Importance

 Extended-spectrum β-lactamases mediate resistance to third-generation cephalosporins (eg, ceftriaxone) inEscherichia coliandKlebsiella pneumoniae.Significant infections caused by these strains are usually treated with carbapenems, potentially selecting for carbapenem resistance. Piperacillin-tazobactam may be an effective “carbapenem-sparing” option to treat extended-spectrum β-lactamase producers. 

Objectives

 To determine whether definitive therapy with piperacillin-tazobactam is noninferior to meropenem (a carbapenem) in patients with bloodstream infection caused by ceftriaxone-nonsusceptibleE coliorK pneumoniae. 

Design, Setting, and Participants

 Noninferiority, parallel group, randomized clinical trial included hospitalized patients enrolled from 26 sites in 9 countries from February 2014 to July 2017. Adult patients were eligible if they had at least 1 positive blood culture withE coliorKlebsiellaspp testing nonsusceptible to ceftriaxone but susceptible to piperacillin-tazobactam. Of 1646 patients screened, 391 were included in the study. 

Interventions

 Patients were randomly assigned 1:1 to intravenous piperacillin-tazobactam, 4.5 g, every 6 hours (n = 188 participants) or meropenem, 1 g, every 8 hours (n = 191 participants) for a minimum of 4 days, up to a maximum of 14 days, with the total duration determined by the treating clinician. 

Main Outcomes and Measures

 The primary outcome was all-cause mortality at 30 days after randomization. A noninferiority margin of 5% was used. 

Results

 Among 379 patients (mean age, 66.5 years; 47.8% women) who were randomized appropriately, received at least 1 dose of study drug, and were included in the primary analysis population, 378 (99.7%) completed the trial and were assessed for the primary outcome. A total of 23 of 187 patients (12.3%) randomized to piperacillin-tazobactam met the primary outcome of mortality at 30 days compared with 7 of 191 (3.7%) randomized to meropenem (risk difference, 8.6% [1-sided 97.5% CI, −∞ to 14.5%];P = .90 for noninferiority). Effects were consistent in an analysis of the per-protocol population. Nonfatal serious adverse events occurred in 5 of 188 patients (2.7%) in the piperacillin-tazobactam group and 3 of 191 (1.6%) in the meropenem group. 

Conclusions and relevance

 Among patients withE coliorK pneumoniaebloodstream infection and ceftriaxone resistance, definitive treatment with piperacillin-tazobactam compared with meropenem did not result in a noninferior 30-day mortality. These findings do not support use of piperacillin-tazobactam in this setting. 

Trial Registration

 anzctr.org.au Identifiers:ACTRN12613000532707andACTRN12615000403538and ClinicalTrials.gov Identifier:NCT02176122

Abstract Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE) represent one of the most urgent threats to human health posed by antibiotic resistant bacteria. Enterobacter hormaechei and other members of the Enterobacter cloacae complex are the most commonly encountered Enterobacter spp. within clinical settings, responsible for numerous outbreaks and ultimately poorer patient outcomes. Here we applied three complementary whole genome sequencing (WGS) technologies to characterise a hospital cluster of bla IMP-4 carbapenemase-producing E. hormaechei . In response to a suspected CRE outbreak in 2015 within an Intensive Care Unit (ICU)/Burns Unit in a Brisbane tertiary referral hospital we used Illumina sequencing to determine that all outbreak isolates were sequence type (ST)90 and near-identical at the core genome level. Comparison to publicly available data unequivocally linked all 10 isolates to a 2013 isolate from the same ward, confirming the hospital environment as the most likely original source of infection in the 2015 cases. No clonal relationship was found to IMP-4-producing isolates identified from other local hospitals. However, using Pacific Biosciences long-read sequencing we were able to resolve the complete context of the bla IMP-4 gene, which was found to be on a large IncHI2 plasmid carried by all IMP-4-producing isolates. Continued surveillance of the hospital environment was carried out using Oxford Nanopore long-read sequencing, which was able to rapidly resolve the true relationship of subsequent isolates to the initial outbreak. Shotgun metagenomic sequencing of environmental samples also found evidence of ST90 E. hormaechei and the IncHI2 plasmid within the hospital plumbing. Overall, our strategic application of three WGS technologies provided an in-depth analysis of the outbreak, including the transmission dynamics of a carbapenemase-producing E. hormaechei cluster, identification of possible hospital reservoirs and the full context of bla IMP-4 on a multidrug resistant IncHI2 plasmid that appears to be widely distributed in Australia.

