Biological characteristics of the enteroaggregative escherichia coli ont:h30 18-726 (no. B-8857) strain isolated from a patient with ulcerative colitis and a new method of pcr identification
- Authors: Makarova M.A.1,2, Kruglov E.E.3,4, Kaftyreva L.A.5,6
-
Affiliations:
- St. Petersburg Pasteur Institute
- Mechnikov North-Western State Medical University
- Reaviz Medical University
- State Research and Test Institute of Military Medicine
- Saint-Petersburg Pasteur Institute
- Mechnikov North-West State Medical University
- Issue: Vol 13, No 5 (2023)
- Pages: 899-908
- Section: ORIGINAL ARTICLES
- Submitted: 28.12.2021
- Accepted: 28.08.2023
- Published: 30.11.2023
- URL: https://iimmun.ru/iimm/article/view/1858
- DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-BCO-1858
- ID: 1858
Cite item
Full Text
Abstract
The aim of the work is to assess biological properties of the enteroaggregative Escherichia coli (EAgEC) strain isolated from the colon mucosa biopsy material from a patient with ulcerative colitis, and to develop a new method for PCR identification of E. coli strains.
Materials and methods. The study involved 46 patients with a verified ulcerative colitis. Isolation of 87 E. coli strains was carried out by using colon biopsy material obtained during a standard endoscopic procedure. The description of the biochemical bacterial properties was combined with the molecular genetic detection of virulence determinants and presence of antibiotic resistance mechanisms. Using the “AmpliSense® Escherichiose — FL” reagent kit, a screening for the presence of diarrheagenic E. coli strains was performed, which revealed the presence of a single strain of EAgEC. The methodological approach to creating a new method for strain identification was based on the search for a unique genetic sequence within the glutamate decarboxylase (gad) gene.
Results. E. coli 18-726 can be described biochemically typical to its species. The studied strain was characterized by a multiple resistance phenotype (MDR) to antibiotics, as well as a lack of sensitivity to five bacteriophages. The E. coli 18-726 strain had a unique sequence of the gene encoding the O-antigen, which differed from 188 known O-antigens (ONT) and, by the identity of the nucleotide sequence of the gene encoding the synthesis of the H-antigen, the strain belonged to the H30 serovar. Thus, the antigenic formula of strain EAgEC 18-726 was expressed as ONT:H30. The E. coli 18-726 strain contained a significant spectrum of genes that enable properties of virulence (iss, capU, aggA, aggB, aggC, aggD, aap, aar) and resistance to antibiotics (blaCTX-M-15, blaTEM-1B, aadA1, aadA5, mph(A), catB3). A new method for identifying EAgEC in chronic bowel disease is based on the polymerase chain reaction method using primers for a specific region of bacterial glutamate decarboxylase (gad) gene. Conclusion. 1) The biochemical, antigenic and molecular genetic properties of E. coli ONT:H30 18-726 strain (No. B-8857) isolated from a patient with histomorphologically diagnosed ulcerative colitis were analyzed. 2) A method for PCR identification of EAgEC strains based on the detection of a specific region within the bacterial genomic glutamate decarboxylase gene has been created and patented.
Keywords
Full Text
Введение
В настоящее время в связи с внедрением и использованием молекулярно-генетических методов в лабораторную практику доступным становится изучение микробиома человека не только при инфекционной патологии, но и при различных полиэтиологичных нозологиях. Роль микробного фактора является дискутабельным вопросом в отношении воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК) человека. Гипотеза, которая находится в процессе экспериментального подтверждения, заключается в выявлении специфического инфекционного агента, вызывающего заболевания, который не был обнаружен до настоящего времени. Также обсуждается вопрос о возникновении дисбаланса между индигенной микробиотой и слизистой оболочкой толстой кишки, который приводит к трансформации некоторых представителей нормобиоты, в частности E. coli [15]. Высокая пластичность генома E. coli способствует неконтролируемому формированию уникальных патогенных штаммов из комменсальных. Установлено, что распространенность штаммов-носителей генетических маркеров известных детерминант персистенции и патогенности в кишечной микробиоте здоровых лиц без признаков острого или хронического заболевания желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) не превышает 10%. При снижении концентрации и активности индигенной микробиоты в популяции E. coli могут произойти изменения, способствующие увеличению клонов потенциальных патогенов. Опасность таких микробиологических нарушений становится очевидной, если принять во внимание чрезвычайно широкий спектр факторов вирулентности E. coli: эндо- и экзотоксины, цитотоксины, колицины, адгезины, инвазины, а также антилизоцимная, антикомплементарная и гемолизирующая активность, способность подавлять фагоцитоз, гистоповреждающие ферменты и метаболиты, резистентность к антимикробным препаратам (АМП), способность к L-трансформации и др. [3, 14]. В последние годы обсуждается роль адгезивно-инвазивных E. coli (AIEC) в инициацию аутоиммунного процесса при болезни Крона (БК) [26]. Известно, что AIEC могут проникать и размножаться в макрофагах, вызывая высвобождение большого количества фактора некроза опухоли (TNFα), который вызывает воспаление кишечника, характерное для БК [23, 27]. При изучении причин возникновения язвенного колита (ЯК), который характеризуется поражением дистальных отделов толстой кишки, в последние годы также высказываются предположения о роли E. coli как возможного патобионта-инициатора заболевания [23, 27]. При среднетяжелом и тяжелом течении ЯК современные стандарты лечения регламентируют применение АМП [6, 11, 23].
