[논문 리뷰] A Model of the Number of Antibiotic Resistant Bacteria in Rivers

Bonita Lawrence, Anna Mummert외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 08.

Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강에서 항생제 내성 및 내성 없는 박테리아의 역학을 시뮬레이션하기 위해 비선형 수학적 모델을 제안한다. 이 모델은 육상에서 유입되는 박테리아, 유전자 손실, 강의 수용 능력을 포함한다. 시뮬레이션 결과, 육상에서 빈번한 박테리아 유입이 발생하면 내성 균주가 지배하게 되며, 간헐적인 유입은 유전자 손실을 통해 회복을 가능하게 하여, 강 주변에서 항생제 사용을 줄이면 환경 내 내성 전파를 완화할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The large reservoir of antibiotic resistant bacteria in raw and treated water supplies is a matter of public health concern. Currently, the National Antimicrobial Resistance Monitoring Systems, a collaborative effort of the Centers for Disease Control, the US Department of Agriculture, and the US Food and Drug Administration, does not monitor antimicrobial resistance in surface waters. Given the serious nature of antibiotic resistance in clinical settings, and the likelihood that antibiotic resistant bacteria can be transmitted to humans from large environmental reservoirs via drinking water, explanations for the distribution of antibiotic resistant bacteria and tools for studying this distribution must be found. Here we focus on mathematical modeling of cultivable bacteria in a river, which will be used to study the distribution of antibiotic resistant bacteria in the environment. We consider both antibiotic resistant and non-antibiotic resistant bacteria in the model, and, taking into account the strong correlation between land use and antibiotic resistant bacteria in rivers, we include a function for the influx of bacteria into the river from the shore. We simulate the model for two different time scales and show that if there is too many bacteria from the land entering the river, the river entirely fills with antibiotic resistant bacteria, while less frequent influxes allows time for the bacteria to lose the antibiotic resistant gene. This mathematically verifies that reduction in antibiotic use near the banks of rivers, will reduce the counts of antibiotic resistant bacteria in rivers.

연구 동기 및 목표

• 표면수에서 항생제 내성 박테리아에 대한 환경 모니터링의 부족을 해결하기 위해, 특히 임상 및 식품 안전 감시 외부에서의 모니터링 부족을 보완하고자 한다.
• 강 수계에서 배양 가능한 항생제 내성 박테리아의 분포 및 역학을 모델링하여 환경 내 저류를 집중적으로 다루고자 한다.
• 강변에서의 농업 및 박테리아 유입이 강 내 항생제 내성의 빈도에 어떤 영향을 미치는지 조사하고자 한다.
• 저항성 역학 예측 및 공중보건 간병 조치를 위한 수학적 프레임워크를 제공하고자 한다.

제안 방법

• 일반 미분방정식의 시스템을 사용하여 강 내 항생제 내성 및 내성 없는 박테리아의 인구 역학을 모델링한다.
• 농업, 도시, 산업적 원천에서 기인하는 땅에서 유입되는 박테리아의 시간에 따라 변하는 유입 함수 F_S(t) 및 F_I(t)를 포함한다.
• 유전자 전이 및 손실은 내성 박테리아가 시간이 지남에 따라 저항성을 상실할 수 있도록 동적 메커니즘으로 모델링되며, 복구는 유입 간격에 따라 달라진다.
• 강의 수용 능력 K(t)는 총 박테리아 인구를 제한하는 시간 및 위치에 따라 변하는 요소로 포함된다.
• 모델은 강 내 박테리아의 균일한 혼합을 가정하며, 일차원 유속과 균일한 조건을 갖춘 강으로 간주한다.
• 단기적 유입 영향과 장기적 복구 역학을 평가하기 위해 두 가지 시간 척도로 시뮬레이션을 실행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 육상에서의 박테리아 유입 빈도와 크기가 강 내 항생제 내성 박테리아 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유입이 너무 흔하지 않아서 유전자 손실이 가능할 경우, 강이 높은 수준의 항생제 내성 박테리아에서 회복할 수 있는가?
• RQ3 농업 및 도시 개발과 같은 땅 이용 패atters가 강 수계 내 항생제 내성 증가와 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ4 강의 수용 능력이 항생제 내성 박테리아의 지속성과 확산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 항생제 내성 유전자 손실이 유입 사건 이후 강 내 박테리아 인구의 회복에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 육상에서의 빈번한 박테리아 유입은 항생제 내성 박테리아가 완전히 지배하게 하여 강이 내성 균주로 점령당함을 초래한다.
• 유입 사건 간 충분한 시간이 확보되면 내성 박테리아가 저항성을 상실하고 비내성 균주가 재정착함으로써 강이 회복될 수 있다.
• 모델은 강 주변에서 항생제 사용을 줄이면 환경 내 내성 박테리아 저류를 상당히 감소시킬 수 있음을 시사한다.
• 모델의 예측 결과는 F_S(t) 및 F_I(t)의 형태와 시기 민감도를 보이며, 이는 땅 이용 기반 입력 데이터의 정확성 확보가 중요함을 강조한다.
• 현재의 모니터링 체계인 NARMS는 대변 지표 박테리아로 캡처되지 않는 환경 내 항생제 내성의 주요 저류를 놓칠 수 있음을 모델이 시사한다.
• 공간적 및 유전적 복잡성(예: 수평 유전자 전달 및 저항 수준의 이질성)은 아직 완전히 반영되지 않아 향후 모델 개선이 필요함을 시사한다.