Date of Award

6-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Medical Sciences (MSMS)

Department

Medical Microbiology and Immunology

First Advisor

Dr. Farah Al Marzooq

Abstract

Antimicrobial resistance (AMR) is a growing serious threat that poses a burden on the healthcare system. Spread of AMR bacteria limits treatment options; thus, new antimicrobial agents are required. Cefiderocol (CFDC) is a novel siderophore cephalosporin, approved by the FDA in 2019 for use in treating infections caused by multi-drug resistant (MDR) pathogens; but it is not yet in clinical use in the UAE. CFDC is equipped with stabilizers against β-lactamases as well as a siderophore side chain that allows it to penetrate the outer membrane of bacteria through the iron uptake pathways. The aim of this study is to determine the factors affecting CFDC activity on Klebsiella pneumoniae, with focus on β-lactamases, iron and its uptake pathways. It also aims to identify methods to improve CFDC activity.
A total of 103 K.pneumoniae strains were investigated. The strains were characterized to determine their susceptibility to CFDC and to detect β-lactamase and iron acquisition genes. The expression of these genes was related to CFDC susceptibility in iron depleted and iron enriched conditions.
CFDC had efficacy of 96.1%, inhibiting carbapenem and colistin resistant strains. CFDC was effective in killing strains with different β-lactamase genes (blaCTX-M, blaDHA, blaOXA-48, blaNDM, blaKPC), even strains producing multiple β-lactamases. One strains, which was pan drug-resistant, exhibited extremely high minimum inhibitory concentration (MIC= 256 μg/ml). Whole genome analysis revealed presence of several resistance mechanisms such as production of multiple β-lactamases, mutation against colistin, efflux pumps, and mutations in the outer membrane porins.
CFDC MICs increased significantly in iron enriched media. When Fe3+ was highly available in the media, the bacteria reduced the expression of siderophore receptors and hence, lead to reduced uptake of CFDC. There was a negative correlation between enterobactin receptor (fepA) expression and the MIC of CFDC. In addition, we investigated for the first time the effect of iron transport genes, that were not studied before, on CFDC activity. There was a positive correlation between the expression of fecA and kfu and the MIC of CFDC; thus, both genes were associated with reduced susceptibility to CFDC.
Strains exhibiting increased MICs in iron enriched media were tested for synergistic effect when CFDC was combined with β-lactamase inhibitors (BLIs) and an outer membrane permeabilizer, namely polymyxin B nonapeptide (PMBN). Synergy was achieved with dual combination of CFDC and BLIs, especially avibactam (AVI), which caused a significant reduction in MICs in both iron depleted and iron enriched conditions. Treatment with PMBN did not have a significant effect when it was used alone, but it reduced the MIC in the triple combination (CFDC+AVI+PMBN) in both iron depleted and iron enriched conditions.
To conclude, CFDC was found to be highly potent against MDR K.pneumoniae even in strains exhibiting resistance to the last resort drugs such as colistin and carbapenems, including dual carbapenemase producers. CFDC lost its activity in iron enriched media, but the bacteria were re-sensitized through the combination with AVI. Synergistic combination of CFDC with β-lactamase inhibitors and outer membrane permeabilizers could be effective to treat infections in sites with increased iron levels such as the liver, but this should be tested in vivo. This study reports the emergence of CFDC resistance in K.pneumoniae from the UAE. We established that resistance to CFDC is caused by the interplay of many factors such as activity of resistance enzymes, membrane permeability defects and iron concentration in the environment. The emergence of highly resistant strains, even to the most recent antibiotics with novel mechanisms of action is alarming. This provides motivation for proactive surveillance and routine screening of strains for resistance.

