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Type: Trabalho de Conclusão de Curso
Title: Caracterização molecular e predição de resistência antimicrobiana em isolados Gram-negativos de pacientes hospitalizados em Governador Valadares, Brasil
Author: Silva, Josimar Leonardo da
First Advisor: Oliveira, Marcelo Nagem Valério de
Co-Advisor: Colombo, Lívia Tavares
Referee Member: Moreira, Michel Rodrigues
Referee Member: Homaidan, Polyana Soares
Resumo: Contexto: Em ambientes hospitalares, cepas bacterianas resistentes a antibióticos representam uma grave ameaça à saúde de pacientes e visitantes, aumentando as taxas de readmissão hospitalar, utilização de antibióticos de amplo espectro e o risco de óbito. Os principais mecanismos encontrados nas linhagens resistentes envolvem a expressão de β-lactamases, modulação da permeabilidade da membrana e produção de bombas de efluxo. Destes, as β- lactamases têm sido cada vez mais detectadas em pacientes hospitalizados e na comunidade desde a década de 1980, sendo de grande importância clínica. Este trabalho coletou isolados bacterianos Gram-negativos no período de um ano e investigou a presença de genes codificantes de beta-lactamases com o objetivo de criar um modelo de predição de resistência a antibióticos. Resultados: Foram coletados e estocados 330 isolados bacterianos Gram-negativos de pacientes internados, com predomínio de E. coli, K. pneumoniae, P. aeruginosa e A. baumannii. Destes, 176 apresentaram resistência a cefalosporina de 3° ou 4° geração, ou carbapenêmicos, ou monobactâmicos ou Amoxicilina com Ácido Clavulânico. Os principais antibióticos contra os quais houve resistência foram Ceftazidima (84%), Ceftriaxona (81%), Amoxicilina/Ácido Clavulânico (80%), Cefepima (73%) e Aztreonam (72%). Os genes encontrados com maior frequência foram blaCTX e blaTEM. K. pneumoniae foi a principal espécie ligada aos genes, representando 40,6% para blaKPC, 53,8% para blaCTX, 68,4% para blaSHV e 45,4% para blaTEM. A análise filogenética indicou alta similaridade entre as sequências de um mesmo gene, mesmo quando isoladas em diferentes datas ou locais, indicando transferência gênica. A presença do gene blaKPC apresentou associação estatisticamente significativa com resistência a Cefepima, Ceftazidima, Ertapenem, Imipenem e Meropenem. O gene blaCTX foi relacionado ao Aztreonam e Ceftriaxona e o gene blaSHV foi relacionado a sensibilidade à Amoxicilina/Ácido Clavulânico. Somente o gene blaTEM não apresentou alguma relação estatística. Os testes feitos com os cinco algoritmos de aprendizagem de máquina, mostraram que o modelo Random Forest (RF) apresentou os melhores resultados e permitiu construir um modelo para predição de resistência baseado na presença/ausência dos genes estudados. Conclusão: K. pneumoniae foi a principal espécie relacionada a resistência no cenário analisado, sendo o gene de maior impacto clínico blaKPC, além disso, foi identificado indícios de persistência clonal e de transmissão genética horizontal. O modelo de Aprendizado de máquina aplicado foi capaz de prever satisfatoriamente o fenótipo de resistência aos antibióticos estudados, indicando que o aprofundamento dos estudos pode aprimorar o modelo e impactar positivamente a predição de resistência a antibióticos em isolados bacterianos Gram- negativos de ambiente hospitalar.
Abstract: Context: In hospital settings, antibiotic-resistant bacterial strains pose a serious threat to patients and visitors, increasing hospital readmission rates, broad-spectrum antibiotic use, and mortality. The main mechanisms of resistance involve the expression of β-lactamases, changes in membrane permeability, and efflux pumps. Among these, β-lactamases have been increasingly detected since the 1980s and remain of great clinical importance. This study collected Gram-negative bacterial isolates over one year and investigated the presence of β- lactamase-encoding genes to build a predictive model of antibiotic resistance. Results: We collected 330 Gram-negative isolates, predominantly E. coli, K. pneumoniae, P. aeruginosa, and A. baumannii. Among them, 176 showed resistance to third- or fourth- generation cephalosporins, carbapenems, monobactams, or amoxicillin/clavulanic acid. The most common resistant profiles were to ceftazidime (84%), ceftriaxone (81%), amoxicillin/clavulanic acid (80%), cefepime (73%), and aztreonam (72%). The most frequently detected genes were blaCTX and blaTEM. K. pneumoniae was most often associated with these genes, representing 40.6% of blaKPC, 53.8% of blaCTX, 68.4% of blaSHV, and 45.4% of blaTEM. Phylogenetic analysis revealed high sequence similarity among isolates carrying the same gene, suggesting horizontal gene transfer. blaKPC was significantly associated with resistance to cefepime, ceftazidime, ertapenem, imipenem, and meropenem; blaCTX with aztreonam and ceftriaxone; and blaSHV with amoxicillin/clavulanic acid sensitivite. blaTEM showed no significant association. Tests with five machine learning algorithms indicated that Random Forest yielded the best performance, allowing the creation of a predictive model of resistance based on the presence or absence of these genes. Conclusion: K. pneumoniae was the primary species linked to resistance, with blaKPC being the most clinically impactful gene. Evidence of clonal persistence and horizontal gene transfer was observed. The machine learning model successfully predicted the resistance phenotype, suggesting that further refinement may enhance its utility for predicting antibiotic resistance in Gram-negative hospital isolates.
Keywords: Resistência bacteriana
Gene de resistência
Beta-lactamase
Hospital
Aprendizado de máquina
Gram-negativo
Bacterial resistance
Resistence gene
Beta-lactamase
Hospital
Learn machine
Gram-negative
CNPq: CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::FARMACIA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora - Campus Avançado de Governador Valadares
Institution Initials: UFJF/GV
Department: ICV - Instituto de Ciências da Vida
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19145
Issue Date: 4-Jul-2025
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