Vorkommen und Charakterisierung von Extended-Spectrum-Beta-Laktamase (ESBL)-produzierenden Escherichia coli bei Lebensmittel liefernden Tieren | Appearance and molecular characterization of „Extended-Spectrum-Beta- Lactamase“ (ESBL)-producing Escherichia coli in food-producing animals

Extended-Spectrum-Beta-Laktamase (ESBL)-produzierende E. coli stellen ein ernstzunehmendes weltweites Problem in der Human- wie Tiermedizin dar. ESBL limitieren die Wirksamkeit und Einsatzmöglichkeiten vorhandener Beta- Laktamantibiotika; eine wirkungsvolle Therapie kann deshalb unter Umständen nicht gewährleistet werden. Die rasche weltweite Verbreitung ESBL- produzierender E. coli erfordert ein kontinuierliches Monitoring. Ziel dieser Arbeit war die phänotypische Detektion und genotypische Charakterisierung von ESBL-produzierenden E. coli-Stämmen in einem Kollektiv aus Stämmen unterschiedlicher bakterieller Infektionskrankheiten von Nutztieren (Rind, Schwein und Geflügel), um repräsentative Daten über die Häufigkeit und die Gruppenzugehörigkeit von ESBL in der deutschen Nutztierpopulation zu gewinnen. Aus diesem Grund wurden insgesamt 2.352 E. coli-Stämme untersucht. Mittels Agardiffusionstest wurden ESBL-produzierende E. coli nach Vorgaben des CLSI phänotypisch bestätigt. Die Bouillon-Mikrodilution wurde sowohl zur allgemeinen Resistenzbestimmung sowie als Screening zur Detektion von CTX-M-Produzenten eingesetzt. ESBL-produzierende E. coli wurden anschliessend mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Sequenzanalyse genotypisch charakterisiert und durch Einsatz der Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE) auf eine mögliche genomische Ähnlichkeit hin untersucht. Unsere Studie konnte erstmals belegen, dass ESBL-produzierende E. coli-Stämme auch in deutschen Nutztierpopulationen vertreten sind. Die Prävalenz in der getesteten Nutztierpopulation lag im Studienjahr 2005/2006 bei 1,7 %. Sie war damit deutlich niedriger als die in der Humanmedizin (5,1 % im Jahr 2004 gemäß PEG). Die Prävalenz ESBL-produzierender E. coli innerhalb der untersuchten Tierarten betrug 3 % für Rinder, 1,2 % für Schweine und 0,3 % für Geflügel. Innerhalb der Tierarten wurden alle Altersstufen berücksichtigt. ESBL-Produzenten (n=40) wurden bei Rindern größtenteils in den Indikationen Enteritis (16/26) und Mastitis (6/26), bei Schweinen in der Indikation Enteritis (9/11) und beim Geflügel mit Septikämien (3/3) gefunden. Alle 40 detektierten ESBL- produzierenden E. coli trugen blaCTX-M-Gene. Davon konnten 36 blaCTX-M-1 Gene und 4 blaCTX-M-15 Gene identifiziert werden. blaCTX-M-15 Gene waren ausschliesslich bei Kälbern mit Enteritiden vertreten. blaCTX-M-1 Gene wurden hingegen bei allen drei Tierarten detektiert. Die PFGE wies mit 38 verschiedenen Pulsfeldmustern eine große genomische Diversität zwischen den getesteten 40 E. coli-Stämmen auf. Eine große genomische Ähnlichkeit lag bei vier blaCTX-M-1-tragenden Stämmen vor. Zwei Stämme wiesen eine Ähnlichkeit von 93 % und zwei weitere Stämme wiesen eine Ähnlichkeit von 85 % auf. Im Vergleich zu humanmedizinischen Daten war die für einen Vergleich zur Verfügung stehende Datenlage in der Veterinärmedizin insgesamt als nicht ausreichend einzustufen. Daten aus Deutschland lagen zu Beginn der Studie nicht vor. Daher konnte zu diesem Zeitpunkt auch keine Aussage getroffen werden, ob und wenn ja, in welcher Häufigkeit ESBL-produzierende E. coli in der deutschen Nutztierpopulation vorkommen. Aufgrund des erweiterten Resistenzspektrums gegenüber Beta-Laktamantibiotika, der damit einhergehenden Wahl einer geeigneten antimikrobiellen Therapie und dem zoonotischen Potenzial dieser Bakterien werden repräsentative Daten zur Einschätzung der Situation in Deutschland dringend benötigt. Humanmedizinische Studien konnten in den letzten Jahren einen kontinuierlichen Anstieg ESBL-produzierender E. coli aufzeigen. Aufgrund dessen wird eine regelmäßige Beobachtung der Entwicklung der Daten aus der Veterinärmedizin dringend angeraten, um zukünftig valide Aussagen bezüglich der veterinärmedizinischen Prävalenzrate und ihres möglichen Anstiegs treffen zu können. Die Daten dieser Arbeit geben eine erste Auskunft über die Prävalenz sowie den genotypischen Charakter ESBL- produzierender E. coli in den getesteten deutschen Nutztierpopulationen und bieten eine Grundlage für zwingend erforderliche weitere Monitoringstudien – sowohl in der Nutztierhaltung als auch im Bereich der Hobbytiere. Insbesondere im letztgenannten Bereich sollte eine Surveillance nosokomialer Infektionen in Erwägung gezogen werden.

