다제내성 Klebsiella pneumoniae와 Escherichia coli에 대한 ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam의 감수성 연구

Abstract

Background: Increasing resistance to broad-spectrum cephalosporin and carbapenem in Enterobacteriaceae makes it challenging to select appropriate antibiotics. There are limited treatment options for these pathogens. Avibactam, new β-lactamase inhibitor, with other β-lactams, can overcome resistance due to various β-lactamases. My study aimed to evaluate in vitro activity of ceftazidime-avibactam and aztreonam-avibactam and their inoculum effect in multidrug-resistant (MDR) Enterobacteriaceae including carbapenem-resistant Enterobacter-iacae (CRE). The study also assessed their in vitro activity according to resistance mechanism against β-lactam having these MDR pathogens. Methods: A total of 228 non-repetitive, consecutive extended-spectrum β-lactam-resistant Escherichia. coli and Klebsiella pneumoniae blood isolates (120 and 108 isolates, respectively) were prospectively collected from blood cultures in Asan Medical Center from Jan 2017 and May 2018. To better define the inhibitory profile of study antibiotics, 81 carbapenem-resistant E. coli and K. pneumoniae isolates (25 and 56 isolates, respectively) isolated from various clinical specimens were collected from Jan 2011 to Oct 2018 and separately tested. In vitro susceptibilities to ceftazidime, aztreonam, meropenem, ceftazidime-avibactam, aztreonam-avibactam, colistin, and tigecycline were evaluated by the broth microdilution reference method using standard and high inocula. Phenotypic determination of resistance mechanism to β-lactam and PCR for the detection of carbapenemase genes were performed in CRE. Results: All 228 study blood isolates were resistant to cefotaxime; 26 (11%) were non-susceptible to carbapenem, and only three (1%) were carbapenemase-producing Enterobacteriaceae (CPE) in K. pneumoniae. Ceftazidime-avibactam and aztreonam-avibactam exhibited excellent in vitro activity against study blood isolates; MIC50/MIC90 were 0.5/2 μg/mL and 0.125/0.5 μg/mL, respectively. Ninety-nine percent of blood isolates were susceptible (MIC≤ 8 μg/mL) to ceftazidime-avibactam, and when the aztreonam-avibactam-susceptible breakpoint of 8 μg/mL was applied, 99% of isolates were susceptible to aztreonam-avibactam. Ceftazidime-avibactam and aztreonam-avibactam were more active against E. coli than against K. pneumoniae. The positive rates of inoculum effect for ceftazidime-avibactam, aztreonam-avibactam, and meropenem were 22%, 30%, and 38%, respectively. K. pneumoniae exhibited significantly higher rates of the inoculum effect on ceftazidime-avibactam, aztreonam-avibactam, and meropenem than E. coli. Ceftazidime-avibactam and aztreonam-avibactam showed relatively good susceptibilities in 81 CRE isolates; 73% of CRE isolates were susceptible to ceftazidime-avibactam, and 95% of isolates had aztreonam-avibactam MICs of ≤8 μg/mL. The resistance rate to tigecycline was high (75%), whereas that to colistin was 13%. When comparing non-carbapenemase producing (non-CP) CRE and CPE, ceftazidime-avibactam was more active against non-CP CRE (MIC50/MIC90, 2/16 μg/mL vs. 4/≥512 