Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 126-143.

Due to its considerable genomic plasticity and the potential for resistance to a wide range of
antimicrobials, Pseudomonas aeruginosa has been designated a critical priority pathogen by the
World Health Organization. This study aimed to explore the antimicrobial resistance patterns and
virulence properties and to offer comprehensive genomic information of Pseudomonas aeruginosa
obtained from blood samples of hospitalized cancer patients with a suggestion of a new approach
to overcome such a problematic pathogen.
Fifty-two clinical isolates were examined for demographic and clinical characteristics,
antimicrobial resistance profiles, and different virulence factors. The pathogenic potential of the
isolates was assessed in the Galleria mellonella infection model. The genomes of 10 colistin
resistant isolates were sequenced by the Oxford-Nanopore technology to examine the sequence
typing, resistance profile, virulence genes, and mobile genetic elements. The antibacterial and anti-
virulent activity of colistin-bimetallic nanoparticle formulation was evaluated against pan-drug-
resistant and highly virulent P. aeruginosa clinical isolate.
All isolates exhibited multi-drug resistance (MDR) and extensive-drug resistance (XDR)
phenotypes. The association between resistance to the main antipseudomonal classes was highly
observed. Colistin, aztreonam, and ceftolozane/tazobactam demonstrated the best susceptibility
rates. Isolates demonstrated different virulence traits. Efflux pump activity was significantly
associated with higher MICs. Swarming motility was associated with urinary tract infections. The
Galleria mellonella model demonstrated higher lethality for isolates originating from respiratory
tract infections. Metallo-Beta-lactamase blaNDM-1 was the most frequent carbapenem resistant
gene detected in our isolates, and it was carried on an integrative and conjugative element (ICE)
located on the chromosome of the predominant high-risk clones ST308 and ST773. This result
highlights the shift in the molecular epidemiology of carbapenem resistance in P. aeruginosa
towards NDM over other MBLs. This shift is of particular concern considering the possibility of
co-occurrence of multiple AMR determinants on the same ICE which limit the treatment options.
The detection of P. aeruginosa ST308 carrying blaNDM-1 in Egypt for the first time is particularly
alarming. Additionally, whole genome sequencing also reported the detection of ST1143 and
ST1693 in Egypt carrying blaOXA-1028 and blaOXA-904, respectively for the first time in Egypt. Our
findings also revealed mutations in regulatory systems (PhoPQ/ basRS) that mediate colistin
resistance, with no mcr genes detected. The accessory genome, comprising up to 34.6% of the total
genome, confirms the remarkable genomic plasticity of P. aeruginosa, facilitating the horizontal
acquisition of resistance and virulence genes. Virulome analysis revealed the presence of exoU in
high-risk clones, closely associated with hypervirulence in infection models, while other sequence
types harbored fewer virulent factors such as exoS. The synthesized colistin-bimetallic
nanoparticle formulation demonstrated remarkable reduction in the colistin MIC and the virulence
activity of the tested isolate.
This study underlines the alarming rise of high-risk P. aeruginosa clones carrying blaNDM-1and
exhibiting MDR and XDR resistance in a vulnerable oncology population. The study also revealed
the association between virulence factors and both clinical history and resistance profile of the
isolates. The identification of novel sequence types and mobile resistance elements highlights the
dynamic genomic landscape and adaptability of this pathogen. Notably, the promising efficacy of
the colistin-bimetallic nanoparticle formulation offers a potential therapeutic strategy against
highly resistant and virulent P. aeruginosa, warranting further clinical evaluation.

