Interconnected resistomes and the accumulative antibiotic resistance crisis

Antibiotics were once miracle cures, but because of the spread of antibiotic resistance in bacteria, their effectiveness is threatened. Although antibiotics have only been produced industrially for 70 years, antibiotic-resistant bacteria are a threat to human health. The effects of antibiotic use pass on over generations, and resistance kills an estimated 214,000 infants a year. Antibiotic-resistant bacteria have also become widespread in the environment. In my dissertation, I used a microbial ecology perspective to study how the antibiotic resistance crisis manifests itself in humans (with a focus on mothers and infants) and in the environment. My main lines of research focused on selection pressures that shape bacterial communities and the effects of the spread of resistant bacteria. I studied the amounts of antibiotic resistance genes in different environments, utilizing methods based mainly on metagenomics. Mothers pass on antibiotic-resistant bacteria to their children. However, in my study, the resistance load of infants’ intestines was most affected by infant formula use. Infants who received formula had a significantly higher proportion of bacteria carrying resistance genes than exclusively breastfed infants. Surprisingly, formula use increased the intestinal resistance load more than the antibiotic regimens given to babies, which could not be shown to have an effect in my dissertation. Antibiotic selection pressure did not explain the number of resistance genes in the environmental samples I studied either. The results suggested that fecal contamination is almost always behind the resistance load observed in the environment. It was therefore interesting that the treated wastewater discharged from European wastewater treatment plants into the environment corresponded to the types of resistance of bacterial strains isolated from infected patients. The result suggests that inadequate wastewater treatment is part of the resistance problem in Europe as well, and not just in developing countries, and potentially increases the spread of antibiotic-resistant bacteria to humans. My work shows that the most effective ways to reduce resistance may not be intuitive. Bacterial spread may play a larger role than previously thought. Efficient waste treatment and exclusive breastfeeding may reduce the number of resistant bacteria in society, the environment, and young children more effectively than reducing the use of antibiotics.Ennen antibiootit olivat ihmelääkkeitä, mutta bakteerien yleistyneen vastustuskyvyn, eli resistenssin, vuoksi niiden tehokkuus on uhattuna. Vaikka antibiootteja on tuotettu teollisesti vasta 70 vuoden ajan, ovat antibiooteille resistentit bakteerit uhka ihmisten terveydelle. Antibioottien käytön vaikutukset siirtyvät yli sukupolvien ja resistenssi tappaakin arviolta 214 000 imeväisikäistä lasta vuodessa. Antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit ovat levinneet laajasti myös ympäristöön. Väitöskirjassani olen tutkinut mikrobiekologian näkökulmasta, kuinka antibioottiresistenssikriisi näkyy ihmisissä (keskittyen äiteihin ja vauvoihin) ja ympäristössä. Päätutkimuslinjani keskittyivät bakteeriyhteisöjä muokkaaviin valintapainesiin ja vastustuskykyisten bakteerien leviämisen vaikutuksiin. Tutkin eri ympäristöjen antibioottiresistenssigeenimääriä hyödyntäen pääosin metagenomiikkaan perustuvia menetelmiä. Äidit siirtävät lapsilleen myös antibiooteille vastustuskykyisiä bakteereita. Tutkimuksessani vauvojen suoliston resistenssikuormaan vaikutti kuitenkin eniten äidinmaidonkorvikkeen käyttö. Vauvoilla, jotka saivat korviketta, oli huomattavasti suurempi osuus resistenssigeenejä kantavia bakteereja kuin täysimetetyillä. Yllättäen korvike lisäsi suoliston resistenssikuormaa enemmän kuin vauvojen saamat antibioottikuurit, joilla ei väitöskirjassani pystytty osoittamaan olevan vaikutusta. Antibioottivalintapaine ei selittänyt resistenssigeenien määrään myöskään tutkimissani ympäristönäytteissä. Tulokset viittasivat siihen, että ulostesaaste on lähes aina ympäristössä havaitun resistenssikuorman takana. Olikin kiinnostavaa, että eurooppalaisilta jätevedenpuhdistamoilta ympäristöön päätyvä puhdistettu jätevesi vastasi infektiopotilaista eristettyjen bakteerikantojen resistenssityyppejä. Tulos viittaa siihen, että jätevesien puutteellinen käsittely on osa resistenssiongelmaa myös Euroopassa, eikä vain kehittyvissä maissa, ja mahdollisesti lisää antibiooteille vastustuskykyisten bakteerien leviämistä ihmisiin. Tehokkaimmat tavat vähentää resistenssiä eivät välttämättä ole intuitiivisia. Bakteerien leviäminen on mahdollisesti suuremmassa roolissa kuin on ajateltu. Toimiva jätevirtojen käsittely ja täysimetys saattavat vähentää vastustuskykyisten bakteerien määrää yhteiskunnassa, ympäristössä ja pikkulapsissa tehokkaammin kuin antibioottien käytön vähentäminen