Mobiele menu

Controlling nosocomial spread of ESBL-producing bacteria: Guidance of prevention by way of mathematical modelling

Projectomschrijving

De verspreiding van ESBL-producerende bacteriën groeit snel, zowel in Nederlandse ziekenhuizen als wereldwijd. ESBL’s kunnen bepaalde antibiotica onwerkzaam maken. De beste strategie om de verspreiding in ziekenhuizen te voorkomen is echter onbekend.

Voor deze studie maken de onderzoekers een specifiek wiskundig model. Wiskundige modellen zijn een goedkoop en snel alternatief voor klinische studies om efficiënte strategieën te ontwikkelen. De afkorting ESBL staat voor ‘Extended Spectrum Beta-Lactamase’.

Voor het onderzoek verzamelen de onderzoekers gegevens van gezonde varkens-, kalfsvlees- en vleeskuikenhouders en van patiënten in het ziekenhuis met werk gerelateerd diercontact. ESBL’s verspreiden zich met name vanuit dieren naar mensen.

Het wiskundige model houdt rekening met verschillende bacteriesoorten met en zonder de capaciteit om ESBL’s produceren, verschillende resistentiemechanismen, verspreiding van ESBL’s buiten ziekenhuizen, en ESBL afkomstig van dieren waaraan mensen via de voedselketen of hun werk worden blootgesteld. Basis voor het model zijn de gegevens van tien lopende (inter)nationale studies bij verschillende patiëntengroepen.

Producten

Titel: Persistence of ESBL Carriage in Pig Farmers, their Family Members, Employees and Pigs
Titel: Duration of colonization with KPC-producing bacteria at long-term acute care hospitals in Chicago, USA.
Titel: The Dynamics of Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL) producing bacteria.
Titel: Within-host and population transmission of OXA-48
Titel: Within-host and population transmission of OXA-48
Titel: Household transmission of ESBL-producing bacteria
Titel: ESBLs in pig farming in the Netherlands
Titel: Modelling OXA-48 transmission and plasmid conjugation in Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli: the impact of a possible reservoir in Escherichia coli and the need for polymerase chain reaction (PCR)-based screening
Titel: Antimicrobial resistant bacteria in pig farmers in the Netherlands − a study on ESBLs
Titel: Duration of colonisation with antimicrobial-resistant bacteria after ICU discharge
Titel: Modeling intrafacility spread of KPC-producing bacteria and impact of cohort strategies in longterm acute care hospitals in the Chicago region, USA.
Titel: Duration of colonization with antimicrobial-resistant bacteria after ICU discharge
Titel: Extended-spectrum beta-lactamases (ESBLs) in pig farmers and pigs in the Netherlands
Titel: Transmission of plasmid-mediated resistance, a modeling approach
Titel: Modeling Spread of KPC-Producing Bacteria in Long-Term Acute Care Hospitals in the Chicago Region, USA
Auteur: Haverkate, Manon R., Bootsma, Martin C. J., Weiner, Shayna, Blom, Donald, Lin, Michael Y., Lolans, Karen, Moore, Nicholas M., Lyles, Rosie D., Weinstein, Robert A., Bonten, Marc J. M., Hayden, Mary K.
Magazine: Infection control & hospital epidemiology
Titel: Carriage of extended-spectrum ß-lactamases in pig farmers is associated with occurrence in pigs
Auteur: Dohmen, W., Bonten, M.J.M., Bos, M.E.H., van Marm, S., Scharringa, J., Wagenaar, J.A., Heederik, D.J.J.
Magazine: Clinical Microbiology and Infection
Titel: Within-Host and Population Transmission of blaOXA-48 in K. pneumoniae and E. coli
Auteur: Haverkate, Manon R., Dautzenberg, Mirjam J. D., Ossewaarde, Tjaco J. M., van der Zee, Anneke, den Hollander, Jan G., Troelstra, Annet, Bonten, Marc J. M., Bootsma, Martin C. J.
Magazine: PLoS ONE

