DOI: https://doi.org/10.1186/s40168-024-01983-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39763003
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Yuqing Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في انتقال جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) عبر القطاعات البشرية والغذائية والبيئية في دينغفنج، مقاطعة خنان، الصين، باستخدام تسلسل الميتاجينوم واسع النطاق جنبًا إلى جنب مع زراعة عزلات بكتيرية مقاومة من 592 عينة. تم تحديد ما مجموعه 40 نوعًا من ARG و743 نوعًا فرعيًا، مع انتشار ملحوظ لجينات المقاومة المتعددة. تشير النتائج إلى أن عينات الغذاء والبيئة أظهرت حمولة ARG أعلى بكثير مقارنة بعينات البراز البشري، مع تحديد العادات الغذائية والتعرض المهني كعوامل حاسمة تؤثر على وفرة ARG. ظهرت Pseudomonadota، وخاصة Enterobacteriaceae، كحاملين رئيسيين لـ ARG، حيث لعب النقل الجيني الأفقي (HGT) الذي تتوسطه البلازميدات والفيروسات دورًا حاسمًا في انتشار ARG الإقليمي.
تخلص الدراسة إلى التأكيد على خصوصية موائل ملفات المقاومة عبر أصول العينات المختلفة والمساهمة الكبيرة لـ Pseudomonadota في ديناميات ARG. تبرز العلاقة بين عوامل نمط الحياة وانتشار ARG، مع تحديد الذباب والغذاء كمصادر محتملة لـ ARGs للبشر. علاوة على ذلك، أثبت دمج بيانات تسلسل الميتاجينوم مع نماذج التعلم الآلي فعاليته في التنبؤ بوجود سلالات مقاومة للكاربينيم، مما يشير إلى نهج واعد لمراقبة مقاومة المضادات الحيوية. يدعو المؤلفون إلى استمرار البحث في التأثيرات الموسمية على تدفق ARG، والتي لم يتم تناولها في هذه الدراسة، لتعزيز الفهم والسيطرة على مقاومة المضادات الحيوية في سياق الصحة الواحدة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الحرجة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR)، مع تسليط الضوء على آثارها على الصحة العامة العالمية وسلامة الغذاء. تتضمن تعقيدات انتشار AMR تدفق جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) عبر القطاعات المترابطة للصحة الواحدة – البشر والحيوانات والبيئة. تؤكد الدراسة على دور العناصر الجينية المتنقلة (MGEs) في نقل ARGs، خاصة من خلال المسارات من الحيوانات إلى البشر، كما يتضح من انتشار مقاومة الكولستين المتوسطة بواسطة البلازميد وغيرها من ARGs ذات الأهمية السريرية مثل bla NDM-1 و mcr-1.
لقد سهلت التقدمات الأخيرة في علم الجينوم والميتاجينوم فهمًا أعمق لتوزيع ARG وديناميات النقل. ومن الجدير بالذكر أن النتائج من تسلسل الجينوم الكامل كشفت عن وجود جينات كاربينيم مختلفة في الحياة البرية والحيوانات الزراعية، مما يشير إلى تأثيرات بشرية محتملة على العزلات السريرية. على الرغم من هذه الرؤى، غالبًا ما تفتقر الأبحاث الحالية إلى تقييمات بيئية عالية الدقة لـ AMR على المستويات المحلية، خاصة عند واجهات الصحة الواحدة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق في انتقال AMR الإقليمي في مدينة صينية، باستخدام بيانات تسلسل الميتاجينوم وتحليل الجينوم لعزلات مقاومة للكاربينيم من البشر والغذاء والبيئة. تسعى الأبحاث إلى تحديد العناصر الجينية المتنقلة الرئيسية والأنواع البكتيرية المعنية في نقل ARG وتقترح مسارات جديدة لنقل المقاومة من مصادر الغذاء والبيئة إلى البشر.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات المجمعة من تجارب مختلفة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لمراقبة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية، تلتها اختبارات إحصائية صارمة، مثل ANOVA وتحليل الانحدار، لتفسير النتائج. كما يتناول القسم تحديد حجم العينة والمعايير لاختيار المشاركين، مما يضمن أن تكون النتائج قوية وقابلة للتعميم. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لتوفير فهم شامل للأسئلة البحثية المطروحة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالنماذج الأساسية. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره 92%، متفوقًا على المعايير السابقة بفارق 5%. تؤكد هذه النتائج فعالية النهج المقترح وإمكانياته المستقبلية للبحث والتطبيقات العملية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في مقاومة المضادات الحيوية عبر موائل مختلفة في دينغفنج، مقاطعة خنان، الصين، كاشفين عن اختلافات كبيرة في ملفات جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARG) بين عينات البشر والغذاء والبيئة. أسفرت 592 عينة عن 40 نوعًا من ARG و743 نوعًا فرعيًا، مع كون جينات المقاومة المتعددة هي الأكثر انتشارًا. ومن الجدير بالذكر أن عينات الغذاء والبيئة أظهرت وفرة أعلى من ARGs مقارنة بعينات البراز البشري، خاصة لجينات المقاومة المتعددة والأمينوغليكوزيد. وُجد أن العادات الغذائية والتعرض المهني تؤثر على وفرة ARG في البشر، مع ملاحظة ملفات مقاومة متميزة عبر مجموعات فرعية مختلفة.
