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Projeto de investigação
One Health empiriCo-mEchanistic modeLing of antimicrObial resisTance
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Antimicrobial resistance phylodynamics and source attribution under a One Health framework
Publication . Ramos, Beatriz; Cunha, Mónica Vieira; Rosalino, Luís Miguel do Carmo
Antimicrobial resistance (AMR) is a significant public health threat and has recently been recognized as a One Health issue, reflecting the interconnected nature of human, animal, and environmental health. This thesis aimed to increase knowledge on the burden, drivers and transmission dynamics of AMR at the human-animal-environment interfaces, for which Staphylococcus aureus, wild ungulates and genomics were central.
Wastewater-based surveillance (WBS) of urban and hospital sewersheds by shotgun metagenomics depicted microbiota signatures of public health importance, while showing that the urban resistome is not restricted to clinically relevant pathogens, being strongly related with the most consumed antimicrobials in Europe.
Through molecular, phenotypic and ecological modelling analyses, we show that AMR in commensal Staphylococcus aureus strains from wild ungulates in Portugal is driven by agricultural land cover and livestock farming. We then generate and explore a large dataset of S. aureus draft genomes from wild ungulates to address with high resolution the hypotheses that wildlife colonization and AMR occurrence are related with human activities and that host adaptation is accompanied by genome diversification with phenotypic impacts. For source attribution purposes, we dissect host-informative mobile genetic elements (MGE) and, in parallel, perform ancestral host state reconstruction via phylodynamics. Based on cgMLST, we demonstrate high genomic similarity of S. aureus at the animal-human interface, with MGE biomarkers for host adaptation further supporting epidemiological connections. Phylodynamic inferences on relevant molecular types across Iberia indicate that several clonal lineages were widespread among humans before jumping to new hosts, highlighting recent spillover events from livestock to wildlife. Pangenome analyses retrieved S. aureus antimicrobial and heavy metals resistance determinants in the accessory genome.
This thesis provides new insights on AMR transmission across interfaces, encouraging environmental and animal surveillance to help curb AMR, and confirms that genomic data-driven approaches are powerful to track AMR trends and drivers.
Epidemiology of Staphylococcus aureus at the Livestock-Wildlife Interface : phylogenetic, resistome, and virulome insights for one health applications
Publication . Afonso, Inês Alves Medeiros Nuno; Cunha, Mónica Sofia Vieira; Pinto, Daniela Sofia Marques
A (re)emergência e disseminação de agentes infeciosos, incluindo agentes zoonóticos, são influenciadas
pelo crescimento demográfico, globalização, alterações climáticas, mudanças no uso do solo, práticas
agrícolas, destruição de habitats, entre outros fatores. As zoonoses estão associadas a uma maior
interação entre humanos e animais, com ênfase nas espécies associadas à produção de alimentos, têxteis
e calçado, animais de companhia e espécies exóticas comercializadas globalmente. Essas interações
acarretam o potencial de disseminação de vírus e bactérias nas interfaces de contacto entre o Homem e
os animais, com riscos para a saúde pública. Por outro lado, o aumento da resistência a antimicrobianos
(RAM) tornou-se um problema de saúde pública global, sendo a resistência bacteriana a antimicrobianos
responsável, anualmente, só na Europa, por centenas de milhares de infeções e pela morte de dezenas
de milhares de pessoas, resultando em custos anuais estimados em mais de mil milhões de euros.
A utilização intensiva e, frequentemente indiscriminada, de antimicrobianos em setores como a
medicina humana, produção animal, agricultura e medicina veterinária é a principal causa da
disseminação de RAM. O aumento da circulação de bactérias resistentes a antimicrobianos deve-se
também aos crescentes contactos entre humanos e animais, impulsionados pela intensificação da
produção animal para satisfazer a demanda proteica de uma população humana em expansão. Animais
de produção, tais como bovinos, suínos e aves, são reservatórios de bactérias comensais com potencial
zoonótico e de disseminação entre populações animais. Por outro lado, os animais selvagens estão
expostos a contaminantes com origem antropogénica, nomeadamente resíduos de antimicrobianos e
bactérias resistentes, contribuindo para a perpetuação de RAM nos ecossistemas.