Цель исследования: изучить биологические свойства штамма E. coli ONT:H30 18-726 (№ В-8857) и разработать новый способ детекции энтероагрегативных штаммов E. coli из биопсийного материала пациентов с гистоморфологическим диагнозом «язвенный колит».
Материалы и методы
Исследование было проведено на базе эндоскопического отделения Клиник Самарского государственного медицинского университета (г. Самара). Биопсийный материал в соответствии с критериями включения и исключения из исследования был получен в ходе стандартной эндоскопической процедуры при проведении колоноскопии 46 пациентам с гистоморфологически установленным диагнозом «язвенный колит» [4, 10]. Идентификацию штаммов E. coli проводили методом времяпролетной масс-спектрометрии (MALDI-ToF MS) с использованием системы Microflex LT (Bruker Daltonics, Германия) [1]. Чувствительность к 18 антимикробным препаратам определяли диско-диффузионным методом с использованием агара Мюллера–Хинтон (ФБУН ГНЦ ПМБ, Россия) и дисков (Oxoid, Великобритания). Интерпретацию результатов проводили согласно Клиническим рекомендациям «Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам» 2018 г. [7]. Чувствительность к 5 препаратам бактериофагов: «Бактериофаг колипротейный», «Пиобактериофаг поливалентный очищенный», «Секстафаг», «Пиобактериофаг поливалентный», «Пиобактериофаг комплексный», «Интести» (АО «НПО Микроген», Россия) проводили согласно действующим клиническим рекомендациям [9]. Для интерпретации результатов использовали показатели: R – устойчив (0/+), I — промежуточная чувствительность (++), S — чувствителен (+++/++++).
Принадлежность штаммов к диареегенным E. coli (DEC) проводили молекулярным методом с использованием набора реагентов «АмплиСенс®Эшерихиозы – FL» (ФБУН ЦНИИЭ, Россия) в режиме «реального времени» (амплификатор «СXT-1000», Bio-Rad, США). Подготовку библиотеки генома EAgEC проводили с помощью набора TrueSeq (Illumina Inc., США), секвенирование выполняли на платформе MiSeq (Illumina). Аннотацию генома проводили с помощью утилиты Prokka v. 1.11 и геномного сервера FAST. Для анализа последовательностей ДНК полных геномов штаммов E. coli использовали веб-сайт Центра геномной эпидемиологии (https://cge.cbs.dtu.dk/services). Поиск генетических детерминант патогенности, вирулентности, антибиотикорезистентности и установление антигенной характеристики штамма (О- и Н-антигенов) проводили с использованием онлайн сервисов: PathogenFinder (https://cge.cbs.dtu.dk/services/PathogenFinder); VirulenceFinder (https://cge.cbs.dtu.dk/services/VirulenceFinder); ResFinder 2.1 (https://cge.cbs.dtu.dk/services/ ResFinder); SerotypeFinder 1.1 (https://cge.cbs.dtu.dk/ services/SerotypeFinder).
Разработка детекции штаммов EAgEC, колонизирующих дно язвенной поверхности слизистой оболочки толстой кишки при ЯК, базировалась на ПЦР-методике и заключалась в выявлении уникального сочетания SNP-полиморфизмов гена глутаматдекарбоксилазы (gad) E. coli ONT:H30 18-726.
Результаты
Скрининг принадлежности штаммов к DEC, проведенный молекулярным методом, выявил наличие специфичных EAgEC участков ДНК в штамме E. coli 18-726. По культурально-ферментативным свойствам штамм EAgEC 18-726 характеризовался типичными видовыми признаками E. coli: давал положительную реакцию с метиловым красным и отрицательную Фогеса–Проскауэра, не расщеплял мочевину, не образовывал сероводород и фенилаланиндезаминазу, не ферментировал инозит и адонит, не рос на цитратном агаре Симмонса, был индол-положительным, ферментировал маннит и глюкозу до кислоты и газа, обладал β-галактозидазной активностью. По ферментативным свойствам штамм проявлял вариабельность в отношении углеводов, спиртов и аминокислот (табл. 1).
Таблица 1. Основные ферментативные свойства штамма EAgEC 18-726, выделенного от пациента с язвенным колитом
Table 1. Main enzymatic properties of strain EAgEC 18-726 isolated from a patient with ulcerative colitis
Тест или cубстрат Assay or substrate | Штамм EAgEC 18-726 EAgEC 18-726 strain | Тест или субстрат Assay or substrate | Штамм EAgEC 18-726 EAgEC 18-726 strain |
Лактоза Lactose | + | Дульцит Dulcite | + |
Сахароза Sucrose | – | Сорбит Sorbitol | – |
Арабиноза Arabinose | – | Салицин Salicin | – |
Мальтоза Maltose | – | Орнитин Ornithine | + |
Ксилоза Xylose | – | Лизин Lysine | + |
Рамноза Ramnose | + | Аргинин Arginine | – |
Примечание. «+» — положительная реакция; «–» — отрицательная реакция.
Note. “+” — positive reaction; “–” — negative reaction.
Результаты изучения чувствительности к АМП EAgEC 18-726 показали, что штамм в соответствии с международными критериями характеризовался фенотипом множественной резистентности (MDR) — резистентность к трем и более классам АМП. Резистентность была отмечена к β-лактамам (аминопенициллины, ингибитор-защищенные аминопенициллины, цефалоспорины III–IV поколения), хинолонам/фторхинолонам, аминогликозидам, тетрациклину, сульфаниламидам и триметоприму. Штамм сохранял чувствительность к карбапенемам (меропенем), хлорамфениколу и нитрофурантоину. Методом «двойных дисков» с цефтазидимом, цефотаксимом, цефепимом и амоксициллин/клавуланатом установлено, что штамм являлся продуцентом бета-лактамаз расширенного спектра (БЛРС).