نظرًا للمرونة الجينية الكبيرة التي تتمتع بها بكتيريا الزائفة الزنجارية Pseudomonas aeruginosa وإمكانيتها لمقاومة مجموعة واسعة من المضادات الحيوية، تم تصنيفها كعامل مسبب رئيسي ذو أولوية عالية من قبل منظمة الصحة العالمية.
هدف هذه الدراسة هو تقديم معلومات جينية شاملة واستكشاف أنماط المقاومة للمضادات الحيوية وخصائص الضراوة لعزلات ال P.aeruginosa التي تم الحصول عليها من عينات دم مرضى السرطان المقيمين في المستشفى، مع اقتراح استراتيجية جديد للتغلب على هذا الميكروب.
تم فحص 52 عزلة سريرية للتعرف على الخصائص الديموغرافية والسريرية، أنماط مقاومة المضادات الحيوية، وعوامل الضراوة المختلفة.
تم إجراء تسلسل جيني للعزلات المجمعة باستخدام تكنولوجيا أكسفورد-نانو بور لدراسة تصنيف التسلسل، والمقاومة، وجينات الضراوة، والعناصر الوراثية المتنقلة.
كما تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا والمضاد للضراوة لتركيبة الكوليستين ذات الجزيئات النانوية المعدنية الثنائية ضد العزلة السريرية المقاومة لجميع الأدوية وعالية الضراوة من P.aeruginosa.
أظهرت جميع العزلات مقاومة متعددة الأدوية (MDR)، مقاومة شديدة (XDR)، ومقاومة كاملة للأدوية (PDR). وتم ملاحظة ارتباط قوي بين مقاومة الفئات الرئيسية للأدوية المضادة للP.aeruginosa
أظهر كل من الكولستين، الأزتريونام، والسيفتولوكسازين/التازوباكتام أفضل معدلات تأثير في البكتيريا. كما أظهرت العزلات أنشطة ضراوة مختلفة. وكان نشاط مضخة الطرد ا مرتبطًا بشكل كبير مع ارتفاع قيم MIC.
ارتبط وجود حركة الزحف Swarming motility بالعزلات التي مصدرها الرئيسي عدوى المسالك البولية، وأظهر نموذج G. mellonellaوفيات أعلى للعزلات التي مصدرها الرئيسي التهابات الجهاز التنفسي.
كان جين Metallo-Beta-lactamase NDM-1 هو الأكثر شيوعًا في العزلات المقاومة للكاربينيمات، ووجد أنه محمول على عنصر تكاملي وقابل للانتقال (ICE) على الكروموسوم في السلالات عالية الخطورة ST308 و ST773. يشير هذا الاكتشاف الى التحول في التركيبة الجينية المسؤولة عن مقاومة الكاربينيمات في P. aeruginosa نحو NDM عوضاً عن M?Ls الأخرى. وهذا التحول يمثل مصدر قلق نظرًا لإمكانية تواجد عوامل مقاومة متعددة على نفس العنصر المتنقل (ICE)، مما يحد من الخيارات العلاجية.
أظهرت الدراسة أول اكتشاف للسلالة ST308 حاملة blaNDM-1 لأول مرة في مصر وكذلك ST1143 و ST1693 . والتي تحمل جيناتblaOXA-1028 و blaOXA-904 على التوالي، وهذه الجينات لم يتم الإبلاغ عنها من قبل في مصر.
كما كشفت نتائجنا عن وجود طفرات كروموسومية في basRS&phoPQوالتي تعد الآلية الرئيسية لمقاومة الكولستين.
إن وجود جينوم إضافي accessory بنسبة 34.6% من الجينوم الكلي يدل على المرونة الجينية الملحوظة لبكتيريا P. aeruginosa، مما يسهل اكتساب جينات المقاومة والضراوة بشكل أفقي.
أظهر تحليل جينات الضراوة وجود الجين exoU في السلالات عالية الخطورة، و ارتبطت ارتباطًا وثيقًا بالوفيات في نماذج العدوى، بينما احتوت السلالات الأخرى على عوامل ضراوة أقل مثل exoS.
أظهرت التركيبة المحضرة من الجزيئات النانوية ثنائية المعدن للكولستين تقليلاً ملحوظًا في MIC للكولستين وفي نشاط الضراوة للعزلة المختبرة.
إجمالا، تُبرز هذه الدراسة الارتفاع المقلق في انتشار السلالات عالية الخطورة من Pseudomonas aeruginosa الحاملة لجين blaNDM-1 والتي تُظهر أنماط مقاومة متعددة (MDR) وشديدة للمضادات الحيوية (XDR) لدى مرضى الأورام. كما كشفت الدراسة عن وجود ارتباط بين عوامل الضراوة والتاريخ السريري ونمط المقاومة للعزلات.ويعد وجود أنماط تسلسل جديدة وعناصر مقاومة منقولة دليلاَ على الطبيعة الديناميكية للجينوم والقدرة التكيفية العالية لهذا الميكروب. وتؤكد نتائجنا الحاجة الملحة للمراقبة الجينومية لرصد انتشار المحددات الحيوية للمقاومة وعوامل الضراوة. ومن الجدير بالذكر أن الفعالية الواعدة لتركيبة الكوليستين مع جسيمات النانو الثنائية المعدن تُمثّل استراتيجية علاجية محتملة ضد السلالات شديدة المقاومة والضراوة من P. aeruginosa، مما يستدعي إجراء المزيد من التقييمات السريرية

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.