Verslagen


Eindverslag

Tijdens dit project hebben we bestudeerd hoe extended spectrum beta lactamase (ESBL) producerende bacteriën zich verspreiden in Nederland. Hiertoe hebben we op 40 varkensbedrijven ESBL-dragerschap gemeten bij 142 varkensboeren en 2388 varkens.
Tevens hebben we de transmissiedynamiek van ESBLs in ziekenhuizen onderzocht. Eerst hebben we de verspreidingscapaciteit in intensive care afdelingen onderzocht van de twee belangrijkste ESBL-positieve Gram-negatieve bacteriën, Klebsiella pneumoniae en Escherichia coli. Vervolgens hebben we het belang geschat van conjugatie van de ESBL-genen tussen Klebsiella pneumoniae en Escherichia coli en vice versa om te bepalen in hoeverre transmissie-preventie-interventies gericht moeten zijn op E. coli, K. pneumoniae of beiden. Daarnaast hebben we geschat hoe lang patiënten drager blijven van ESBL-positieve bacteriën na acquisitie in een ziekenhuis.
Ook hebben we de mate van verspreiding van ESBLs in huishoudens onderzocht, zowel in de huishoudens van gezonde reizigers als in de huishoudens van patiënten die een ESBL hebben verkregen tijdens een ziekenhuisopname.
Tevens hebben we een wiskundig model ontworpen voor we de verspreiding van ESBLs in Nederland. Dit model bevat zowel acquisitie in ziekenhuizen, tijdens reizen, in huishoudens, als transmissie in de algehele populatie en transmissie via andere routes (bijvoorbeeld via de voedselketen). We hebben dit model geparametriseerd met onze schattingen en data uit de literatuur om het belang van elk van de acquisitieroutes te schatten.
Ook hebben we met een review onderzocht in hoeverre er bewijs is dat zogenaamde endemische stammen van E. coli en K. pneumoniae virulenter zijn, zich beter verspreiden en patiënten langer gekoloniseerd zijn met deze bacteriën.

De prevalentie van extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) producerende Gram-negatieve bacteriën groeit snel, zowel in Nederlandse ziekenhuizen als wereldwijd. Infecties veroorzaakt door deze bacteriën zijn geassocieerd met een verhoogde morbiditeit, mortaliteit en kosten, en slechts enkele antibiotica zijn nog effectief tegen deze bacteriën. De beste strategie om de verspreiding in ziekenhuizen te voorkomen is echter onbekend. Wiskundige modellen zijn een goedkoop en snel alternatief voor klinische studies om efficiënte infectiepreventie-strategieën te ontwikkelen. In dit project willen we een wiskundige model maken dat rekening houdt met: (a) verschillende bacteriesoorten (bijvoorbeeld E. coli en K. pneumoniae) met en zonder de capaciteit om ESBLs produceren; (b) verschillende resistentiemechanismen (TEM, SHV, CTX-M) met een verschillende prevalentie onder de verschillende bacteriesoorten; (c) transmissie buiten het ziekenhuis, en (d) een dierlijk ESBL-reservoir waaraan mensen via de voedselketen worden of via hun werk worden blootgesteld.
De modelparameters zullen geschat worden op basis van gegevens van 10 lopende (inter)nationale studies in verschillende patiëntenpopulaties. De ESBL prevalentie bij personen met werkgerelateerd diercontact, een groep waarover weinig gegevens bekend zijn, zal worden verzameld door middel van observationele studies, zowel bij gezonde varkens-, kalfsvlees- en vleeskuikenhouders als bij patiënten in het ziekenhuis met werkgerateerd diercontact.
Momenteel zijn we bezig met het samplen in de varkenssector en proberen we de duur van ESBL-dragerschap in patienten te bepalen.