Изучение спектра литического действия бактериофагов и их активности в отношении штамма EAgEC 18-726 выявило его фагорезистентность ко всем тестируемым препаратам (табл. 2).
Таблица 2. Чувствительность штамма EAgEC 18-726 к препаратам бактериофагов
Table 2. Sensitivity of strain EAgEC 18-726 to bacteriophage preparations
Бактериофаг Bacteriophage | Наличие лизиса Lysis | Результат Result |
Колипротейный Coli-Proteus | – | R |
Пиополивалентный очищенный Pyopolyvalent purified | 1+ | R |
Секстафаг Sextaphage | – | R |
Комплексный Complex | – | R |
Интести Intesti | – | R |
Примечание. «–» — отсутствие литической активности; «1+» — низкая литическая активность; R — нечувствителен к бактериофагу.
Note. “–” — lack of lytic activity; “1+” — low lytic activity; R — bacteriophage insensivity.
Анализ генома EAgEC 18-726 с помощью платформы SerotypeFinder 2.0 (https://cge.cbs.dtu.dk/services/SerotypeFinder), онлайн-ресурса «Center for Genomic Epidemiology», показал, что штамм имел уникальную последовательность гена, кодирующего О-антиген, которая отличалась от 188 известных О-антигенов (ONT). По идентичности нуклеотидной последовательности гена, кодирующего синтез Н-антигена, штамм принадлежал к серовару Н30. Таким образом, антигенная формула штамма EAgEC 18-726 выражалась как ONT:H30.
В табл. 3 представлены гены вирулентности штамма EAgEC ONT:H30 18-726. Результаты анализа на платформе VirulenceFinder (https://cge.cbs.dtu.dk/services/VirulenceFinder) показали наличие генов вирулентности с идентичностью 100–99,9% референтным образцам: ген aap (антиагрегационный белок, дисперзин), ген aar (белок-регулятор транскрипционного активатора класса AraC/XylS), ген aggA (большая субъединица адгезионно-агрегационных фимбрий I типа), ген iss (белок устойчивости к бактерицидному действию сыворотки крови), ген capU (гомолог гексозилтрансферазы); с идентичностью 99,7–99,56% референтным образцам: ген aggC (периплазматический шаперон, сборщик начального этапа адгезивно-агрегационных фимбрий I типа) и ген aggD (шаперон, сборщик адгезивно-агрегационных фимбрий I типа); с идентичностью 98,95% — ген gad (глутамат декарбоксилаза) и идентичностью 98,17% — ген aggB (белок афимбриальной адгезивной оболочки энтеробактерий AfaD).
Таблица 3. Характеристика генов вирулентности штамма E. coli ONT: H30 18-726, кодирующих механизмы реализации факторов патогенности
Table 3. Characteristics of the virulence genes of E. coli ONT: H30 18-726 strain encoding mechanisms to enable pathogenicity factors
Ген Gene | Идентичность, % Identity, % | Референт/образец, п.н. Reference/sample, bp | Функция белка Protein function | Референс-номер Reference No. |
aap | 100 | 351/351 | Антиагрегационный белок, дисперзин Anti-aggregation protein, dispersin | Z32523 |
aar | 100 | 201/201 | Белок-регулятор транскрипционного активатора класса AraC/XylS AraC/XylS class regulator protein of the transcriptional activator | SSI_AA794 |
aggA | 100 | 516/516 | Большая субъединица адгезивно-агрегационных фимбрий I типа type I adhesive-aggregation fimbriae large subunit | SSI_AA804 |
aggB | 98,17 | 438/438 | Белок афимбриально-адгезивной оболочки энтеробактерий AfaD Enterobacterial afimbrial-adhesive membrane AfaD protein | U12894 |
aggC | 99,7 | 2311/2385 | Периплазматический шаперон, сборщик начального этапа адгезионно-агрегационных фимбрий I типа Periplasmic chaperone, assembler of the initial stage for adhesion-aggregation type I fimbriae | AFRH01000026 |
aggD | 99,56 | 687/759 | Шаперон, сборщик адгезионно-агрегационных фимбрий I типа Chaperone, adhesion-aggregation type I fimbriae collector | U12894 |
capU | 99,9 | 1016/1089 | Гомолог гексозилтрансферазы Hexosyltransferase homologue | CU928145 |
gad | 98,95 | 1243/1401 | Глутаматдекарбоксилаза Glutamate decabroxylase | FN554766 |
iss | 100 | 294/294 | Устойчивость к бактерицидному действию сыворотки крови Resistance to blood serum bactericidal effect | CP001846 |
Анализ сборки геномных данных с использованием интернет-сервиса ResFinder 4.1 выявил совокупность генетических механизмов реализации устойчивости к антибиотикам, которые описаны в табл. 4.