Arabic Abstract

تعتبر مسألة مقاومة مضادات الميكروبات (AMR) تهديداً خطيراً متزايداً يلقي بعبئه على نظام الرعاية الصحية، حيث يحد انتشار البكتيريا المقاومة لمضادات الميكروبات من خيارات العلاج؛ وبالتالي، هناك حاجة إلى أدوية جديدة مضادة للميكروبات. يعد دواء سفيديروكول (CFDC) نوعاً جديداً من المُضادات الحيوية من نوع السيفالوسبورين والذي تمت الموافقة عليه من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في عام 2019 لاستخدامه في علاج الالتهابات بمسببات الأمراض المقاومة لأصناف متعددة من الأدوية، ولكنه لم يتم حتى الآن استخدامه في دولة الإمارات العربية المتحدة. تم تجهيز دواء سفيديروكول بمثبتات ضد انزيمات البيتا لاكتاماز (β-lactamases) بالإضافة إلى سلسلة جانبية من حاملات الحديد تسمح له باختراق الغشاء الخارجي للبكتيريا من خلال مسارات امتصاص الحديد. تهدف الدراسة الحالية إلى تحديد العوامل التي تؤثر على فعالية المضاد الحيوي سفيديروكول ضد جرثومة الكلبسيلا الرئوية ذات الخصائص المتنوعة، إلى جانب التركيز على انزيمات البيتا لاكتاماز وعنصر الحديد ومسارات امتصاصه .وتهدف أيضا إلى تحديد طرق تحسين فعالية دواء سفيديروكول.
تم في هذه الدراسة فحص (103) سلالة من سلالات بكتريا الكلبسيلا الرئوية من أجل تحديد مدى استجابتها للتأثر بدواء سفيديروكول وللكشف عن إنزيمات بيتا لاكتاماز وجينات امتصاص الحديد الموثره على فعاليه الدواء، حيث ارتبطت عملية التعبيرعن هذه الجينات بقابلية دواء سفيديروكول للتأثر بظروف استنفاذ وتعزيز نسبة الحديد.
أظهر دواء سفيديروكول فعالية بنسبة 96.1 ٪ في تثبيط سلالات الكلبسيلا الرئوية المقاومة للكاربابينيم والكوليستين، في حين كان دواء سفيديروكول فعالا في قتل سلالات البكتريا التي تحتوي على جينات إنزيم بيتا لاكتاماز المختلفة (blaCTX-M, blaDHA, blaOXA-48, blaNDM, blaKPC)، بما في ذلك السلالات التي تنتج أنواع متعددة من إنزيمات بيتا لاكتاماز. أظهرت إحدى السلالات - التي كانت مقاومة لجميع المُضادات الحيوية عموماً – تركيزاً أعلى بكثير فوق التركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا "MIC" (MIC = 256، ميكروغرام / مل). كشف تحليل الجينوم الكامل عن وجود العديد من آليات المقاومة كإفراز إنزيمات بيتا لاكتاماز متعددة والتحور ضد الكوليستين ومَضخات التَّدفقُ التي تضَخ الأدوية خارج خليه البكتريا وتحورات في بروتين الغشاء الخارجي.
زاد التركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا الخاص بدواء سفيديروكول بشكل ملحوظ في وسائط النمو الغنية بالحديد. فعندما كانت نسبة الفيريك (الحديديك/Fe3+) متاحة بشكل كبير في وسائط النمو، قللت البكتيريا من افراز مستقبلات حاملات الحديد، الأمر الذي أدى بالتالي إلى تقليل امتصاص دواء سفيديروكول. تم الكشف عن وجود علاقة ارتباطة سلبية بين افراز مستقبلات الحديديك إنتيروباكتين من نوع (FepA) والتركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا الخاص بدواء سفيديروكول. ولأول مرّة، قامت الدراسة أيضا بتناول أثر جينات نقل الحديد - التي لم تتم دراستها من قبل - على فعالية دواء سفيديروكول، حيث تم الكشف عن وجود علاقة ارتباطية إيجابية بين افراز مستقبلات الحديد من نوع (kfu و fecA) والتركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا الخاص بدواء سفيديروكول؛ وبالتالي فقد ارتبط كلا الجينين بانخفاض القابلية للتأثر بدواء سفيديروكول.
تم اختبار السلالات التي تظهر مستويات متزايدة من التركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا في الوسائط الغنية بالحديد من أجل تحقيق تأثير تآزري بواسطة دمج دواء سفيديروكول مع مثبطات البيتا لاكتاماز (BLIs) ودواء آخر يزيد من نفاذية الغشاء الخارجي للبكتريا، وهو بوليميكسين ب نوناببتيد (PMBN). تم تحقيق التأثير التآزري من خلال مزيج مزدوج من دواء سفيديروكول و مثبطات البيتا لاكتاماز، وخاصة دواء أفيباكتام (AVI)، الأمر الذي تسبب في انخفاض كبير في التركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا في وسائط نمو مستنفذه وغنيه بالحديد. لم يكن للعلاج باستخدام بوليميكسين ب نوناببتيد أثر كبير عند استخدامه بمفرده، ولكنه قلل من نسبة التركيز الأدنى المثبط لنمو البكتيريا في التركيبة الثلاثية (المكونة من دواء سفيديروكول + أفيباكتام + بوليميكسين ب نوناببتيد) في وسائط نمو مستنفذه ووسائط غنيه بالحديد. وفي الختام، تبين أن دواء سفيديروكول قوي للغاية ضد جرثومة الكلبسيلا الرئوية المقاومة لأصناف متعددة من الأدوية حتى في السلالات التي تظُهر مقاومة لأدوية الملاذ الأخير كالكوليستين والكاربابينيمات .فقد دواء سفيديروكول فعاليته في وسائط النمو الغنية بالحديد، ولكن تمت إستعادة تأثيره على البكتيريا من خلال دمجه مع دواء أفيباكتام. يمكن للمزيج التآزري لدواء سفيديروكول مع مثبطات بيتا لاكتاماز وأدوية تعزيز نفاذية الغشاء الخارجي أن يكون فعالاً في علاج العدوى في المواضع التي ترتفع فيها مستويات الحديد كالكبد، إلا أنه يجب اختبار ذلك أولاً في الأجسام الحية. تشير هذه الدراسة إلى ظهور مقاومة دواء سفيديروكول في جرثومة الكلبسيلا الرئوية من الإمارات العربية المتحدة، حيث تم إثبات أن مقاومة دواء سفيديروكول ناتجة عن تفاعل العديد من العوامل مثل فعالية إنزيمات المقاومة وعيوب نفاذية الغشاء وتركيز الحديد. إن ظهور سلالات شديدة المقاومة - حتى لأحدث المضادات الحيوية ذات الآليات الجديدة - يعتبر أمراً مثيراً للقلق، الأمر الذي يدفعنا لإجراء المزيد من عمليات المراقبة الاستباقية والفحص الروتيني للسلالات للمقاومة.

Download
COinS