A interação entre animais de produção e animais selvagens é facilitada pela invasão crescente de áreas
naturais e escassez de recursos, levando os animais selvagens a procurar alimento nas áreas de
exploração agrícola e produção animal, potenciando ciclos de disseminação de agentes patogénicos e
microrganismos resistentes. A transmissão inter-específica de determinantes de RAM entre diferentes
populações animais também compromete a eficácia dos antimicrobianos usados em saúde humana e
saúde animal.
Neste contexto, o estudo desenvolvido nesta dissertação visou investigar a disseminação de
Staphylococcus aureus, uma bactéria comensal oportunista com impacto em saúde pública e saúde
animal, na interface entre animais de produção e animais selvagens. O objetivo foi compreender a
epidemiologia das bactérias que colonizam a nasofaringe destes animais e estabelecer relações com as
linhagens que circulam em diferentes espécies, incluindo as de relevância clínica no Homem. Pretendeuse também gerar informação fenotípica e genotípica que permita melhor conhecer os determinantes de
resistência e virulência albergados pelas estirpes de S. aureus que colonizam estas populações e o seu
potencial de disseminação através de elementos genéticos móveis. No âmbito dos vários objetivos
estabelecidos, realizou-se a monitorização ativa de comunidades multi-hospedeiro em vários municípios
de Portugal continental, com amostragem extensa de bovinos, javalis, e veados.
A amostragem incluiu 348 amostras, entre bovinos de diferentes raças (Barrosã, Minhota, Mertolenga,
Limousine, cruzados de Limousine, Frísia, cruzados de Aberdeen-Angus, cruzados de Wagyu)
(n = 256), javalis (n = 57), veados (n = 23), gamo (n = 1), raposa (n = 1) e amostras ambientais (n = 10).
As amostras de bovinos foram recolhidas de 11 explorações no Norte, Centro e Sul de Portugal,
enquanto as de animais selvagens representaram oito zonas de caça das mesmas regiões. Após o
processamento e isolamento em meio seletivo, os isolados presuntivos de S. aureus foram submetidos a
testes de identificação molecular baseados na amplificação de genes específicos, incluindo o gene spa e
genes que conferem resistência e virulência. Os testes de suscetibilidade a antimicrobianos seguiram um
painel recomendado internacionalmente para estirpes de S. aureus. A tipificação da região spa foi realizada através da amplificação da região spa dos isolados, seguida de sequenciação por Sanger e
análise bioinformática. Realizou-se a sequenciação completa dos genomas de 70 isolados, selecionados
com base na diversidade intra-hospedeiro, fenótipos de resistência e perfil spa. A análise dos genomas
focou-se na caracterização do resistoma, viruloma, plasmidoma, assim como na genotipagem e definição
das relações filogenéticas entre os isolados gerados neste estudo, isolados caracterizados anteriormente
pelo nosso grupo de investigação, e isolados cujos genomas se encontravam depositados nas bases de
dados públicas.
Detetou-se a colonização por S. aureus em bovinos (19,1 %), javalis (10,5 %) e veados (21,7 %), não
ocorrendo isolamento em amostras ambientais, raposa ou gamo. Não se detetou resistência à meticilina
e apenas três isolados exibiram resistência fenotípica a antimicrobianos, de acordo com os critérios do
EUCAST: dois isolados resistentes à benzilpenicilina (obtidos de bovino e veado) e um resistente à
tetraciclina (obtido de javali).
A tipificação da região hipervariável spa específica de S. aureus foi realizada em 121 isolados,
selecionados pela diversidade do tamanho do amplicão spa dentro da mesma amostra. A diversidade de
perfis spa foi associada à diversidade de hospedeiros, evidenciando a disseminação inter-específica de
alguns perfis (t267, t3750, e t11502). Alguns perfis spa foram mais comuns em regiões específicas,
indicando padrões de disseminação local, nomeadamente na região do Alentejo, em bovinos (t098, t521,
t359 e t267).
A análise bioinformática dos 70 genomas gerados de novo neste trabalho incluiu a genotipagem in silico
por Multilocus Sequence Typing (MLST) e a confirmação in silico do perfil spa. A caracterização dos
perfis alélicos (ST) revelou diversidade molecular associada a diferentes hospedeiros, com a
concordância entre o perfil spa e o perfil alélico. A deteção de isolados em animais de produção com
perfis alélicos reportados em humanos (ST1, ST6832, ST6 e ST72) é particularmente relevante,
sugerindo origem humana. Os perfis ST1, ST6832 e ST352 (este último associado à colonização em
bovinos) foram predominantes nos bovinos caracterizados. Em isolados de animais selvagens, foi
também possível identificar perfis alélicos associados à colonização em humanos, tais como ST1 e ST5.