Таблица 4. Характеристика генов штамма E. coli ONT: H30 18-726, кодирующих механизмы устойчивости к антибактериальным препаратам
Table 4. Characteristics of the E. coli ONT: H30 18-726 strain genes encoding mechanisms of antibacterial drug resistance
Гены резистентности Resistance genes | Идентичность, % Identity, % | Референт/ образец, п.н. Reference/ sample, bp | Контиг Contig | Референс-номер Reference No. |
Бета-лактамы Beta-lactams | ||||
blaCTX-М-15 | 100 | 876/876 | NODE_386_length_4574_cov_78.801483 | AY04443 6 |
blaTEM-1B | 100 | 861/861 | NODE_474_length_3323_cov_77.119469 | AY45 |
Аминогликозиды Aminoglycosides | ||||
ААС (3)-IIa | 99,77 | 861/861 | NODE_90_length_2624_cov_87.983994 | X51534 |
ААС (6’)-Ib-кр | 100 | 600/600 | NODE_793_length_723_cov_95.589211 | DQ30391 8 |
aadA1 | 100 | 789/789 | NODE_120_length_24792_cov_89.782104 | JQ48015 6 |
aadA5 | 100 | 789/789 | NODE_380_length_1006_cov_86.854874 | AF13736 1 |
APH (3”)-Ib | 100 | 803/804 | NODE_215_length_4521_cov_79.155052 | AF02460 2 |
APH (3”)-Ib | 99,88 | 804/804 | NODE_215_length_4521_cov_79.155052 | AF31347 2 |
APH (3”)-Ib | 99,88 | 804/804 | NODE_215_length_4521_cov_79.155052 | AF32155 0 |
APH (3”)-Ib | 99,88 | 804/804 | NODE_215_length_4521_cov_79.155052 | AF32155 1 |
АРН (6)-Id | 100 | 837/837 | NODE_215_length_4521_cov_79.155052 | M28829 |
aadA1 | 100 | 789/789 | NODE_120_length_24792_cov_89.782104 | JQ48015 6 |
Макролиды Macrolides | ||||
mdf (A) | 98.13 | 1233/1233 | NODE_176_length_28514_cov_76.946098 | Y08743 |
mph (A) | 100 | 906/906 | NODE_203_length_7502_cov_81.290855 | D16251 |
Хлорамфеникол Chloramphenicol | ||||
catB3 | 100 | 442/633 | NODE_741_length_781_cov_ 64.875801 | AJ00981 8 |
catB3 | 100 | 442/633 | NODE_741_length_781_cov_64.875801 | U13880 |
Хинолоны/Фторхинолоны Quinolones/Fluorquinolones | ||||
gyrA p. S83A* | 100 | 600/600 | NODE_793_length_723_cov 95.589211 | DQ303918 |
Сульфаниламиды Sulfonamides | ||||
sul1 | 100 | 840/840 | NODE_203_length_7502_cov_81.290855 | U12338 |
sul2 | 100 | 816/816 | NODE_515_length_4637_cov_74.394867 | AY03413 8 |
Тетрациклины Tetracyclines | ||||
tet (D) | 100 | 1185/1185 | NODE_474_length_3323_cov_77.119469 | AF46707 7 |
Триметроприм Trimetroprim | ||||
dfrA1 | 100 | 474/474 | NODE_120_length_24792_cov_89.782104 | X00926 |
dfrA17 | 100 | 354/474 | NODE_309_length_1052_cov_83.835548 | AM9372 44 |
dfrA17 | 100 | 354/474 | NODE_309_length_1052_cov_83.835548 | FJ460238 |
Примечание. * — мутации в генах.
Note. * — genes mutation.
Штамм E. coli ONT:H30 18-726 был депонирован в Государственной коллекции патогенных микроорганизмов и клеточных культур «ГКПМ-Оболенск» ФБУН ГНЦ ПМБ с присвоением регистрационного номера В-8857 и выдачей свидетельства о депонировании от 25.11.2019 г. № 193.
Представленность широкого спектра генов, кодирующих факторы вирулентности, наличие значительного количества мобильных генетических элементов, а также множественная резистентность к АМП и фагоустойчивость E. coli ONT:H30 18-726 обосновали необходимость в создании способа выявления аналогичных штаммов в биологическом материале пациентов с ЯК. Метод основан на выявлении уникального сочетания SNP-полиморфизмов гена глутамат декарбоксилазы (gad), расположенных в диапазоне NZ_GL896790.1:2763405–2763726 штамма E. coli ONT:H30 18-726 с использованием четырех специфических праймеров. Нуклеотидные последовательности праймеров представлены в табл. 5. Проведение ПЦР возможно как в режиме «реального времени», так и с последующей электрофоретической детекцией.
Таблица 5. Нуклеотидные последовательности праймеров для детекции SNP-полиморфизмов гена gad
Table 5. Nucleotide primer sequences for detecting SNP polymorphisms in the bacterial gad gene
Праймеры первой реакционной cмеси First reaction mix primers | Праймеры второй реакционной смеси Second reaction mix primers |
F1: CGTCAGAACCTGGCCACTTTT | F2: TCGACCTGCGTTGCGTAAAC |
R1: TATCCGTTGGTTTGCCTGCA | R2: CATCCCAGTAGCGGGCG |
Размер ПЦР-продукта: 292 п.н. PCR product size: 292 bp | Размер ПЦР-продукта: 240 п.н. PCR product size: 240 bp |
Примечание. Реакции с обеими парами праймеров проводятся отдельно друг от друга.
Note. PCR with both pairs of primers is carried out separately.
Состав реакционной смеси: очищенная вода, пара праймеров — 0,4 мкМ каждого, 1х буфер для амплификации, концентрация Mg2+ — 2,5 мМ, 1x SybrGreen для детекции в «режиме реального времени», 1х раствор полимеразы без экзонуклеазной активности, матрица ДНК — 5 мкл на 20 мкл реакционной среды, режим амплификации приведен в табл. 6.
