Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI76710.15789/2220-7619-2019-1-173-182ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИUnknownIn vivo virulence of Beijing genotype Mycobacterium tuberculosisВирулентность Mycobacterium tuberculosis генотипа Beijing в условиях in vivohttps://orcid.org/0000-0002-4408-503XBespyatykhJ. A.БеспятыхЮ. А.
Russian Federation

Julia A. Bespyatykh - PhD (Biology), Researcher, Laboratory of Molecular Genetics of Microorganisms, Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological Agency.

119435, Moscow, Malaya Pirogovskaya str., 1a.

Phone: +7 (909) 961-18-46. Fax: +7 (499) 246-44-09.

Беспятых Юлия Андреевна - кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики микроорганизмов.

119435, Москва, ул. Малая Пироговская, 1а.

Тел.: 8 (909) 961-18-46. Факс: 8 (499) 246-44-09.

juliabespyatykh@gmail.comVinogradovaТ. I.ВиноградоваТ. И.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Professor, Head Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ СПб НИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ, координатор направления «Экспериментальный туберкулез и инновационные технологии».

Санкт-Петербург.

ManichevaO. A.МаничеваО. А.
Russian Federation

PhD, MD (Biology), Leading Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник.

Санкт-Петербург.

ZabolotnykhN. V.ЗаболотныхН. В.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Leading Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник.

Санкт-Петербург.

DogonadzeM. Z.ДогонадзеМ. З.
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.

Санкт-Петербург.

VitovskayaM. L.ВитовскаяМ. Л.
Russian Federation

PhD (Medicine), Senior Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник.

Санкт-Петербург.

GuliaevA. S.ГуляевА. С.
Russian Federation

PhD (Biology), Junior Researcher, Laboratory of Molecular Genetics of Microorganisms, Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological Agency.

Moscow.

Кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики микроорганизмов.

Москва.

ZhuravlevV. Yu.ЖуравлевВ. Ю.
Russian Federation

PhD (Medicine), Leading Researcher, St. Petersburg State Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg.

Кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник ФГБУ СПб НИИ фтизиопульмонологии Минздрава России, координатор направления «Лабораторная диагностика».

Санкт-Петербург.

ShitikovE. A.ШитиковЕ. А.
Russian Federation

PhD (Biology), Head of the Laboratory of Molecular Genetics of Microorganisms, Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological Agency.

Moscow.

Кандидат биологических наук, и.о. заведующего лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов.

Москва.

IlinaE. N.ИльинаЕ. Н.
Russian Federation

PhD, MD (Biology), RAS Professor, Deputy Director for Science, Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological Agency.

Moscow.

Доктор биологических наук, профессор РАН, заместитель директора по научной работе.

Москва.

Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological AgencyФГБУ Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБАSt. Petersburg Research Institute of PhthisiopulmonologyФГБУ Санкт-Петербургский НИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ19052019911731821810201823112018Copyright ©; 2019, Bespyatykh J.A., Vinogradova Т.I., Manicheva O.A., Zabolotnykh N.V., Dogonadze M.Z., Vitovskaya M.L., Guliaev A.S., Zhuravlev V.Y., Shitikov E.A., Ilina E.N.Copyright ©; 2019, Беспятых Ю.А., Виноградова Т.И., Маничева О.А., Заболотных Н.В., Догонадзе М.З., Витовская М.Л., Гуляев А.С., Журавлев В.Ю., Шитиков Е.А., Ильина Е.Н.2019Bespyatykh J.A., Vinogradova Т.I., Manicheva O.A., Zabolotnykh N.V., Dogonadze M.Z., Vitovskaya M.L., Guliaev A.S., Zhuravlev V.Y., Shitikov E.A., Ilina E.N.Беспятых Ю.А., Виноградова Т.И., Маничева О.А., Заболотных Н.В., Догонадзе М.З., Витовская М.Л., Гуляев А.С., Журавлев В.Ю., Шитиков Е.А., Ильина Е.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/767

Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype strains comprise 50–80% in Russian Federation, which are divided into the main B0/W148, CladeA, and CAO clusters based on VNTR and SNP analysis. It should be noted that such phylogenetically highly close MTB strains belong to the modern Beijing family, generally demonstrating high transmissibility, association with drug resistance, and prevalence among patients with severe forms of the disease. However, studies on MTB genetic cluster strain-related virulence are scarce and contradictory. Here, we investigated virulence of diverse Mycobacterium tuberculosis strains belonging to the B0/W148, CladeA and CAO clusters and nonclustered strain NK of the Beijing family as well as laboratory strain H37Rv in C57BL/6 mice. It was found that mice infected with NK and B0/W148 vs. CladeA strains revealed the peak and the lowest mortality, respectively, while assessing survival rate in various groups (20 mice per MTB strain examined). Analyzing experimental data in mice demonstrated that all MTB strains were able to cause typical tuberculosis-related pathogenic signs. In particular, time-dependent evaluation of pathological changes (on 1, 3, 7, 14, 21, 28, 60 and 120 day post infection) in the lungs and spleen revealed significant differences among various strains. Tuberculosis progression was observed in the mice infected with B0/W148 and NK strains, whereas CladeA, CAO and H37Rv strains resulted in stabilized course and less marked organs damage. Moreover, we found that bacterial load after infection with Beijing family clustering strains was lower compared to that of the reference H37Rv strain, except NK strain demonstrating the peak bacterial load among the Beijing family comparable to H37Rv strain at 120 dpi. Thus, it was found that the level of virulence between most virulent B0/W148 cluster strain vs. NK strain was similar. Overall, the data obtained indicate that Beijing genotype strains are characterized by a diverse range of phenotypic virulence in vivo.

В структуре популяции возбудителя туберкулеза в России доля штаммов генетического семейства Beijing составляет от 50 до 80%. На основании VNTR- и SNP-анализа представители семейства разделяют на несколько доминирующих кластеров: B0/W148, CladeA и CAO. Следует отметить, что описываемые группы принадлежат к «современным» Beijing и очень близки филогенетически. Как правило, такие изоляты демонстрируют высокую трансмиссивность, ассоциацию с лекарственной устойчивостью и преобладают среди пациентов с тяжелыми формами заболевания. Немногочисленные исследования вирулентности штаммов отдельных кластеров носят противоречивый характер. Целью данной работы было сравнительное исследование вирулентности штаммов Mycobacterium tuberculosis, относящихся к основным кластерам семейства Beijing на животной модели. В исследование включены клинические штаммы, относящиеся к кластерам семейства Beijing B0/W148, CladeA, CAO и некластеризующийся штамм NK, а также лабораторный штамм H37Rv. В ходе исследований по оценке выживаемости инфицированных мышей линии C57BL/6 (по 20 мышей на штамм) было установлено, что наибольшая смертность наблюдалась в группе животных, инфицированных штаммами NK и B0/W148. При этом наименьшей вирулентностью обладал штамм CladeA. Анализ патоморфологической картины экспериментального туберкулеза показал, что все штаммы имели характерные патогенные свойства, то есть были способны вызывать специфический туберкулезный процесс. В ходе оценки динамики патоморфологических изменений (1, 3, 7, 14, 21, 28, 60 и 120 день после заражения) в легких и селезенке выявлены достоверные различия между штаммами. Прогрессивное развитие туберкулезного процесса наблюдалось у мышей, инфицированных изолятами B0/W148 и NK. В то же время при инфекции штаммами CladeА, CAO и H37Rv наблюдалась стабилизация процесса и менее серьезное повреждение органов. Согласно полученным данным, бактериальная нагрузка после заражения кластеризующимися штаммами семейства Beijing была ниже таковой для штамма Н37Rv, который использовался как референсный. Исключением являлся штамм NK, бактериальная нагрузка для которого являлась самой высокой среди семейства Beijing и была сопоставима с Н37Rv к 120 дню инфицирования. Показано, что кластер B0/W148, известный как наиболее вирулентный, обладает схожим уровнем вирулентности со штаммом NK. Суммарно, полученные данные свидетельствуют, что штаммы семейства Beijing демонстрируют различный спектр фенотипической вирулентности.

