Evolution and pathogenetic profile of emerging multidrug-resistant Salmonella Infantis  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
101546
Type K
Principal investigator Nagy, Béla
Title in Hungarian Előtérbe nyomuló multirezisztens Salmonella Infantis törzsek evolúciója és pathogenetikai profilja
Title in English Evolution and pathogenetic profile of emerging multidrug-resistant Salmonella Infantis
Keywords in Hungarian Salmonella Infantis, antibiotikum-rezisztencia, molekuláris epidemiológia, pathogenetika
Keywords in English Salmonella Infantis, antimicrobial-resistance, molecular epidemiology, pathogenetics
Discipline
Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences)70 %
Zoonozes (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Institute for Veterinary Medical Research (Centre for Agricultural Research, Hungarian Academy of Sciences)
Participants Emody, Levente
Imre, Ariel
Kiss, János
Nógrády, Noémi
Olasz, Ferenc
Pászti, Judit
Szmolka, Annamária
Starting date 2012-01-01
Closing date 2016-12-31
Funding (in million HUF) 27.976
FTE (full time equivalent) 6.83
state closed project
Summary in Hungarian
Előtérbe nyomuló multirezisztens Salmonella Infantis evoluciója és pathogenetikai profilja

A kutatás összefoglalója SZAKEMEREK részére

A baromfi állományok Salmonella fertőzöttségének csökkentését szolgáló irányelveket az EU Európai Élelmiszerbiztonsági Hivatala (EFSA) adta ki. Ezen irányelveknek megfelelő hazai védekezési programok eddigi eredményeként a közegészségügyileg legfontosabb két Salmonella szerotípus (S Enteritidis és S.Typhimurium) Magyarország broiler állományaiban is az EU átlag felére (5%) csökkent. Ezzel szemben húscsirke állományaink S. Infantis (SI) fertőzöttsége 68% (EU átlag háromszorosára) növekedett (EFSA 2007). A S.Infantis a hazai humán szalmonellózisokért 4-5%-ban felelős és a második leggyakoribb humán szerotípussá vált, jelezvén kiemelt hazai jelentőségét.

Korábbi vizsgálataink (Nógrády és mtsai., 2007) alapján kiderült, hogy a baromfi eredetű S. Infantis törzsek a korábbi (90-es) évekhez képest jóval szélesebb körű antimikrobiális rezisztenciát (MDR) mutatnak és a humán izolátumokkal egyetemben, lényegében egy közös klónt alkotva, terjedtek el országszerte. Irodalmi adatok és előzetes vizsgálataink szerint MDR S.Infantis törzsek Japánban és Izraelben ill. néhány EU országban is gyakoriak lehetnek.

A kutatás fő célja, hogy a jelentős fertőzöttség okát egyes S.Infantis törzsek/klónok, genetikai sajátosságaiban (pl. antibiotikumokkal szembeni széleskörű rezisztencia-, fokozott bélbeni megtelepedési készség kialakulásában) is keressük. Célunk továbbá, hogy a hazai és külföldi klón terjedése által képviselt humán-, és állategészségügyi kockázatok becsléséhez, hazai és külföldi törzsekre vonatkozóan, egzakt modell kísérleteken és összehasonlító genomikai analízisen alapuló adatokkal szolgáljunk.


Alapkérdéseink a következők:
1. Itthon és külföldön milyen új multirezisztens S. Infantis klónok kerültek előtérbe ?
2. hogy a 90es évek elején a Magyarországi és jelenlegi külföldi baromfi (főként broiler) állományok többségében előforduló (antibiotikumokra érzékeny) Salmonella Infantis (S.I.) törzsek, milyen genetikai átrendeződések (evolúciós folyamatok) eredményeként tehettek szert multirezisztenciára és ezzel együtt járó új genetikai tulajdonságokra (pl. plazmid- és integron hordozásra), esetlegesen új Salmonella pathogenitási-, és/vagy genomi szigetek révén nagyobb virulenciára?
3. mely következtetéseket lehet levonni a sikeresebb védekezést-, ill. jövőbeni kockázatokat illetően?

