Сравнение патогенного потенциала изолятов Klebsiella pneumonia, выделенных из кишечной микробиоты человека, из поверхностных и сточных вод

Введение. Klebsiella pneumoniae является условно патогенным возбудителем, который отвечает за возникновение внутрибольничных и внебольничных инфекций, присутствует в почвенной и водной среде, но вирулентный потенциал изолятов K. pneumoniae из окружающей среды в значительной степени неизвестен. Поскольку главной угрозой загрязнения внешней среды в настоящий момент считаются изоляты с множественной устойчивостью к антибиотикам, то основная масса исследований K. pneumoniae из окружающей среды посвящена выявлению именно таких изолятов (в основном продуцентов бета-лактамаз).

Материал и методы. В работе 42 изолята K. рneumoniae, выделенных из сточных вод, 19 – из поверхностных водных источников и 63 изолята из кишечной микробиоты «практически здоровых» людей проанализированы методом ПЦР на наличие потенциальных генов вирулентности (ybts, kfu, rmpA, mrkD, K2, alls, magA, iutA).

Результаты. В результате анализа выявлена статистически значимая неоднородность исследуемых выборок. Изоляты, выделенные из сточных вод, показали наибольшую долю и спектр вирулентных генов (8 из 8). Изоляты из поверхностных источников статистически оказались неразличимы с изолятами, выделенными из кишечной микробиоты «практически здоровых» людей, при этом и в этих группах выявлялись патогенные детерминанты.

Заключение. Изоляты К. pneumoniae из поверхностных источников статистически не различались с изолятами из кала «практически здоровых», хотя часть вирулентных генов выявлена и в этих изолятах. Сточные воды могут служить резервуаром для высоковирулентных представителей К. pneumoniae, в большей степени, чем кишечник здоровых людей, могут служить риском для здоровья населения. Необходимы дополнительные исследования с более объёмными выборками и широким спектром вирулентных признаков для прогнозирования распространения гипервирулентных штаммов.

1. Podschun R., Ullmann U. Klebsiella spp. as nosocomial pathogens: epidemiology, taxonomy, typing methods, and pathogenicity factors. Clin. Microbiol. Rev. 1998; 11(4): 589-603.

2. Struve C., Krogfelt K.A. Pathogenic potential of environmental Klebsiella pneumoniae isolates. Environ. Microbiol. 2004; 6(6): 584-90. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2004.00590.x

3. Podschun R., Pietsch S., Höller C., Ullmann U. Incidence of Klebsiella species in surface waters and their expression of virulence factors. Appl. Environ. Microbiol. 2001; 67(7) 3325-7. https://doi.org/10.1128/aem.67.7.3325-3327.2001

4. Choby J.E., Howard-Anderson J., Weiss D.S. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae -clinical and molecular perspectives (Review). J. Intern. Med. 2020; 287: 283-300. https://doi.org/10.1111/joim.13007

5. Lightfoot N. Bacteria of potential health concern. In: World Health Organization (WHO). Heterotrophic Plate Counts and Drinking-Water Safety. London; 2003: 61-79.

6. Matsen J.M., Spindler J.A., Blosser R.O. Characterization of Klebsiella isolates from natural receiving waters and comparison with human isolates. Appl. Microbiol. 1974; 28(4): 672-8.

7. Vasaikar S., Obi L., Morobe I., Bisi-Johnson M. Molecular characteristics and antibiotic resistance profiles of Klebsiella isolates in Mthatha, Eastern Cape Province, South Africa. Int. J. Microbiol. 2017; 2017: 8486742. https://doi.org/10.1155/2017/8486742

8. Kim S.H., Wei C.I., Tzou Y.M., An H. Multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae isolated from farm environments and retail products in Oklahoma. J. Food Prot. 2005; 68(10): 2022-9. https://doi.org/10.4315/0362-028x-68.10.2022

9. Lee C.R., Lee J.H., Park K.S., Jeon J.H., Kim Y.B., Cha C.J., et al. Antimicrobial resistance of hypervirulent Klebsiella pneumoniae: epidemiology, hypervirulence-associated determinants, and resistance mechanisms. Front. Cell Infect. Microbiol. 2017; 7: 483. https://doi.org/10.3389/fcimb.2017.00483

10. Fung C.P., Lin Y.T., Lin J.C., Chen T.L., Yeh K.M., Chang F.Y., et al. Klebsiella pneumoniae in gastrointestinal tract and pyogenic liver abscess. Emerg. Infect. Dis. 2012; 18(8): 1322-5. https://doi.org/10.3201/eid1808.111053

11. Russo T.A., Olson R., Macdonald U., Metzger D., Maltese L.M., Drake E.J., et al. Aerobactin mediates virulence and accounts for increased siderophore production under iron-limiting conditions by hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae. Infect. Immun. 2014; 82(6): 2356-67. https://doi.org/10.1128/IAI.01667-13

12. Compain F., Babosan A., Brisse S., Genel N., Audo J., Ailloud F., et al. Multiplex PCR for detection of seven virulence factors and K1/K2 capsular serotypes of Klebsiella pneumoniae. J. Clin. Microbiol. 2014; 52(12): 4377-80. https://doi.org/10.1128/JCM.02316-14

13. Анализ произвольных таблиц сопряженности с использованием критерия хи-квадрат. Available at: https://medstatistic.ru/calculators/calchit.html

14. Yu W.L., Ko W.C., Cheng K.C., Lee C.C., Lai C.C., Chuang Y.C. Comparison of prevalence of virulence factors for Klebsiella pneumoniae liver abscesses between isolates with capsular K1/K2 and non-K1/K2 serotypes. Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 2008; 62(1): 1-6. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2008.04.007

