Determinación de los principales factores de virulencia y resistencia de escherichia coli uropatógena en la población del Estado de Aguascalientes y su asociación con la contaminación biológica del Río San Pedro

Abstract

Una infección del tracto urinario (ITU) se produce cuando el tracto urinario estéril es conquistado por microorganismos patógenos, causando desde bacteruria hasta daño renal irreversible y sepsis en los casos más severos. Las ITUs son la segunda causa de morbilidad a nivel mundial y son causadas principalmente por Escherichia coli uropatógena (UPEC), un subgrupo de los patógenos extraintestinales de Escherichia coli (ExPEC). En el presente estudio se llevó a cabo el análisis de 64 cepas aisladas de pacientes con ITU adquirida en la comunidad o en el hospital de hombres y mujeres desde la edad neonatal a 94 años, proporcionadas por el Centenario Hospital Miguel Hidalgo que fueron evaluadas para determinar la prevalencia de esta enfermedad por género, adquisición de la infección, el tipo de patógeno, su clasificación en filogrupos, así como los grupos poblacionales más susceptibles. También se llevó a cabo la determinación de los factores de virulencia de cada aislado, así como el perfil de resistencia a antimicrobianos, la capacidad para formar biopelículas y se obtuvieron extractos crudos para determinar la actividad de la toxina alfa-hemolisina sobre glóbulos rojos y células endoteliales. Finalmente las características de los aislados clínicos fueron comparadas con cepas ambientales de E. coli patógenas, drogo o multi-drogo resistentes aisladas del río San Pedro en el Estado de Aguascalientes. El estudio reveló que las ITUs son adquiridas en la comunidad siendo el género femenino el más afectado (57.14%), el agente causal principal es UPEC (57.14%), que contiene una cantidad significativamente mayor de factores de virulencia que las cepas clasificadas como patógenos potenciales (p<0.05). Los grupos poblacionales más susceptibles son los niños de edad neonatal a 10 años, así como los adultos mayores de 51 años (p<0.001). Los aislados pertenecen principalmente a los filogrupos B2 y D (28.57% y 12.59% respectivamente). Los aislados del filogrupo B2 son las cepas significativamente más virulentas (6.5± 1.94 factores de virulencia) (p<0.0001) respecto a los filogrupos A, B1 y C, así mismo son las que presentan mayor prevalencia de resistencia a los antimicrobianos (83.33% multi-drogo resistentes). [- 11 -] El patrón de virulencia con mayor frecuencia fue fimH-kpsMTII-chuA (52.38%), la toxina vat no fue identificada. En el estracto crudo fue encontrada una elevada actividad citotóxica perteneciente a la toxina alfa-hemolisina, sin embargo, no se encontró asociación con la presencia del gen hlyA y/o cnf1 (p=0.9998). Cerca del sesenta porciento de los aisaldos clínicos presentaron multi-drogo resistencia (p=0.0335), incluyendo a los de primera línea para el tratamiento de ITUs donde el patrón de resistencia observado fue para ampicilina-sulbactam (68.25%), por lo que las opciones disponibles para el tratamiento de ITUs en el estado pueden ser ampicilina/tazohbactam, ertapenem, imipinem, amikacina y nitrofurantoína. Se encontró elevada prevalencia de genes de resistencia a fluoroquinolonas tanto adquiridos por mutación (88.33%), como los adquiridos por transferencia (50.83%) así como una asociación significativa entre las cepas del filogrupo B2 sensibles a fluoroquinolonas y con un promedio mayor de factores de virulencia (5.5±1.64 factores de virulencia) respecto a los aislados con fenotipo resistente y con menor carga virulenta (2.91±1.08 factores de virulencia) (p=0.0010). Respecto a los ensayos de formación de biopelículas de aislados de los filogrupos B2 y D, 84% de los aislados presentaron curli (p<0.0001), 15.4% presentaron celulosa y 50% motilidad flagelar. La formación de biopelículas por el método de cristal violeta reveló que la mayoría de la cepas fueron poco adherentes (92.3%, p<0.0001), y que este tipo de bioeplícula depende en mayor parte de la presencia de fimH y kpsMTII (p<0.0001), además este tipo de biopelícula se asoció al género masculino (p=0.0301), por lo que la formación de biopelícula representa otro mecanismo de virulencia en las ITUs que afecta principalmente al género masculino en el Estado. Los aislados ambientales presentaron 31.03% de cepas ExPEC, mientras que la proporción en los aislados clínicos fue de 87.30%, y se asoció al origen de la cepa (p<0.001); la presencia de cepas UPEC en el ambiente fue de 13.79%, no se observó diferencia significativa en la carga patogénica (p=0.94) respecto a los aislados clínicos. Sin embargo, los aislados clínicos poseen mayor capacidad de virulencia en comparación a los aislados ambientales (4.75±2.2 y 1.9±1.4 factores de virulencia respectivamente, p<0.0001). No se identificaron las toxinas vat y hlyA en los aislados ambientales. Los [- 12 -] aislados ambientales presentaron resistencia para la ampicilina (41.38%), TMP-SMX (37.93%) y ceftazidima (37.93%), mismos para los que se reportó resistencia en aislados clínicos (82.5%, 55.6% y 36.5% respectivamente), por lo que la presencia de cepas de E. coli ambientales resistentes a antibióticos utilizados para el tratamiento de UTIs representan un riesgo no solo para la adquisición de infecciones en el hombre y animales, sino también para la disemiación de resistencia. Finalmente 25.58% de las cepas ambientales forman biopelícula, lo que en el ambiente acuático representa una estrategia de supervivencia donde el factor de virulencia principalmente asociado fue fimH (62.5%). La presencia de cepas patógenas ExPEC en el río San Pedro resistentes a antibióticos representa un riesgo para la salud humana y animal en el Estado de Aguascalientes pues podrían estar asociadas a la adquisición de infecciones urinarias, al compartir similitudes entre factores de virulencia, resistencia así como por su capacidad de formar biopelículas, por lo tanto es necesario plantear nuevas estrategias para el tratamiento de aguas residuales, así como realizar estudios posteriores en los que se recomienda aumentar el número de muestras, así como la implementar estudios como análisis de riesgo, uso de modelos animales, cultivos celulares y MLST para determinar el potencial patogénico de cepas ambientales para causar infecciones urinarias en el Estado.

