Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI133910.15789/2220-7619-TIO-1339ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИThe importance of pathogenicity factors of some Streptococcus spp. and Klebsiella spp. in determining their etiological role in the inflammatory processes of the respiratory tractЗначение факторов патогенности некоторых видов стрептококков и клебсиелл при определении их этиологической роли в развитии воспалительных процессов респираторного трактаhttps://orcid.org/0000-0002-9115-3250KraevaL. A.КраеваЛ. А.
Russian Federation

Lyudmila A. Kraeva - PhD, MD (Medicine), Associate Professor, Head of the Laboratory of Medical Bacteriology, St. Petersburg PI; Professor, Department of Microbiology, S.M. Kirov MMA.

197101, St. Petersburg, Mira str., 14, Phone: +7 (812) 232-94-85. Fax: +7 (812) 498-09-39

Краева Людмила Александровна - доктор медицинских наук, доцент, зав. лабораторией медицинской бактериологии ФБУН НИИ ЭМ им. Пастера; профессор кафедры микробиологии ВМА им. С.М. Кирова.

197101, Санкт-Петербург, ул. Мира, 14, Тел.: 8 (812) 232-94-85, Факс: 8 (812) 498-09-39

 

lykraeva@yandex.ruKunilovaE. S.КуниловаЕ. С.
Russian Federation

Junior Researcher, Laboratory of Medical Bacteriology.

St. Petersburg

Младший научный сотрудник лаборатории медицинской бактериологии.

Санкт-ПетербургBurgasovaO. A.БургасоваО. А.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Professor, Department of Infectious Diseases with Courses in Epidemiology and Phthisiology RUDN University.

Moscow

Доктор медицинских наук, профессор кафедры инфекционных болезней с курсами эпидемиологии и фтизиатрии ВПО РУДН.

МоскваHamdulaevaG. N.ХамдулаеваГ. Н.
Russian Federation

Junior Researcher, Laboratory of Medical Bacteriology.

St. Petersburg

Младший научный сотрудник лаборатории медицинской бактериологии.

Санкт-ПетербургDanilovaE. M.ДаниловаЕ. М.
Russian Federation

Pediatrician, Head of the Polyclinic Department of the Medical Center.

St. Petersburg

Врач-педиатр высшей категории, зав. поликлиническим отделением медицинского центра.

Санкт-ПетербургBespalovaG. I.БеспаловаГ. И.
Russian Federation

PhD (Biology), Associate Professor, Department of Microbiology.

St. Petersburg

Кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии Северо-Западного ГМУ им. И.И. Мечникова.

Санкт-ПетербургSt. Petersburg Pasteur InstituteФБУН НИИЭМ имени Пастера, Военно-медицинская академия им. С.М.КироваMilitary Medical Academy named S.M. KirovФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени ПастераSt. Petersburg Pasteur InstituteФГАОУВПО Российский университет дружбы народовRUDN UniversityФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени ПастераSt. Petersburg Pasteur InstituteФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени ПастераSt. Petersburg Pasteur InstituteСеверо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. МечниковаNorth-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov070420201011211280812201911032020Copyright ©; 2020, Kraeva L.A., Kunilova E.S., Burgasova O.A., Hamdulaeva G.N., Danilova E.M., Bespalova G.I.Copyright ©; 2020, Краева Л.А., Кунилова Е.С., Бургасова О.А., Хамдулаева Г.Н., Данилова Е.М., Беспалова Г.И.2020Kraeva L.A., Kunilova E.S., Burgasova O.A., Hamdulaeva G.N., Danilova E.M., Bespalova G.I.Краева Л.А., Кунилова Е.С., Бургасова О.А., Хамдулаева Г.Н., Данилова Е.М., Беспалова Г.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1339

