Phân tích dựa trên gen của các chủng Klebsiella pneumoniae sản xuất carbapenemase từ bệnh nhân bệnh viện ở Đức, 2008-2014
Tóm tắt
Bằng cách sử dụng dữ liệu trình tự toàn bộ gen, chúng tôi đã nhằm mục đích mô tả một bức tranh dân số của Klebsiella pneumoniae sản xuất carbapenemase được phân lập từ bệnh nhân nội trú tại Đức trong khoảng thời gian từ 2008 đến 2014.
Chúng tôi đã chọn một nhóm đại diện gồm 107 chủng Klebsiella pneumoniae lâm sàng sản xuất carbapenemase sở hữu bốn loại carbapenemase phổ biến nhất ở Đức (KPC-2, KPC-3, OXA-48, NDM-1). Các mẫu được xử lý qua công nghệ giải trình tự NGS của illumina. Dữ liệu được phân tích bằng nhiều phương pháp lập bản đồ dựa trên SNP và lắp ghép de-novo. Những thông tin liên quan đã được trích xuất từ dữ liệu NGS (các yếu tố kháng kháng sinh, gen wzi/ kiểu cps, các gen độc lực). Dữ liệu NGS từ nghiên cứu này cũng được so sánh với 238 dữ liệu gen từ hai nghiên cứu quốc tế trước đây về Klebsiella pneumoniae.
Phân tích dựa trên NGS cho thấy sự phổ biến của các chủng ST258 sản xuất KPC-2 và các chủng ST512 sản xuất KPC-3. OXA-48, là loại carbapenemase phổ biến nhất ở Đức, đã được liên kết với nhiều kiểu chủng Klebsiella pneumoniae khác nhau; hầu hết trong số đó có các bản sao plasmid IncL/M cho thấy sự lan truyền ưa thích của blaOXA-48 thông qua loại plasmid nổi tiếng này. Các cụm ST15, ST147, ST258 và ST512 cho thấy một cấu trúc tập hợp lồng ghép gồm các chủng Klebsiella pneumoniae tại Đức và các nước Châu Âu khác. ST23, loại MLST phổ biến nhất ở Châu Á, chỉ được tìm thấy một lần duy nhất tại Đức. Chủng này chứa một bộ gen độc lực gần như hoàn chỉnh và một vỏ K1 cho thấy sự hiện diện của một chủng ST23 hypervirulent sản xuất OXA-48 tại Đức.
Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự phổ biến của các kiểu chủng “cổ điển” Klebsiella pneumoniae liên quan đến các gen carbapenemase được phân phối rộng rãi như ST258/KPC-2 hoặc ST512/KPC-3 cũng ở Đức. Phát hiện về một chủng ST23 được cho là hypervirulent và sản xuất OXA-48 ngoài Châu Á là điều rất đáng lo ngại và yêu cầu phải có sự giám sát phân tử chặt chẽ.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
ECDC. Antimicrobial resistance surveillance in Europe 2016; 5. Annual report of the European antimicrobial resistance surveillance network (EARS-net). In: Annual report of the European antimicrobial resistance surveillance network (EARS-net). Stockholm: European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC); 2017.
Pfennigwerth N. Report of the National Reference Centre for gram-negative nosocomial pathogens, 2016. Epidemiologisches Bull. 2017;26:5.
Kaase M, Pfennigwerth N. Report from the National Reference Centre for gram-negative nosocomial pathogens, 2015. Epidemiologisches Bull. 2016;41(25):5.
Kaiser T, Finstermeier K, Hantzsch M, Faucheux S, Kaase M, Eckmanns T, Bercker S, Kaisers UX, Lippmann N, Rodloff AC, et al. Stalking a lethal superbug by whole-genome sequencing and phylogenetics: influence on unraveling a major hospital outbreak of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae. Am J Infect Control. 2017;46(1):54–59. https://doi.org/10.1016/j.ajic.2017.07.022.
Carstens A, Kepper U, Exner M, Hauri AM, Kaase M, Wendt C. Plasmid-mediated multispecies outbreak with carbapenemase-resistant Enterobacteriaceae. Epidemiologisches Bull. 2014;47:5.
Kola A, Piening B, Pape UF, Veltzke-Schlieker W, Kaase M, Geffers C, Wiedenmann B, Gastmeier P. An outbreak of carbapenem-resistant OXA-48-producing Klebsiella pneumoniae associated to duodenoscopy. Antimicrob Resist Infect Control. 2015;4:8.
Steinmann J, Kaase M, Gatermann S, Popp W, Steinmann E, Damman M, Paul A, Saner F, Buer J, Rath P. Outbreak due to a Klebsiella pneumoniae strain harbouring KPC-2 and VIM-1 in a German university hospital, July 2010 to January 2011. Euro Surveill. 2011;16(33.