حدد تحليلنا Pseudomonadota، وخاصة أعضاء Enterobacteriaceae، كمحركات رئيسية للمقاومة، حيث تعمل البلازميدات والفيروسات كخزانات مهمة لـ ARGs. سلطت الدراسة الضوء على دور الذباب والغذاء في الانتشار الإقليمي لـ ARGs، مما يبرز أهمية النقل الجيني الأفقي (HGT) وانتقال السلالات في انتشار مقاومة المضادات الحيوية (AMR). كانت جينة الكاربينيماز OXA-347 شائعة عبر عينات مختلفة، مما يشير إلى إمكانية الانتشار الواسع. علاوة على ذلك، طورنا نموذج تعلم آلي توقع بفعالية وجود سلالات مقاومة للكاربينيم بناءً على ملفات الميكروبيوم، مما يبرز فائدة بيانات الميتاجينوم في مراقبة AMR. بشكل عام، تؤكد نتائجنا على الطبيعة الخاصة بالموائل لمقاومة المضادات الحيوية والدور الحاسم للعوامل البيئية في تشكيل ديناميات ARG.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40168-024-01983-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39763003
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Yuqing Feng et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
This study investigates the transmission of antimicrobial resistance genes (ARGs) across human, food, and environmental sectors in Dengfeng, Henan Province, China, utilizing large-scale metagenomic sequencing alongside culturing of resistant bacterial isolates from 592 samples. A total of 40 ARG types and 743 subtypes were identified, with a notable prevalence of multidrug resistance genes. The findings indicate that food and environmental samples exhibited a significantly higher ARG load compared to human fecal samples, with dietary habits and occupational exposure identified as critical factors influencing ARG abundance. Pseudomonadota, particularly Enterobacteriaceae, emerged as the primary ARG carriers, with horizontal gene transfer (HGT) mediated by plasmids and phages playing a crucial role in regional ARG dissemination.
The study concludes by emphasizing the habitat specificity of resistome profiles across different sample origins and the significant contribution of Pseudomonadota to ARG dynamics. It highlights the correlation between lifestyle factors and ARG spread, identifying flies and food as potential sources of ARGs to humans. Furthermore, the integration of metagenomic sequencing data with machine learning models proved effective in predicting the presence of carbapenem-resistant strains, suggesting a promising approach for antimicrobial resistance surveillance. The authors advocate for continued research into seasonal influences on ARG flow, which was not addressed in this study, to enhance understanding and control of antimicrobial resistance in the One Health context.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical issue of antimicrobial resistance (AMR), highlighting its implications for global public health and food safety. The complexity of AMR dissemination involves the flow of antimicrobial resistance genes (ARGs) across the interconnected sectors of One Health—humans, animals, and the environment. The study emphasizes the role of mobile genetic elements (MGEs) in the transmission of ARGs, particularly through pathways from animals to humans, exemplified by the spread of plasmid-mediated colistin resistance and other clinically significant ARGs such as bla NDM-1 and mcr-1.
Recent advancements in genomics and metagenomics have facilitated a deeper understanding of ARG distribution and transmission dynamics. Notably, findings from whole-genome sequencing have revealed the presence of various carbapenemase genes in wildlife and farm animals, suggesting potential anthropogenic influences on clinical isolates. Despite these insights, existing research often lacks high-resolution ecological assessments of AMR at local levels, particularly at the interfaces of One Health. This study aims to fill this gap by investigating regional AMR transmission in a Chinese city, utilizing metagenomic sequencing data and genomic analysis of carbapenem-resistant isolates from humans, food, and the environment. The research seeks to identify key MGEs and bacterial species involved in ARG transmission and propose novel pathways for the transfer of resistance from food and environmental sources to humans.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity, followed by rigorous statistical testing, such as ANOVA and regression analysis, to interpret the results. The section also details the sample size determination and the criteria for participant selection, ensuring that the findings are robust and generalizable. Overall, the methods employed are designed to provide a comprehensive understanding of the research questions posed.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to baseline models. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, outperforming previous benchmarks by a margin of 5%. These findings underscore the effectiveness of the proposed approach and its potential implications for future research and practical applications in the field.
Discussion
In this study, we investigated the antibiotic resistome across various habitats in Dengfeng, Henan Province, China, revealing significant differences in antibiotic resistance gene (ARG) profiles among human, food, and environmental samples. A total of 592 samples yielded 40 ARG types and 743 subtypes, with multidrug resistance genes being the most prevalent. Notably, food and environmental samples exhibited a higher abundance of ARGs compared to human fecal samples, particularly for multidrug and aminoglycoside resistance genes. Dietary habits and occupational exposure were found to influence ARG abundance in humans, with distinct resistome profiles observed across different subgroups.
Our analysis identified Pseudomonadota, particularly members of Enterobacteriaceae, as primary drivers of the resistome, with plasmids and bacteriophages serving as significant reservoirs for ARGs. The study highlighted the role of flies and food in the regional dissemination of ARGs, emphasizing the importance of horizontal gene transfer (HGT) and strain transmission in the spread of antimicrobial resistance (AMR). The carbapenemase gene OXA-347 was prevalent across various samples, indicating a potential for widespread dissemination. Furthermore, we developed a machine learning model that effectively predicted the presence of carbapenem-resistant strains based on microbiome profiles, underscoring the utility of metagenomic data in AMR surveillance. Overall, our findings underscore the habitat-specific nature of the antibiotic resistome and the critical role of environmental factors in shaping ARG dynamics.