抗菌剤耐性の課題に立ち向かう
この記事では、プラスミドが抗菌抵抗性に与える影響について話してるよ。
Basil Britto Xavier, A. K. Bari, T. T. Severs, M. J. Cardoso, M. Savin Hoffmeyer, B. Sinha, J. W. A. Rossen
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目次
抗菌薬耐性(AMR)は、世界中の医療に影響を与える増大する問題だよ。この問題のせいで、一般的な感染症の治療が難しくなって、医療処置中にもっと複雑なことが起こる可能性があるし、医療費も上がっちゃう。世界保健機関(WHO)は、AMRを公衆衛生の重大な脅威の一つとしてランク付けして、これに取り組むための共同努力が急務だって指摘してる。AMRの拡大に関与する主要な要素の一つが、プラスミドっていうDNAの一種なんだ。
プラスミドって何?
プラスミドは、細菌の主なDNAの外に存在する小さなDNAの円環だよ。自分で複製できて、細菌の間で遺伝子を移すことができるんだ。これによって、さまざまなタイプの細菌の間で抗生物質耐性の遺伝子が急速に広がるわけ。こうした遺伝子転送を助ける重要なプロセスには、以下のものがあるよ:
- 接合:これは、一つの細菌が特別な構造を通してプラスミドを直接別の細菌に移すこと。
- 形質転換:これは、細菌が環境から自由なDNAを取り込むこと。
- トランダクション:これは、ウイルスがある細菌から別の細菌にDNAを移すことだよ。
プラスミドは大きさがさまざまで、異なる抗生物質に対する耐性を提供する複数の遺伝子を持つことができる。だから、AMRの危機において重要な役割を果たしているんだ。さらに、細菌が生き残ったり適応したりするのに役立つ追加の特性も持っているから、問題はさらに悪化しちゃう。
より良い追跡の必要性
AMRに対処するためには、さまざまな細菌株に存在するプラスミドの多様性を追跡し理解することが重要なんだ。これを行う方法はいくつかあって:
- PCRベースのレプリコンタイプ:これはプラスミド内の特定の配列をターゲットにする。
- MOBタイプ:これはプラスミドが移動するのを助ける遺伝子に焦点を当てる。
- マルチローカス配列タイプ:これはプラスミドDNAの複数の部分を調べるんだ。
でも、これらの方法には制限があって、プラスミドの多様性を完全に捉えられない場合がある。だから、プラスミドの変異を追跡するための高度な方法が必要だよ。
より良い分析のための新技術
最近のDNAシーケンシングの進展、特にロングリードシーケンシングにより、プラスミドの分析が簡単になったんだ。この技術は、プラスミドDNAの完全な画像を作成するのに役立つから、より詳細な研究が可能になる。ロングリードシーケンシングを使うと、小さなプラスミドの特定が改善され、プラスミドが細菌間でどのように移動するかに関するより正確なデータが得られるよ。
私たちは、プラスミドをより良く分析するための新しい方法を提案するよ。それはコアプラスミドマルチローカスシーケンスタイピング(cpMLST)っていう方法で、異なるプラスミドがどれだけ関連しているかを明確に示して、さまざまな研究で一貫した結果を得られるようにするんだ。
サンプルの収集
薬剤耐性細菌を研究するために、ドイツの6つの病院から廃水のサンプルを取ったよ。目的は、広範な薬剤耐性を示す細菌株を分離することだったんだ。サンプルは早急に処理されて、正確な結果が得られるようにした。いろんなタイプの培地を使ってこれらの細菌を育て、その後、種の同定のために高度な方法を適用したよ。
DNAの分析
株が分離されたら、ゲノムDNAを抽出して、ロングリード技術を使ってシーケンシング用のライブラリを準備したんだ。シーケンシングはリアルタイムでデータを収集して処理するプラットフォームで行われて、各株の生データが大量に得られた。このデータはその後、完全なプラスミド配列に組み立てられたよ。
プラスミド配列を取得した後、抗生物質耐性に関与する重要な遺伝子を特定するためにアノテーションを行った。その後、プラスミド間で共通して共有される遺伝子を見つけるためにパンゲノム分析を実施したんだ。
プラスミドのタイプの調査
分析を通じて、細菌の分離株でさまざまなタイプのプラスミドが特定されたよ。より一般的なプラスミドの中には、抗生物質耐性の拡散に重要な役割を果たすさまざまな非相互適合グループが含まれていた。このプラスミドのタイプは、関連する細菌や地理的起源によって異なっていたんだ。
さまざまなプラスミド間の遺伝的構成の違いを調べることで、研究者たちはこれらのプラスミドが細菌種内や間でどのように移動するかを特定できたよ。特に、特定のプラスミドの存在は、複数の耐性遺伝子を運ぶことができることを示していて、細菌が治療に対して耐性を持つ確率が高くなるっていうことなんだ。
特定のプラスミドグループ
IncHI2プラスミド
IncHI2グループのプラスミドは、いくつかの細菌株で見つかったよ。これらのプラスミドは、いくつかの最後の手段とされる治療法を含むさまざまな抗生物質クラスに対する耐性遺伝子を運ぶことで知られている。IncHI2と関連するグループが同じプラスミド内に存在することは、より良い安定性と複製を可能にする構造を示唆しているんだ。
IncNプラスミド
別のグループ、IncNプラスミドもいくつかの細菌タイプで特定されたよ。これらのプラスミドも、重要な抗生物質に対する耐性遺伝子を運んでいる。今回の研究で使用された方法は、古い方法に比べてより詳細な分類を提供して、研究者がこのグループの明確な違いを発見できるようにしたんだ。
IncXプラスミド
IncXプラスミドも調査されて、高い遺伝的多様性を示しているよ。IncX内には異なるサブグループが存在して、それぞれ異なる耐性遺伝子を運ぶことができる。また、cpMLST方法を使うことで、彼らの遺伝的構造や関係についての理解が深まったんだ。
IncFIIプラスミド
IncFIIプラスミドもさまざまな細菌株で見つかった。このプラスミドは重要な耐性遺伝子を運んでいて、他のグループと同様に追跡や分類に課題をもたらす可能性がある。cpMLST方法は、これらのプラスミド間の関係や変異を明確にするのに役立ったよ。
AMRを理解する重要性
プラスミドの動態とそれがAMRに貢献する方法を理解することは、公衆衛生にとって非常に重要なんだ。急速に広がる耐性遺伝子は、治療が困難または不可能な深刻な感染を引き起こす可能性があるからね。ロングリードシーケンシングとcpMLSTのようなプラスミド分析の高度な方法を利用することで、研究者たちはこれらの耐性因子の行動や進化についてより良い洞察を得られるよ。
制限と未来の方向性
ロングリードシーケンシングとcpMLSTを使うことには明確な利点がある一方で、克服すべき課題もある。ロングリードデータのエラー率がショートリードデータよりも高いことが結果に影響を与える可能性があるし、データ分析には計算資源も必要だよ。また、プラスミドのタイピングのための利用可能な方法にはギャップが残っているかもしれない。
でも、技術の進歩は期待できるし、継続的な改善がこれらの問題を解決する手助けになるはず。異なるプラスミドタイプのためのターゲットcpMLSTスキームを持つことは、彼らの拡散を追跡する努力を強化し、最終的にはAMRに対処するためのより良い戦略を支えることができるよ。
結論
抗菌薬耐性の脅威が増しているのは、注意が必要な重要な問題だよ。プラスミドの役割に焦点を当てて、この現象を理解し、最先端の技術を用いた分析を行うことで、細菌間での耐性の広がりをよりよく理解できる。これは、AMRの増加に対抗するための効果的なアプローチを開発するために不可欠な知識なんだ。
タイトル: Enhancing antimicrobial resistance monitoring: Core Plasmid Multi-Locus sequence typing (cpMLST) with Oxford Nanopore sequencing technology (ONT)