Abstract Clinical and public health microbiology is increasingly utilising whole genome sequencing (WGS) technology and this has lead to the development of a myriad of analysis tools and bioinformatics pipelines. Single nucleotide polymorphism (SNP) analysis is an approach used for strain characterisation and determining isolate relatedness. However, in order to ensure the development of robust methodologies suitable for clinical application of this technology, accurate, reproducible, traceable and benchmarked analysis pipelines are necessary. To date, the approach to benchmarking of these has been largely ad-hoc with new pipelines benchmarked on their own datasets with limited comparisons to previously published pipelines. In this study, Snpdragon, a fast and accurate SNP calling pipeline is introduced. Written in Nextflow, Snpdragon is capable of handling small to very large and incrementally growing datasets. Snpdragon is benchmarked using previously published datasets against six other all-in-one microbial SNP calling pipelines, Lyveset, Lyveset2, Snippy, SPANDx, BactSNP and Nesoni. The effect of dataset choice on performance measures is demonstrated to highlight some of the issues associated with the current available benchmarking approaches. The establishment of an agreed upon gold-standard benchmarking process for microbial variant analysis is becoming increasingly important to aid in its robust application, improve transparency of pipeline performance under different settings and direct future improvements and development. Snpdragon is available at https://github.com/FordeGenomics/SNPdragon . Impact statement Whole-genome sequencing has become increasingly popular in infectious disease diagnostics and surveillance. The resolution provided by single nucleotide polymorphism (SNP) analyses provides the highest level of insight into strain characteristics and relatedness. Numerous approaches to SNP analysis have been developed but with no established gold-standard benchmarking approach, choice of bioinformatics pipeline tends to come down to laboratory or researcher preference. To support the clinical application of this technology, accurate, transparent, auditable, reproducible and benchmarked pipelines are necessary. Therefore, Snpdragon has been developed in Nextflow to allow transparency, auditability and reproducibility and has been benchmarked against six other all-in-one pipelines using a number of previously published benchmarking datasets. The variability of performance measures across different datasets is shown and illustrates the need for a robust, fair and uniform approach to benchmarking. Data Summary Previously sequenced reads for Escherichia coli O25b:H4-ST131 strain EC958 are available in BioProject PRJNA362676. BioSample accession numbers for the three benchmarking isolates are: EC958: SAMN06245884 MS6573: SAMN06245879 MS6574: SAMN06245880 Accession numbers for reference genomes against the E. coli O25b:H4-ST131 strain EC958 benchmark are detailed in table 2. Simulated benchmarking data previously described by Yoshimura et al. is available at http://platanus.bio.titech.ac.jp/bactsnp (1). Simulated datasets previously described by Bush et al. is available at http://dx.doi.org/10.5287/bodleian:AmNXrjYN8 (2). Real sequencing benchmarking datasets previously described by Bush et al. are available at http://dx.doi.org/10.5287/bodleian:nrmv8k5r8 (2).

Abstract Oxford Nanopore Technology (ONT) long-read sequencing has become a popular platform for microbial researchers; however, easy and automated construction of high-quality bacterial genomes remains challenging. Here we present MicroPIPE: a reproducible end-to-end bacterial genome assembly pipeline for ONT and Illumina sequencing. To construct MicroPIPE, we evaluated the performance of several tools for genome reconstruction and assessed overall genome accuracy using ONT both natively and with Illumina. Further validation of MicroPIPE was carried out using 11 sequence type (ST)131 Escherichia coli and eight publicly available Gram-negative and Gram-positive bacterial isolates. MicroPIPE uses Singularity containers and the workflow manager Nextflow and is available at https://github.com/BeatsonLab-MicrobialGenomics/micropipe .

Objectives: To characterise multi-drug resistant Escherichia coli isolated from patients in Australia, New Zealand and Singapore with bloodstream infection (BSI). Methods: We prospectively collected third-generation cephalosporin resistant (3GC-R) E. coli from blood cultures obtained from patients enrolled in a randomised controlled trial. Whole genome sequencing was used to characterise antibiotic resistance genes, sequence types (STs), plasmids and phylogenetic relationships. Antibiotic susceptibility was determined using disk diffusion and Etest. Results: A total of 70 E. coli were included, of which the majority were ST131 (61.4%). BSI was most frequently from a urinary source (69.6%), community-associated (62.9%) and in older patients (median age 71 years [IQR 64-81]). The median Pitt bacteraemia score at presentation was 1 (IQR 0-2, range 0-3) and ICU admission was infrequent (3.1%). ST131 possessed significantly more acquired resistance genes than non-ST131 (p=0.003). Clade C1/C2 ST131 predominated (30.2% and 53.5% of all ST131 respectively) and these were all resistant to ciprofloxacin. All clade A ST131 were community-associated. The predominant ESBL types were blaCTX-M (78.6% of isolates) and were strongly associated with ST131, with the majority blaCTX-M-15. Clade C1 was associated with blaCTX-M-14 and blaCTX-M-27, whereas blaCTX-M-15 predominated in clade C2. Plasmid-mediated AmpC (p-AmpC) genes (mainly blaCMY-2) were also frequent (17.1%) but were more common with non-ST131 strains (p<0.001). The majority of plasmid replicon types were IncF. Conclusions: In a prospective collection of 3GC-R E. coli causing BSI in the Australasian region, community-associated Clade C1/C2 ST131 predominate in association with blaCTX-M ESBLs, although a significant proportion of non-ST131 strains carried blaCMY-2.

