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Jun 20, 2023
Decodifica di un meccanismo criptico di resistenza al metronidazolo tra i fluorochinoloni diffusi a livello globale
Nature Communications volume 14, numero articolo: 4130 (2023) Cita questo articolo 1420 Accessi 19 Dettagli parametrici alternativi Gravi epidemie e decessi sono stati collegati all'emergenza e alla globalizzazione
Nature Communications volume 14, numero articolo: 4130 (2023) Citare questo articolo
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Negli ultimi due decenni, gravi epidemie e decessi sono stati collegati all’emergenza e alla diffusione globale del Clostridioides difficile resistente ai fluorochinoloni. Allo stesso tempo, il metronidazolo, un antibiotico contenente nitro, ha mostrato una diminuzione dell’efficacia clinica nel trattamento dell’infezione da C. difficile (CDI). La maggior parte dei C. difficile resistenti al metronidazolo mostrano un fenotipo di resistenza insolito che può essere rilevato solo nei test di sensibilità utilizzando l'eme molecolarmente intatto. Qui descriviamo il meccanismo alla base di questo tratto. Abbiamo scoperto che la maggior parte dei ceppi di C. difficile resistenti al metronidazolo portano una mutazione T-to-G (che chiamiamo PnimBG) nel promotore del gene nimB, con conseguente trascrizione costitutiva. Il silenziamento o l'eliminazione di nimB elimina la resistenza al metronidazolo. NimB è correlato alle proteine Nim note per conferire resistenza ai nitroimidazoli. Mostriamo che NimB è un enzima flavinico eme-dipendente che degrada i nitroimidazoli in ammine prive di attività antimicrobica. Inoltre, la presenza della mutazione PnimBG è associata ad una sostituzione Thr82Ile nella DNA girasi che conferisce resistenza ai fluorochinoloni nei ceppi epidemici. I nostri risultati suggeriscono che la pandemia di C. difficile resistente ai fluorochinoloni verificatasi negli ultimi decenni è stata caratterizzata anche da una diffusa resistenza al metronidazolo.
L'infezione da Clostridioides difficile (CDI), una delle principali cause di diarrea associata all'ospedale, ha attirato l'attenzione internazionale a causa del peggioramento degli esiti clinici derivante dalla diffusione globale di ceppi epidemici del ribotipo PCR (RT) 0271,2,3; RT027 appartiene al clade filogenetico 2 (i dati supplementari 1 mostrano la relazione tra ribotipo e classificazioni filogenetiche basate sui genomi dei ceppi; in questo studio, i ceppi sono classificati in base al loro ribotipo e/o clade filogenetico, se non diversamente specificato)4,5. Questi ceppi hanno causato epidemie di CDI in Nord America, Regno Unito, Europa e America Latina con una maggiore incidenza di malattie gravi, morbilità e mortalità1,2,6. Questi focolai globali delimitano anche l’era pandemica della CDI3. Durante questo periodo metronidazolo e vancomicina erano i due principali antibiotici usati per trattare la CDI, fino a quando la fidaxomicina non è stata approvata dalla FDA nel 2011. Tuttavia, a causa del declino dell'efficacia, il metronidazolo non è più raccomandato come farmaco di prima linea per la CDI negli adulti nella versione aggiornata Linee guida CDI IDSA/SHEA e ESCMID7,8. Ciò rappresenta un cambiamento significativo nel paradigma di trattamento della CDI9,10,11,12, con il metronidazolo riservato come terapia endovenosa in combinazione con vancomicina per la CDI fulminante7,8. Questi cambiamenti nelle terapie per la CDI, dovuti alla diminuzione dell’efficacia del metronidazolo, giustificano la delucidazione dei fattori genetici microbici che influenzano questo farmaco e l’epidemiologia globale della CDI. I determinanti genetici microbici della resistenza al metronidazolo sono poco conosciuti.