μg/mL), and aztreonam-avibactam is more active against CPE (MIC50/MIC90, 0.5/8 μg/mL vs. 0.25/1 μg/mL). The positive rates of inoculum effect for ceftazidime-avibactam and aztreonam-avibactam were 18% and 47%, respectively. Conclusions: Ceftazidime-avibactam was a reasonable choice to overcome extended-spectrum β-lactam-resistant isolates; however, it had weak activity against CRE, especially against CPE. Aztreonam-avibactam was more active in vitro against extended-spectrum β-lactam-resistant and CRE isolates than ceftazidime-avibactam. However, due to its substantial inoculum effect in CRE, a possibility of aztreonam-avibactam treatment failure should be considered in the high inoculum infection. |연구배경: 장내세균에서 광범위한 세팔로스포린계열 항생제나 카바페넴 계열 항생제에 대한 내성이 증가하고 있고, 이로 인해 적절한 항생제 선택이 어려워지고 있다. 이러한 문제들을 극복하기 위해 새로운 β-lactamase inhibitor인 avibactam을 다른 β-lactam과 병합하여 사용함으로써 다양한 β-lactamase로 인한 내성 문제를 해결할 수 있었다. 본 연구는 ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam의 in vitro에서의 활성과 카바페넴계열 항생제 내성 장내세균(CRE)를 포함한 다제내성 장내세균에서의 inoculum effect를 평가하는 것을 목표로 했다. 또한 ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam의 in vitro에서의 활성도를 다제내성 장내세균이 보유중인 β-lactam계열 항생제에 대한 내성 기전별로 구분해서 평가하였다. 실험 방법: 2011년 1월부터 2018년 5월까지 서울아산병원에 등록된 228명의 중복되지 않은 균혈증 환자로부터 3세대 세팔로스포린 내성인120개의 Escherichia coli와 108개의 Klebsiella pneumoniae 균주를 수집했고, 카바페넴 내성균에 대한 자료 확보를 위해 추가로 2011년 1월부터 2018년 10월까지 81명의 환자로부터 혈액과 여려 임상 검체로부터 카바페넴 내성인 25개의 E. coli 와 56개의 K. pneumoniae를 수집했다. 각 균주들로 ceftazidime, ceftazidime-avibactam, aztreonam, aztreonam-avibactam, meropenem, colistin, tigecycline에 대해 broth microdilution (BMD) 검사를 시행하였고 inoculum effect를 확인하기 위해 균 접종량을 높인 BMD 검사도 시행하였다. 카바페넴 내성 균주들의 β-lactam 계열 항생제 내성 기전은 PCR을 사용하여 검증하였다. 실험결과: 228개의 균혈증 균주들은 모두 cefotaxime에 내성이었다. 26개(11%)의 균주가 카바페넴에 비감수성이었고 K. pneumoniae에서 3개의 균주가 carbapenemase-producing Enterobacteriaceae (CPE)였다. 99%의 균혈증 균주는 ceftazidime-avibactam에 대해 감수성이었고, aztreonam-avibactam의 감수성 기준을 8 μg/mL로 설정할 경우 전체 균주의 99%가 감수성이었다. Ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam은 공통적으로 K. pneumoniae보다 E. coli에서 더 높은 활성도를 나타냈다. Ceftazidime-avibactam, aztreonam-avibactam, meropenem의 inoculum effect 양성 비율은 각각 22%, 30%, 38%였고, K. pneumoniae가 E. coli보다 ceftazidime-avibactam, aztreonam-avibactam, meropenem 모두에서 더 높은 접종원 효과 양성률을 보였다. Ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam은 81개의 CRE 균주에서도 좋은 효과를 보였다. CRE 균주 81개중 73%가 ceftazidime-avibactam에 대해 감수성을 나타냈고, aztreonam-avibactam의 감수성 기존을 8 μg/mL로 설정할 경우 95%가 감수성을 나타냈다. CRE 균주에 대한 tigecycline과 colistin의 내성률은 각각 75%와 13%였다. Carbapenemase를 생성하지 않는 CRE (non-CP CRE)와 carbapenemase를 생성하는 균(CPE)을 서로 비교할 경우, ceftazidime-avibactam은 CPE보다 non-CP CRE에서 더 높은 활성도를 보였고(MIC50/MIC90, 2/16μg/mL vs. 4/≥512 μg/mL), aztreonam-avibactam은 CPE에서 더 높은 활성도를 보였다(MIC50/MIC90, 0.5/8μg/mL vs. 0.25/1 μg/mL). CRE에서 ceftazidime-avibactam과 aztreonam-avibactam의 inoculum effect 양성률은 각각 18%와 47%였다. 결론: Ceftazidime-avibactam은 3세대 세팔로스포린 내성 균주 치료에 효과적인 항생제 선택이 될 수 있다. 하지만 CRE 균주에 대해서는 낮은 활성도를 보였고 특히 CPE의 경우에는 더 낮은 경향을 보였다. Aztreonam-avibactam의 경우 ceftazidime-avibactam보다 CRE 포함하는 모든 균주에서 더 좋은 항균효과를 나타냈다. 하지만 aztreonam-avibactam은 CRE에서 상당한 inoculum effect를 보이기 때문에 높은 균 부담이 있는 감염에서는 치료 실패의 가능성이 있어 신중한 선택이 필요하다.