Jun 20, 2023
전 세계적으로 확산된 플루오로퀴놀론에서 메트로니다졸 내성의 비밀 메커니즘 해독
Nature Communications 14권, 기사 번호: 4130(2023) 이 기사 인용 1420 액세스 19 Altmetric Metrics 세부 정보 심각한 발병과 사망은 전염병의 출현과 전 세계적으로 연관되어 있습니다.
Nature Communications 14권, 기사 번호: 4130(2023) 이 기사 인용
1420 액세스
19 알트메트릭
측정항목 세부정보
심각한 발병 및 사망은 지난 20년 동안 플루오로퀴놀론 내성 Clostridioides difficile의 출현 및 전 세계적 확산과 관련이 있었습니다. 동시에 니트로 함유 항생제인 메트로니다졸은 C. difficile 감염(CDI) 치료에 있어 임상 효능이 감소하는 것으로 나타났습니다. 대부분의 메트로니다졸 내성 C. difficile은 분자 그대로의 헴을 사용한 감수성 테스트에서만 검출할 수 있는 특이한 내성 표현형을 나타냅니다. 여기서는 이 특성의 기본 메커니즘을 설명합니다. 우리는 대부분의 메트로니다졸 내성 C. difficile 균주가 유전자 nimB의 프로모터에 T-to-G 돌연변이(PnimBG라고 함)를 가지고 있어 구성적 전사가 발생한다는 것을 발견했습니다. nimB를 침묵시키거나 삭제하면 메트로니다졸 내성이 제거됩니다. NimB는 니트로이미다졸에 대한 저항성을 부여하는 것으로 알려진 Nim 단백질과 관련이 있습니다. 우리는 NimB가 니트로이미다졸을 항균 활성이 결여된 아민으로 분해하는 헴 의존성 플라빈 효소임을 보여줍니다. 또한, PnimBG 돌연변이의 발생은 유행성 균주에서 플루오로퀴놀론 저항성을 부여하는 DNA 자이라제의 Thr82Ile 치환과 관련이 있습니다. 우리의 연구 결과는 지난 수십 년 동안 발생한 플루오로퀴놀론 내성 C. difficile의 유행이 메트로니다졸에 대한 광범위한 내성을 특징으로 한다는 것을 시사합니다.
병원 관련 설사의 주요 원인인 클로스트리디오이데스 디피실리 감염(CDI)은 PCR 리보타입(RT) 0271,2,3의 전염병 균주가 전 세계적으로 확산됨에 따라 임상 결과가 악화되어 국제적인 관심을 끌고 있습니다. RT027은 계통발생 클레이드 2에 속합니다(보충 데이터 1은 균주의 게놈을 기반으로 한 리보타입과 계통발생 분류 간의 관계를 보여줍니다. 이 연구에서는 달리 지정하지 않는 한 균주는 리보타입 및/또는 계통발생 클레이드에 따라 분류됩니다)4,5. 이러한 변종은 북미, 영국, 유럽 및 라틴 아메리카 전역에서 CDI의 발생을 일으켰으며 심각한 질병, 질병률 및 사망률의 발생률이 증가했습니다1,2,6. 이러한 글로벌 발병은 또한 CDI3의 대유행 시대를 결정합니다. 이 시대에 메트로니다졸과 반코마이신은 2011년 FDA에서 fidaxomicin을 승인할 때까지 CDI 치료에 사용되는 주요 두 가지 항생제였습니다. 그러나 효능 감소로 인해 메트로니다졸은 업데이트된 버전에서 더 이상 성인 CDI에 대한 1차 약물로 권장되지 않습니다. IDSA/SHEA 및 ESCMID CDI 지침7,8. 이는 CDI9,10,11,12의 치료 패러다임의 중요한 변화를 의미하며, 메트로니다졸은 전격성 CDI에 대해 반코마이신과 병용하여 정맥 요법으로 사용됩니다7,8. 메트로니다졸 효능 감소로 인한 CDI 치료제의 이러한 변화는 이 약물과 글로벌 CDI 역학에 영향을 미치는 미생물 유전적 요인의 해명을 보장합니다. 메트로니다졸 내성의 미생물 유전적 결정인자는 잘 알려져 있지 않습니다.
메트로니다졸은 1980년대와 1990년대의 임상 시험 이후 CDI의 항생제로 확립되었으며, 여기서는 반코마이신과 비슷한 임상 성공률을 보였을 뿐만 아니라 가격도 훨씬 저렴했습니다13,14. 그러나 지난 20년 동안 vancomycin에 비해 효과가 떨어졌습니다15,16. 이는 원래 1994년에서 2002년 사이에 실시된 무작위 임상 시험에서 나타났습니다. 여기서 메트로니다졸은 반코마이신의 97%에 비해 84%의 치료율을 보였습니다15. 2005년과 2007년 사이에 실시된 두 번째 임상 연구에서 반코마이신은 메트로니다졸에 비해 81.1%, 72.7%16에 비해 우수한 치료율을 보였습니다. 이 두 연구는 메트로니다졸이 전염병 시대에 덜 효과적이라는 것을 보여줍니다. 실제로 퀘벡의 메트로니다졸 치료 실패율은 1991~2002년 9.6%에서 2003~2004년 25.7%로 두 배 이상 증가했으며17, 이 지역은 RT0272 전염병이 처음 발생한 지역이기도 합니다. 메트로니다졸의 임상적 유용성이 감소하는 이유는 오랫동안 미스터리였습니다. 한 가지 가능성은 CDI 비율 증가에 대응하여 메트로니다졸 사용 증가로 인해 약물 내성 C. difficile의 출현과 확산을 가능하게 하는 선택 압력이 가해졌다는 것입니다.
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>