Caractérisation moléculaire des ß-lactamases à spectre étendu et carbapénémases chez les Enterobacterales dans le monde

Global Molecular Characterization of Extended-Spectrum ß-lactamases and carbapenemases in Enterobacterales

• Auteur / Autrice : Christine Lascols
• Direction : Florence Doucet-Populaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 22/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté de pharmacie
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Cambau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Armand-Lefèvre, Richard Bonnet, Jean-Winoc Decousser, Gilles Zambardi, Pierre-Édouard Saint-Antonin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Armand-Lefèvre, Richard Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Klebsiella pneumoniae

Épidémiologie moléculaire

Entérobactéries productrices de carbapénèmases

Bêta-lactamases à spectre étendu

Carbapénèmes

Résistance aux antibiotiques

Mots clés libres

Résistance aux antibiotiques

BLSE/carbapénémase

Épidémiologie

Klebsiella pneumoniae

Séquençage nanopore

Antimicrobial Resistance

ESBL/carbapenemase

Epidemiology

Klebsiella pneumoniae

Nanopore sequencing

Résumé

La résistance aux antibiotiques est un l'une des dix menaces principales de santé publique dans le monde entier. Les ß-lactamines, antibiotiques très efficaces et peu toxiques, sont les plus utilisés. Chez les Enterobacterales, le cercle vicieux, enclenché par l'introduction de nouvelles ß-lactamines conduisant à davantage de ß-lactamases, est inévitable. La diffusion mondiale de ces enzymes a commencé par les ß-lactamases à spectre étendu (ßLSE) dans les années 80-90 et plus tard les carbapénémases. Les agents pathogènes multirésistants (MDR) sont souvent porteurs de plusieurs ß-lactamases et gènes de résistance. Comme il ne reste que peu d'antibiotiques, en dernier recours, voire aucun, cela souligne la nécessité de faire plus d'études d'épidémiologie moléculaire mondiales.Nos travaux se sont concentrés sur l'étude de l'épidémiologie des ß-lactamases au moment de l'émergence de la métallo-ß-lactamase (MBL) de New Delhi (NDM-1) en 2009, et afin de mieux comprendre les caractéristiques moléculaires des plasmides MDR. Nous avons caractérisé les ßLSE/carbapénèmases de souches cliniques d'Enterobacterales isolées dans le monde entier en 2008/2009, et les plasmides MDR provenant de souches cliniques de K. pneumoniae isolées en 2013 au Pakistan, une région endémique de NDM-1.Nous avons démontré que les CTX-M étaient le plus souvent identifiées, toutes espèces confondues et dans toutes les régions du monde, ce qui a confirmé que la pandémie de CTX-M était toujours présente. Une grande majorité d'E. coli (91,8 %) et de K. pneumoniae (65,6 %) étaient porteuses de blaCTX-M seul ou en combinaison avec blaSHV/TEM (1,8 %). Aujourd'hui, les CTX-M sont toujours les plus répandues, avec CTX-M-15 qui prédomine dans le monde, comme dans notre étude, où 67% des souches possédaient blaCTX-M-15. Chez les Enterobacterales, la carbapénémase la plus fréquemment identifiée était NDM-1 (50%), puis KPC (35%), mais chez K. pneumoniae, KPC était la plus répandue (43%). Nous avons identifié la première MBL NDM-1 isolée à l'île Maurice, ce qui mis à en évidence la dissémination de NDM-1 en Afrique. Pour chaque type de ß-lactamase, les variants suivants ont été les plus fréquemment identifiés : CTX-M-15, SHV-12, TEM-52, KPC-2 et NDM-1. Trois nouveaux variants (blaSHV-129, blaKPC-11, blaVIM-33) et STs (ST571, ST572, ST903), ont été identifiés. Ce qui illustre une évolution constante et inévitable des ß-lactamases, qui impactera le développement de nouveaux antibiotiques. Chez K. pneumoniae, agent pathogène clé, trois STs majeurs : ST-11, ST-147 et ST-258, associés à des enzymes et pays différents (ex : ST-258 - KPC/SHV-12, Grèce), ont été identifiés. Nos études ont détecté à un stade précoce, des clones connus aujourd'hui pour être à haut risque dans la dissémination des carbapénèmases. Enfin, l'étude des plasmides MDR a montré que toutes les souches de K. pneumoniae contenaient plusieurs plasmides (ßLSE/NDM-1) porteurs de nombreux gènes de résistance avec des réarrangements moléculaires. De nouvelles technologies, comme le séquençage en temps réel, peuvent aider à identifier et à comprendre rapidement les mécanismes moléculaires associés à la dissémination efficace de clones ou de plasmides spécifiques.Nos études ont montré que l'épidémiologie moléculaire mondiale est en constante évolution dans le monde. L'émergence de différentes enzymes qui se propagent, soit sous forme de clones à haut risque, soit par la dissémination de plasmides, devient plus efficace. De nouvelles stratégies plus agressives, comprenant des études moléculaires mondiales, sont donc justifiées. Nos résultats suggèrent aussi que dans le cadre d'une approche à plusieurs volets impliquant des microbiologistes, des épidémiologistes et des cliniciens, le séquençage en temps réel d'aujourd'hui, peut aider à éclairer et à renforcer les mesures de contrôle des infections pour diminuer la résistance aux antibiotiques d'ici 2050.