Таблица 6. Режимы амплификации для детекции SNP-полиморфизмов гена gad
Table 6. Amplification modes for detection of gad gene SNP polymorphisms
№ цикла Cycle No. | Температура, °С Temperature, °C | Время Time | Количество циклов Number of cycles |
1 | 95 | 5 мин 5min | 1 |
2 | 95 | 30 с 30 s | 40 |
3 | 65 | 65 с 65 s | |
4 | 72 | 20 с 20 s | |
5 | 72 | 5 мин 5 min | 1 |
При детекции в режиме «реального времени» о наличии EAgEC свидетельствует повышение интенсивности флуоресценции по каналу FAM в обеих реакционных смесях одновременно, при этом пороговое значение цикла (Ct) — 35. При гель-электрофоретической детекции о наличии энтероагрегативного штамма E. coli можно судить по наличию продуктов амплификации специфических длин в обеих реакционных смесях одновременно: для первой реакции — 292 п.н., для второй — 240 п.н. [8]. Получен патент на изобретение «Способ выявления энтероагрегативных штаммов E. coli из толстой кишки у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника» (№ 2758475 RU от 28.10.2021) [8].
Обсуждение
Воспалительные заболевания кишечника, к которым относится ЯК, являются одной из наиболее серьезных проблем гастроэнтерологии во всех странах. По тяжести течения, частоте осложнений и летальности они занимают ведущее место в структуре болезней [11, 18]. Несмотря на многолетнюю историю изучения, этиология ЯК остается неизвестной, а патогенез недостаточно раскрытым [11].
Патогенные E. coli характеризуются широким спектром факторов вирулентности, включая адгезины, токсины, сидерофоры, капсулы и инвазины и др. Такие штаммы могут вызвать патологический процесс практически каждого органа или системы. Не исключена роль E. coli при хронических заболеваниях ЖКТ, в инициации и поддержании патологического воспалительного процесса, а также язвенно-некротических реакций [16]. Генетическое разнообразие E. coli, наличие специфических генов вирулентности позволяют предположить этиологическую значимость этих микроорганизмов в развитии ЯК [5, 28]. Штаммы EAgEC — одной из шести патогрупп DEC — вызывают острые кишечные инфекции у детей и взрослых во всех странах. Метааналитические эпидемиологические исследования выявили статистически значимую связь EAgEC с диареями: острыми, продолжительными, хроническими, диареями ВИЧ-инфицированных и путешественников [17]. Длительная персистенция EAgEC может вызывать хроническое воспаление кишечника, снижая его абсорбционную функцию, приводя к алиментарной дистрофии, анемии, гипопротеинемии, нарушениям физического и когнитивного состояния [20]. EAgEC, в отличие от других патогенных E. coli, характеризует широкая вариабельность генетических маркеров вирулентности [16, 24]. Это указывает на то, что вызывать воспалительный процесс способны только штаммы EAgEC, несущие специфические гены вирулентности. В то же время ни один из факторов вирулентности не был неопровержимо связан с вирулентностью EAgEC, а гены, кодирующие их, не присутствуют равномерно во всех изолированных штаммах. Эксперименты in vitro, in vivo и ex vivo убедительно показали, что EAgEC могут адгезироваться на эпителиоциты тощей, подвздошной и толстой кишки, образуя прочную биопленку с последующим цитотоксическим и провоспалительным действием. Патогенез заболевания включает три этапа: а) обильное прилипание к слизистой оболочке кишечника — адгезия и колонизация; б) продукция цитотоксинов и энтеротоксинов; в) индукция воспаления слизистой оболочки. Воспаление, вызванное EAgEC, является результатом обильной колонизации слизистой оболочки кишечника [12, 19].
Проведенный анализ полногеномного секвенирования показал, что у штамма E. coli ONT:H30 18-726 (№ В-8857) присутствует несколько детерминант, ассоциированных с адгезией и колонизацией — aggA, aggВ, aggС и aggD, кодирующих активатор транскрипции экспрессии хромосомных и плазмидо-кодируемых факторов вирулентности, включая антиагрегационный белок дисперзин (ген aap), который способствует проникновению бактерии через слизь крипт толстой кишки [25]. Данный метаболический путь может привести к генерализации инфекции — развитию сепсиса — за счет блокировки фибриногена, который участвует в механизме тромбоза — защитной реакции организма при сепсисе [2, 21]. Вирулентный адгезивный аппарат дополнительно представлен геном агрегативного регулона — aar, который обеспечивает активность более 40 генетических элементов, ответственных за взаимодействие с эпителиальными клетками кишечника человека [22]. У изученного штамма был идентифицирован ген iss, обеспечивающий устойчивость к бактерицидному действию сыворотки крови, наличие которого можно расценивать как потенциал гематогенной генерализации инфекции или существенного ухудшения течения основного заболевания, в настоящем случае — ЯК.
К одним из основных препаратов для лечения ЯК и поддержания ремиссии относятся АМП, поэтому проблема антибиотикорезистентности представляется особо актуальной. Проведенное исследование показало, что штамм E. coli ONT:H30 18-726 (№ В-8857) характеризовался множественной устойчивостью к АМП разных групп. Резистентность к цефалоспоринам III–IV поколения обусловлена продукцией эпидемически значимой глобально распространенной в популяции грамотрицательных бактерий цефалоспориназы CTX-M15. Низкая литическая активность и полная фагоустойчивость к биологическим препаратам — бактериофагам — в отношении изученного штамма предполагает невозможность применения отечественных препаратов к элиминации данного патогена при эмпирической терапии ЯК. Фагоустойчивость к биологическим агентам отмечается в литературе и характеризуется развитием резистентности к препаратам данного типа, а также необходимостью регулярного обновления фармакологического набора фаготерапевтических препаратов [13].