Background Klebsiella species are problematic pathogens in neonatal units and may cause outbreaks, for which sources of transmission can be challenging to elucidate. We describe the use of whole genome sequencing (WGS) to investigate environmental sources of transmission during an outbreak of extended-spectrum-β-lactamase (ESBL)-producing Klebsiella michiganensis colonizing neonates.Methods Ceftriaxone-resistant Klebsiella spp. isolated from neonates (or their mothers) and the hospital environment were included. Short-read (Illumina) and long-read (MinION, Oxford Nanopore Technologies) sequencing was used to confirm species taxonomy, define antimicrobial resistance genes and determine phylogenetic relationships using single nucleotide polymorphism (SNP) profiling.Results A total of 21 organisms (10 patient-derived and 11 environmental isolates) were sequenced. Standard laboratory methods identified the outbreak strain as an ESBL-producing Klebsiella oxytoca , but taxonomic assignment from WGS data suggested closer identity to Klebsiella michiganensis. Strains isolated from baby bath drains and multiple detergent dispensing bottles were either identical or closely related by SNP comparison. Detergent bottles contaminated by K. michiganensis had been used for washing milk-expressing equipment. No new cases were identified once the detergent bottles were removed and the baby baths decommissioned.Conclusions Environmental reservoirs may be an important source in outbreaks of multi-drug resistant organisms. WGS, in conjunction with traditional epidemiological investigation, can be instrumental in revealing routes of transmission and guiding infection control responses.Key points

Stenotrophomonas maltophilia is emerging as an important cause of disease in nosocomial and community-acquired settings, including bloodstream, wound and catheter-associated infections. Cystic fibrosis airways also provide optimal growth conditions for various opportunistic pathogens with high antibiotic tolerance, including S. maltophilia . Currently, there is no rapid, cost-effective, and accurate molecular method for detecting this potentially life-threatening pathogen, particularly in polymicrobial specimens, suggesting that its true prevalence may be underestimated. Here, we used large-scale comparative genomics to identify a specific genetic target for S. maltophilia , with subsequent development and validation of a real-time PCR assay for its detection. Analysis of 165 Stenotrophomonas spp. genomes identified a 4kb region specific to S. maltophilia , which was targeted for Black Hole Quencher assay design. Our assay yielded the positive detection of 89 of 89 (100%) clinical S. maltophilia strains, and no amplification of 23 non- S. maltophilia clinical isolates. S. maltophilia was detected in 10/16 CF sputa, demonstrating the utility for direct detection in respiratory specimens. The assay demonstrated good sensitivity, with limits of detection and quantitation on pure culture of ~10 and ~100 genome equivalents, respectively. Our assay provides a highly specific, sensitive, and cost-effective method for the accurate identification of S. maltophilia , and will improve the diagnosis and treatment of this under-recognized pathogen by enabling its accurate and rapid detection from polymicrobial clinical and environmental samples.

Cefiderocol is a novel cephalosporin designed to treat multidrug resistant Gram-negative infections. By forming a chelated complex with ferric iron, cefiderocol is transported into the periplasmic space via bacterial iron transport systems and primarily binds to penicillin-binding protein 3 (PBP3) to inhibit peptidoglycan synthesis. This mode of action results in cefiderocol having greater in vitro activity against many Gram-negative bacilli than currently used carbapenems, β-lactam/β-lactamase inhibitor combinations, and cephalosporins. Thus, we investigated the in vitro activity of cefiderocol (S-649266) against a total of 271 clinical isolates of Burkholderia pseudomallei from Australia. The collection was comprised of primary isolates (92.3%) and subsequent isolates (7.7%). Minimum inhibitory concentrations (MIC) of cefiderocol ranged from ≤0.03 to 32 mg/L, where the MIC90 was 1 mg/L and 16 mg/L for primary and subsequent isolates, respectively. Based upon non-species specific (Gram-negative bacilli) clinical breakpoints for cefiderocol (MIC ≤ 4 mg/L), twelve isolates (4.4%) would be classified as non-susceptible. Further testing for co-resistance to meropenem, ceftazidime, trimethoprim-sulfamethoxazole, amoxicillin-clavulanate and doxycycline was performed on a subset of isolates with elevated cefiderocol MICs (≥2 mg/L, 4.8%) and 84.6% of these isolates exhibited resistance to at least one of these antimicrobials. Cefiderocol was found to be highly active in vitro against B. pseudomallei primary clinical isolates. This novel compound shows great potential for the treatment of melioidosis in endemic countries and should be explored further.

