Characterization and molecular epidemiology of Extended-Spectrum-ß-Lactamase-Producing Escherichia coli derived from University Hospitals of Egypt and Germany

Abstract

Extended-spectrum ß-lactamases (ESBLs) production is the major clinical and public health problem in Egyptian Hospitals. However, little data are available on the prevalence and the types of ESBLs in Egypt. This study aimed to determine the prevalence and the probable types of ESBL among E. coli and K. pneumoniae clinical isolates obtained from Egyptian Hospitals. It was carried out on a total of 248 clinical enterobacterial isolates collected during six months period from October 2008 to March 2009 from different clinical specimens obtained from different medical wards of the University Hospitals in Egypt and Germany including: 184 isolates (102 K. pneumoniae and 82 Escherichia coli) derived from Egyptian University Hospitals and 64 E. coli isolates derived from a German University Hospital (Giessen University Hospital). Phenotypic and molecular characterization was performed, results were compared.The prevalence of ESBL-producing isolates among E. coli and K. pneumoniae derived from Egyptian University Hospitals was as high as 78.8% and 82.4% respectively. CTX-M + TEM was the most prevalent ß lactamase profile that has been detected among the ESBL-producing E. coli and K. pneumoniae. BlaCTX-M-15 was the only detected blaCTX-M allele among Egyptian isolates and the most predominant allele among German isolates.The molecular characterization of the bacterial host background revealed the prevalence of D phylogenetic group type among Egyptian isolates and the competitive prevalence of both A and B2 phylogenetic type among German isolates. PFGE analysis revealed a high degree of genetic diversity of the isolates derived from both countries. Presence of a clonal pair composed of an Egyptian isolate and a German isolate which could represent a case of clonal importation from one country to another was also detected.In addition to ß-lactam resistance, the great majority of the isolates derived from both countries were multiple resistant to one or more of non ß-lactam antimicrobial classes including tetracycline, sulfamethoxazole/ trimethoprim, aminoglycosides and quinolones. CTX-M production was associated with IncFI plasmids most commonly with FIA-FIB multi replicon plasmids. Plasmids sizing and subsequent DNA hybridization revealed the location of blaCTX-M on ~ 97 kb FIA-FIB and ~ 170 kb FIA-FIB conjugative plasmids in common among the isolates derived from both countries suggesting emergence of a suspected trans-continental epidemic plasmid.This study highlights the high prevalence of ESBL production among E. coli and K. pneumoniae in the clinical setting in Egypt as well as the presence an epidemiological relation between Egypt and Germany evidenced by the presence common epidemic plasmids, sharing of an identical clone which in turn harbor one of the epidemic plasmids. The dominance of plasmids of an identical replicon type and molecular size in both countries as well as the presence of other diverse large CTX-M-encoding plasmids in genetically heterogeneous strains proves that, horizontal transfer of multiple epidemic plasmids is the major driving force behind the spread of blaCTX-M in the clinical setting of both countries. Die Produktion von ß-Lactamasen mit erweitertem Spektrum (ESBL) stellt das größte klinische und öffentliche Gesundheitsproblem in ägyptischen Krankenhäusern dar. Allerdings stehen nur wenige Daten über ESBL-Prävalenz und -Typen in Ägypten zur Verfügung. Die vorliegende Studie hat zum Ziel, die ESBL-Prävalenz und die möglichen ESBL-Typen unter den in ägyptischen Krankenhäusern gewonnenen klinischen Isolaten E. coli und K. pneumoniae zu bestimmen. Dies wurde an insgesamt 248 klinischen Enterobakterien-Isolaten durchgeführt, die in einem Zeitraum von sechs Monaten zwischen Oktober 2008 und März 2009 aus verschiedenen klinischen Proben unterschiedlicher Krankenstationen in Universitätskrankenhäusern in Ägypten und Deutschland gewonnen wurden, einschließlich: 184 aus den ägyptischen Universitätskrankenhäusern stammende Isolate (102 K. pneumoniae und 82 Escherichia coli) und 64 aus einem deutschen Universitätskrankenhaus (Universitätsklinikum Gießen) stammende Isolate E. coli. Eine phänotypische und molekulare Charakterisierung wurde durchgeführt und die Ergebnisse wurden verglichen.Die Höhe der Prävalenz der aus ägyptischen Universitätskrankenhäusern stammenden ESBL-produzierenden Isolate unter E. coli und K. pneumoniae betrug 78,8% bzw. 84,2%. CTX-M + TEM war das am weitesten verbreitete ß-Lactamase-Profil, das unter den ESBL-produzierenden E. coli und K. pneumoniae nachgewiesen wurde. BlaCTX-M-15 war das einzige nachgewiesene BlaCTX-M-Allel unter den ägyptischen Isolaten und das vorherrschende Allel unter den deutschen Isolaten.Die molekulare Charakterisierung des Hintergrunds des bakteriellen Wirts ließ die Prävalenz des D-phylogenischen Gruppentyps unter den ägyptischen Isolaten und die kompetitive Prävalenz sowohl des phylogenetischen Typs A als auch B2 unter den deutschen Isolaten erkennen. Die PFGE-Analyse zeigte einen hohen Grad an genetischer Vielfalt der Isolate aus beiden Ländern. Die Präsenz eines aus einem ägyptischen Isolat und eines deutschen Isolats zusammengesetzten Klonpaares, das einen Fall von Klonimport aus einem Land in das andere darstellen könnte, wurde ebenfalls nachgewiesen.Zusätzlich zur ß-Lactam-Resistenz war die große Mehrheit der aus beiden Ländern stammenden Isolate vielfach resistent gegen eine oder mehrere antimikrobielle non-ß-Lactam-Klassen einschließlich Tetracyclin, Sulfamethoxazol/Trimethoprim,Aminoglycoside und Quinolone. Die CTX-M-Produktion war verbunden mit IncFI-Plasmiden, am häufigsten mit mehrfach replizierenden Plasmiden FIA-FIB. Die Größenbestimmung der Plasmide sowie die anschließende DNA-Hybridisierung zeigte die Position von blaCTX-M auf ~ 97 kb FIA-FIB und ~ 170 kb FIA-FIB konjugativer Plasmide gemeinsam mit aus beidenLändern stammenden Isolaten, was auf ein Aufkommen befürchteter kontinentübergreifender epidemischer Plasmide hindeutet.Die vorliegende Studie hebt die hohe Prävalenz der ESBL-Produktion unter E. coli und K. pneumoniae im klinischen Umfeld in Ägypten sowie die Präsenz einer durch das Vorfinden gemeinsamer epidemischer Plasmide nachgewiesenen epidemiologischen Beziehung zwischen Ägypten und Deutschland hervor, die identische Klone teilen, welche wiederum eines der epidemischen Plasmide beherbergen. Die Dominanz von Plasmiden mit identischem Replikationstyp und Molekülgröße in beiden Ländern sowie die Präsenz weiterer unterschiedlich großer CTX-M-codierter Plasmide in genetisch heterogenen Stämmen beweist, dass die horizontale Übertragung mehrfach epidemischer Plasmide die wesentliche Antriebskraft hinter der Ausbreitung von blaCTX-M im klinischen Umfeld beider Länder ist.