Таким образом, данные, полученные по результатам полногеномного секвенирования штамма EAgEC, выделенного от пациента с гистологически подтвержденным диагнозом «язвенный колит», свидетельствуют, что традиционные культуральные методы изучения штаммов E. coli, колонизирующих кишечник пациентов с ЯК, включая определение чувствительности к АМП, подходят только для фенотипической характеристики выделенного изолята. В виду этого одним из перспективных направлений в детекции EAgEC у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника, а также в изучении механизмов резистентности к АМП, становится применение современных генетических методик. Использование дополнительных методов позволит получить информацию, необходимую клиницисту для принятия решения о назначении адекватной этиотропной терапии пациентов с ЯК. Для получения достоверных данных об этиологии ЯК и роли EAgEC в патогенезе воспаления толстого кишечника требуется проведение дальнейших исследований. Особенно это становится актуальным в связи с широким распространением среди больных ЯК грамотрицательных бактерий с фенотипом множественной резистентности к АМП, продуцирующих БЛРС.
Благодарности
Особая благодарность выражается Никите Андреевичу Буланцеву — выпускнику магистратуры SCAMT ИТМО (Санкт-Петербург) за помощь в обработке массивов сиквенс-данных.
About the authors
Maria A. Makarova
St. Petersburg Pasteur Institute; Mechnikov North-Western State Medical University
Email: makmaria@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3600-2377
SPIN-code: 7915-1758
DSc (Medicine), Senior Researcher, Laboratory of Enteric Infections; Associate Professor, Department of Medical Microbiology
Россия, St. Petersburg; Saint-PetersburgEgor E. Kruglov
Reaviz Medical University; State Research and Test Institute of Military Medicine
Email: krugegr@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-6955-1025
SPIN-code: 7994-1414
PhD (Medicine), Associate Professor, Department of Clinical Medicine; Researcher, Research and Testing Department
Россия, Самара; Санкт-ПетербургLidia A. Kaftyreva
Saint-Petersburg Pasteur Institute; Mechnikov North-West State Medical University
Author for correspondence.
Email: kaflidia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0989-1404
SPIN-code: 6721-7873
DSc (Medicine), Leading Researcher, Typhoid Epidemiology Research Group; Professor, Department of Medical Microbiology
Россия, St. Petersburg; St. PetersburgReferences
- Баранцевич Е.П., Баранцевич Н.Е. Применение MALDI-ToF масс-спектрометрии в клинической микробиологии // Трансляционная медицина. 2014. № 3. С. 23–28. [Barantsevich E.P., Barantsevich N.E. MALDI-ToF mass spectrometry in clinical microbiology. Translyatsionnaya meditsina = Translational Medicine, 2014, no. 3, pp. 23–28. (In Russ.)] doi: 10.18705/2311-4495-2014-0-3-23-28
- Галстян Г.М., Гапонова Т.В., Жибурт Е.Б., Балашова Е.Н., Берковский А.Л., Быстрых О.А., Купряшов А.А., Оловникова Н.И., Ошоров А.В., Рыбка М.М., Троицкая В.В., Буланов А.Ю., Журавель С.В., Лубнин А.Ю., Мазурок В.А., Недомолкин С.В., Певцов Д.Э., Рогачевский О.В., Салимов Э.Л., Трахтман П.Е., Чжао А.В., Шерстнев Ф.С., Савченко В.Г. Клиническое использование криопреципитата // Гематология и трансфузиология. 2020. Т. 65, № 1. С. 87–114. [Galstyan G.M., Gaponova T.V., Zhiburt E.B., Balashova E.N., Berkovskiy A.L., Bystrykh O.A., Kupryashov A.A., Olovnikova N.I., Oshorov A.V., Rybka M.M., Troitskaya V.V., Bulanov A.Yu., Zhuravel S.V., Lubnin A.Yu., Mazurok V.A., Nedomolkin S.V., Pevtcov D.E., Rogachevskiy O.V., Salimov E.L., Trakhtman P.E., Chzhao A.V., Sherstnev F.S., Savchenko V.G. Clinical guidelines for cryoprecipitate transfusions. Gematologiya i transfuziologiya = Russian Journal of Hematology and Transfusiology, 2020, vol. 65, no. 1, pp. 87–114. (In Russ.)] doi: 10.35754/0234-5730-2020-65-1-87-114
- Егорова С.А., Кафтырева Л.А., Липская Л.В., Коноваленко И.Б., Пясетская М.Ф., Курчикова Т.С., Ведерникова Н.Б., Морозова О.Т., Смирнова М.В., Попенко Л.Н., Любушкина М.И., Савочкина Ю.А., Макарова М.А., Сужаева Л.В., Останкова Ю.В., Иванова М.Н., Павелкович А.М., Наабер П., Сепп Э., Кыльялг С., Мицюлявичене И., Балоде А. Штаммы энтеробактерий, продуцирующие бета-лактамазы расширенного спектра и металло-β-лактамазу ndm-1, выделенные в стационарах в странах Балтийского региона // Инфекция и иммунитет. 2013. Т. 3, № 1. С. 29–36. [Egorova S.A., Kaftyreva L.A., Lipskaya L.V., Konovalenko I.B., Pyasetskaya M.F., Kurchikova T.S., Vedernikova N.B., Morozova O.T., Smirnova M.V., Popenko L.N., Lyubushkina M.I., Savochkina Yu.A., Makarova M.A., Suzhaeva L.V., Ostankova Yu.V., Ivanova M.N., Pavelkovich A.M., Naaber P., Sepp E., Kyl’yalg S., Mitsyulyavichene I., Balode A. Enterobacteriacae, producing ESBLs and metallo-β-lactamase NDM-1, isolated in hospitals of Baltic region countries. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2013, vol. 3, no. 1, pp. 29–36 (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-2013-1-29-36
- Каторкин С.Е., Жестков А.В., Суворова Г.Н., Мякишева Ю.В., Лямин А.В., Андреев П.С., Давыдова О.Е., Круглов Е.Е. Комплексная характеристика клинических, патоморфологических, микробиологических особенностей язвенного колита // Военно-медицинский журнал. 2019. Т. 340, № 10. С. 68–71. [Katorkin S.E., Zhestkov A.V., Suvorova G.N., Myakisheva Yu.V., Lyamin A.V., Andreev P.S., Davydova O.E., Kruglov E.E. Complex characteristics of clinical, pathological and microbiological features of ulcerative colitis. Voenno-meditsinskiy zhurnal = Military Medical Journal, 2019, vol. 340, no. 10, pp. 68–71. (In Russ.)]
