Молекулярно-генетические маркеры резистентности и вирулентности инвазивных штаммов Klebsiella pneumoniae по данным полногеномного секвенирования

Цель исследования. С использованием полногеномного секвенирования оценить генетические механизмы антибиотикорезистентности и вирулентности инвазивных штаммов Klebsiella pneumoniae, выделенных от госпитализированных пациентов.

Материалы и методы. Для двух устойчивых к карбапенемам множественно-антибиотикорезистентных инвазивных штаммов K. pneumoniae, а также двух чувствительных к карбапенемам инвазивных штаммов К. pneumoniae выполнено секвенирование в геномном секвенаторе MiSeq (Illumina). Проведена сборка геномных последовательностей и их аннотация. Выполнено определение сиквенс-типа, поиск плазмид и факторов вирулентности, генов антибиотикорезистентности и механизмов эффлюкса.

Результаты. Штаммы K. pneumoniae относились к сиквенс-типам ST395, ST101, ST111, ST512 и имели гипермукоидный фенотип. Гены аэробактина iutA были обнаружены как у чувствительных, так и у резистентных к карбапенемам штаммов. У одного выделенного из крови штамма выявлены гены вирулентности fimH, fyuA, irp2. У двух штаммов выявлены гены карбапенемаз (blaKPC, blaNDM). Гены устойчивости к аминогликозидам и фторхинолонам выявлены у трех из четырех штаммов. У всех штаммов отмечено присутствие различных систем активного выведения антибиотиков из микробной клетки.

Заключение. Показана возможность идентификации гипервирулентных штаммов K. pneumoniae при комплексном использовании фенотипического теста наряду с генотипированием hvKp. Результаты полногеномного секвенирования отражают значительную устойчивость выделенных из крови гипермукоидных штаммов K. pneumoniae к большинству антибиотиков, включая β-лактамы, аминогликозиды, фторхинолоны, фосфомицин, хлорамфеникол, полимиксины.

1. Togawa A, Toh H, Onozawa K, Yoshimura M, Tokushige C, et al. Influence of the bacterial phenotypes on the clinical manifestations in Klebsiella pneumoniae bacteremia patients: a retrospective cohort study. J Infect Chemother. 2015 Jul;21(7):531-537. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiac.2015.04.004

2. Liu C, Guo J. Hypervirulent Klebsiella pneumonia (hypermucoviscous and aerobactin positive) infection over 6 years in the elderly in China: antimicrobial resistance patterns, molecular epidemiology and risk factor. Ann clin microbiol. 2019 Jan 21;18(1):4. DOI: https://doi.org/10.1186/s12941-018-0302-9

3. Rossi B, Gasperini ML, Leflon-Guibout V, Gioanni A, de Lastours V, Rossi G, et al. Hypervirulent Klebsiella pneumonia in cryptogenic liver abscesses, Paris, France. Emerg Infect Dis. 2018 Feb;24(2):221-229. DOI: https://doi.org/10.3201/eid2402.170957

4. Parrott AM, Shi J, Aaron J, Green DA, et al. Detection of multiple hypervirulent Klebsiella pneumoniae strains in a New York City hospital through screening of virulence genes. Clin. Microbiol.Infect. 2021 Apr;27(4):583-589. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmi.2020.05.012

5. Dong N, Yang X, Zhang R, Chan EW-C, Chen S. Tracking microevolution events among ST11 carbapenemase-producing hypervirulent Klebsiella pneumoniae outbreak strains. Emerg Microbes Infect. 2018 Aug 12;7(1):146. DOI: https://doi.org/10.1038/s41426-018-0146-6

6. Sanikhani R, Moeinirad M, Shahcheraghi F, Lari A, Fereshteh S, Sepehr A, et al. Molecular epidemiology of hypervirulent Klebsiella pneumoniae: a systematic review and meta-analysis. Iran J Microbiol. 2021 Jun;13(3):257-265. DOI: https://doi.org/10.18502/ijm.v13i3.6384

7. Liao W, De Wang L, Li D, Du F-L, Long D, Liu Y, et al. High Prevalence of 16s rRNA methylase genes among carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae isolates in a Chinese Tertiary Hospital. Microb Drug Resist. 2021 Jan;27(1):44-52. DOI: https://doi.org/10.1089/mdr.2019.0482