Hipotéziseink a multirezisztens Salmonella Infantis klónok kialakulására és eredetére vonatkozóan:
1. A magyar és a külföldi multirezisztens S.I. klónok egy (vagy néhány) forrásból származnak, melyek tenyész-szülő (vagy tojás) exportjával/importjával kerülhettek a baromfi állományokba.
2. A hazai (és külföldi) multirezisztens S.I. klónok, az egyes országokban alkalmazott különböző antibiotikumok szelekciós nyomásának hatására, egymástól függetlenül alakulhattak ki az eredetileg diverz populáció-genetikai vonalakat képviselő törzsekből. Ezért ezek az új MDR klónok országon belüli diverzitást mutathatnak.

A fenti hipotéziseket vizsgáló részletes kutatási terv a magyarországi és néhány külföldi húscsirke (broiler) állományokban az utóbbi 10-15 évben elterjedt Salmonella Infantis (S.I.) fertőzöttség mikrobiológiai okait, ezen belül a törzsek genetikai-, molekuláris járványtani tulajdonságait kívánja megérteni, s alapkutatási szinten (génsebészeti-kísérletekkel, részleges genom-analízisekkel) keresi a jelenség evolúciós, pathogenetikai, és adaptációs tulajdonságokban rejlő magyarázatát.


Perspektivák és társadalmi hasznosithatóság
A pályázatban vázolt alapkutatások perspektiváinak lényege, hogy a már viszonylag jól ismert invazív szerotípusok (S. Enteritidis és S. Typhimurium) helyett, egy nem-invázív de baromfi állományainkban rendkívül sikeresen terjedő Salmonella szerotípus, a S. Infantis részletes genetikai analízisében végezne nemzetközileg úttörő munkát. A génexpressziós és funkcionális genomikai kutatásokat is magukba foglaló vizsgálatok várható eredményei olyan eddig nem ismert molekuláris mechanizmusokra világíthatnak rá (pl. epithelsejt-kontaktusban, vagy a vakuólumokban-, makrofágokban való túlélés szempontjából fontos Salmonella pathogenitási szigetek, kolonizációs faktorok szerepe), melyek a S. Infantist és esetleg más, nem-inváziv szerotípusokat jellemzik, s az invazív típusokétől eltérők. Ezen új, még nem ismert, sajátos túlélési stratégiák segítségével, a gazdaszervezet védekező mechanizmusait valószínűleg megkerülve, sikeresebben élhetik túl a gazda (pl. csirke) védekező mechanizmusait, és telepedhetnek meg pl. bélcsatornájában, és/vagy terjedhetnek egyes gazdák között és a környezetben.
Alapkutatási szempontból ugyancsak fontos új ismeretek várhatók az antibiotikum rezisztencia gének és a rezisztencia kazetták befogadására és terjesztésére alkalmas mobilis genetikai elemek (plazmidok, integronok, transzpozonok) részletes összehasonlító genetikai analízisétől, az ezeket hordozó törzsek klonális csoportosításától, melyek alapján nem csak az egyes multirezisztens klónok kialakulását és evolucióját érthejük meg, hanem a várható további kockázattal bíró klónok megjelenéséről, terjedéséről is szolgáltathatunk prediktív adatokat.

A társadalmi hasznosíthatóságot illetően, ezen kutatásoktól várható, hogy a jövőbeni sikeresebb védekezési stratégiák (sikeresebb vakcinák előállításához vezető új target gének feltárása, a veszélyesebb klónokat kiszűrő molekuláris diagnosztikai módszerek) kidolgozásának tudományos alapjait vetik meg. Ezen várható eredmények nemzetközi jelentőségét néhány irodalmi adat és idevágó előzetes vizsgálataink is jelzik.
Hasonló S. Infantis törzsek Magyarország mellett ugyanis néhány EU ország, továbbá Japán és Izrael humán-, broiler-, és nyers csirkehús-mintáiban is előfordulnak.