Il metronidazolo è stato stabilito come antibiotico per la CDI a seguito di studi clinici negli anni '80 e '90, dove non solo ha mostrato tassi di successo clinico paragonabili alla vancomicina, ma era molto meno costoso13,14. Tuttavia, negli ultimi due decenni è diventata meno efficace rispetto alla vancomicina15,16. Ciò è stato osservato originariamente in uno studio clinico randomizzato, condotto tra il 1994 e il 2002, in cui il metronidazolo ha dimostrato un tasso di guarigione dell'84% rispetto al 97% osservato con la vancomicina15. In un secondo studio clinico condotto tra il 2005 e il 2007, la vancomicina ha mostrato tassi di guarigione superiori al metronidazolo, 81,1% rispetto al 72,7%16. Questi due studi rivelano che il metronidazolo è diventato meno efficace in epoca epidemica. In effetti, i fallimenti terapeutici con metronidazolo in Quebec sono più che raddoppiati, passando dal 9,6% nel 1991-2002 al 25,7% nel 2003-200417, che è anche la regione che ha segnalato il primo focolaio dell’epidemia RT0272. Le ragioni della ridotta utilità clinica del metronidazolo sono rimaste un mistero per molto tempo. Una possibilità è che l’aumento dell’uso del metronidazolo in risposta all’aumento dei tassi di CDI abbia imposto pressioni selettive che hanno consentito l’emergenza e la diffusione di C. difficile resistente ai farmaci.
Our analyses of population-level genomic data found nimB and gyrA variants are advantageous, as expected for drug resistance mutations. The two mutations were strongly linked, and phylogenetic analyses suggest that strains carrying both mutations spread more rapidly in healthcare settings (Figs. 4b, 5a–f). This hypothesis is consistent with previously published data suggesting that fluroquinolone-resistant C. difficile spread rapidly across continents24,25,26. We found the combination of nimB and gyrA mutations in Clade 2 and to a lesser extent Clade 1 (Figs. 4b, 5a–f). This association could reflect niche specialization among the Clades. Large scale surveys of C. difficile genomic data have identified high rates of carriage of both antimicrobial resistance determinants and toxin genes in Clade 221,59,60. This genetic cargo reflects adaptation of Clade 2 to the antibiotic milieu of health care settings and pathogenicity in human diarrheal disease21,25. Clade 5 is similarly associated with antibiotic resistance and increased virulence59, but we did not identify the nimB-promoter mutation in our sample of Clade 5 isolates (Fig. 5f). Clade 5 antimicrobial resistance determinants reflect the livestock and farming environments that are associated with this Clade21 and absence of the nimB-promoter mutation from this Clade could reflect the distinct antibiotic selection pressures encountered in these environments. It is also possible that the nimB-promoter mutation, and resulting heme-dependent metronidazole resistance, is a human-specific adaptation. Given the small number of Clade 5 isolates included in our analyses, a larger sample size will be required to test this hypothesis. An alternative, but not mutually exclusive, explanation for the observed associations between the nimB-promoter mutation, the gyrA mutation and the Clade 2 genetic background is epistasis, i.e., interactions among genetic loci that affect cell physiology. It is striking that the nimB mutation almost exclusively appears among strains with the gyrA mutation (Fig. 4b). A potential explanation for this phenomenon is that the nimB-promoter mutation and constitutive formation of nimB imposes a metabolic burden and fitness costs that might be ameliorated in strains with the gyrA mutation. However, isogenic 23468 and 23475, which are resistant and susceptible respectively, did not show significant differences in growth rates (Supplementary Fig. 3). On the other hand, Thr82Ile mutation in GyrA either marginally enhances fitness or has no fitness costsIle on Clostridioides difficile fitness. J. Antimicrob. Chemother. 74, 877–884 (2019)." href="/articles/s41467-023-39429-x#ref-CR61" id="ref-link-section-d282361552e2966"61,62. Future studies will be required to determine the extent to which coexisting metronidazole and fluoroquinolone resistance affects C. difficile transmission, using clinically reflective animal and in vitro models./p>