Διερεύνηση των γονιδίων αντοχής και των μηχανισμών που συμβάλλουν στην παθογένεια λοιμώξεων από πηκτάση-αρνητικούς σταφυλοκόκκους

Abstract

A total of 132 methicillin-resistant coagulase-negative staphylococci (MRCNS) isolated from preterm neonates were studied for antibiotic resistance patterns, clonal distribution and biofilm formation in relation to the presence of ica operon. All MR-CNS were multi-resistant while the majority (89%) produced biofilm. Among 115 Staphylococcus epidermidis, a major clone (z) was identified (77 strains), followed by clone g. Ten out of 16 S. haemolyticus belonged to a common clone (y). Most of the biofilm-positive strains (80%) possessed all tested genes, while the remaining 23 had a variety of gene combinations. Presence of the entire ica cluster was detected in three out of 15 biofilm-negative strains. One major and two minor biofilm-positive, multi-resistant MRCNS clones were disseminated, colonizing and infecting hospitalized preterm neonates. Fourteen representative MR- S. epidermidis strains were selected and investigated for the expression of icaA and icaD genes, and two regulatory genes, icaR (repressor) and sarA (inducer), towards a housekeeping gene (23SrDNA), by Real-Time PCR (RT-PCR). These strains belonged to various clones, had different combinations of ica genes and biofilm-forming phenotypes. The experiments were performed in two incubation times, after two and four hours. Νο differences were observed at the gene expression level at the two tested times. In general, biofilm-positive strains had higher expression rates for ica operon and sarA genes and lower for the repressor of ica cluster gene (icaR). In order to investigate the interaction of bacteria with the surfaces after attachment, dynamic experiments were performed under two flow conditions. Two different surfaces were used, a modified and a non-modified glass surface. Bacterial adhesion, as well as biofilm production and biofilm formation, was much higher on the modified surface than on the non-modified one for four S. epidermidis strains. This was in agreement with icaA and icaD gene expression that showed increased expression by RT-PCR, for the bacteria adhered at the modified substrate, especially under the high shear rate. Therefore, the combined effect of surface chemistry and shear significantly influence the adhesion of interacting bacterial cells. This indicates that analysis of gene expression not only can greatly refine our knowledge of bacterial-material interactions, but also yield novel biomarkers for potential use in biocompatibility assessment.

Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η επιδημιολογική μελέτη των σταφυλοκοκκικών λοιμώξεων από πηκτάση–αρνητικούς σταφυλοκόκκους (CNS) σε ασθενείς της Μονάδας Εντατικής Θεραπείας των πρόωρων νεογνών του Πανεπιστημιακoύ Γενικού Νοσοκομείου Πατρών (ΠΓΝΠ) μεταξύ 2002-2004. Κατά τη διάρκεια της μελέτης, συλλέχθηκαν συνολικά 287 στελέχη CNS. Τα στελέχη ελέγχθηκαν για την παραγωγή της πρωτεΐνης PBP2α και την ύπαρξη του γονιδίου mecA για τον προσδιορισμό των ανθεκτικών στη methicillin στελεχών CNS. Από το σύνολο των 287 CNS, τα 132 (46%) χαρακτηρίσθηκαν ως MRCNS. Τα MRCNS αποτελούν σοβαρό πρόβλημα για τα νοσοκομεία, γιατί αυξάνουν τον χρόνο παραμονής των ασθενών στο νοσοκομείο, άρα και το κόστος νοσηλείας και θεραπείας. Έγινε μελέτη του φαινοτύπου αντοχής των στελεχών σε αντιβιοτικά, της κλωνικής τους διασποράς και της ικανότητάς παραγωγής βιομεμβράνης σε σύγκριση με την παρουσία των γονιδίων του οπερονίου ica. Για την επιδημιολογική μελέτη των λοιμώξεων που οφείλονται σε MRCNS, μέθοδος αναφοράς είναι η PFGE, κυρίως σε συνδυασμό και με υβριδισμό του χρωμοσωμικού DNA με ειδικούς ανιχνευτές. Όλα τα στελέχη MRCNS ήταν πολυανθεκτικά και η πλειονότητά τους παρήγαγε βιομεμβράνη (89%). Μεταξύ των 115 στελεχών S. epidermidis αναδείχθηκε ένας κυριάρχος κλώνος (z) (77 στελέχη) και ακολούθησε ο κλώνος (g). Τα δέκα από τα δεκαέξι στελέχη του είδους S. haemolyticus ανήκαν στον κλώνο (y). Το οπερόνιο ica συμβάλλει στην παραγωγή της εξωκυττάριας ουσίας polysaccharide-intercellular-adhesin (ΡΙΑ) που είναι το κύριο συστατικό του biofilm. Η έκφραση των γονιδίων του οπερονίου ica επάγεται από την παρουσία του ρυθμιστικού γονιδίου sarA, ενώ καταστέλλεται από το γονίδιο icaR. Τα περισσότερα στελέχη που ήταν biofilm-θετικά (80%) έφεραν όλα τα γονίδια του οπερονίου ica και το τρανσποζόνιο IS256, ενώ τα υπόλοιπα 23 είχαν ποικίλους συνδυασμούς των γονιδίων. Η παρουσία όλων των γονιδίων του οπερονίου ica ανιχνεύθηκε σε τρία από τα δεκαπέντε biofilm-αρνητικά στελέχη. Αναδείχθηκαν ένας κύριος και δύο δευτερεύοντες biofilm-θετικοί, πολυανθεκτικοί MRCNS κλώνοι, που αποίκισαν και προξένησαν λοιμώξεις στα πρόωρα νεογνά. Μέρος της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου επώασης στη γονιδιακή έκφραση σε δεκατέσσερα αντιπροσωπευτικά στελέχη. Αυτό έγινε μέσω της ποσοτικοποίησης με αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης πραγματικού χρόνου (RT-PCR) των γονιδίων icaA και icaD τα οποία κυρίως σχετίζονται με την παραγωγή biofilm, καθώς και δύο ρυθμιστικών γονιδίων icaR και sarA σε σύγκριση με ένα συντηρημένο γονίδιο αναφοράς (23S rDNA). Ο έλεγχος έγινε σε στελέχη S. epidermidis που ήταν ανθεκτικά στη methicillin, κατατάσσονταν σε διαφορετικούς κλώνους, εμφάνιζαν διαφορετικό φαινότυπο σύνθεσης βιομεμβράνης και έφεραν ποικίλους συνδυασμούς γονίδιων. Οι αντιδράσεις απόλυτης ποσοτικοποίησης έκφρασης των γονιδίων είχαν υψηλή απόδοση (1,86 και 1,84 για την επώαση στις τέσσερις ώρες και δύο ώρες, αντίστοιχα). Η μαθηματική ανάλυση δεν έδειξε ιδιαίτερα μεγάλες διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων για τα τέσσερα γονίδια και τους δύο χρόνους επώασης. Αυτό που παρατηρήθηκε ήταν οτι η έκφραση ήταν υψηλότερη στα biofilm-θετικά στελέχη. Προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της βακτηριακής προσκόλλησης στις διάφορες επιφάνειες τροποποιημένου και μη τροποποιημένου γυαλιού, πραγματοποιήθηκαν δυναμικά πειράματα, κάτω από δύο διαφορετικές συνθήκες ροής, σε δύο χρόνους επώασης σε τέσσερα στελέχη S. epidermidis. Η βακτηριακή προσκόλληση, η παραγωγή biofilm και ο σχηματισμός βιομεμβράνης στις τροποποιημένες επιφάνειες ήταν αυξημένα σε σχέση με τις μη τροποποιημένες. Αυτό ήταν σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της γονιδιακής έκφρασης των γονιδίων icaA και icaD, μετά από ανάλυση της έκφρασης των γονιδίων icaA και icaD με RT-PCR, που έδειξε αυξημένες τιμές στις τροποποιημένες επιφάνειες, κυρίως στην υψηλή ροή. Επομένως, ο συνδυασμός της δράσης της χημείας της επιφάνειας και της ροής, επηρεάζουν την προσκόλληση, τον φαινότυπο και το γονότυπο των βακτηριακών στελεχών, όπως και την προσαρμογή τους στις αλλαγές του περιβάλλοντος. Η μελέτη της γονιδιακής έκφρασης μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των αλληλεπιδράσεων της βακτηριακής προσκόλλησης με το βιοϋλικό.