Közérthető összefoglaló (max. 200 szó)

KÖZÉRTEHTŐ ÖSSZEFOGLALÓ
"Előtérbe nyomuló multirezisztens Salmonella Infantis evoluciója és pathogenetikai profilja" pályázatról

A baromfi szalmonellózis élelmiszerbiztonsági jelentősége miatt világszerte jelentős erőket fordítanak az állományok Salmonella fertőzöttségének csökkentésére. Ennek irányelveit az Európai Élelmiszerbiztonsági Hivatal (EFSA 2003) adta ki és tartja karban folyamatosan. Ezen irányelveknek megfelelő hazai védekezési programok eredményeként a közegészségügyileg legfontosabb két Salmonella szerotípus (S. Enteritidis és S. Typhimurium) okozta fertőzöttség húscsirke (broiler) állományainkban a legutóbbi összehasonlító felmérés szerint az EU átlag felére (5%) csökkent, míg a S. Infantis fertőzöttségünk az EU átlag háromszorosára (68%) nőtt (EFSA 2007). A S. Infantis a hazai humán szalmonellózisok kb. 4-5%-ában (legújabban >7%) felelős, melynek elsődleges forrása a baromfihús lehet (EPINFO 2009).

Célunk, hogy e jelentős S. Infantis fertőzöttség mikrobiológiai okára, a széles körben elterjedt törzsek/klónok genetikai és pathogenetikai sajátosságainak vizsgálatával magyarázatot találjunk.

A vázolt alapkutatási terv elsősorban a hazai húscsirke állományokban az utóbbi 10-15 évben elterjedt Salmonella Infantis törzsek genetikai- (antibiotikum rezisztencia, virulencia) és molekuláris járványtani tulajdonságait (bélbeni megtelepedési és sejten belüli túlélési készség) kívánja vizsgálni (teljes-, és részleges genom-analízisekkel, génsebészeti és egzakt kórtani kísérletekkel) és a jelenség evolúciós, kórfejlődéstani és környezeti adaptációs tulajdonságokban rejlő magyarázatát keresni.

Elképzeléseink szerint ezen vizsgálatok eredményei hozzájárulnak majd ezen veszélyesen terjedő Salmonella szerotípus visszaszorítására irányuló stratégiáink hatékonyságának növeléséhez, melynek nemzetközi jelentőségét a legújabb irodalmi adatok mellett saját előzetes vizsgálataink is jelzik.
Summary
Evolution and pathogenetic profile of emerging multidrug resistant Salmonella Infantis

Summary of the proposed research

Guidelines for reduction and control of Salmonella in poultry flocks in the EU were determined by the European Food Safety Authority (EFSA). Due to the national Salmonella reduction program (EFSA directives), the prevalence of the two most important serotypes (S.Enteritidis, S.Typhimurium) in Hungarian broiler flocks was 5% whereas the prevalence of S.Infantis was 68% (EFSA, 2007). S. Infantis (S.I.) is responsible for 4-5% of the human salmonellosis as the second most frequently isolated Salmonella serotype in Hungary (EPINFO 2009).

When compared with early isolates from the 90ies, S.Infantis strains recently isolated from poultry demonstrated multidrug resistance (MDR) (Nógrády et. al, 2007). Strains from broilers and humans show a common clonal lineage prevalent in Hungary. Since ten, literature data and our preliminary studies indicated, that MDR S.I. strains could also be prevalent in Japan, Israel and in some EU countries.

The main goal of these studies is to determine the genetic background of the rapid clonal spread of these MDR S.Infantis strains, by the detection of the most important genetic differences leading to multidrug resistance and increased spread. These studies would also provide genomic comparisons and experimental data for the evidence-based assessment of zoonotic risks of this emerging serotype and for the prevention and control of its further spread.



Research questions and hypotheses

Basic questions of the proposed research are:
1. What kind of new multidrug resistant (MDR) S. Infantis clones have emerged simultaneously in Hungary and abroad ?
2. What kind of genetic rearrangements (acquisition of plasmids-, integrons, and/or possibly new pathogenicity-, or genomic islands) have led to the development and spread of the multidrug resistant strains/clones replacing the sensitive S. Infantis (S.I.) of the 90ies in Hungary and in some other EU countries?
3. What conclusions can be drawn from these observations regarding future threats and more successful control of S.I.