Together with the known pathogens of inflammatory processes of the respiratory tract in clinical practice are often found representatives of Streptococcus and Klebsiella, previously considered commensals of the mucous membranes of the upper respiratory tract. The exchange of genetic information facilitates the transfer of virulence factors between strains not only within the species but also within the genus. In such cases, the acquisition of virulence genes by nonpathogenic species from representatives of pathogenic species contributes to the manifestation of previously not typical properties. Therefore, the aim of the research was to study the virulence of opportunistic Streptococcus spp. and Klebsiella spp. in inflammatory processes of the respiratory tract and substantiate their etiological role in the development of the disease. We studied 220 strains of Streptococcus spp. and 97 strains of Klebsiella spp., isolated from patients with inflammatory processes in the respiratory tract and from healthy individuals. Strains of Streptococcus spp. were investigated for the presence of virulence genes: sagA, lmb, fapl, ply, lytA. Strains of Klebsiella spp. were examined for the presence of virulence genes: MrkD, magA, kfu. The phenotypic marker of lmb gene expression in Streptococcus and MrkD gene in Klebsiella was the indicator of adhesion of isolated strains to buccal epithelial cells. Expression of the fapl gene was evaluated in a phenotypic biofilm formation test. In individuals with upper respiratory tract inflammation, the most common types of strepto -cocci were: S. mitis, S. anginosus, and S. oralis. Strains of these species isolated from inflammatory processes in the upper respiratory tract had 2—4 times greater adhesiveness than strains isolated from healthy individuals. Phenotypic determination of the ability to biofilm formation showed that strains of Streptococcus containing the fapl gene formed a dense biofilm in contrast to strains without the fapl gene. K. oxytoca strains isolated from people with sinusitis had mrkd, magA, and kfu virulence genes that are characteristic of K. pneumoniae strains. In phenotypic tests, it was found that the value of the adhesion index in K. oxytoca strains isolated from patients is 4 times higher than in strains of this species isolated from healthy individuals. Thus, to confirm the etiological role of an opportunistic microorganism in the development of the infectious process, it is necessary to be guided by data on the genetic and phenotypic markers of virulence of the isolated strain.

Наряду с известными возбудителями воспалительных процессов респираторного тракта в клинической практике часто встречаются представители стрептококков и клебсиелл, ранее считавшиеся комменсалами слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Обмен генетической информацией способствует передаче детерминант вирулентности между штаммами не только в пределах вида, но и рода. В таких случаях приобретение генов вирулентности от представителей патогенных видов способствует проявлению непатогенными стрептококками ранее не присущих им свойств. Поэтому целью исследования стало изучение вирулентности условно-патогенных стрептококков и клебсиелл при воспалительных процессах респираторного тракта и обоснование их этиологической роли в развитии заболеваний. Изучены 220 штаммов Streptococcus spp. и 97 штаммов Klebsiella spp., выделенных от пациентов с воспалительными процессами в респираторном тракте и от здоровых лиц. Стрептококки исследовали на наличие генов вирулентности sagA, lmb, fap1, ply, lytA. Штаммы Klebsiella spp. исследовали на наличие генов вирулентности MrkD, magA, kfu. Фенотипическим маркером экспрессии гена lmb у стрептококков и гена MrkD у клебсиелл служил показатель адгезии выделенных штаммов к клеткам буккального эпителия. Экспрессию гена fap1 оценивали в фенотипическом тесте биопленкообразования. У лиц с воспалительными процессами верхних дыхательных путей наиболее часто присутствовали виды стрептококков: S. mitis, S. anginosus, S. oralis. Штаммы указанных видов, выделенные при воспалительных процессах в верхних дыхательных путях, обладали в 2—4 раза большей адгезивностью, чем штаммы, выделенные от здоровых лиц. Фенотипическое определение способности к биопленкообразованию показало, что штаммы стрептококков, содержащие ген fap1, формировали выраженную биопленку в отличие от штаммов, не имеющих гена fap1. Штаммы K. oxytoca, выделенные от людей с гайморитом, имели гены вирулентности MrkD, magA, kfu, которые характерны для штаммов K. pneumoniae. В фенотипических тестах установлено, что значение индекса адгезии у штаммов K. oxytoca, выделенных от больных, в 4 раза выше, чем у штаммов этого вида, выделенных от здоровых лиц. Таким образом, для подтверждения этиологической роли условно-патогенного микроорганизма в развитии инфекционного процесса необходимо руководствоваться данными о генетических и фенотипических маркерах вирулентности выделенного штамма.