Kaase M, Schimanski S, Schiller R, Beyreiss B, Thurmer A, Steinmann J, Kempf VA, Hess C, Sobottka I, Fenner I, et al. Multicentre investigation of carbapenemase-producing Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae in German hospitals. Int J Med Microbiol. 2016;306(6):415–20.
Bolger AM, Lohse M, Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014;30(15):2114–20.
Li H, Durbin R. Fast and accurate short read alignment with burrows-wheeler transform. Bioinformatics. 2009;25(14):1754–60.
Koboldt DC, Zhang Q, Larson DE, Shen D, McLellan MD, Lin L, Miller CA, Mardis ER, Ding L, Wilson RK. VarScan 2: somatic mutation and copy number alteration discovery in cancer by exome sequencing. Genome Res. 2012;22(3):568–76.
Stamatakis A. RAxML version 8: a tool for phylogenetic analysis and post-analysis of large phylogenies. Bioinformatics. 2014;30(9):1312–3.
Huang W, Li L, Myers JR, Marth GT. ART: a next-generation sequencing read simulator. Bioinformatics. 2012;28(4):593–4.
Li H, Handsaker B, Wysoker A, Fennell T, Ruan J, Homer N, Marth G, Abecasis G, Durbin R, Genome Project Data Processing S. The sequence alignment/map format and SAMtools. Bioinformatics. 2009;25(16):2078–9.
Becker L, Fuchs S, Pfeifer Y, Semmler T, Eckmanns T, Korr G, Sissolak D, Friedrichs M, Zill E, Tung M-L et al: Whole genome sequence analysis of CTX-M-15 producing Klebsiella isolates allowed dissecting a polyclonal outbreak scenario. Front Microbiol 2018, (online first):14.
Arndt D, Grant JR, Marcu A, Sajed T, Pon A, Liang Y, Wishart DS. PHASTER: a better, faster version of the PHAST phage search tool. Nucleic Acids Res. 2016;44(W1):W16–21.
Coil D, Jospin G, Darling AE. A5-miseq: an updated pipeline to assemble microbial genomes from Illumina MiSeq data. Bioinformatics. 2015;31(4):587–9.
Zankari E, Hasman H, Cosentino S, Vestergaard M, Rasmussen S, Lund O, Aarestrup FM, Larsen MV. Identification of acquired antimicrobial resistance genes. J Antimicrob Chemother. 2012;67(11):2640–4.
Larsen MV, Cosentino S, Rasmussen S, Friis C, Hasman H, Marvig RL, Jelsbak L, Sicheritz-Ponten T, Ussery DW, Aarestrup FM, et al. Multilocus sequence typing of total-genome-sequenced bacteria. J Clin Microbiol. 2012;50(4):1355–61.
Brisse S, Passet V, Haugaard AB, Babosan A, Kassis-Chikhani N, Struve C, Decre D. wzi gene sequencing, a rapid method for determination of capsular type for Klebsiella strains. J Clin Microbiol. 2013;51(12):4073–8.
Pichler C, Buchsel M, Rossen JW, Vavra M, Reuter S, Kern WV, Thimme R, Mischnik A. First report of invasive liver abscess syndrome with endophthalmitis caused by a K2 serotype ST2398 hypervirulent Klebsiella pneumoniae in Germany, 2016. New Microbes New Infect. 2017;17:77–80.
Siguier P, Perochon J, Lestrade L, Mahillon J, Chandler M. ISfinder: the reference Centre for bacterial insertion sequences. Nucleic Acids Res. 2006;34(Database issue):D32–6.
Struve C, Roe CC, Stegger M, Stahlhut SG, Hansen DS, Engelthaler DM, Andersen PS, Driebe EM, Keim P, Krogfelt KA. Mapping the evolution of Hypervirulent Klebsiella pneumoniae. MBio. 2015;6(4):e00630.
Holt KE, Wertheim H, Zadoks RN, Baker S, Whitehouse CA, Dance D, Jenney A, Connor TR, Hsu LY, Severin J, et al. Genomic analysis of diversity, population structure, virulence, and antimicrobial resistance in Klebsiella pneumoniae, an urgent threat to public health. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(27):E3574–81.
Deleo FR, Chen L, Porcella SF, Martens CA, Kobayashi SD, Porter AR, Chavda KD, Jacobs MR, Mathema B, Olsen RJ, et al. Molecular dissection of the evolution of carbapenem-resistant multilocus sequence type 258 Klebsiella pneumoniae. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(13):4988–93.
Wendt C, Schutt S, Dalpke AH, Konrad M, Mieth M, Trierweiler-Hauke B, Weigand MA, Zimmermann S, Biehler K, Jonas D. First outbreak of Klebsiella pneumoniae carbapenemase (KPC)-producing K. pneumoniae in Germany. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2010;29(5):563–70.