Hypotheses for the development of MDR Salmonella .Infantis clones are:
1. The MDR S.I. clones are derived from one (or just a few) sources, and could have spread by export/import of breed-animals (eggs?) to contaminate producer flocks.
2. Alternatively, MDR S.I. clones could have evolved independently in different countries from diverse population background, as a result of selective pressures due to application of different antibiotics. Consequently, they show diverse within-country clonality.

Present research is aiming to test the above hypotheses by molecular characterization of the core- and accesory genomes and by genetic engineering studies in order to find explanations for the evoutionary-, epidemiological and pathogenetic attributes of the MDR Salmonella Infantis clones that have spread during the last 10-15 years in Hungary and possibly abroad.


Perspective and significance of the proposed basic research.

Instead of the relatively well known invasive serovars (S.Enteritidis, S.Typhimurium), this pioneering research is targeting to study Salmonella Infantis (S.I.) a non-invasive but highly successful Salmonella serovar in Hungarian brioler flocks. These studies involving gene expression and functional genomics may shed the light on new molecular mechanisms (i.e. role of pathogenicity islands in the epithelial cell contact and/or survival in vacuoles of epithelial cells or macrophages, colonization factors), characterizing S. Infantis, and perhaps other non-invasive serovars. With the help of these specific survival strategies, S. Infantis may evade defence mechnaisms of the host (i.e. chicken) and survive more succesfully, colonize and persist in the host intestine , and/or may spread between different hosts.
Further important new basic research results are expected from the comparative genetic analyses of mobile genetic elements (plasmids, integrons, transposons) capturing and spreading antimicrobial resistance casettes, and from the clonal grouping of their carrier strains These would not only help to understand the evolution of multidrug resistant clones but also would provide predictive data wether further new clones with high zoonotic risk could be expected.

Regarding benefits to the society it is expected that this research will bring new opportunities for finding new genes for new vaccine targets and for new molecular diagnostic methods for specific moniroting and early detection of more dangerous clones. The international significance of these expected new results are indicated by a few literature data and by the results of our preliminary studies, detecting similar strains of S.I. in some EU countries as welll as in Japan and Israel.


A





 

Final report

 
Results in Hungarian
Evolúciós irányú molekuláris genetikai és pathogenetikai vizsgálataink eredményeként igazoltuk, hogy a korábban kimutatott MDR S. Infantis (SI) klónok (PFGE „B” klaszter) (Nógrády és mtsai, 2007), az európai országok többségében is egyre inkább előtérbe jutnak. A MDR SI törzsek szekvencia analízisével megállapítottuk, hogy azok jellegzetes, 277 kb MDR plazmidja (pSI54/04) egy külföldi humán MDR S. Infantis pSEI jelű MDR megaplazmiddal (Aviv és mtsai, 2014) nagyfokú szekvencia hasonlóságot mutat. A pSI54/04 MDR plazmid molekuláris jellemzésére alkalmas PCR rendszert dolgoztunk ki, mellyel ezen plazmidnak és variánsainak a hazai és közép-európai broiler állományokban és humán populációkban való széleskörű előfordulását igazoltuk. A pSI54/04 plazmidnak a SI pathogenitására vonatkozó hatását, Salmonella pathogenitási szigetekkel (SPI1 és SPI2) összehasonlításban, in vitro és in vivo elemezve megállapítottuk, hogy a pSI54/04 plazmid a SI törzsek baromfi pathogenitását nem növeli, de terjedésüket, antibiotikum és fertőtlenítőszer rezisztencia révén segítheti. Az 1980 -2016. évek között izolált, tíz reprezentativ S. Infantis törzs teljes genom szekvencia és bioinformatikai, valamint PFGE analízise alapján úgy tűnik, hogy a hazai, recens MDR SI törzsek „B” klaszteren belüli kromoszomális evolúciója lelassult, míg a korábbi (1980—1994) törzsek ezektől jelentősebb genetikai távolságban vannak. Közöttük a „B” klónok 2000. év körüli megjelenése jelentős evolúciós állomás lehetett
Results in English
Our molecular genetic and pathogenetic studies revealed that the MDR clones of S. Infantis (SI), [PFGE cluster „B”, reported earlier by Nógrády et al., 2007] have been increasingly emerging in most of the European countries. DNA sequence analysis of the MDR SI strains have established that their characteristic MDR plasmid of 277 kb (pSI54/04) shows high sequence similarity with the MDR megaplasmid pSEI, of an international human S. Infantis strain (Aviv et al., 2014). We have established a PCR system for molecular characterization of the pSI54/04 and by this we have reported this plasmid and its variants as widespread in the human population and in broiler flocks of Central Europe and Hungary. Testing pathogenetic potential of pSI54/04 in vitro and in vivo, paralell with Salmonella pathogenicity island (SPI and SPI2) deletion mutants and with plasmid transconjugants, we found that pSI54/04 does not increase pathogenic potential of SI for poultry, but it may help dissemination of the strains through resistance to antimicrobials and disinfectants. Based on genome sequencing and bioinformatic and PFGE analyses of 10 representative SI isolates from the period of 1980 - 2016, it seems that chromosomal evolution within the recent Hungarian MDR cluster „B” has slowed down during the past 15 years while the earlier (1980 - 1994) isolates are genetically more distant. The emergence of the clonal group „B” among them around the year 2000 might have been a major evolutionary step.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101546
Decision
Yes