Abstract Penicillin susceptible Staphylococcus aureus (PSSA) may occasionally be encountered as a cause of complicated S. aureus infection, such as endocarditis or bloodstream infections. Clinicians may choose to treat these patients with penicillin over a semi-synthetic penicillin derivative, such as flucloxacillin or oxacillin, due to a favourable Pk/Pd profile. In this study, we prospectively evaluated the penicillin disc (1-IU) method for detection of blaZ , with interpretation of the penicillin edge according to EUCAST recommendations. 472 PSSA isolates were collected between September 2014 to December 2015 from three clinical microbiology laboratories in Queensland, Australia. Initial antimicrobial susceptibility testing was performed by the Vitek 2 system. Real-time PCR for blaZ was performed following phenotypic testing with the 1-IU penicillin disc and the PCR used as the gold standard for detection of penicillinase. The prevalence of blaZ amongst the isolates was 7%. The sensitivity, specificity, positive predictive value and negative predictive value of the penicillin disc method was 97%, 95%, 61% and 100% when compared to blaZ PCR. In summary, the penicillin disc zone size and edge interpretation is a reliable method for detection of blaZ in S. aureus isolates that otherwise test susceptible to penicillin by Vitek 2 AST.

ABSTRACT Background A prerequisite to rapid molecular detection of pathogens causing bloodstream infections is an efficient, cost effective and robust DNA extraction solution. We describe methods for microbial DNA extraction direct from positive blood culture broths, suitable for metagenomic sequencing and the application of machine-learning based tools to predict antimicrobial susceptibility. Methods Prospectively collected culture-positive blood culture broths with Gram-negative bacteria, were directly extracted using various commercially available kits. We compared methods for efficient inhibitor removal, avoidance of DNA shearing or degradation, to achieve DNA of high quality and purity. Bacterial species identified via whole-genome metagenomic sequencing (Illumina, MiniSeq) from blood culture extracts were compared to conventional methods from cultured isolates (Vitek MS). A machine-learning algorithm (AREScloud) was used to predict susceptibility against commercially available antibiotics, compared to susceptibility testing (Vitek 2) and other commercially available rapid diagnostic instruments (Accelerate Pheno and BCID). Results A two-kit method using a modified MolYsis Basic kit (for host DNA depletion) and extraction using Qiagen DNeasy UltraClean microbial kits resulted in optimal extractions appropriate for multiple molecular applications, including PCR, short-read and long-read sequencing. DNA extracts from 40 blood culture broths were included. Taxonomic profiling by direct metagenomic sequencing matched species identification by conventional methods in 38/40 (95%) of samples, with two showing agreement to genus level. In two polymicrobial samples, a second organism was missed by sequencing. Whole genome sequencing antimicrobial susceptibility testing (WGS-AST) models were able to accurately infer profiles for 6 common pathogens against 17 antibiotics. Overall categorical agreement (CA) was 95%, with 11% very major errors (VME) and 3.9% major errors (ME). CA for WGS-AST was >95% for 5/6 of the most common pathogens ( E. coli, K. pneumoniae, P. mirabilis, P. aeruginosa and C. jejuni ) while it was lower for K. oxytoca (66.7%), likely due to the presence of inducible cephalosporinases. Performance of WGS-AST was sub-optimal for uncommon pathogens (e.g. Elizabethkingia ) and some combination antibiotic compounds (e.g. ticarcillin-clavulanate). Time to pathogen identification and resistance gene detection was fastest with BCID (1 h from blood culture positivity). Accelerate Pheno provided a rapid MIC result in approximately 8 h. While Illumina based direct metagenomic sequencing did not result in faster turn-around times compared conventional methods, use of real-time nanopore sequencing may allow faster data acquisition. Conclusions The application of direct metagenomic sequencing from positive blood culture broths is a feasible approach and solves some of the challenges of sequencing from low-bacterial load samples. Machine-learning based algorithms are also accurate for common pathogen / drug combinations, although additional work is required to optimise algorithms for uncommon species and more complex resistance genotypes, as well as streamlining methods to provide more rapid sequencing results.