Extended-Spectrum-Beta-Lactamase (ESBL)-producing E. coli are becoming a serious problem worldwide not only in human but also in veterinary medicine. This is due to the fact that ESBLs limit the effect of existing Beta- Lactamantibiotics, and, as a consequence, their possible application. Hence, effective therapy cannot necessarily be guaranteed. It is of imminent importance that worldwide spreading of ESBL-producing E. coli continuously be monitored. The provided research was aimed at phenotypical detection and genotypical characterization of ESBL-producing E. coli strains in a collective of various bacterial infectious diseases of food-delivering animals (cattle, pigs and poultry) in order to find representative data regarding frequency and group affiliation of ESBLs in the German food-delivering animal population. For this purpose, a total of 2352 E. coli strains were examined. By applying a disc diffusion test, the existence of ESBL-producing E. coli was confirmed according to CLSI standards. Broth microdilution was applied in order to determine general resistance and was also applied as a measure of screening in order to detect CTX-M-producers. Subsequently, ESBL-producing E. coli were genotypically characterized by use of polymerase chain reaction (PCR) and sequence analysis. They were also examined by employing pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) in order to determine possible genomic similarity. The results of this study provided proof for the first time that ESBL-producing E. coli strains are in existence in the German food-delivering animal population. A prevalence of 1,7 % in the tested population was determined in the years 2005/2006, which was clearly much lower than in human medicine (5,1 % in the year 2004 according to PEG). Among the tested species ESBL-producing E. coli were prevalent with 3 % in cattle, 1,2 % in pork and 0,3 % in poultry. Within each animal species all ages were examined. ESBL-producing E. coli (n=40) were mostly found with the indications enteritis (16/26) and mastitis (6/26) in cattle, with the indication enteritis in pigs and with septicaemia in poultry. All 40 detected ESBL-producing E. coli were carriers of blaCTX-M-genes. Among these, 36 blaCTX-M-1 and 4 blaCTX-M-15-genes were identified. blaCTX-M-15-genes were only present in calves with enteritis, however, blaCTX-M-1-genes were found in all three animal species. PFGE showed 38 different pulsed-field patterns which proves a large genomic diversity among the 40 investigated strains. A high genomic similarity was found in four blaCTX-M-1 carrying strains. Two strains had a similarity of 93 % and two further strains a similarity of 85 %. The existing data for veterinary medicine is not sufficient for a comparison between veterinary and human medicine. At the beginning of this study no data was available from Germany. Therefore, no statement could be made concerning the existence and frequency of ESBL-producing E. coli in the German food-producing animal population. Due to the enlarged spectrum of resistance against beta-lactamantibiotics and, as a result, the choice of a suitable antimicrobiotic therapy as well as the zoonotic potential of this type of bacteria, it is urgently recommended to collect representative data in order to evaluate the situation in Germany. A continuous rise of ESBL-producing E. coli in human medicine was documented within the last years. Therefore, it is imperative to closely observe the development of this phenomenon in veterinary medicine in order to make valid statements regarding prevalence in veterinary medicine and its possible rise. The data provided in this study can be viewed as initial information regarding prevalence as well as genotypical character of ESBL-producing E. coli in the tested food-delivering animal population in Germany. It also offers a basis for urgently necessary monitoring studies - within food-producing animal populations as well as for domestic animals. Especially with regard to domestic animals a surveillance of nosocomial infections should be taken into consideration.