tuberculosisvirulenceMycobacterium tuberculosismycobacteriamurine modelBeijing B0/W148туберкулезвирулентностьMycobacterium tuberculosisмикобактериимышиные моделиBeijing B0/W14Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (№ 17-15-01412)Andreevskaia S.N., Chernousova L.N., Smirnova T.G., Larionova E.E., Kuz’min A.V. Impact of Mycobacterium tuberculosis genotype on survival in mice with experimental tuberculosis. Problemy tuberkuleza i boleznei legkikh = Problems of Tuberculosis and Lung Disease, 2007, vol. 84, no. 7, pp. 45–50. (In Russ.)Andreevskaia S.N., Chernousova L.N., Smirnova T.G., Larionova E.E., Kuz’min A.V. Examining the ex vivo growth in the macrophages of Mycobacterium tuberculosis of various genotypic clusters. Problemy tuberkuleza i boleznei legkikh = Problems of Tuberculosis and Lung Disease, 2006, vol. 83, no. 12, pp. 43–48. (In Russ.)Vishnevskiy B., Narvskaia O.V., Vasil’eva S.N., Sapozhnikova N.V., Mukrousov I.V., Otten T.F. Virulence of Mycobacteria tuberculosis. Problemy tuberkuleza = Problems of Tuberculosis, 2002, vol. 79, no. 10, pp. 33–36. (In Russ.)Zemskova Z.S., Andreyevskaya S.N., Smirnova T.G., Larionova Y.Y., Chernousova L.N. Experimental tuberculosis caused by Mycobacterium tuberculosis strains of genotypical W, AI, and HD clusters. Tuberkulez i bolezni legkih = Tuberculosis and Lung Diseases, 2010, vol. 87, no. 3, pp. 41–46. (In Russ.)Narvskaia O.V., Mukrousov I.V., Otten T.F., Vishnevskiy B.I. Genetic labeling of Mycobacterium tuberculosis poliresistant strains isolated in North-West Russia. Problemy tuberkuleza = Problems of Tuberculosis, 1999, vol. 79, no. 3, p. 39. (In Russ.)Nechaeva O.B. The main indicators for tuberculosis in the Russian Federation. 2017. (In Russ.)Chernousova L.N., Andreevskaia S.N., Smirnova T.G., Zemskova Z.S., Larionova E.E. Biological properties of Mycobacterium tuberculosis W cluster strains. Problemy tuberkuleza i boleznei legkikh = Problems of Tuberculosis and Lung Disease, 2008, vol. 85, no. 10, pp. 45–50. (In Russ.)Aguilar L.D., Hanekom M., Mata D., Gey van Pittius N.C., van Helden P.D., Warren R.M., Hernandez-Pando R. Mycobacterium tuberculosis strains with the Beijing genotype demonstrate variability in virulence associated with transmission. Tuberculosis, 2010, vol. 90, no. 5, pp. 319–325.Barnett M., Busby S.R., Mitchison D.A. Tubercle bacilli resistant to isoniazid: virulence and response to treatment with isoniazid in guinea-pigs and mice. Br. J. Exp. Pathol., 1953, vol. 34, no. 5, pp. 568–81.Bifani P.J., Mathema B., Kurepina N.E., Kreiswirth B.N. Global dissemination of the Mycobacterium tuberculosis W-Beijing family strains. Trends Microbiol., 2002, vol. 10, no. 1, pp. 45–52.Borrell S., Gagneux S. Strain diversity, epistasis and the evolution of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Clin. Microbiol. Infect., 2011, vol. 17, no. 6, pp. 815–820.Casali N., Nikolayevskyy V., Balabanova Y., Harris S.R., Ignatyeva O., Kontsevaya I., Corander J., Bryant J., Parkhill J., Nejentsev S., Horstmann R.D., Brown T., Drobniewski F. Evolution and transmission of drug-resistant tuberculosis in a Russian population. Nat. Genet., 2014, vol. 46, no. 3, pp. 279–286.Cox H.S., Kubica T., Doshetov D., Kebede Y., Rüsch-Gerdess S., Niemann S. The Beijing genotype and drug resistant tuberculosis in the Aral Sea region of Central Asia. Respir. Res., 2005, vol. 6, no. 1, p. 134.Dormans J., Burger M., Aguilar D., Hernandez-Pando R., Kremer K., Roholl P., Arend S.M., van Soolingen D. Correlation of virulence, lung pathology, bacterial load and delayed type hypersensitivity responses after infection with different Mycobacterium tuberculosis genotypes in a BALB/c mouse model. Clin. Exp. Immunol., 