Samenvatting van de aanvraag

Gram-negative bacteria producing extended-spectrum beta-lactamases (ESBLs) are rapidly emerging, both in Dutch hospitals and worldwide. Infections caused by these bacteria are associated with increased morbidity, mortality and health care costs, and only few antibiotics are remaining for effective treatment. This rapidly growing threat for human health needs an appropriate and rapid response from the medical community. Yet, the most (cost)-effective strategy to curtail nosocomial spread of these pathogens is currently unknown. Intervention studies to fill this knowledge gap require long periods of follow-up, and are unlikely to provide answers in due course. In the absence of solid evidence, based on clinical trials, mathematical modelling represents an alternative tool to infer guidance for infection control. In the last decade mathematical models have provided important insights in the nosocomial dynamics of antibiotic resistant bacteria (ARB). These models were mostly caricatural without linkage to observational data, with few possibilities to directly guide infection control practices. In this proposal we will, based on the cumulative knowledge of previous modelling of ARB in hospitals and the availability of a wealth of detailed ESBL-epidemiological data, we will mimic real-life situations, as much as possible, in order to infer essential information for infection control strategies. The modelling work will start from a previously developed model on nosocomial spread of MRSA. As the dynamics of ESBL are much more complex, the existing model needs considerable adaptation to include, at least, (a) different bacterial species (e.g., E. coli and K. pneumoniae) with and without the capacity to produce ESBL; (b) different resistance mechanisms (TEM, SHV, CTX-M) with a different prevalence among different species; (c) (d) cross-transmission in the community; and (e) an animal reservoir of ESBL with bacterial spread to humans either through the food chain or through repeated professional exposure. Parameterization will be based on the results of at least 10 longitudinal prevalence and incidence ESBL surveillance data from ongoing (inter-)national studies in different patient populations. We will take advantage from the results of several ongoing surveillance and research projects in the Netherlands that will provide accurate estimates of ESBL prevalence in different risk categories of hospitalized patients and non-hospitalized subjects. Despite an abundance of available ESBL prevalence data from Dutch hospitals and primary care settings, there is a knowledge gap of ESBL prevalence in persons with professional exposure to animals with high antibiotic exposure. This information will be collected through detailed observational studies in healthy pig/veal/broiler farmers (exposed to animals with high antibiotic exposure) and in healthy dairy farmers (exposed to animals with low antibiotic exposure), as well as in patients hospitalized and fulfilling the criteria for MRSA screening because of professional exposure to animals. The combined approach of detailed epidemiological data collection and mathematical modelling will provide a tool in which, in short time periods, an endless number of research questions can be addressed. However, modelling cannot predict in a very precise manner what will occur when certain measures will be implemented, its power lies in the elucidation of the likely relative effects of different measures, e.g. what is the cost-efficacy of rapid diagnostic testing of ESBL, as compared to conventional cultures, in a “screen and isolate” strategy. In addition to the immediate clinical need to control further spread of ESBL-producing bacteria, this project fulfils four other scientific needs: 1) A robust model for ESBL-producing bacteria will be easily applicable for KPC, which is widely considered as the next-level resistance problem. 2) Development of a theoretical framework necessitates explicit formulation and estimation of all relevant epidemiological parameters, which in itself is an excellent experiment to identify knowledge gaps in our understanding of the epidemiology. This will assist in directing further targeted epidemiological studies. 3) Developing increasingly more sophisticated (and computer-intensive) mathematical tools will further reduce the gap between the – in essence - pure theoretical science of mathematical modelling and the predominantly applied medical specialty of infection control. 4) Modelling will identify critical processes and (rough) estimates of effect sizes, which are essential for designing pivotal large-scale intervention trials.

Onderwerpen

Kenmerken

Projectnummer:
205100013
Looptijd: 100%
Looptijd: 100 %
2010
2016
Gerelateerde subsidieronde:
Projectleider en penvoerder:
Dr. M.C.J. Bootsma
Verantwoordelijke organisatie:
Universitair Medisch Centrum Utrecht