Liapis E, Pantel A, Robert J, Nicolas-Chanoine MH, Cavalie L, van der Mee-Marquet N, de Champs C, Aissa N, Eloy C, Blanc V, et al. Molecular epidemiology of OXA-48-producing Klebsiella pneumoniae in France. Clin Microbiol Infect. 2014;20(12):O1121–3.
Potron A, Poirel L, Rondinaud E, Nordmann P. Intercontinental spread of OXA-48 beta-lactamase-producing Enterobacteriaceae over a 11-year period, 2001 to 2011. Euro Surveill. 2013;18(31).
Cuzon G, Ouanich J, Gondret R, Naas T, Nordmann P. Outbreak of OXA-48-positive carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae isolates in France. Antimicrob Agents Chemother. 2011;55(5):2420–3.
Kovacs K, Nyul A, Mestyan G, Melegh S, Fenyvesi H, Jakab G, Szabo H, Janvari L, Damjanova I, Toth A. Emergence and interhospital spread of OXA-48-producing Klebsiella pneumoniae ST395 clone in western Hungary. Infect Dis (Lond). 2017;49(3):231–3.
Potron A, Kalpoe J, Poirel L, Nordmann P. European dissemination of a single OXA-48-producing Klebsiella pneumoniae clone. Clin Microbiol Infect. 2011;17(12):E24–6.
De Laveleye M, Huang TD, Bogaerts P, Berhin C, Bauraing C, Sacre P, Noel A, Glupczynski Y, multicenter study g. Increasing incidence of carbapenemase-producing Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae in Belgian hospitals. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2017;36(1):139–46.
Skalova A, Chudejova K, Rotova V, Medvecky M, Studentova V, Chudackova E, Lavicka P, Bergerova T, Jakubu V, Zemlickova H, et al. Molecular characterization of OXA-48-like-producing Enterobacteriaceae in the Czech Republic and evidence for horizontal transfer of pOXA-48-like plasmids. Antimicrob Agents Chemother. 2017;61(2):e01889–16.
Canton R, Akova M, Carmeli Y, Giske CG, Glupczynski Y, Gniadkowski M, Livermore DM, Miriagou V, Naas T, Rossolini GM, et al. Rapid evolution and spread of carbapenemases among Enterobacteriaceae in Europe. Clin Microbiol Infect. 2012;18(5):413–31.
Wyres KL, Holt KE. Klebsiella pneumoniae population genomics and antimicrobial-resistant clones. Trends Microbiol. 2016;24(12):944–56.
Zautner AE, Bunk B, Pfeifer Y, Sproer C, Reichard U, Eiffert H, Scheithauer S, Gross U, Overmann J, Bohne W. Monitoring microevolution of OXA-48-producing Klebsiella pneumoniae ST147 in a hospital setting by SMRT sequencing. J Antimicrob Chemother. 2017;72(10):2737–44.
Stolle I, Prenger-Berninghoff E, Stamm I, Scheufen S, Hassdenteufel E, Guenther S, Bethe A, Pfeifer Y, Ewers C. Emergence of OXA-48 carbapenemase-producing Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae in dogs. J Antimicrob Chemother. 2013;68(12):2802–8.
Baraniak A, Izdebski R, Fiett J, Sadowy E, Adler A, Kazma M, Salomon J, Lawrence C, Rossini A, Salvia A, et al. Comparative population analysis of Klebsiella pneumoniae strains with extended-spectrum beta-lactamases colonizing patients in rehabilitation centers in four countries. Antimicrob Agents Chemother. 2013;57(4):1992–7.
Ito R, Shindo Y, Kobayashi D, Ando M, Jin W, Wachino J, Yamada K, Kimura K, Yagi T, Hasegawa Y, et al. Molecular epidemiological characteristics of Klebsiella pneumoniae associated with bacteremia among patients with pneumonia. J Clin Microbiol. 2015;53(3):879–86.
Maatallah M, Vading M, Kabir MH, Bakhrouf A, Kalin M, Naucler P, Brisse S, Giske CG. Klebsiella variicola is a frequent cause of bloodstream infection in the Stockholm area, and associated with higher mortality compared to K. pneumoniae. PLoS One. 2014;9(11):e113539.
Pantelidou IM, Galani I, Georgitsi M, Daikos GL, Giamarellos-Bourboulis EJ. Interactions of Klebsiella pneumoniae with the innate immune system vary in relation to clone and resistance phenotype. Antimicrob Agents Chemother. 2015;59(11):7036–43.
Xiao SZ, Wang S, Wu WM, Zhao SY, Gu FF, Ni YX, Guo XK, Qu JM, Han LZ. The resistance phenotype and molecular epidemiology of Klebsiella pneumoniae in bloodstream infections in shanghai, China, 2012-2015. Front Microbiol. 2017;8:250.
