Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Enligt en erkänd hypotes, mutant selection window hypothesis, uppstår och upprätthålls antibiotikaresistens hos bakterier endast då antibiotikakoncentrationerna ligger över minimum inhibitory concentration (MIC)-värdet för en känslig, omuterad population. Det här skulle innebära att de låga antibiotikakoncentrationer man finner i miljön inte borde bidra till att upprätthålla resistens. Redan subinhibitoriska antibiotikakoncentrationer har dock visat sig ha effekt på bakterier genom att t.ex. öka mutationsfrekvensen hos bakterier, selektera för resistenta mutanter och ge upphov till nya sådana. Syftet med den här studien var att undersöka om en selektion vid låga antibiotikakoncentrationer sker också in vivo. Som modelldjur användes gräsänder inhysta i försöksrum. Änderna inokulerades med en blandning av en ciprofloxacinkänslig respektive –resistent stam av Escherichia coli och utsattes sedan under ungefär två veckor för låga koncentrationer ciprofloxacin i sin vattenmiljö. Upprepade träckprov togs och proverna spreds på selektiva plattor varvid andelen ciprofloxacinresistenta kolonier av de ursprungligen inokulerade och i träcken utsöndrade bakterierna kunde bestämmas. Studien omfattade sju försöksomgångar med olika ciprofloxacinkoncentration i varje försöksomgång; 0, 10, 20, 32, 100 ng/ml samt 1 och 10 μg/ml. I studien började det ske en selektion av ciprofloxacinresistenta bakterier vid ciprofloxacinkoncentrationen någonstans mellan 10 och 20 ng/ml.
De koncentrationerna ligger över de man uppmätt i västerländska vattendrag, men under koncentrationer som uppmätts i Indien. Ciprofloxacin binder till sediment och jord och ackumuleras i växter. I vilt tillstånd utsätts alltså vattenfåglar som betar och söker föda i bottensediment, för högre koncentrationer än vad vattenkoncentrationerna indikerar. I studien användes stammar vars resistensmutationer uppkommit i labbmiljö och som innebar en kostnad för bakterierna. I en naturlig situation är det troligt att kostnaden skulle kompenseras för, vilket talar för att en selektion av resistenta bakterier skulle ske vid lägre koncentrationer än vad som iakttogs i det här försöket. Antibiotika i miljön kan tänkas selektera för resistenta bakterier.

According to the mutant selection window hypothesis, antibiotic resistance in bacteria is selected for only when concentrations of antibiotics exceed the minimum inhibitory concentration (MIC) of a susceptible population. The low concentrations of antibiotics found in the environment would therefore not contribute to the occurence of resistance. How ever, subinhibitory concentrations of antibiotics have been shown to excert an effect on bacteria by e.g. increasing the mutation rate, selecting for resistant mutants and promoting the rise of new resistant mutants.
In this study, the issue whether selection of resistant bacteria takes place at low concentrations of antibiotics also in vivo, was investigated using mallards as model animals. The mallards were inoculated by a mix of ciprofloxacin-resistant and –sensitive Escherichia coli and exposed to low concentrations of ciprofloxacin in their water for approximately 2 weeks. Several fecal samples were obtained over the period and spread onto selective plates in order to determine the fraction of ciprofloxacin resistant E. coli as a proportion of the total count of inoculated bacteria shedded in the fecal sample. Seven rounds were performed, each with different concentrations of ciprofloxacin; 0, 10, 20, 32, 100 ng/ml and 1 and 10 μg/ml. Selection of ciprofloxacin-resistant E.coli was observed at concentrations of 20 ng/ml and higher. These concentrations exceed those measured in waters in the industrialized parts of the world, but are lower than measured concentrations in India. Ciprofloxacin binds to particles and sediments and accumulates in plants. Free-living mallards graze and explore the sediments in aquatic environments and, hence, they are exposed to significantly higher concentrations of ciprofloxacin than suggested by the concentrations found in the water. The resistance mutations of the strains in this study were selected for in vitro in a laboratory setting and conferred a fitness cost to the bacteria. In a natural in vivo-setting, it is likely that the fitness cost would be compensated for and eliminated, which suggests that selection of resistant bacteria would occur at lower concentrations than was the case in this study. Environmental concentrations of antibiotics are thus at risk of selecting for resistant bacteria.