世界的に普及しているフルオロキノロンのメトロニダゾール耐性の謎めいたメカニズムを解読する

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Jun 20, 2023

世界的に普及しているフルオロキノロンのメトロニダゾール耐性の謎めいたメカニズムを解読する

Nature Communications volume 14、記事番号: 4130 (2023) この記事を引用 1420 アクセス 19 Altmetric Metrics の詳細 重度の発生と死亡は、世界規模の感染拡大と関連している。

Nature Communications volume 14、記事番号: 4130 (2023) この記事を引用

1420 アクセス

19 オルトメトリック

メトリクスの詳細

重篤な発生と死亡は、過去 20 年間にわたるフルオロキノロン耐性クロストリディオイデス ディフィシルの出現と世界的な蔓延に関連していると考えられています。 同時に、ニトロ含有抗生物質であるメトロニダゾールは、クロストリジウム・ディフィシル感染症(CDI)の治療における臨床効果の低下を示しています。 ほとんどのメトロニダゾール耐性 C. ディフィシルは、分子的に完全なヘムを使用した感受性試験でのみ検出できる異常な耐性表現型を示します。 ここでは、この特性の根底にあるメカニズムについて説明します。 私たちは、ほとんどのメトロニダゾール耐性クロストリジウム・ディフィシル株が遺伝子nimBのプロモーターにTからGへの変異(PnimBGと呼ぶ)を有し、その結果構成的転写を引き起こすことを発見しました。 nimB をサイレントまたは削除すると、メトロニダゾール耐性がなくなります。 NimB は、ニトロイミダゾールに対する耐性を与えることが知られている Nim タンパク質に関連しています。 我々は、NimB がニトロイミダゾールを抗菌活性を持たないアミンに分解するヘム依存性フラビン酵素であることを示します。 さらに、PnimBG 変異の発生は、流行株にフルオロキノロン耐性を与える DNA ジャイレースの Thr82Ile 置換と関連しています。 私たちの調査結果は、過去数十年にわたって発生したフルオロキノロン耐性クロストリジウム・ディフィシルのパンデミックも、メトロニダゾールに対する広範な耐性によって特徴付けられていたことを示唆しています。

病院関連下痢の主な原因であるクロストリディオイデス・ディフィシル感染症(CDI)は、PCRリボタイプ(RT)0271、2、3の流行株の世界的蔓延による臨床転帰の悪化により、国際的な注目を集めている。 RT027は系統クレード2に属します(補足データ1は、リボタイプと株のゲノムに基づく系統分類との関係を示しています。この研究では、特に指定がない限り、株はリボタイプおよび/または系統クレードに基づいて分類されます)4,5。 これらの株は、北米、英国、ヨーロッパ、ラテンアメリカ全域で CDI の流行を引き起こし、重篤な病気の発生率、罹患率、死亡率が増加しました 1、2、6。 これらの世界的な感染拡大は、CDI3 のパンデミック時代の境界線ともなります。 この時代、2011 年にフィダキソマイシンが FDA によって承認されるまで、メトロニダゾールとバンコマイシンが CDI の治療に使用される主な 2 つの抗生物質でした。しかし、有効性が低下しているため、最新の改訂版ではメトロニダゾールは成人 CDI の第一選択薬として推奨されなくなりました。 IDSA/SHEA および ESCMID CDI ガイドライン 7、8。 これは CDI9、10、11、12 の治療パラダイムの大きな変化を表しており、劇症 CDI7、8 に対してはメトロニダゾールがバンコマイシンと併用した静脈内療法として確保されています。 メトロニダゾールの有効性低下による CDI 治療薬のこうした変化は、この薬剤と世界的な CDI 疫学に影響を与える微生物の遺伝的要因の解明を保証するものです。 メトロニダゾール耐性の微生物の遺伝的決定要因はほとんど理解されていません。

メトロニダゾールは、1980 年代と 1990 年代の臨床試験を経て CDI に対する抗生物質として確立され、バンコマイシンと同等の臨床成功率を示しただけでなく、はるかに安価でした 13,14。 しかし、過去 20 年間で、バンコマイシンと比較してその効果は低くなりました 15,16。 これは、1994 年から 2002 年の間に実施されたランダム化臨床試験で最初に見られたもので、そこではバンコマイシンで見られた 97% と比較して、メトロニダゾールは 84% の治癒率を示しました15。 2005 年から 2007 年の間に実施された 2 回目の臨床研究では、バンコマイシンはメトロニダゾールよりも優れた治癒率 (72.7% に対して 81.1%) を示しました16。 これら 2 つの研究は、メトロニダゾールが流行期には効果が薄れたことを明らかにしています。 実際、ケベック州におけるメトロニダゾール治療の失敗率は、1991 年から 2002 年の 9.6% から 2003 年から 2004 年の 25.7% へと 2 倍以上に増加しました17。ケベック州は、流行性 RT0272 の最初の発生が報告された地域でもあります。 メトロニダゾールの臨床的有用性が低下する理由は長年の謎であった。 可能性の 1 つは、CDI 率の上昇に応じてメトロニダゾールの使用が増加したことで選択圧力がかかり、それが薬剤耐性 C. ディフィシルの出現と蔓延を可能にしたということです。

2 μg/ml; Supplementary Fig. 1a, b)./p>T in gyrA (Thr82Ile in gyrase A) that confers resistance to fluoroquinolones. The Thr82Ile mutation has been associated with pandemic spread of health care-associated C. difficile24. There is no known mechanistic basis for an association between gyrA and metronidazole resistance. Instead, we hypothesize that the Thr82Ile in GyrA and the nimB-promoter SNP are both under positive directional selection, and that their combination could have enabled pandemic spread of C. difficile. To test this hypothesis, we first investigated the genomic data for signs of selection by identifying homoplasies: variants that arise independently more than once on the phylogeny and are a potential signal of positive selection55. Using ancestral reconstruction, we estimated that the gyrA mutation arose independently on 17 occasions in our sample of 348 strains, whereas the nimB-promoter mutation arose 15 times, placing both variants in the 99.9th percentile of homoplasies. These findings are indicative of positive selection and suggest that the use of metronidazole, in addition to fluoroquinolones, exerted important selection pressures shaping recent adaptation of C. difficile./p>

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>70% alignment to the reference./p>Ile on Clostridioides difficile fitness. J. Antimicrob. Chemother. 74, 877–884 (2019)./p>