Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1902910.36233/0372-9311-709GWPBSGREVIEWSОБЗОРЫReview ArticleImpact of ESBL and MBL-producing Pseudomonas aeruginosa on Caenorhabditis elegans: assessing survival, reproductive fitness, chemotaxis behaviour, and gene expressionВлияние продуцирующих ESBL и MBL бактерий Pseudomonas aeruginosa на Caenorhabditis elegans: оценка выживаемости, репродуктивной способности, хемотаксического поведения и экспрессии геновhttps://orcid.org/0009-0000-9232-2784NandanJanani
India

M.Sc. (medical microbiology), researcher, Department of microbiology, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

магистр наук (медицинская микробиология), н. с. каф. микробиологии Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

jananinandan2014@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3369-2587HeamchandsaravananAnandhakrishnan Rajaram
India

M.Sc. (medical microbiology), researcher, Department of microbiology, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

магистр наук (медицинская микробиология), н. с. каф. микробиологии Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

heamchand0314@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9055-0951SharchilCharles
India

Ph.D. (Genetics), researcher, Department of genetics, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

Ph.D. (генетика), н. с. каф. генетики Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

andrewchales@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8566-7415RamachandranVinu
India

Ph.D. (Genetics), researcher, Department of genetics, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

Ph.D. (генетика), н. с. каф. генетики Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

vinutwin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5318-6513PerumalDamodharan
India

Ph.D. (Medical microbiology), Assistant Professor, Department of microbiology

Ph.D. (медицинская микробиология), доцент, каф. микробиологии

17damzz@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4747-3799BalakrishnanAnandan
India

Ph.D. (Genetics), Assistant Professor, Department of genetics, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

Ph.D. (генетика), доц. каф. генетики Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

anand_gem@yahoo.comhttps://orcid.org/0000-0003-2866-4338DhandapaniPrabu
India

Ph.D. (Medical microbiology), Assistant Professor and Head i/c, Department of microbiology, Dr. A.L.M. PG Institute of Basic Medical Sciences

Ph.D. (медицинская микробиология), доц. и исполняющий обязанности зав. каф. микробиологии Института фундаментальных медицинских наук им. доктора A.L.M.

bruibms@gmail.comUniversity of MadrasIndira Medical College and Hospitals2912202510266756822201202622012026Copyright ©; 2025, Nandan J., Heamchandsaravanan A.R., Sharchil C., Ramachandran V., Perumal D., Balakrishnan A., Dhandapani P.Copyright ©; 2025, Nandan J., Heamchandsaravanan A.R., Sharchil C., Ramachandran V., Perumal D., Balakrishnan A., Dhandapani P.2025Nandan J., Heamchandsaravanan A.R., Sharchil C., Ramachandran V., Perumal D., Balakrishnan A., Dhandapani P.Nandan J., Heamchandsaravanan A.R., Sharchil C., Ramachandran V., Perumal D., Balakrishnan A., Dhandapani P.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/19029

Introduction. Nematode Caenorhabditis elegans is a key model for studying host–pathogen interactions. In our study, we explored the impact of extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) and metallo-beta-lactamase (MBL) producing strains of Pseudomonas aeruginosa on C. elegans, examining survival, reproductive fitness, chemotaxis behaviour, and gene expression. Both ESBL and MBL-producing P. aeruginosa showed a slow killing phenotype in C. elegans, with prolonged gut colonization and reduced lifespan compared to worms fed Escherichia coli OP50.

Materials and methods. C. elegans N2 strain was exposed to ESBL/MBL-producing P. aeruginosa strains, non-resistant P. aeruginosa, and E. coli OP50. Survival, reproductive fitness, chemotaxis, and gene expression of daf-16 and age-1 were analyzed via assays and qRT-PCR.

Results. Resistant strains caused accelerated mortality, starting on day 2, while non-resistant strains had delayed mortality from day 5. This indicates that ESBL and MBL enzymes may boost P. aeruginosa's virulence. Worms exposed to these resistant strains had reduced fecundity, showing impaired reproductive fitness. Changes in chemotaxis behaviour suggested that virulence factors and quorum sensing might affect how worms seek food. Gene expression analysis revealed significant changes in daf-16, a gene involved in stress resistance and immunity, in response to ESBL and MBL strains. However, there were no significant differences in the expression of age-1, indicating other mechanisms at play besides insulin/insulin-like growth factor signalling.

Conclusion. This study highlights the complex interactions between bacterial virulence, host survival, and reproductive behaviour. By exploring the effects of antibiotic resistance on C. elegans, we offer insights into the broader implications of antibiotic-resistant infections and potential strategies for managing them.