Nas populações domésticas e selvagens, detetou-se ST425, ST133 e ST2328, os quais têm sido
reportados em múltiplas espécies. O perfil alélico ST2678, anteriormente reportado em Portugal em
animais selvagens, foi também detetado neste trabalho em animais selvagens e, pela primeira vez, num
bovino. Em animais selvagens, o perfil mais prevalente foi o ST2678 (33,4 %, n = 4), representado pelos
perfis spa t11502 e t11232, seguido do ST425 (16,7 %, n = 2), representado pelo perfil spa t11228. Os
perfis alélicos ST1 (t127), ST2328 (t3750), ST133 (t3583), ST5 (t002), ST352 (t267) e ST3223 (t14312)
foram detetados em 8,62 % dos isolados dos animais selvagens. Em bovinos, o perfil predominante foi
ST352 (t521, t224, t18414, t359 e t267), incluindo 36,1 % dos isolados (n = 21), seguido por ST6832
(t098) com 32,7 % (n = 19), e ST425 (t11225), ST1 (t2207 e t098) e ST6 (t701), todos com 8,62 %
(n = 5), e os perfis ST2328 (t3750), ST72 (t13998) e ST2678 (t11502), que representam 1,72 % (n = 1)
cada.
A análise filogenética baseada na acumulação de polimorfismos de nucleótido único à escala do genoma
e cgMLST (core genome MLST) revelou a proximidade genética entre os isolados deste estudo, bem
como com isolados de outros estudos, reforçando as hipóteses de adaptação de S. aureus a vários
hospedeiros e a disseminação de alguns clones entre animais selvagens e animais de produção, e entre
regiões. A proximidade filogenética identificada entre isolados de animais pertencentes à mesma
exploração de bovinos sugere disseminação local dentro da mesma exploração, mesmo entre animais
produzidos em regime extensivo. A identificação, pela primeira vez, de perfis genotípicos associados a
animais selvagens em bovinos sugere a disseminação na interface bovinos-animais selvagens e em
diferentes escalas espaciais. A análise do resistoma permitiu identificar genes de RAM, tanto em isolados fenotipicamente
resistentes, como em isolados suscetíveis, nomeadamente determinantes de bombas de efluxo de
antimicrobianos (mepA, lmrS, tet.38), penicilinases (operão bla) e transferases (fosB), assim como
mutações pontuais em genes que codificam transportadores e alvos da fosfomicina (GlpT e MurA,
respetivamente). A identificação de genes de RAM em isolados fenotipicamente suscetíveis sugere a
regulação transcricional e pós-transcricional destes genes em condições específicas. A análise do
viruloma detetou genes de virulência de diferentes classes, nomeadamente aureolisinas (identificados
em todos os isolados), proteases serínicas, leucotoxinas, genes que codificam proteínas associadas à
produção de biofilmes, adesinas específicas para colagénio e toxinas estafilocócicas. Também foi
possível identificar elementos genéticos móveis, pela análise do plasmidoma. Os replicões identificados
neste trabalho têm sido associados à colonização em humanos (rep7c), enquanto outros estão associados
a RAM (repUS5 and rep21). A análise permitiu ainda detetar o operão bla no repUS5 identificado no
isolado resistente à benzilpenicilina proveniente de um veado. A diversidade de padrões do resistoma e
do viruloma foi limitada entre isolados pertencentes ao mesmo perfil alélico, indicando assim a
conservação de determinantes dentro do mesmo perfil genotípico.
Este estudo demonstrou que, embora a prevalência de colonização de bovinos e ungulados selvagens
em Portugal por S. aureus possa ser considerada baixa a moderada, os isolados têm potencial para
expressar e disseminar determinantes de resistência e virulência, o que reforça a importância da
monitorização regular de RAM nos animais selvagens, animais de produção, humanos e o ambiente, na
perspetiva de Uma Só Saúde, tendo em vista a prevenção e a mitigação efetivas da transmissão de RAM
e para garantir a eficácia de antimicrobianos clinicamente relevantes.
Unidades organizacionais
Descrição
Palavras-chave
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
Concurso de Projetos de I&D em Todos os Domínios Científicos - 2022
Número da atribuição
2022.01539.PTDC