A urinary tract infection (UTI) occurs when the sterile urinary tract is conquered by pathogenic microorganisms, resulting from bacteruria to irreversible kidney damage and sepsis in the most severe cases. UTIs are the second leading cause of global morbidity and are mainly caused by uropathogenic Escherichia coli (UPEC), a subgroup of the extraintestinal pathogens of Escherichia coli (ExPEC). In the present study, the analysis of 64 strains isolated from patients with UTI acquired in the community or in the hospital of both sex: men and women from the neonatal age to 94 years, provided by the Centenario Hospital Miguel Hidalgo, were evaluated to determine the prevalence of this disease by gender, acquisition of the infection, the type of pathogen, its classification into phylogeny, as well as the most susceptible population groups. The determination of the virulence factors of each isolate as well as the antimicrobial resistance profile, the ability to form biofilms and crude extracts were obtained to determine the activity of the alpha-hemolysin toxin on red blood cells and cells endothelial cells. Finally the characteristics of the clinical isolates were compared with environmental strains of pathogenic, drug-resistant or multi-drug resistant E. coli isolated from the San Pedro River in the State of Aguascalientes. The study revealed that UTIs are community-acquired and female gender is the most affected (57.14%), the main causal agent is UPEC (57.14%), which contains significantly more virulence factors than strains classified as potential pathogens (p<0.05). The most susceptible population groups are children of neonatal age at 10 years, as well as adults older than 51 years (p<0.001). The isolates belong mainly to the phylogroups B2 and D (28.57% and 12.59%, respectively). The isolates of the phylogenetic group B2 are the most virulent strains (6.5 ± 1.94 virulence factors) (p<0.0001) with respect to the phylogroups A, B1 and C, as well as those with a higher prevalence of antimicrobial resistance (83.33% Multi-drug resistant). The most frequent virulence pattern was fimH-kpsMTII-chuA (52.38%), the vat toxin was not identified. In the raw extract, a high cytotoxic activity was found belonging to the [- 14 -] alpha-hemolysin toxin, however, no association was found with the presence of the hlyA and / or cnf1 gene (p=0.9998). About sixty percent of the clinical isolates had multi-drug resistance (p = 0.0335), including first-line treatment for UTIs where the resistance pattern observed was for ampicillin-sulbactam (68.25%), so the options available for the treatment of ITUs in the state may be ampicillin/tazohbactam, ertapenem, imipinem, amikacin and nitrofurantoin. We found a high prevalence of both fluoroquinolone resistance genes acquired by mutation (88.33%) and those acquired by transfer (50.83%) as well as a significant association between fluoroquinolone-sensitive strains of the philogroup B2 and with a higher average of factors Virulence (5.5 ± 1.64 virulence factors) with respect to isolates with resistant phenotype and with a lower virulent load (2.91 ± 1.08 virulence factors) (p=0.0010). Regarding the biofilm formation tests of isolates of the phylogenetic groups B2 and D, 84% of the isolates presented curli (p<0.0001), 15.4% presented cellulose and 50% flagellar motility. Biofilm formation by the crystal violet method revealed that most of the strains were poorly adherent (92.3%, p <0.0001), and that this type of biofilm depends in large part on the presence of fimH and kpsMTII (p<0.0001). In addition, this type of biofilm was associated with the male gender (p = 0.0301), so biofilm formation represents another mechanism of virulence in ITUs that mainly affects the male gender in the State. The environmental isolates presented 31.03% of ExPEC strains, while the proportion in the clinical isolates was 87.30%, and it was associated with the origin of the strain (p<0.001); the presence of UPEC strains in the environment was 13.79%, there was no significant difference in pathogenic load (p=0.94) with respect to clinical isolates. However, clinical isolates have a higher virulence capacity compared to environmental isolates (4.75 ± 2.2 and 1.9 ± 1.4 virulence factors respectively, p<0.0001). Vat and hlyA toxins were not identified in the environmental isolates. The environmental isolates showed resistance to ampicillin (41.38%), TMP-SMX (37.93%) and ceftazidime (37.93%), for which resistance was reported in clinical isolates (82.5%, 55.6% and 36.5%, respectively). The presence of antibiotic resistant E. coli strains used for the treatment of UTIs represents a risk not only for the acquisition of infections in man and animals, but also for resistance [- 15 -] disem- bination. Finally 25.58% of the environmental strains form biofilm, which in the aquatic environment represents a survival strategy where the virulence factor mainly associated was fimH (62.5%). The presence of pathogenic strains ExPEC in the San Pedro river resistant to antibiotics represents a risk to human and animal health in the State of Aguascalientes since they could be associated with the acquisition of urinary infections, sharing similarities between factors of virulence, resistance as well its ability to form biofilms, it is therefore necessary to propose new strategies for the treatment of wastewater, as well as carry out further studies in which it is recommended to increase the number of samples, as well as to implement studies such as risk analysis, use Of animal models, cell cultures and MLST to determine the pathogenic potential of environmental strains to cause urinary tract infections in the State.