - Streptomycin Nalidixinsäure Oxytetrazyclin Chloramphenicol Ciprofloxacin Sulfameracin SXT Colistin > 64 > 8 > 64 > 512 > 128 0,5 > 64 > 8 64 > 512 > 128 0,5 bla CTX-M 9 - bla ampc CMY-4 - bla VIM 1 1 qnr-gen - qnr-b Porin OmpK35 - a - b Porin OmpK b a, IS1-Transposase in ompk-35; b, bp-deletionen Imipenem Imipenem+EDTA Meropenem bla CMY-4 und bla VIM-1 auf einem Plasmid (120 kb) lokalisiert und übertragbar

20 Danke Prof. Dr. Wolfgang Witte Dr. Guido Werner Dr. Birgit Strommenger Sibylle M.-Bertling Angela Danschke Dr. Rita Prager Dr. W. Rabsch Dr. Anne-Marie Fahr