8. RR, Judd LM, Froumine R, Tokolyi A, Gorrie CL et al. Distinct evolutionary dynamics of horizontal gene transfer in drug resistant and virulent clones of Klebsiella pneumoniae. PLoS Genet. 2019 Apr 15;15(4):e1008114. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008114

9. Feng Y, Lu Y, Yao Z, Zong Z. Carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumonia of sequence type 36. Antimicrob Agents Chemother. 2018 Jun 26;62(7):e02644-17. DOI: https://doi.org/10.1128/AAC.02644-17

10. Yan J, Wang M, Zheng P, Tsai L, Wu J. Associations of the major international high-risk resistant clones and virulent clones with specific ompK36 allele groups in Klebsiella pneumonia in Taiwan. N Microbes New Infect. 2015 Feb;5:1-4. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nmni.2015.01.002

11. Hamzaoui Z, Ocampo-Sosa A, Martinez MF, Landolsi S, Ferjani S, Maamar E, et al. Role of association of OmpK35 and OmpK36 alteration and blaESBL and/or blaampC genes in conferring carbapenem resistance among non-carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae. Int J Antimicrob Agents. 2018 Dec;52(6):898-905. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2018.03.020

12. Li G, Shi J, Zhao Y, Xie Y, Tang Y, Jiang X, et al. Identification of hypervirulent Klebsiella pneumonia isolates using the string test in combination with Galleria mellonella infectivity. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2020 Sep;39(9):1673-1679. DOI: https://doi.org/10.1007/s10096-020-03890-z

13. Russo TA, Olson R, Fang CT, Stoesser N, Miller M, MacDonald U, et al. Identification of biomarkers for differentiation of hypervirulent Klebsiella pneumonia from classical K. pneumoniae. J Clin Microbiol. 2018 Aug 27;56(9):e00776-18. DOI: https://doi.org/10.1128/JCM.00776-18

14. Hao M, Shi X, Lv J, Niu S, Cheng S, Du H, et al. In vitro activity of apramycin against carbapenem-resistant and hypervirulent Klebsiella pneumoniae isolates. Front. Microbiol. 2020 Mar 13;11:425. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00425

15. Shankar C, Jacob JJ, Vasudevan K, Biswas R, Manesh A, et al. Emergence of multidrug resistant hypervirulent ST23 Klebsiella pneumoniae: multidrug resistant plasmid acquisition drives evolution. Front. cell Infect. Microbiol. 2020 Nov 20;10:575289. DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.575289

16. Gu D, Dong N, Zheng Z, Lin D, et al. A fatal outbreak of ST11 carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae in a Chinese hospital: a molecular epidemiological study. Lancet Infect. Dis. 2018,18:37-46. DOI: https://doi.org/10.1016/S1473-3099(17)30489-9

17. Gorrie CL, Mirceta, M, Wick RR, Edwards DJ, Thomson NR, Strugnell RA, et al. Gastrointestinal carriage is a major reservoir of Klebsiella pneumoniae infection in intensive care patients. Clin. Infect. Dis. 2017 Jul 15;65(2):208-215. DOI: https://doi.org/10.1093/cid/cix270

18. Sun QL, Gu D, Wang Q, Hu Y, Shu L, Hu J, et al. Dynamic colonization of isolates in gastrointestinal tract of intensive care patients. Front. Microbiol. 2019 Feb 11;10:230. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00230

19. Баранцевич ЕП. Продукция карбапенемаз нозокомиальными штаммами K. pneumoniae в Санкт-Петербурге. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2016;18(3):196-199.

20. Lam MM, 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 Oct 29;10(1):77. DOI: https://doi.org/10.1186/s13073-018-0587-5

21. Тапальский ДВ, Петренев ДР. Распространенность Klebsiella pneumoniae - продуцентов карбапенемаз в Беларуси и их конкурентоспособность. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2017;19(2):139-144.

22. Тапальский ДВ, Осипов ВА, Евсеенко ЕО, и др. Металло-бета-лактамазы и карбапенемазы экстремально-антибиотикорезистентных энтеробактерий: распространение в Беларуси. Здравоохранение. 2017;(3):40-47.