Введение. Нематода Caenorhabditis elegans является ключевой моделью для изучения взаимодействий между хозяином и патогеном. В нашем исследовании мы изучили влияние штаммов Pseudomonas aeruginosa, продуцирующих расширенный спектр бета-лактамаз (ESBL) и металло-бета-лактамаз (MBL), на выживаемость, репродуктивную способность, хемотаксическое поведение и экспрессию генов C. elegans. Как ESBL-, так и MBL-продуцирующие штаммы P. aeruginosa проявляли фенотип медленного убийства у C. elegans с продолжительной колонизацией кишечника и сокращённой продолжительностью жизни по сравнению с червями, питавшимися Escherichia coli OP50.

Материалы и методы. Штамм C. elegans N2 подвергали воздействию штаммов P. aeruginosa, продуцирующих ESBL/MBL, нерезистентного штамма P. aeruginosa и E. coli OP50. Выживаемость, плодовитость, хемотаксис и экспрессия генов daf-16 и age-1 были проанализированы с помощью тестов и qRT-PCR.

Результаты. Антибиотикорезистентные штаммы вызывали ускоренную смертность, начиная с 2-го дня, в то время как нерезистентные штаммы вызывали смертность позже, начиная с 5-го дня. Это указывает на то, что ферменты ESBL и MBL могут усиливать вирулентность P. aeruginosa. Черви, подвергшиеся воздействию антибиотикорезистентных штаммов, имели сниженную плодовитость, что указывает на ухудшение репродуктивной способности. Изменения в поведении хемотаксиса предполагали, что факторы вирулентности и кворум-сенсинг могут влиять на то, как черви ищут пищу. Анализ экспрессии генов выявил значительные изменения в гене daf-16, участвующем в сопротивляемости стрессу и иммунитете, в ответ на штаммы ESBL и MBL. Однако значительных различий в экспрессии age-1 не было, что указывает на наличие других механизмов, помимо сигнальных путей инсулина/инсулиноподобного фактора роста.

Заключение. Данное исследование подчёркивает сложные взаимодействия между вирулентностью бактерий, выживанием хозяев и репродуктивным поведением. Изучая влияние антибиотикорезистентности на C. elegans, мы предлагаем понимание более широких последствий инфекций, устойчивых к антибиотикам, и потенциальные стратегии их управления.