Antimicrobial resistance is one of the top 10 threats to public health worldwide. ß-lactams, highly effective drugs with low toxicity, are the most commonly used class of antibiotics. The vicious circle in Enterobacterales, set in motion by the introduction of new ß-lactams leading to more ß-lactamases, is inevitable. Chronologically, it started with the global spread of various enzymes such as extended-spectrum-ß-lactamases (ESBLs) in the 80-90s and later carbapenemases. Multidrug-resistant (MDR) pathogens that cause hospital-acquired infections often carry multiple ß-lactamases and resistance to other antimicrobials. This is of great concern today as there are few, if any, drugs left as a last resort. The emergence of new concerning ß-lactamases emphasizes the need for more global studies based on molecular epidemiology.Our work focused on investigating the current epidemiology of ß-lactamases at the time of the emergence of the New Delhi metallo-ß-lactamase (NDM-1 MBL) in 2009, and better understand the molecular characteristics of MDR plasmids. To this end, we characterized ESBLs and carbapenemases in a worldwide collection of clinical Enterobacterales isolates from 2008/2009, and MDR plasmids in a collection from 2013 of clinical K. pneumoniae isolates from Pakistan, an endemic region of NDM-1.Overall, we demonstrated that CTX-M was most frequently identified as an ESBL in our collection across all species and in all regions worldwide, consistent with the CTX-M pandemic. A large majority of E. coli (91.8%) and K. pneumoniae (65.6%) carried blaCTX-M alone or in combination with other ESBL genes such as blaSHV/TEM (1.8%). Today, CTX-M-type enzymes are still the most prevalent ESBL-types, with CTX-M-15 dominating worldwide, as shown by our study, in which 67% of CTX-M producers possessed blaCTX-M-15. Similarly, in Enterobacterales the most commonly identified carbapenemase was NDM-1 (50%), followed by KPC (35%) except in K. pneumoniae isolates where KPC was most prevalent (43%). We reported the first NDM-1 MBL from Mauritius, illustrating the spread of NDM-1 in Africa. For each ß-lactamase type, the following variants were most frequently identified: CTX-M-15, SHV-12, TEM-52, KPC-2, and NDM-1. Three novel gene variants, and STs such as blaSHV-129, blaKPC-11 and blaVIM-33 and ST571, ST572 and ST903, respectively, were identified. These results illustrate the constant and unstoppable evolution of ß-lactamases which will have an impact on the future development of new drugs. In a key pathogen such as K. pneumoniae, three important STs were identified: ST-11, ST-147, and ST-258, which were associated with different enzymes and countries (e.g., ST-258 - KPC/SHV-12, Greece). This result suggests that our studies detected the known high-risk clones, which are key factors for the spread of carbapenemases, at an early stage. Finally, examination of MDR plasmids revealed that all clinical isolates of K. pneumoniae tested harbored multiple plasmids including ESBL and NDM-1, plasmids that carry numerous antimicrobial genes and, in some cases, have molecular rearrangements. New technologies such as real-time sequencing, which was used in our recent study, can help to rapidly identify, and understand the molecular mechanisms associated with the successful spread of specific clones or plasmids.Overall, our studies have shown that global molecular epidemiology is constantly evolving in many parts of the world. The emergence and spread of different enzymes either as high-risk clones or via the spread of plasmids is becoming increasingly effective, and warrants more aggressive strategies, including systematic global molecular studies. Our findings suggest that today's innovative real-time sequencing technology, as part of a multi-pronged approach involving microbiologists, epidemiologists, and clinicians, can help inform and strengthen infection control measures to combat AMR by 2050.