- Макарова М.А., Круглов Е.Е., Матвеева З.Н., Зверякина Н.Н., Кафтырева Л.А. Характеристика штаммов Esсherichia coli, выделенных при остром аппендиците и хроническом язвенном колите // Проблемы медицинской микологии. 2020. Т. 22, № 4. С. 66–71. [Makarova M.A., Kruglov E.E., Matveeva Z.N., Zveryakina N.N., Kaftyreva L.A. Characteristics of Escherichia coli strains isolated in acute appendicitis and ulcerative colitis. Problemy meditsinskoi mikologii = Problems in Medical Mycology, 2020, vol. 22, no. 4, pp. 66–71. (In Russ.)] doi: 10.24412/1999-6780-2020-4-66-71
- Об утверждении стандарта медицинской помощи больным с язвенным колитом (при оказании специализированной помощи): Приказ Минздравсоцразвития России от 8.06.2007 № 406. [On approval of the standard of medical care for patients with ulcerative colitis (in the provision of specialized care): Order of the Ministry of Health and Social Development of Russia dated June 8, 2007 No. 406. (In Russ.)] URL: https://docs.cntd.ru/document/902048232 (31.05.2022)
- Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам: рекомендации Межрегиональной ассоциации по клинической микробиологии и антимикробной химиотерапии. Версия 2021-01. 222 с. [Assessment of microorganisms sensitivity to antimicrobial agents: Guidelines of the Interregional Association for Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. Version 2021-01. 222 p. (In Russ.)] URL: https://www.antibiotic.ru/minzdrav/category/clinical-recommendations (31.05.2022)
- Патент № 2758475 Российская Федерация, МПК C12Q 1/68 (2006.01). Способ выявления энтероагрегативных штаммов Escherichia coli из толстой кишки у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника: № 2020140059; заявлено 2020.12.04: опубликовано 2021.10.28 / Круглов Е.Е., Мякишева Ю.В., Викторов Д.А., Соловьев А.В., Лямин А.В., Жестков А.В., Макарова М.А., Кафтырева Л.А. Патентообладатель: Круглов Е.Е. 8 с. [Patent No. 2758475 Russian Federation, Int. Cl. C12Q 1/68 (2006.01). Method for detecting enteroaggregative Escherichia coli strains from the colon in patients with inflammatory bowel diseases. No. 2020140059; application: 2020.12.04: date of publication 2020.12.04 / Kruglov E.E., Myakisheva Yu.V., Viktorov D.A., Solovev A.V., Lyamin A.V., Zhestkov A.V., Makarova M.A., Kaftyreva L.A. Proprietor: Kruglov E.E. 8 p.]
- Рациональное применение бактериофагов в лечебной и противоэпидемической практике. Федеральные клинические рекомендации. М.: 2014. 39 с. [Rational use of bacteriophages in medical and anti-epidemic practice. Federal clinical guidelines. Moscow, 2014. 39 p. (In Russ.)]