 

List of publications

 
Nógrády N., Király M., Davies R., Nagy B.: Multidrug resistant clones of Salmonella Infantis of broier origin in Europe, International journal of Food Microbiology, 2012
Olasz F., Nagy T., Szabó M., Kiss J., Szmolka A., Barta E., vanTonder A., Thompson N., Barrow P., Nagy B.B: Genome Sequences of Three Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Infantis Strains from Healthy Broiler chicks in Hungary and in the United Kingdom, Genome Announcements vol 3, Issue ' e01468-14, 2015
Szmolka A, Szabó M, Nagy T, Pászti J, Nógrády N, Adrián E, Olasz F, Nagy B.: Insight into the molecular charachteristics of new multiresistant clones and plasmids of Salmonella infantis in poultry and man, Acta Microbiol. Immunol. Hung. 62, 2015. p224, 2015
Nagy B, Füzi M, Szmolka A: Antimicrobial resistance: a touchy interface between human and veterinary medicine, 6th Congress of European Microbiologists, 7-11 June 2015, Maastricht, The Netherlands (Program p55), 2015
Nógrády N, Király M, Davies R, Nagy B: Multidrug resistant clones of Salmonella Infantis of broiler origin in Europe, Int J Food Microbiol, 157(1):108-12, 2012
Wilk T, Szabó M, Szmolka A, Kiss J, Barta E, Nagy T, Olasz F, Nagy B: Sequences of Multidrug-Resistant Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Infantis Strains from Broiler Chicks in Hungary, Genome Announc. 4(6), pii: e01400-16, 2016
Wilk T, Szabó M, Szmolka A, Kiss J, Olasz F, Nagy B: Genome Sequences of Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Infantis Strains from Hungary Representing Two Peak Incidence Periods in Three Decades, Genome Announc. 5(9), pii: e01735-16, 2017
Szmolka A, Szabó M, Kiss J, Olasz F, Nagy B: Chromosomal and plasmidic virulence determinants of Salmonella Infantis from broiler chicks, i3S, International Symposium Salmonella and Salmonellosis. Abstract Book, p.20, Saint-Malo, France, 2016
Szmolka A, Szabó M, Kiss J, Pászti J, Adrián E, Olasz F, Nagy B: Molecular epidemiology of the endemic multiresistance plasmid pSI54/04 of Salmonella Infantis in broiler and human population in Hungary, Food Microbiol http://dx.doi.org/10.1016/j.fm.2017.03.011, 2017




Back »