Prevalence and characteristics of extended-spectrum β-lactamase and plasmid-mediated quinolone resistance genes in Escherichia coli isolated from retail raw chicken in Korea

Abstract

광범위 베타 락탐계 분해 효소 (ESBL)를 생산하는 대장균은 심각한 공중 보건 문제로 대두되고 있다. 플라스미드 매개로 전달되는 퀴놀론 저항성 (PMQR) 유전자는 식용 동물 또는 식품으로부터 분리 된 균주에 널리 퍼져 있으며 그 중 일부는 광범위 베타 락탐계 분해 효소 (ESBLs) 생성 균주이다. 본 연구에서는 한국의 유통 중인 소매 닭에서 분리 된 ESBL 생성 대장균 67주의 항생제 저항성, phylogenetic group 및 병원성 유전자 분포를 조사 하였다. 또한, 총 67주의 ESBL 생성 대장균의 plasmid-mediated quinolone resistance (PMQR) 유전자 분포를 조사 하였다. 모든 균주는 blaCTX-M을 보유하고 있었고, blaCTX-M-type 중 blaCTX-M-65 (52.2 %, 35/67)와 blaCTX-M-55 (25.4 %, 17/67)가 우세하였으며, 3주는 blaCTX-65와 blaCTX-M-55 모두 보유하고 있었다. 또한, ESBL 생성 대장균의 절반 이상이 blaTEM을 보유하고 있었다. 놀랍게도, ESBL 생성 균주 중 35 (52.2 %, 35/67) 주가 PMQR 결정 인자를 함께 보유하고 있었다. 가장 많이 보유한 PMQR 유전자는 qnrS (91.4 %, 32/35)이었고, 그 중 6주는 qnrS에 더하여 aac(6')-Ib-cr도 가지고 있었다. oqxAB 및 aac(6')-Ib-cr는 각각 2주 (5.7 %), 1주 (2.9 %)에서 검출되었다. qnrA, qnrB 및 qepA를 보유한 균주는 없었다. PMQR 보유 균주 중 가장 흔한 ESBL type은 CTX-M-65 (91.4 %, 32/35)이었다. 항생제 감수성 검사 (MIC test) 결과 ESBL 생성 균주 중 98.5%가 3가지 이상의 서로 다른 그룹에 속한 항생제에 내성을 가진 다제내성 균주였고 PMQR gene을 함께 보유한 35주는 모두 다제내성 (MDR) 균주 임이 밝혀졌다. 그 중 qnrS와 aac(6')-Ib-cr을 동시에 보유하고 있는 균주는 ciprofloxacin과 kanamycin에 대한 내성에 시너지 효과를 보였다. Phylogenetic group 분석 결과 group A (56.7%)에 속한 균주가 가장 많았고 group B1 (19.4%), group E (8.9%), group B2 (6%), group D (6%) 순으로 분포해 있었다. 또한, 장외전염 병원성 대장균 (ExPEC)과 관련된 병원성 유전자는 group B1, B2, D, 그리고 E에 속한 균주에 높게 분포해 있음을 밝혀내었다. 본 연구에서의 결과는 한국의 유통중인 닭에 높은 비율로 ESBL 생성하는 다제내성 대장균이 분포해 있으며, 닭이 ExPEC를 사람에게 전이시키는 reservoir가 될 수 있음을 밝혀내었다.

Extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli is a serious public health concern. The plasmid-mediated quinolone resistance (PMQR) genes are increasingly prevalent in the isolates from food-producing animals and food products, some of which also produce extended-spectrum β- lactamases (ESBLs). In this study, I investigated the antibiotic resistance, phylogenetic group, and virulence gene prevalence of 67 ESBL-producing E. coli strains isolated from retail chicken in Korea. In addition, I investigated the distribution of plasmid-mediated quinolone resistance (PMQR) genes in the total of 67 strains of ESBL-producing Escherichia coli. All of the strains possessed the blaCTX-M genes, dominantly blaCTX-M-65 (52.2%, 35/67) and blaCTX-M-55 (25.4%, 17/67), and three strains harbored both blaCTX-M-65 and blaCTX-M-55. More than half of the ESBL-producing E. coli strains also carried blaTEM. Surprisingly, 35 (52.2%, 35/67) ESBL-positive isolates were co-harboring PMQR determinants. The most prevalent PMQR was qnrS (91.4%, 32/35), and 6 of them also carried aac(6′)-Ib-cr. The oqxAB and aac(6′)-Ib-cr genes were detected in 2 (5.7%) isolates, and 1 (2.9%) isolate, respectively. No isolate was positive for qnrA, qnrB, and qepA. Besides, the most common ESBL-type among the PMQR-positive isolates was CTX-M-65 (91.4%, 32/35), and some of them simultaneously belonged to CTX-M-55, OXA, and/or TEM type. The results of antibiotic susceptibility tests revealed that 98.5% of the ESBL-positive strains were resistant to ≥ 3 different antibiotic classes, and all of the 35 strains that co-harbored PMQR determinants were found to be multi-drug resistant (MDR). Among them, the strains harboring both qnrS and aac(6′)-Ib-cr showed a synergistic effect on the resistance to ciprofloxacin and kanamycin. The results of a phylogenetic analysis showed that the group A is predominant (56.7%), followed by B1 (19.4%), E (8.9%), B2 (6%), and D (6%). Furthermore, the virulence genes associated with extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) were frequently detected in the strains of the groups B1, B2, D, and E. The results in this study demonstrated that retail chicken is highly contaminated with ESBL-producing, multi-drug resistant E. coli and may also serve as a reservoir to transmit ExPEC to humans in Korea.