pathogenicity factorsStreptococcusKlebsiellagenetic and phenotypic markers of virulenceфакторы патогенностистрептококкиклебсиеллыгенетические и фенотипические маркеры вирулентности1. Барлетт Д.Д. Инфекции дыхательных путей: пер. с англ. М.: Бином, 2000. 192 с.2. Благонравова А.С., Афонин А.Н., Воробьева О.Н., Широкова И.Ю. Сравнительный анализ адгезивности микроорганизмов, выделенных от больных и с объектов внешней среды лечебно-профилактических учреждений // Медицинский альманах. 2011. № 5 (18). С. 215-218.3. Бургасова О.А., Краева Л.А., Петрова И.С., Келли Е.И. Случай тяжелого течения смешанной респираторно-вирусной инфекции (грипп А (H1N1) + RS-вирусная), осложненной внебольничной пневмонией, вызванной Streptococcus equi // Инфекционные болезни. 2015. Т. 13, № 1. С. 71—74.4. Лабораторная диагностика внебольничных пневмоний: Методические указания. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2014. 39 с.5. Перцева Т.А., Плеханова О.В., Дмитриченко В.В. Клинически значимые возбудители инфекций дыхательных путей: конспект врача-клинициста и микробиолога. Часть 3: Гемофила. Моракселла // Клиническая иммунология. Аллергология. Инфектология. 2007. № 6 (1). С. 15—20.6. Тотолян А.А., Суворов А.Н., Дмитриев А.В. Стрептококки группы В в патологии человека. СПб.: Человек, 2010. 212 с. [Totolyan A.A., Suvorov A.N., Dmitriev A.V. Group B Streptococccus in human pathology. St. Petersburg: Chelovek, 2010. 212p. (In Russ.)]7. Beighton D., Carr A.D., Oppenheim B.A. Identification of viridans Streptococci associated with bacteraemia in neutropenic cancer patients. J. Med. Microbiol, 1994, no. 40, pp. 202—204. doi: 10.1099/00222615-40-3-2028. Benton A.H., Marquart M.E. The role of pneumococcal virulence factors in ocular infectious diseases. Interdiscip. Perspect. Infect. Dis, 2018:2525173. doi: 10.1155/2018/25251739. Brisse S., Fevre C., Passet V., Issenhuth-Jeanjean S., Tournebize R., Diancourt L., Grimont P. Virulent clones of Klebsiella pneumoniae: identification and evolutionary scenario based on genomic and phenotypic characterization, 2009. PLoS One, no. 4 (3): e4982. doi: 10.1371/journal.pone.000498210. Brisse S., Grimont F., Grimont P.A.D. The genus Klebsiella. Prokaryotes, 2006, no. 6, pp. 159—196. doi: 10.1007/0-387-30746-x_811. Caparon M.G., Stephens D.S., Olsen A., Scott J.R. Role of M protein in adherence of group A streptococci. Infect. Immun., 1991, no. 59, pp. 1811-1817.12. Chi F., Nolte O., Bergmann C., Ip M., Hakenbeck R. Crossing the barrier: evolution and spread of a major class of mosaic pbp2xin Streptococcus pneumoniae, S. mitis and S. oralis. Int. J. Med. Microbiol., 2007, no. 297, pp. 503-512. doi: 10.1016/j.ijmm.2007.02.00913. Dmitriev A., Shakleina E., Tkacikova L. Genetic heterogeneity of the pathogenic potentials of human and bovine group B Streptococci. Folia Microbiol., 2002, vol. 47, pp. 291-295. doi: 10.1007/bf0281765514. Douglas C.W., Heath J., Hampton K.K., Preston F.E. Identity of viridans streptococci isolated from cases of infective endocarditis. J. Med. Microbiol, 1993, no. 39, pp. 179-182. doi: 10.1099/00222615-39-3-17915. Facklam R. What happened to the streptococci: overview of taxonomic and nomenclature changes. Clin. Microbiol. Rev., 2002, no. 15, pp. 613-630. doi: 10.1128/CMR.15.4.613-630.200216. Franken C., Haase G., Brandt C. Horizontal gene transfer and host specificity of beta-haemolytic streptococci: the role of a putative composite transposon containing scpB and lmb. Mol. Microbiol., 2001, vol. 41, pp. 925-935. doi: 10.1046/j.1365-2958.2001.02563.x17. Havarstein L.S., Gaustad P., Nes I.F., Morrison D.A. Identification of the streptococcal competence-pheromone receptor. Mol. Microbiol., 1996, no. 21, pp. 863-869. doi: 10.1046/j.1365-2958.1996.521416.x18. Hirst R.A., Cosai B., Rutman A., Guerin C.J., Nicotera P., Andrew P.W. O’Callaghan C. Streptococcus pneumoniae deficient in pneumolysin or autolysin has reduced virulence in meningitis. J. Infect. Dis., 2008, no. 197, pp. 744-751. doi: 10.1086/52732219. Hornick D.B., Allen B.L., Horn M.A., Clegg S. Adherence to respiratory epithelia by recombinant Escherichia coli expressing Klebsiella pneumoniae type 3 fimbrial gene products. Infect Immun., 1992, no. 60, pp. 1577-1588.20. Hossain S., De Silva B.C.J., Dahanayake P.S., Heo G.J. Phylogenetic relationships, virulence and antimicrobial resistance properties of Klebsiella sp. isolated from pet turtles in Korea. Lett. Appl. Microbiol., 