概要: BackgroundThe spread of antimicrobial resistance (AMR) poses a significant threat to global public health, primarily driven by the horizontal gene transfer of resistance genes via plasmids. Understanding the dynamics of plasmid transmission within (intra) and between (inter) bacterial species is crucial for developing effective countermeasures. In this study, we utilize long-read sequencing technology to develop an innovative approach called core plasmid Multi-Locus Sequence Typing (cpMLST) and track the global plasmid transmission pathways. MethodsWe collected wastewater samples from six different hospitals in Germany. Within 24 hours of collection, we isolated extensively drug-resistant (XDR) bacteria using CHROMagar plates (CHROMagar, Paris, France). Species identification was done using MALDI-TOF MS (Bruker Daltonics, Bremen, Germany). Genomic DNA from the isolates was extracted using the PureLink Genomic DNA Mini Kit (Invitrogen, Carlsbad, USA) and subsequently sequenced using Oxford Nanopore Technologies (ONT) sequencing (Oxford Nanopore Technologies). We employed the SQK-RBK114.24 kit on an R10.4.1 flow cell, achieving a minimum of 250 Mb of raw data for each isolate with an accuracy of 98.9%. The reads were assembled using Unicycler, and the quality of the assemblies was assessed using QUAST and Bandage. The assembled genomes were then uploaded to the Center for Genomic Epidemiology (CGE) https://www.genomicepidemiology.org/ platform to determine incompatibility (Inc) types and antimicrobial resistance (AMR) genes. Additionally, we performed core plasmid analysis using chewBBACA v.3.3.10 to assess plasmid relatedness. ResultsThe analysis confirmed the identification of various bacterial isolates. Among the most prevalent XDR isolate were Enterobacter roggenkampii (n=38), Serratia marcescens (n=12), Klebseilla oxytoca (n=11), Klebseilla michiganensis (n=8), and Citrobacter freundii (n=7). We conducted a cpMLST analysis to examine the highly prevalent plasmids and reveal evolutionary relationships and transmission patterns. Each isolate harbored different types of complete plasmids. Among those were the IncFII (n=45), IncHI (n=26), IncX3 (n=21), and other incompatibility groups. By focusing on shared Inc types among the bacterial species, their transfer within a single bacterial species (intra-species transfer) and between different species (inter-species transfer) were identified. The allelic differences ranged from 3-55 (IncHI), 2-32 (IncFII) and 2-24 (IncX3). Moreover, these plasmids, typically identified as smaller plasmids (IncX3), were larger than their commonly reported sizes. The analysis of plasmid dynamics across diverse bacterial hosts provides valuable insight into the mechanisms driving the spread of antimicrobial resistance, offering potential strategies for better controlling the dissemination of antimicrobial resistance and its transmission in clinical environments. ConclusionIn conclusion, long-read sequencing technologies emerge as an essential tool for investigating the transmission dynamics of antimicrobial resistance genes among plasmids. By implementing cp-MLST, we anticipate achieving an unparalleled understanding of the global dissemination and evolutionary patterns of resistance-carrying plasmids. This approach offers superior resolution to conventional plasmid typing methods, potentially opening new avenues for innovative strategies to combat the escalating AMR crisis.
著者: Basil Britto Xavier, A. K. Bari, T. T. Severs, M. J. Cardoso, M. Savin Hoffmeyer, B. Sinha, J. W. A. Rossen
最終更新: 2024-10-25 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.25.620091
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.25.620091.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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