- Суворова Г.Н., Мякишева Ю.В., Каторкин С.Е., Андреев П.С., Давыдова О.Е., Лямин А.В., Круглов Е.Е., Сухачев П.А. Гистологическая картина и микробный пейзаж при язвенном колите // Вестник новых медицинских технологий. 2018. Т. 25, № 4. С. 170–175. [Suvorova G.N., Myakisheva Yu.V., Katorkin S.E., Andreev P.S., Davydova O.E., Lyamin A.V., Kruglov E.E., Sukhachev P.A. Histology and microbic landscape with ulcerative colitis. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy = Journal of New Medical Technologies, 2018, vol. 25, no. 4, pp. 170–175. (In Russ.)] doi: 10.24411/1609-2163
- Язвенный колит: Клинические рекомендации. 2020. ID 193. 69 c. [Clinical guidelines «Ulcerative colitis». 2020. ID 193. 69 p. (In Russ.)] URL: https://cr.minzdravс.gov.ru/recomend/193_1 (31.05.2022)
- Biran D., Sura T., Otto A., Yair Y., Becher D., Ron E. Surviving serum — the E. coli iss gene (increased serum survival) of extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) is required for the synthesis of group 4 capsule. Infect. Immun., 2021, vol. 89, no. 10: e00316-21. doi: 10.1128/IAI.00316-21
- Bolocan A.S., Callanan J., Forde A., Ross P., Hill C. Phage therapy targeting Escherichia coli-a story with no end? FEMS Microbiol. Lett., 2016, vol. 363, no. 22: fnw256. doi: 10.1093/femsle/fnw256
- Butler D.A., Rana A.P., Krapp F., Patel S.R., Huang Y., Ozer E.A., Hauser A.R., Bulman Z.P. Optimizing aminoglycoside selection for KPC-producing Klebsiella pneumoniae with the aminoglycoside-modifying enzyme (AME) gene aac(6’)-Ib. J. Antimicrob. Chemother., 2021, vol. 76, no. 3, pp. 671–679. doi: 10.1093/jac/dkaa480
- Costa R.F.A., Ferrari M.L.A., Bringer M.A., Darfeuille-Michaud A., Martins F.S., Barnich N. Characterization of mucosa-associated Escherichia coli strains isolated from Crohn’s disease patients in Brazil. BMC Microbiol. 2020, vol. 20, no. 1: 178. doi: 10.1186/s12866-020-01856-x
- Desvaux M., Dalmasso G., Beyrouthy R., Barnich N., Delmas J., Bonnet R. Pathogenicity factors of genomic islands in intestinal and extraintestinal Escherichia coli. Front. Microbiol., 2020, vol. 25, no. 11: 2065. doi: 10.3389/fmicb.2020.02065
- Huang D.B., Nataro J.P., DuPont H.L., Kamat P.P., Mhatre A.D., Okhuysen P.C., Chiang T. Enteroaggregative Escherichia coli is a cause of acute diarrheal illness: a meta-analysis. Clin. Infect. Dis., 2006, vol. 43, no. 5, pp. 556–563. doi: 10.1086/505869
- Iablokov S.N., Klimenko N.S., Efimova D.A., Shashkova T., Novichkov P.S., Rodionov D.A., Tyakht A.V. Metabolic phenotypes as potential biomarkers for linking gut microbiome with inflammatory bowel diseases. Front. Mol. Biosci., 2021, no. 7: 603740. doi: 10.3389/fmolb.2020.603740
- Jenkins C. Enteroaggregative Escherichia coli. Curr. Top. Microbiol. Immunol., 2018, vol. 416, pp. 27–50. doi: 10.1007/82_2018_105
- Jensen B.H., Olsen K.E., Struve C., Krogfelt K.A., Petersen A.M. Epidemiology and clinical manifestations of enteroaggregative Escherichia coli. Clin. Microbiol. Rev., 2014, vol. 27, no. 3, pp. 614–630. doi: 10.1128/CMR.00112-13
- Moraes C., Longo J., Silva L.B., Pimenta D.C., Carvalho E., Morone M.S., da Rós N., Serrano S.M.T., Santos A.C.M., Piazza R.M.F., Barbosa A.S., Elias W.P. Surface protein dispersin of enteroaggregative Escherichia coli binds plasminogen that is converted into active plasmin. Front. Microbiol., 2020, no. 11: 1222. doi: 10.3389/fmicb.2020.01222
- Morin N., Santiago A., Ernst R., Guillot S., Nataro J. Characterization of the AggR regulon in enteroaggregative E. coli. Infect. Immun., 2012, vol. 81, no. 10, pp. 122–132. doi: 10.1128/IAI.00676-12
- Mousavifar L., Roy R. Recent development in the design of small “drug-like” and nanoscale glycomimetics against Escherichia coli infections. Drug Discov. Today, 2021, vol. 26, no. 9, pp. 2124–2137. doi: 10.1016/j.drudis.2021.02.025
- Nuesch-Inderbinen M.T., Hofer E., Hächler H., Beutin L., Stephan R. Characteristics of enteroaggregative Escherichia coli isolated from healthy carriers and from patients with diarrhoea. J. Med. Microbiol., 2013, vol. 62, no. 12, pp. 1828–1834. doi: 10.1099/jmm.0.065177-0
- Prieto A., Bernabeu M., Sánchez-Herrero J.F., Pérez-Bosque A., Miró L., Bäuerl C., Collado C., Hüttener M., Juárez A. Modulation of AggR levels reveals features of virulence regulation in enteroaggregative E. coli. Commun. Biol., 2021, vol. 4, no. 1: 1295. doi: 10.1038/s42003-021-02820-9
- Shaler C.R., Elhenawy W., Coombes B.K. The unique lifestyle of Crohn’s disease-associated adherent-invasive Escherichia coli. J. Mol. Biol., 2019, vol. 431, no. 16, pp. 2970–2981. doi: 10.1016/j.jmb.2019.04.023
- Tyakht A.V., Kostryukova E.S., Popenko A.S., Belenikin M.S., Pavlenko A.V., Larin A.K., Karpova I.Y., Selezneva O.V., Semashko T.A., Ospanova E.A., Babenko V.V., Maev I.V., Cheremushkin S.V., Kucheryavyy Y.A., Shcherbakov P.L., Grinevich V.B., Efimov O.I., Sas E.I., Abdulkhakov R.A., Abdulkhakov S.R., Lyalyukova E.A., Livzan M.A., Vlassov V.V., Sagdeev R.Z., Tsukanov V.V., Osipenko M.F., Kozlova I.V., Tkachev A.V., Sergienko V.I., Alexeev D.G., Govorun V.M. Human gut microbiota community structures in urban and rural populations in Russia. Nat. Commun., 2013, no. 4: 2469. doi: 10.1038/ncomms3469
- Zhang S.L., Wang S.N., Miao C.Y. Influence of microbiota on intestinal immune system in ulcerative colitis and its intervention. Front. Immunol., 2017, no. 8: 1674. doi: 10.3389/fimmu.2017.01674