2020, vol. 70, iss. 2, pp. 71-78. doi: 10.1111/lam.1324521. Jefferies J., Nieminen L., Kirkham L.A., Johnston C., Smith A., Mitchell T.J. Identification of a secreted cholesterol-dependent cytolysin (mitilysin) from Streptococcus mitis. J. Bacteriol., 2007, no. 189, pp. 627-632. doi: 10.1128/JB.01092-0622. Jounblat R., Kadioglu A., Mitchell T.J., Andrew P.W. Pneumococcal behavior and host responses during bronchopneumonia are affected differently by the cytolytic and complement-activating activities of pneumolysin. Infect. Immun., 2003, no. 71, pp. 18131819. doi: 10.1128/IAI.71.4.1813-1819.200323. Khilnani G.C., Dubey D., Hadda V., Sahu S.R., Sood S., Madan K., Tiwari P., Mittal S., Mohan A., Pandey R.M., Guleria R. Predictors and microbiology of ventilator-associated pneumonia among patients with exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease. Lung India, 2019, vol. 36, no. 6, pp. 506-511. doi: 10.4103/lungindia.lungindia_13_1924. Kilian M., Poulsen K., Blomqvist T., HAvarstein L.S., Bek-Thomsen M., Tettelin H., Sorensen U.B.S. Evolution of Streptococcus pneumoniae and its close commensal relatives. PLoS One, vol. 3, iss. 7: e2683. doi: 10.1371/journal.pone.000268325. King S.J., Whatmore A.M., Dowson C.G. NanA, a neuraminidase from Streptococcus pneumoniae, shows high levels of sequence diversity, at least in part through recombination with Streptococcus oralis. J. Bacteriol, 2005, no. 187, pp. 5376-5386. doi: 10.1128/JB.187.15.5376-5386.200526. Li Z., Sledjeski D.D., Kreikemeyer B., Podbielski A., Boyle M.D. Identification of pel, a Streptococcus pyogenes locus that affects both surface and secreted proteins. J. Bacteriol., 1999, no. 181, pp. 6019-6027.27. Lucas, V.S., Beighton D., Roberts G.J., Challacombe S.J. Changes in the oral streptococcal flora of children undergoing allogeneic bone marrow transplantation. J. Infect., 1997, no. 35, pp. 135-141. doi: 10.1016/S0163-4453(97)91545-028. Marrie T.J., Peeling R.W., Fine M J. Ambulatory patients with community-aquired pneumonia: the frequency of atypical agents and clinical course. Am. J. Med,, 1996, vol. 101, pp. 508-515. doi: 10.1016/S0002-9343(96)00255-029. Marrie T.J., Tirrel G.J., Majumbar S.R., Eurich D. Risk factors for pneumococcal endocarditi. Eur. J. Clin. Microbiol., 2018, vol. 37, no. 2,pp. 277-280. doi: 10.1007/s10096-017-3128-z30. Morrison, D.A. Streptococcal competence for genetic transformation: regulation by peptide pheromones. Microb. Drug Resist., 1997, no. 3, pp. 27-37. doi: 10.1089/mdr.1997.3.2731. Nakagawa I., Kurokawa K., Yamashita A. Genome sequence of an M3 strain of Streptococcus pyogenes reveals a large-scale genomic rearrangement in invasive strains and new insights into phage evolution. Genome Res., 2003, vol. 13, no. 6А, pp. 10421055.32. Neeleman C., Klaassen C.H., Klomberg D.M., de Valk H.A., Mouton J.W. Pneumolysin is a key factor in misidentification of macrolide-resistant Streptococcus pneumoniae and is a putative virulence factor of S. mitis and other streptococci. J. Clin. Microbiol,, 2004, no. 42, pp. 4355-4357. doi: 10.1128/JCM.42.9.4355-4357.200433. Nobbs A.H., Lamont R.J., Jenkinson H.F. Streptococcus adherence and colonization. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2009, vol. 73, no. 3,pp. 407-450. doi: 10.1128/MMBR.00014-09.34. Potera C. Foraging a link between biofilms and disease. Science, 1999, no. 283, pp. 1837-1839. doi: 10.1126/science.283.5409.183735. Struve C., Bojer M., Nielsen E.M., Hansen D.S., Krogfelt K.A. Investigation of the putative virulence gene magA in a worldwide collection of 495 Klebsiella isolates: magA is restricted to the gene cluster of Klebsiella pneumoniae capsule serotype K1. J. Med. Microbiol., 2005, no. 54,pp. 1111-1113. doi: 10.1099/jmm.0.46165-036. Whatmore A.M., Efstratiou A., Pickerill A.P., Broughton K., Woodard G., Sturgeon D., George R., Dowson C.G. Genetic relationships between clinical isolates of Streptococcus pneumoniae, Streptococcus oralis, and Streptococcus mitis: characterization of “atypical” pneumococci and organisms allied to S. mitis harboring S. pneumoniae virulence factor-encoding genes. Infect. Immun, 2000, no. 68,pp. 1374-1382. doi: 10.1128/iai.68.3.1374-1382.200037. Wu H., Mintz K.P., Ladha M., Fives-Taylor P.M. Isolation and characterization of Fap1, a fimbriae-associated adhesin of Streptococcus parasanguis FW213. Mol. Microbiol., 1998, no. 28(3), pp. 487-500. doi: 10.1046/j.1365-2958.1998.00805.x