墨西哥中部耐多药/广泛耐药大肠杆菌与克雷伯菌属的基因组监测揭示高风险耐药组、移动组及NDM-1/MCR-9.1传播特征

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Genomic surveillance uncovers high-risk resistance profiles in Escherichia coli and Klebsiella spp. from Central Mexico

　　

目的：通过表征2021—2023年间流行的耐多药（MDR）与广泛耐药（XDR）大肠杆菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）及属于K. oxytoca复合群（KoxSC）的K. michiganensis的多样性、耐药组（resistome）和移动组（mobilome），并将这些发现置于墨西哥全国基因组数据背景中，为墨西哥中部抗菌药物耐药（AMR）监测生成可操作的基因组证据。设计/方法：研究人员对转诊至阿瓜斯卡连特斯州公共卫生实验室（LESPA）的65株MDR/XDR分离株进行测序，并与268个公开可用的墨西哥基因组进行比较。将表型药敏谱（BD Phoenix M50）与基因组预测整合以评估一致性。使用标准化流程进行系统发育基因组学、泛基因组学、耐药组与移动组分析及毒力分析。由于LESPA接收来自重症或治疗难治性感染的转诊病例，该数据集代表高风险临床子集而非人群水平样本。结果：测序分离株显示出显著的谱系多样性（大肠杆菌和克雷伯菌属中共34个序列型（ST））以及100多种不同的AMR基因组合。鉴定出若干此前未在墨西哥耐药微生物中报道的决定因子，如TEM-116、aadA22、ermB和uhpA。碳青霉烯酶NDM-1和与黏菌素相关的MCR-9.1广泛存在，耐药基因频繁与移动遗传元件（MGE）共定位，提示活跃的水平基因转移（HGT）动态。2020年后分离株表现出耐药组丰富度增加、XDR比例更高以及更频繁的共感染，尤其在重症监护环境中。K. michiganensis分离株代表来自阿瓜斯卡连特斯该物种的首批MDR基因组，并有助于扩展对墨西哥这一代表性不足的K. michiganensis（KoxSC）成员的基因组表征。结论：本研究提供了墨西哥中部MDR大肠杆菌和克雷伯菌属的首个基因组基线，并记录了可能由临床实践、转诊模式和微生物学能力结构性限制所塑造的日益复杂的耐药组。将实时全基因组测序（WGS）纳入常规诊断和公共卫生工作流程，对于加强抗菌药物管理、指导感染控制以及支持墨西哥全国公平的AMR监测至关重要。

研究背景：全球耐药大肠杆菌（Escherichia coli）和克雷伯菌属（Klebsiella spp.）持续威胁临床管理与公共卫生，拉丁美洲在全球基因组监测中代表性不足，墨西哥公开基因组数据稀疏且地理集中。K. michiganensis在墨西哥的基因组数据尤其稀缺，此前仅报道1株临床分离株。COVID-19大流行改变了医院运行、抗生素使用与转诊模式；LESPA主要接收重症或治疗难治性感染分离株，形成对高耐药菌株的转诊偏倚，因此该数据集属于高风险临床子集而非人群水平样本。研究需在墨西哥中部建立MDR/XDR大肠杆菌和克雷伯菌属的基因组基线，并解析耐药组、移动组与传播动态。
研究人员开展的研究与意义：研究人员对2021—2023年墨西哥中部阿瓜斯卡连特斯州公共卫生实验室（LESPA）转诊的65株MDR/XDR分离株进行全基因组测序，并与268个公开墨西哥基因组及KoxSC比较基因组整合分析，系统表征谱系多样性、耐药组、移动组、毒力组及基因型—表型一致性。研究提供了墨西哥中部MDR大肠杆菌和克雷伯菌属的首个基因组基线，揭示34个ST、100余种耐药基因组合、NDM-1与MCR-9.1广泛存在、MGE相关HGT活跃及2020年后耐药组丰富度和XDR比例上升，强调将实时WGS嵌入常规诊断与公共卫生工作流程以强化抗菌药物管理、感染控制和公平AMR监测。
