Биологические свойства и генетическая структура клинических изолятов комплекса видов Klebsiella pneumoniae

Комплекс видов Klebsiella pneumoniae (Kp) представляет собой генетически и  экологически разнообразную группу бактерий, вызывающую широкий спектр инфекций у людей и животных.

Цель исследования. Биологическая характеристика и  генотипирование на  основе изучения разных локусов клинических изолятов Klebsiella pneumoniae.

Материалы и методы. Объектом исследования стали три клинических изолята Kp, выделенные из разных биотопов пациентов детского многопрофильного стационара регионального уровня. В работе использован комплекс бактериологических, молекулярно-генетических и  биоинформационных методов. Генотипирование изолятов проводили с использованием сервиса Института Пастера для штаммов видового комплекса K. pneumoniae.

Результаты. Все штаммы были чувствительны к антимикробным препаратам групп карбапенемы (имипенем, меропенем) и тетрациклины (тигециклин) и демонстрировали высокую чувствительность к бактериофагу клебсиелл поливалентный. У  изолятов Kp ODKB-16 и  ODKB-81 отмечена антибиотикорезистентность к семи и восьми антимикробным препаратам соответственно.

Согласно результатам мультилокусного типирования, все штаммы отнесены к филогруппе Kp1, имели K2-тип и различались по сиквенс-типам, профилю scgMLST629 и KL-типу. Штамм Kp ODKB-16 был определён как ST-65, scgST-11107, KL2; ODKB-07 – как  ST-219, scgST-6401, KL125KL114; ODKB-81 – как  ST-86, scgST-2800, KL2KL30. Кластеры генов вирулентности AbST, CbST, YbST, SmST и  RmST были охарактеризованы только в  геноме изолята Kp ODKB-16, что  позволяет охарактеризовать его как  высоковирулентный с  множественной лекарственной устойчивостью (МЛУ). Дополнительно у всех штаммов выявлены гены, ответственные за синтез фимбриальных адгезинов 1-го и 3-го типов, а локусы ter-оперона – только у Kp ODKB-16. Анализ резистома показал, что все штаммы имели генотип 2b. Плазмиды были определены в геномах Kp ODKB-81 (IncI2) и ODKB-16 (IncFIA + IncFIB + IncHI1B).

Заключение. Использована комплексная схема для геномной таксономии клинических изолятов, которая может способствовать унификации глобальных и  региональных особенностей возникновения и  микроэволюции бактериальных патогенов.

1. Wyres KL, Lam MMC, Holt KE. Population genomics of Klebsiella pneumoniae. Nat Rev Microbiol. 2020; 18(6): 344-359. doi: 10.1038/s41579-019-0315-1

2. Bialek-Davenet S, Criscuolo A, Ailloud F, Passet V, Jones L, Delannoy-Vieillard AS, et al. Genomic definition of hypervirulent and multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae clonal groups. Emerg Infect Dis. 2014; 20(11): 1812-1820. doi: 10.3201/eid2011.140206

3. Hennart M, Guglielmini J, Bridel S, Maiden MCJ, Jolley KA, Criscuolo A, et al. A dual barcoding approach to bacterial strain nomenclature: Genomic taxonomy of Klebsiella pneumoniae strains. Mol Biol Evol. 2022; 39(7): msac135. doi: 10.1093/molbev/msac135

4. Gonzalez JM, Puerta-Fernández E, Santana MM, Rekadwad B. On a non-discrete concept of prokaryotic species. Microorganisms. 2020; 8(11): 1723. doi: 10.3390/microorganisms8111723

5. Maiden MC, Bygraves JA, Feil E, Morelli G, Russell JE, Urwin R, et al. Multilocus sequence typing: A portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998; 95(6): 3140-3145. doi: 10.1073/pnas.95.6.3140

6. Achtman M, Wain J, Weill F-X, Nair S, Zhou Z, Sangal V, et al. Multilocus sequence typing as a replacement for serotyping in Salmonella enterica. PloS Pathog. 2012; 8(6): e1002776. doi: 10.1371/journal.ppat.1002776

7. Jolley KA, Bray JE, Maiden MCJ. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST.Org website and their applications. Wellcome Open Res. 2018; 3: 124. doi: 10.12688/wellcomeopenres.14826.1

8. Diancourt L, Passet V, Verhoef J, Grimont PA, Brisse S. Multilocus sequence typing of Klebsiella pneumoniae nosocomial isolates. J Clin Microbiol. 2005; 43: 4178-4182. doi: 10.1128/JCM.43.8.4178-4182.2005

9. Brisse S, Passet V, Haugaard AB, Babosan A, Kassis-Chikhani N, Struve C, et al. wzi gene sequencing, a rapid method for determination of capsular type for Klebsiella strains. J Clin Microbiol. 2013; 51(12): 4073-4078. doi: 10.1128/JCM.01924-13

10. Lam MMC, Wyres KL, Judd LM, Wick RR, Jenney A, Brisse S, et al. Tracking key virulence loci encoding aerobactin and salmochelin siderophore synthesis in Klebsiella pneumoniae. Genome Med. 2018; 10(1): 77. doi: 10.1186/s13073-018-0587-5

11. Lam MMC, Wick RR, Wyres KL, Gorrie CL, Judd LM, Jenney AWJ, et al. Genetic diversity, mobilisation and spread of the yersiniabactin-encoding mobile element ICEKp in Klebsiella pneumoniae populations. Microb Genom. 2018; 4(9): e000196. doi: 10.1099/mgen.0.000196