Caenorhabditis elegansPseudomonas aeruginosaextended-spectrum beta-lactamasemetallo-beta-lactamaseаntimicrobial resistanceCaenorhabditis elegansPseudomonas aeruginosaESBLMBLантимикробная резистентностьSifri C.D., Begun J., Ausubel F.M. The worm has turned – microbial virulence modeled in Caenorhabditis elegans. Trends Microbiol. 2005;13(3):119–27. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tim.2005.01.003Tan M.W., Mahajan-Miklos S., Ausubel F.M. Killing of Caenorhabditis elegans by Pseudomonas aeruginosa used to model mammalian bacterial pathogenesis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1999;96(2):715–20. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.96.2.715Tan M.W., Rahme L.G., Sternberg J.A., et al. Pseudomonas aeruginosa killing of Caenorhabditis elegans used to identify P. aeruginosa virulence factors. Proc. Natl Acad. Sci. U. S. A. 1999;96(5):2408–13. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.96.5.2408Kirienko N.V., Cezairliyan B.O., Ausubel F.M., Powell J.R. Pseudomonas aeruginosa PA14 pathogenesis in Caenorhabditis elegans. Methods Mol. Biol. 2014;1149:653–69. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0473-0_50Heurlier K., Dénervaud V., Haas D. Impact of quorum sensing on fitness of Pseudomonas aeruginosa. Int. J. Med. Microbiol. 2006;296(2-3):93–102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2006.01.043Bradford P.A. Extended-spectrum beta-lactamases in the 21st century: characterization, epidemiology, and detection of this important resistance threat. Clin. Microbiol. Rev. 2001;14(4):933–51. DOI: https://doi.org/10.1128/CMR.14.4.933-951.2001Ghanem S.M., Abd El-Baky R.M., Abourehab M.A.S., et al. Prevalence of quorum sensing and virulence factor genes among Pseudomonas aeruginosa isolated from patients suffering from different infections and their association with antimicrobial resistance. Infect. Drug Resist. 2023;16:2371–85. DOI: https://doi.org/10.2147/IDR.S403441Moradali M.F., Ghods S., Rehm B.H. Pseudomonas aeruginosa lifestyle: a paradigm for adaptation, survival, and persistence. Front. Cell Infect. Microbiol. 2017;7:39. DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2017.00039Riquelme S.A., Liimatta K., Wong Fok Lung T., et al. Pseudomonas aeruginosa utilizes host-derived itaconate to redirect its metabolism to promote biofilm formation. Cell Metab. 2020;31(6):1091–106.e6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.04.017Maurice N.M., Bedi B., Sadikot R.T. Pseudomonas aeruginosa biofilms: host response and clinical implications in lung infections. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2018;58(4):428–39. DOI: https://doi.org/10.1165/rcmb.2017-0321TREdward E.A., El Shehawy M.R., Abouelfetouh A., Aboulmagd E. Prevalence of different virulence factors and their association with antimicrobial resistance among Pseudomonas aeruginosa clinical isolates from Egypt. BMC Microbiol. 2023;23(1):161. DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-023-02897-8Bae I.K., Suh B., Jeong S.H., et al. Molecular epidemiology of Pseudomonas aeruginosa clinical isolates from Korea producing β-lactamases with extended-spectrum activity. Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 2014;79(3):373–7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2014.03.007Irazoqui J.E., Troemel E.R., Feinbaum R.L., et al. Distinct pathogenesis and host responses during infection of C. elegans by P. aeruginosa and S. aureus. PLoS Pathog. 2010;6(7):e1000982. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1000982Papaioannou E., Utari P.D., Quax W.J. Choosing an appropriate infection model to study quorum sensing inhibition in Pseudomonas infections. Int. J. Mol. Sci. 2013;14(9):19309–40. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms140919309Hoffmann J.A., Kafatos F.C., Janeway C.A., Ezekowitz R.A. Phylogenetic perspectives in innate immunity. Science. 1999;284(5418):1313–8. DOI: https://doi.org/10.1126/science.284.5418.1313Balla K.M., Troemel E.R. Caenorhabditis elegans as a model for intracellular pathogen infection. Cell. Microbiol. 2013;15(8):1313–22. DOI: https://doi.org/10.1111/cmi.12152Baumeister R., Schaffitzel E., Hertweck M. Endocrine signaling in Caenorhabditis elegans controls stress response and longevity. J. Endocrinol. 2006;190(2):191–202. DOI: https://doi.org/10.1677/joe.1.06856Zarroug S.H.O., Bajaman J.S., Hamza F.N., et al. Caenorhabditis elegans as an in vivo model for the discovery and development of natural plant-based antimicrobial compounds. Pharmaceuticals (Basel). 2023;16(8):1070. DOI: https://doi.org/10.3390/ph16081070Adonizio A., Kong K.F., Mathee K. Inhibition of quorum sensing-controlled virulence factor production in Pseudomonas aeruginosa by South Florida plant extracts. Antimicrob. Agents Chemother. 2008;52(1):198–203. DOI: https://doi.org/10.1128/AAC.00612-07Kurz C.L., Ewbank J.J. Caenorhabditis elegans: an emerging genetic model for the study of innate immunity. Nat. Rev. Genet. 2003;4(5):380–90. DOI: https://doi.org/10.1038/nrg1067Irazoqui J.E., Urbach J.M., Ausubel F.M. Evolution of host innate defence: insights from Caenorhabditis elegans and primitive invertebrates. Nat. Rev. Immunol. 2010;10(1):47–58. DOI: https://doi.org/10.1038/nri2689Mahajan-Miklos S., Tan M.W., Rahme L.G., Ausubel F.M. Molecular mechanisms of bacterial virulence elucidated using a Pseudomonas aeruginosa – Caenorhabditis elegans pathogenesis model. Cell. 1999;96(1):47–56. DOI: https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)80958-7Wittkowski P., Marx-Stoelting P., Violet N., et al. Caenorhabditis elegans as a promising alternative model for environmental chemical mixture effect assessment – a comparative study. Environ. Sci. Technol. 2019;53(21):12725–33. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.9b03266Zečić A., Braeckman B.P. DAF-16/FoxO in Caenorhabditis elegans and its role in metabolic remodeling. Cells. 2020;9(1):109. DOI: https://doi.org/10.3390/cells9010109Jia K., Thomas C., Akbar M., et al. Autophagy genes protect against Salmonella typhimurium infection and mediate insulin signaling-regulated pathogen resistance. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2009;106(34):14564–9. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0813319106Singh V., Aballay A. Regulation of DAF-16-mediated innate immunity in Caenorhabditis elegans. J. Biol. Chem. 2009;284(51):35580–7. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.M109.060905Lin K., Dorman J.B., Rodan A., Kenyon C. daf-16: An HNF-3/forkhead family member that can function to double the life-span of Caenorhabditis elegans. Science. 1997;278(5341):1319–22. DOI: https://doi.org/10.1126/science.278.5341.1319Li W.J., Wang C.W., Tao L., et al. Insulin signaling regulates longevity through protein phosphorylation in Caenorhabditis elegans. Nat. Commun. 2021;12(1):4568. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24816-zCheng C.L., Gao T.Q., Wang Z., Li D.D. Role of insulin/insulin-like growth factor 1 signaling pathway in longevity. World J. Gastroenterol. 2005;11(13):1891–5. DOI: https://doi.org/10.3748/wjg.v11.i13.1891