关键技术方法（≤250字）：研究纳入2021—2023年LESPA转诊的65株MDR/XDR临床分离株（30株E. coli、33株K. pneumoniae、2株K. michiganensis/KoxSC），与268个公开墨西哥基因组比较，并纳入46个KoxSC基因组（5个墨西哥分离株和41个全球参考）；公共基因组来自BV-BRC v3.30.19（2024年10月）和NCBI。采用Illumina MiniSeq全基因组测序，BD Phoenix M50表型药敏与基因组预测整合评估一致性，使用标准化流程开展系统发育基因组学、泛基因组学、耐药组、移动组和毒力组分析。
研究结果：
临床与流行病学特征：对LESPA 2021—2023年3,454株大肠杆菌和克雷伯菌属分离株进行筛查，246株符合MDR/XDR标准，选取65株测序；94%来自重症监护单元，标本以尿液最多，其次为血液、支气管吸出物、伤口分泌物和粪便；新生儿/婴儿在克雷伯菌感染中占比较高，老年人更常见于大肠杆菌感染；克雷伯菌共感染率60%，大肠杆菌36.7%，共感染菌包括Acinetobacter baumannii、Enterococcus faecalis和Pseudomonas aeruginosa，A. baumannii与Candida spp.共感染局限于XDR分离株。
抗菌药物耐药谱：通过表型药敏发现β-内酰胺类耐药几乎普遍，头孢菌素耐药在克雷伯菌属达97.1%、大肠杆菌达100%，氟喹诺酮和甲氧苄啶—磺胺甲噁唑耐药均超过90%；碳青霉烯耐药在克雷伯菌属为31.4%、大肠杆菌为13.3%；阿米卡星耐药仅见于11.4%克雷伯菌且大肠杆菌为0；替加环素对多数分离株保留活性，但克雷伯菌痰分离株耐药从2022年0%升至2023年40%；呋喃妥因对大肠杆菌保持良好活性；2020年后耐药模式加剧，XDR表型限于2023年大肠杆菌分离株。
基因型—表型一致性：将BD Phoenix M50表型与基因组预测比较，总体一致性78.9%；氟喹诺酮、磺胺和大环内酯一致性超过90%，氨基糖苷最低；大肠杆菌碳青霉烯一致性较高，克雷伯菌属仅34.2%，部分表型耐药菌缺乏典型碳青霉烯酶基因，而携带OXA型β-内酰胺酶、孔蛋白破坏和外排系统，提示非经典碳青霉烯耐药；所有分离株均携带ESBL基因，与第三代头孢菌素近乎普遍耐药一致。
公共基因组临床特征：公开数据集包括139株E. coli、85株K. pneumoniae和44株K. michiganensis（3株墨西哥公开分离株和41株全球参考），时间跨度近四十年，来源覆盖尿液、粪便、血液、呼吸道吸出物、活检、脓肿、肝/结肠组织、结膜拭子和脑脊液；地理上至少来自8个墨西哥州，墨西哥城和普埃布拉贡献最多，阿瓜斯卡连特斯仅由本研究LESPA分离株代表。
Escherichia coli多样性与分子耐药决定因子：对169个基因组进行系统发育分析，LESPA菌株分散于树中，与多个州基因组交织；LESPA包括15个ST，ST69和ST131各4株，公开基因组中亦以ST131（16株）和ST69（10株）最多；6株未分型菌株ARG负担最高，平均超过100个ARG；耐药组聚类显示LESPA集中于高ARG密度簇，bla_CTX-M-15在90% LESPA分离株中检出而公开基因组仅18%；多黏菌素耐药调节因子高频存在；鉴定345个MGE，MITEEc1关联最多并与ompT及毒力位点相关；毒力组分析得到253个毒力相关单元、158种谱型和28个新谱型，7个毒力单元为LESPA独有。