15. Holden V.I., Breen P., Houle S., Dozois C.M., Bachman M.A. Klebsiella pneumoniae siderophores induce inflammation, bacterial dissemination, and HIF-1α stabilization during pneumonia. mBio. 2016; 7(5): e01397-16. https://doi.org/10.1128/mBio.01397-16

16. Jagnow J., Clegg S. Klebsiella pneumoniae MrkD-mediated biofilm formation on extracellular matrix- and collagen-coated surfaces. Microbiology. 2003; 149(Pt. 9): 2397-405. https://doi.org/10.1099/mic.0.26434-0

17. Murphy C., Clegg S. Klebsiella pneumoniae and type 3 fimbriae: nosocomial infection, regulation and biofilm formation. Future Microbiol. 2012; 7(8): 991-1002. https://doi.org/10.2217/fmb.12.74

18. Chou H.C., Lee C.Z., Ma L.C., Fang C.T., Chang S.C., Wang J.T. Isolation of a chromosomal region of Klebsiella pneumoniae associated with allantoin metabolism and liver infection. Infect. Immun. 2004; 72(7): 3783-92. https://doi.org/10.1128/IAI.72.7.3783-3792.2004

19. Bagley S.T. Habitat association of Klebsiella species. Infect. Control. 1985; 6(2): 52-8. https://doi.org/10.1017/s0195941700062603

20. Huijbers P.M.C., Blaak H., De Jong M.C.M., Graat E.A.M., Vandenbroucke-Grauls C.M.J.E., De Roda Husman A.M. Role of the environment in the transmission of antimicrobial resistance to humans: a review. Environ. Sci. Technol. 2015; 49(20): 11993-2004. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02566

21. Bréchet C., Plantin J., Sauget M., Thouverez M., Talon D., Cholley P., et al. Wastewater treatment plants release large amounts of extended-spectrum beta-lactamase-producing Escherichia coli into the environment. Clin. Infect. Dis. 2014; 58(12): 1658-65. https://doi.org/10.1093/cid/ciu190

22. Ram B., Kumar M. Correlation appraisal of antibiotic resistance with fecal, metal and microplastic contamination in a tropical Indian river, lakes and sewage. npj Clean Water. 2020; 3: 3. https://doi.org/10.1038/s41545-020-0050-1

23. Khan F.A., Hellmark B., Ehricht R., Söderquist B., Jass J. Related carbapenemase-producing Klebsiella isolates detected in both a hospital and associated aquatic environment in Sweden. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2018; 37(12): 2241-51. https://doi.org/10.1007/s10096-018-3365-9

24. Mcarthur J.V., Tuckfield R.C. Spatial patterns in antibiotic resistance among stream bacteria: effects of industrial pollution. Appl. Environ. Microbiol. 2000; 66(9): 3722-6. https://doi.org/10.1128/aem.66.9.3722-3726.2000

25. Graham D.W., Olivares-Rieumont S., Knapp C.W., Lima L., Werner D., Bowen E. Antibiotic resistance gene abundances associated with waste discharges to the Almendares River near Havana, Cuba. Environ. Sci. Technol. 2011; 45(2): 418-24. https://doi.org/10.1021/es102473z

26. Lepuschitz S., Schill S., Stoeger A., Pekard-Amenitsch S., Huhulescu S., Inreiter N., et al. Whole genome sequencing reveals resemblance between ESBL-producing and carbapenem resistant Klebsiella pneumoniae isolates from Austrian rivers and clinical isolates from hospitals. Sci. Total Environ. 2019; 662: 227-35. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.01.179

27. Atmani S.M., Messai Y., Alouache S., Fernandez R., Estepa V., Torres C., et al. Virulence characteristics and genetic background of ESBL-producing Klebsiella pneumoniae isolates from wastewater. Fresenius Environ. Bull. 2015; 24(1): 103-12.

28. Runcharoen C., Moradigaravand D., Blane B., Paksanont S., Thammachote J., Anun S., et al. Whole genome sequencing reveals high-resolution epidemiological links between clinical and environmental Klebsiella pneumoniae. Genome Med. 2017; 9(1): 6. https://doi.org/10.1186/s13073-017-0397-1

29. Surleac M., Czobor Barbu I., Paraschiv S., Popa L.I., Gheorghe I., Marutescu L., et al. Whole genome sequencing snapshot of multi-drug resistant Klebsiella pneumoniae strains from hospitals and receiving wastewater treatment plants in Southern Romania. PLoS One. 2020; 15(1): e0228079. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228079

30. Barati A., Ghaderpour A., Chew L.L., Bong C.W., Thong K.L., Chong V.C., et al. Isolation and characterization of aquatic-borne Klebsiella pneumoniae from tropical estuaries in Malaysia. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2016; 13(4): 426. https://doi.org/10.3390/ijerph13040426

31. Mohammed E.S., Flayyih M.T. Detection of rmpA and magA genes and hypermucoviscosity phenotype in Klebsiella pneumoniae isolated from water samples in compare with clinical isolates. Curr. Res. Microbiol. Biotechnol. 2018; 6(1): 1424-30.

32. Ko W.C., Paterson D.L., Sagnimeni A.J., Hansen D.S., Von Gottberg A., Mohapatra S., et al. Community-acquired Klebsiella pneumoniae bacteremia: global differences in clinical patterns. Emerg. Infect. Dis. 2002; 8(2): 160-6. https://doi.org/10.3201/eid0802.010025