Evolução genômica da resistência aos antimicrobianos em Escherichia coli : uma perspectiva de saúde única

Abstract

A resistência aos antimicrobianos (RAM) é uma das maiores ameaças à saúde pública, impulsionada pelo amplo uso de antimicrobianos na medicina humana e animal, que favorece a evolução e a emergência de bactérias resistentes. Nesse contexto, a abordagem de Saúde Única é fundamental para compreender a dinâmica da RAM entre os diferentes nichos ecológicos. Devido à sua capacidade de transitar entre diferentes hospedeiros e ambientes, a Escherichia coli tem sido utilizada como biomarcador para vigilância da RAM. A resistência em E. coli ocorre principalmente pela aquisição de genes de resistência por meio da transferência horizontal de genes (HGT) mediada por elementos genéticos móveis (MGEs). Assim, o uso de abordagens baseadas em sequenciamento genômico são essenciais para explorar a evolução molecular da RAM. Logo, o presente estudo teve como objetivo avaliar a evolução genômica da resistência aos antimicrobianos em Escherichia coli de diferentes origens no Sul do Brasil através da análise do resistoma, plasmidoma e pangenoma. Foram utilizados 278 isolados de E. coli obtidos de origem humana (n=104), animal (n=61), alimentar (n=58) e ambiental (n=55). O perfil de suscetibilidade foi determinado através do teste de sensibilidade aos antimicrobianos (TSA) e a detecção de genes que codificam beta-lactamases de espectro estendido (ESBLs) e carbapenemases, além daqueles que medeiam resistência às quinolonas e polimixinas, foi realizada por reação em cadeia da polimerase (PCR). A partir destes resultados, 44 isolados de E. coli foram selecionados para realização do sequenciamento completo do genoma através das abordagens de short-reads (Illumina MiSeq) e long-reads (MinIon Oxford Nanopore). Os genomas obtidos foram utilizados para caracterização das cepas, análise do resistoma e plasmidoma, assim como para construção do pangenoma de E. coli. Dos 278 isolados de E. coli, 53,9% apresentaram resistência a pelo menos um dos antibióticos testados e 29,8% foram classificados como multirresistentes (MDR). Os isolados de E. coli sequenciados foram agrupados em 6 grupos filogenéticos, sendo o grupo B1 o mais prevalente. Além disso, também foram caracterizados em 34 STs distintas, sendo as ST131 e ST617 as mais prevalentes. Em relação ao resistoma, foram identificadas 218 mutações cromossômicas associadas à resistência, principalmente a quinolonas, fosfomicina e colistina, além de 534 genes de resistência aos antimicrobianos (ARGs), principalmente relacionados aos beta-lactâmicos, sulfonamidas e tetraciclinas, sendo que 81% dos ARGs estavam associados a plasmídeos. O pangenoma de E. coli foi caracterizado como aberto, composto por 12.247 genes, sendo 2.984 genes classificados como genoma central, 379 como genoma central estendido, 2.305 como genoma acessório e 6.579 pertenciam ao genoma raro. Os resultados deste estudo demonstram a circulação de diferentes cepas de E. coli entre os diferentes nichos ecológicos no Sul do Brasil com amplo resistoma disseminado principalmente através de plasmídeos. Além disso, o pangenoma de E. coli confirmou a elevada plasticidade genética dessa espécie e evidenciou sua constante evolução genômica. Por fim, esses dados ampliam a compreensão sobre a dinâmica genômica da RAM entre os diferentes nichos ecológicos no Sul do Brasil, destacando a importância da vigilância genômica sob a perspectiva de Saúde Única.

Antimicrobial resistance (AMR) is one of the greatest threats to public health, driven by the widespread use of antimicrobials in human and veterinary medicine, which favors the evolution and emergence of resistant bacteria. In this context, the One Health approach is essential to understand the dynamics of AMR across different ecological niches. Due to its ability to circulate among different hosts and environments, Escherichia coli has been used as a biomarker for AMR surveillance. Resistance in E. coli occurs mainly through the acquisition of resistance genes via horizontal gene transfer (HGT) mediated by mobile genetic elements (MGEs). Therefore, the use of genome sequencing–based approaches is essential to explore the molecular evolution of AMR. Thus, the present study aimed to evaluate the genomic evolution of antimicrobial resistance in E. coli from different sources in Southern Brazil through the analysis of the resistome, plasmidome, and pangenome. A total of 278 E. coli isolates were used, obtained from human (n = 104), animal (n = 61), food (n = 58), and environmental (n = 55) sources. The susceptibility profile was determined using the antimicrobial susceptibility test (AST), and the detection of genes encoding extended-spectrum beta-lactamases (ESBLs) and carbapenemases, as well as those mediating resistance to quinolones and polymyxins, was performed by polymerase chain reaction (PCR). Based on these results, 44 E. coli isolates were selected for whole-genome sequencing using both short-read (Illumina MiSeq) and long-read (Oxford Nanopore MinION) approaches. The obtained genomes were used for strain characterization, resistome and plasmidome analysis, as well as for the construction of the E. coli pangenome. Among the 278 E. coli isolates, 53.9% showed resistance to at least one of the tested antibiotics and 29.8% were classified as multidrug-resistant (MDR). The sequenced E. coli isolates were grouped into six phylogenetic groups, with group B1 being the most prevalent. In addition, they were classified into 34 distinct STs, with ST131 and ST617 being the most prevalent. Regarding the resistome, 218 chromosomal mutations associated with resistance were identified, mainly related to quinolones, fosfomycin, and colistin, in addition to 534 antimicrobial resistance genes (ARGs), mainly associated with beta-lactams, sulfonamides, and tetracyclines, of which 81% were associated with plasmids. The E. coli pangenome was characterized as open, comprising 12,247 genes, of which 2,984 were classified as core genome genes, 379 as soft-core genome genes, 2,305 as accessory genome genes, and 6,579 as rare genome genes. The results of this study demonstrate the circulation of different E. coli strains among different ecological niches in Southern Brazil, with a broad resistome disseminated mainly through plasmids. Furthermore, the E. coli pangenome confirmed the high genetic plasticity of this species and highlighted that it is in constant genomic evolution. Finally, these data expand the understanding of the genomic dynamics of AMR across different ecological niches in Southern Brazil, highlighting the importance of genomic surveillance from a One Health perspective.