Klebsiella pneumoniae多样性与分子耐药决定因子：33株LESPA分离株分布于19个ST，系统发育呈马赛克结构，提示多次引入而非单一克隆扩增；耐药组携带bla_CTX-M、bla_TEM、染色体ampC及OXA-1、OXA-2、OXA-11等；鉴定211个MGE，许多ARG嵌入质粒、转座子和插入序列，提示临床环境内HGT活跃；毒力组分为两个谱型，LESPA分布于两者，但无LESPA独有毒力基因，与大肠杆菌形成对比。
Klebsiella michiganensis（KoxSC）多样性与分子耐药决定因子：两株LESPA KoxSC占据全球KoxSC系统发育树不同分支，KoLESPA_200（ST180）与中国和美国分离株聚类，KoLESPA_188（未知ST）与墨西哥和北美菌株聚类，提示独立引入；二者携带独特耐药基因组合并处于不同耐药组簇，扩展了全国基因组图谱并为该MDR物种未来监测建立基线。
跨物种耐药组与水平基因转移概览：对169株E. coli、118株K. pneumoniae和46株KoxSC进行泛基因组分析，三者均为开放泛基因组，云基因比例分别为81.7%、76.1%和63.8%；核心耐药组包括15个ARG家族，另见物种特异决定因子；ARG丰富度从2000至2023年持续上升，LESPA分离株位于分布上缘，E. coli LESPA中位99个ARG高于公开基因组82个，K. pneumoniae LESPA中位82个高于公开79个，KoxSC LESPA为79和72个，高于国际中位数；ARG—MGE网络显示K. pneumoniae为主要ARG循环枢纽，与E. coli共享CTX-M-15、sul1、sul2、tetA、mphA、dfrA家族，并携带ermB、TEM-116、TEM-141等物种特异决定因子；KoxSC独有NDM-7、VIM-1和MCR-9.1，提示其作为碳青霉烯酶和黏菌素耐药基因储存库；LESPA相对公开基因组显著富集CTX-M-15、arnA、baeSR、vgaC、pmr家族及K. pneumoniae的23S rRNA甲基化酶、Kpn外排家族、16S rRNA甲基化酶等，并发现多个公开墨西哥基因组中不存在的基因。
讨论与结论：讨论指出，墨西哥中部MDR大肠杆菌和克雷伯菌属耐药格局日益复杂，谱系多样性高而非少数克隆扩张；TEM-116、aadA22、ermB、uhpA等此前未在墨西哥耐药微生物中报道的决定因子提示监测缺口；NDM-1、MCR-9.1广泛存在及ARG与MGE频繁共定位提示医院内HGT活跃；2020年后ARG丰富度、XDR率和共感染增加，碳青霉烯耐药在2023年克雷伯菌呼吸道分离株中显著上升，提示重症监护环境选择压力变化；基因型—表型一致性总体78.9%，氟喹诺酮、磺胺和大环内酯较高，氨基糖苷和碳青霉烯较低，克雷伯菌非经典碳青霉烯耐药涉及孔蛋白丢失合并ESBL；结构性限制、转诊偏倚和共感染负担影响监测解释。限制包括转诊高风险子集、未采用长读长测序或质粒重建、KoxSC样本量小、基因型—表型差异及公共墨西哥基因组代表性不均。研究结论（翻译）：综合临床元数据、表型耐药、基因组耐药组、移动组和毒力组分析，显示墨西哥中部MDR E. coli和Klebsiella spp.处于演变格局。ESKAPE共感染率高、XDR上升、MDR株中ESBL普遍，对感染控制构成紧迫挑战。LESPA菌株在系统发育上嵌入全国谱系，表明广泛区域间循环和持续地方性克隆。耐药组和移动组分析显示MGE介导的HGT，尤其经IS26和MITEEc1，驱动ARG跨物种传播。毒力谱扩展，包括LESPA分离株中新黏附素和铁摄取系统，可能进一步加重临床严重性。这些发现支持整合基因组监测框架、实时追踪质粒谱系以及靶向干预以阻断移动元件传播。持续扩展K. oxytoca复合群等代表性不足病原体的公共基因组数据库，结合标准化元数据报告和常规毒力组分析，对于预测和缓解未来AMR与毒力威胁至关重要。