12. Носкова О.А., Агапова Е.Д., Батурина Е.А., Гвак Г.В. Микробиологический мониторинг в системе эпидемиологического надзора за гнойно-септическими инфекциями в детском многопрофильном стационаре. Acta biomedica scientifica. 2019; 4(5): 122-126. doi: 10.29413/ABS.2019-4.5.19

13. Немченко У.М., Кунгурцева Е.А., Григорова Е.В., Белькова Н.Л., Маркова Ю.А., Носкова О.А., и др. Моделирование бактериальных биопленок и оценка чувствительности возбудителей инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, к дезинфицирующему средству Секусепт актив. Клиническая лабораторная диагностика. 2020; 65(10): 652-658. doi: 10.18821/0869-2084-2020-65-10-652-658

14. Савилов Е.Д., Анганова Е.В., Носкова О.А., Духанина А.В. Бактериальные биоплёнки при гнойно-септических инфекциях. Acta biomedica scientifica. 2019; 4(5): 38-42. doi: 10.29413/ABS.2019-4.5.6

15. Савилов Е.Д., Маркова Ю.А., Немченко У.М., Носкова О.А., Чемезова Н.Н., Кунгурцева Е.А., и др. Способность к биопленкообразованию у возбудителей инфекций, выделенных от пациентов крупного многопрофильного детского стационара. Тихоокеанский медицинский журнал. 2020; 1: 32-35. doi: 10.34215/1609-1175-2020-1-32-35

16. Воропаева Н.М., Белькова Н.Л., Немченко У.М., Григорова Е.В., Кунгурцева Е.А., Носкова О.А., и др. Идентификация возбудителей инфекционных заболеваний при совместном использовании бактериологической диагностики и MALDI Biotyper. Acta biomedica scientifica. 2020; 5(6): 88-94. doi: 10.29413/ABS.2020-5.6.10

17. Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам: клинические рекомендации; версия 2018-03. М., 2018. URL: https://www.antibiotic.ru/files/321/clrec-dsma2018.pdf [дата доступа: 28.08.2023].

18. Определение чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам: МУК 4.2.1890-04. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200038583 [дата доступа: 28.08.2023].

19. The European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing – EUCAST. URL: https://www.eucast.org [date of access: 28.11.2023].

20. Асланов Б.И., Зуева Л.П., Кафтырева Л.А., Бойцов А.Г., Акимкин В.Г., Долгий А.А., и др. Рациональное применение бактериофагов в лечебной и противоэпидемической практике: Федеральные клинические рекомендации. М.; 2014.

21. Григорова Е.В., Рычкова Л.В., Белькова Н.Л., Немченко У.М., Савелькаева М.В., Кунгурцева Е.А., и др. Оценка литической активности препаратов бактериофагов на штаммы Klebsiella pneumoniaе, выделенных из микробиоты толстой кишки у детей с функциональными гастроинтестинальными расстройствами. Клиническая лабораторная диагностика. 2021; 66(4): 217-222. doi: 10.51620/0869-2084-2021-66-4-217-222

22. Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, et al. SPAdes: A new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing. J Comput Biol. 2012; 19(5): 455-477. doi: 10.1089/cmb.2012.0021

23. Rissman AI, Mau B, Biehl BS, Darling AE, Glasner JD, Perna NT. Reordering contigs of draft genomes using the Mauve aligner. Bioinformatics. 2009; 25: 2071-2073. doi: 10.1093/bioinformatics/btp356

24. Seemann T. Prokka: Rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014; 30(14): 2068-2069. doi: 10.1093/bioinformatics/btu153

25. Robertson J, Nash JHE. MOB-suite: Software tools for clustering, reconstruction and typing of plasmids from draft assemblies. Microb Genom. 2018; 4(8): e000206. doi: 10.1099/mgen.0.000206

26. IS FINDER. URL: https://www-is.biotoul.fr [date of access: 01.12.2023].

27. Institut Pasteur. Klebsiella pneumoniae species complex. URL: https://bigsdb.pasteur.fr/klebsiella [date of access: 28.08.2023].

28. Hynninen A, Touzé T, Pitkänen L, Mengin-Lecreulx D, Virta M. An efflux transporter PbrA and a phosphatase PbrB cooperate in a lead-resistance mechanism in bacteria. Mol Microbiol. 2009; 74(2): 384-394. doi: 10.1111/j.1365-2958.2009.06868.x

29. Vornhagen J, Bassis CM, Ramakrishnan S, Hein R, Mason S, Bergman Y, et al. A plasmid locus associated with Klebsiella clinical infections encodes a microbiome-dependent gut fitness factor. PLoS Pathog. 2021; 17(4): e1009537. doi: 10.1371/journal.ppat.1009537

30. Mason S, Vornhagen J, Smith SN, Mike LA, Mobley HLT, Bachman MA. The Klebsiella pneumoniae ter operon enhances stress tolerance. Infect Immun. 2023; 91(2): e0055922. doi: 10.1128/iai.00559-22

31. Lam MMC, Wick RR, Watts SC, Cerdeira LT, Wyres KL, Holt KE. A genomic surveillance framework and genotyping tool for Klebsiella pneumoniae and its related species complex. Nat Commun. 2021; 12(1): 4188. doi: 10.1038/s41467-021-24448-3

32. Vats P, Kaur UJ, Rishi P. Heavy metal-induced selection and proliferation of antibiotic resistance: A review. J Appl Microbiol. 2022; 132(6): 4058-4076. doi: 10.1111/jam.15492

33. Ковальчук С.Н., Федорова Л.С., Ильина Е.Н. Молекулярные механизмы микробной устойчивости к дезинфицирующим средствам. Антибиотики и химиотерапия. 2023; 68(1-2): 45-56. doi: 10.37489/0235-2990-2023-68-1-2-45-56