Zurfluh K, Poirel L, Nordmann P, Klumpp J, Stephan R. First detection of Klebsiella variicola producing OXA-181 carbapenemase in fresh vegetable imported from Asia to Switzerland. Antimicrob Resist Infect Control. 2015;4:38.
Di DY, Jang J, Unno T, Hur HG. Emergence of Klebsiella variicola positive for NDM-9, a variant of New Delhi metallo-beta-lactamase, in an urban river in South Korea. J Antimicrob Chemother. 2017;72(4):1063–7.
Long SW, Linson SE, Ojeda Saavedra M, Cantu C, Davis JJ, Brettin T, Olsen RJ. Whole-genome sequencing of human clinical Klebsiella pneumoniae isolates reveals misidentification and misunderstandings of Klebsiella pneumoniae, Klebsiella variicola, and Klebsiella quasipneumoniae. mSphere. 2017;2(4):e00290–17.
Cubero M, Grau I, Tubau F, Pallares R, Dominguez MA, Linares J, Ardanuy C. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae clones causing bacteraemia in adults in a teaching hospital in Barcelona, Spain (2007-2013). Clin Microbiol Infect. 2016;22(2):154–60.
Shon AS, Bajwa RP, Russo TA. Hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae: a new and dangerous breed. Virulence. 2013;4(2):107–18.
Gu D, Dong N, Zheng Z, Lin D, Huang M, Wang L, Chan EW, Shu L, Yu J, Zhang R, et al. A fatal outbreak of ST11 carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae in a Chinese hospital: a molecular epidemiological study. Lancet Infect Dis. 2017;
Wei DD, Wan LG, Deng Q, Liu Y. Emergence of KPC-producing Klebsiella pneumoniae hypervirulent clone of capsular serotype K1 that belongs to sequence type 11 in mainland China. Diagn Microbiol Infect Dis. 2016;85(2):192–4.
Yao B, Xiao X, Wang F, Zhou L, Zhang X, Zhang J. Clinical and molecular characteristics of multi-clone carbapenem-resistant hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae isolates in a tertiary hospital in Beijing, China. Int J Infect Dis. 2015;37:107–12.
Diago-Navarro E, Chen L, Passet V, Burack S, Ulacia-Hernando A, Kodiyanplakkal RP, Levi MH, Brisse S, Kreiswirth BN, Fries BC. Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae exhibit variability in capsular polysaccharide and capsule associated virulence traits. J Infect Dis. 2014;210(5):803–13.
Wyres KL, Gorrie C, Edwards DJ, Wertheim HF, Hsu LY, Van Kinh N, Zadoks R, Baker S, Holt KE. Extensive capsule locus variation and large-scale genomic recombination within the Klebsiella pneumoniae clonal group 258. Genome Biol Evol. 2015;7(5):1267–79.
Chen L, Mathema B, Pitout JD, DeLeo FR, Kreiswirth BN. Epidemic Klebsiella pneumoniae ST258 is a hybrid strain. MBio. 2014;5(3):e01355–14.
Mathers AJ, Stoesser N, Chai W, Carroll J, Barry K, Cherunvanky A, Sebra R, Kasarskis A, Peto TE, Walker AS, et al. Chromosomal integration of the Klebsiella pneumoniae carbapenemase gene, blaKPC, in Klebsiella species is elusive but not rare. Antimicrob Agents Chemother. 2017;61(3):e01823–16.
Pfeifer Y, Schlatterer K, Engelmann E, Schiller RA, Frangenberg HR, Stiewe D, Holfelder M, Witte W, Nordmann P, Poirel L. Emergence of OXA-48-type carbapenemase-producing Enterobacteriaceae in German hospitals. Antimicrob Agents Chemother. 2012;56(4):2125–8.
Gomez-Simmonds A, Greenman M, Sullivan SB, Tanner JP, Sowash MG, Whittier S, Uhlemann AC. Population structure of Klebsiella pneumoniae causing bloodstream infections at a New York City tertiary care hospital: diversification of multidrug-resistant isolates. J Clin Microbiol. 2015;53(7):2060–7.
Bowers JR, Kitchel B, Driebe EM, MacCannell DR, Roe C, Lemmer D, de Man T, Rasheed JK, Engelthaler DM, Keim P, et al. Genomic analysis of the emergence and rapid global dissemination of the clonal group 258 Klebsiella pneumoniae pandemic. PLoS One. 2015;10(7):e0133727.
Conte V, Monaco M, Giani T, D'Ancona F, Moro ML, Arena F, D'Andrea MM, Rossolini GM, Pantosti A, pneumoniae A-ISGoC-PK. Molecular epidemiology of KPC-producing Klebsiella pneumoniae from invasive infections in Italy: increasing diversity with predominance of the ST512 clade II sublineage. J Antimicrob Chemother. 2016;71(12):3386–91.