2004, vol. 137, no. 3, pp. 460 –468.Freihofer P., Akbergenov R., Teo Y., Juskeviciene R., Andersson D.I., Böttger E.C. Nonmutational compensation of the fitness cost of antibiotic resistance in mycobacteria by overexpression of tlyA rRNA methylase. RNA, 2016, vol. 22, no. 12, pp. 1836–1843.Gagneux S., Long C.D., Small P.M., Van T., Schoolnik G.K., Bohannan B.J. The competitive cost of antibiotic resistance in Mycobacterium tuberculosis. Science, 2006, vol. 312, no. 5782, pp. 1944–1946.Hanekom M., Gey van Pittius N.C., McEvoy C., Victor T.C., Van Helden P.D., Warren R.M. Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: a template for success. Tuberculosis, 2011, vol. 91, no. 6, pp. 510 –523.Kozak R.A., Alexander D.C., Liao R., Sherman D.R., Behr M.A. Region of difference 2 contributes to virulence of Mycobacterium tuberculosis. Infect. Immun., 2011, vol. 79, no. 1, pp. 59–66.Kubica T., Rüsch-Gerdes S., Niemann S. The Beijing genotype is emerging among multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis strains from Germany. Int. J. Tuberc. Lung Dis., 2004, vol. 8, no. 9, pp. 1107–13.Lasunskaia E., Ribeiro S.C.M., Manicheva O., Gomes L.L., Suffys P.N., Mokrousov I., Ferrazoli L., Andrade M.R.M., Kritski A., Otten T., Kipnis T.L., da Silva W.D., Vishnevsky B., Oliveira M.M., Gomes H.M., Baptista I.F., Narvskaya O. Emerging multidrug resistant Mycobacterium tuberculosis strains of the Beijing genotype circulating in Russia express a pattern of biological properties associated with enhanced virulence. Microbes Infect., 2010, vol. 12, no. 6, pp. 467–475.Lipin M.Y., Stepanshina V.N., Shemyakin I.G., Shinnick T.M., Association of specific mutations in katG, rpoB, rpsL and rrs genes with spoligotypes of multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis isolates in Russia. Clin. Microbiol. Infect., 2007, vol. 13, no. 6, pp. 620 –626.Marquina-Castillo B., García-García L., Ponce-de-León A., Jimenez-Corona M.-E., Bobadilla-del Valle M., Cano-Arellano B., Canizales-Quintero S., Martinez-Gamboa A., Kato-Maeda M., Robertson B., Young D., Small P., Schoolnik G., Sifuentes-Osornio J., Hernandez-Pando R. Virulence, immunopathology and transmissibility of selected strains of Mycobacterium tuberculosis in a murine model. Immunology, 2009, vol. 128, no. 1, pp. 123–133.Merker M., Blin C., Mona S., Duforet-Frebourg N., Lecher S., Willery E., Blum M.G., Rüsch-Gerdes S., Mokrousov I., Aleksic E., Allix-Béguec C., Antierens A., Augustynowicz-Kopeć E., Ballif M., Barletta F., Beck H.P., Barry C.E., Bonnet M., Borroni E., Campos-Herrero I., Cirillo D., Cox H., Crowe S., Crudu V., Diel R., Drobniewski F., Fauville-Dufaux M., Gagneux S., Ghebremichael S., Hanekom M., Hoffner S., Jiao W.W., Kalon S., Kohl T.A., Kontsevaya I., Lillebæk T., Maeda S., Nikolayevskyy V., Rasmussen M., Rastogi N., Samper S., Sanchez-Padilla E., Savic B., Shamputa I.C., Shen A., Sng L.H., Stakenas P., Toit K., Varaine F., Vukovic D., Wahl C., Warren R., Supply P., Niemann S., Wirth T. Evolutionary history and global spread of the Mycobacterium tuberculosis Beijing lineage. Nat. Genet., 2015, vol. 47, no. 3, pp. 242–249.Middlebrook G., Cohn M.L. Some observations on the pathogenicity of isoniazid-resistant variants of tubercle bacilli. Science, 1953, vol. 118, no. 3063, pp. 297–299.Mokrousov I. Insights into the origin, emergence, and current spread of a successful Russian clone of Mycobacterium tuberculosis. Clin. Microbiol. Rev., 2013, vol. 26, no. 2, pp. 342–360.Mokrousov I., Narvskaya O., Vyazovaya A., Millet J., Otten T., Vishnevsky B., Rastogi N. Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype in Russia: in search of informative variable-number tandem-repeat loci. J. Clin. Microbiol., 2008, vol. 46, no. 11, pp. 3576–3584.Mokrousov I., Otten T., Vyazovaya A., Limeschenko E., Filipenko M.L., Sola C., Rastogi N., Steklova L., Vyshnevskiy B., Narvskaya O. PCR-based methodology for detecting multidrug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis Beijing family circulating in Russia. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis., 2003, vol. 22, no. 6, pp. 342–348.Mokrousov I., Nash O. Mycobacterium tuberculosis phylogeography in the context of human migration and pathogen’ s pathobiology: insights from Beijing and Ural families. Tuberculosis, 2015, vol. 95, pp. 167–176.Pheiffer C., Betts J.C., Flynn H.R., Lukey P.T., van Helden P. Protein expression by a Beijing strain differs from that of another clinical isolate and Mycobacterium tuberculosis H37Rv. Microbiology, 2005, vol. 151, no. 4, pp. 1139–1150.Ribeiro S.C.M., Gomes L.L., Amaral E.P., Andrade M.R.M., Almeida F.M., Rezende A.L., Lanes V.R., Carvalho E.C.Q., Suffys P.N., Mokrousov I., Lasunskaia E.B. Mycobacterium tuberculosis strains of the modern sublineage of the Beijing family are more likely to display increased virulence than strains of the ancient sublineage. J. Clin. Microbiol., 2014, vol. 52, no. 7, pp. 2615–2624.Sander P., Springer B., Prammananan T., Sturmfels A., Kappler M., Pletschette M., Böttger E.C. Fitness cost of chromosomal drug resistance-conferring mutations. Antimicrob. Agents Chemother., 2002, vol. 46, no. 5, pp. 1204–1211.Senaratne R.H., Sidders B., Sequeira P., Saunders G., Dunphy K., Marjanovic O., Reader J.R., Lima P., Chan S., Kendall S., McFadden J., Riley L.W. Mycobacterium tuberculosis strains disrupted in mce3 and mce4 operons are attenuated in mice. J. Med. Microbiol., 2008, vol. 57, no. 2, pp. 164–170.Shitikov E., Kolchenko S., Mokrousov I., Bespyatykh J., Ischenko D., Ilina E., Govorun V. Evolutionary pathway analysis and unified classification of East Asian lineage of Mycobacterium tuberculosis. Sci. Rep., 2017, vol. 7, no. 1.Song T., Park Y., Shamputa I.C., Seo S., Lee S.Y., Jeon H.S., Choi H., Lee M., Glynne R.J., Barnes S.W., Walker J.R., Batalov S., Yusim K., Feng S., Tung C.S., Theiler J., Via L.E., Boshoff H.I., Murakami K.S., Korber B., Barry C.E., Cho S.N. Fitness costs of rifampicin resistance in Mycobacterium tuberculosis are amplified under conditions of nutrient starvation and compensated by mutation in the β′ subunit of RNA polymerase. Mol. Microbiol., 2014, vol. 91, no. 6, pp. 1106–1119.Supply P., Allix C., Lesjean S., Cardoso-Oelemann M., Rüsch-Gerdes S., Willery E., Savine E., de Haas P., van Deutekom H., Roring S., Bifani P., Kurepina N., Kreiswirth B., Sola C., Rastogi N., Vatin V., Gutierrez M.C., Fauville M., Niemann S., Skuce R., Kremer K., Locht C., van Soolingen D. Proposal for standardization of optimized mycobacterial interspersed repetitive unitvariable-number tandem repeat typing of Mycobacterium tuberculosis. J. Clin. Microbiol., 2006, vol. 44, no. 12, pp. 4498–4510.Surikova O.V., Voitech D.S., Kuzmicheva G., Tatkov S.I., Mokrousov I.V., Narvskaya O.V., Rot M.A., van Soolingen D., Filipenko M.L. Efficient differentiation of Mycobacterium tuberculosis strains of the W-Beijing family from Russia using highly polymorphic VNTR loci. Eur. J. Epidemiol., 2005, vol. 20, no. 11, pp. 963–974.Toungoussova O.S., Sandven P., Mariandyshev A.O., Nizovtseva N.I., Bjune G., Caugant D.A. Spread of drug-resistant Mycobacterium tuberculosis strains of the Beijing genotype in the Archangel Oblast, Russia. J. Clin. Microbiol., 2002, vol. 40, no. 6, pp. 1930 –1937.Van Embden J.D., Cave M.D., Crawford J.T., Dale J.W., Eisenach K.D., Gicquel B., Hermans P., Martin C., McAdam R., Shinnick T.M. Strain identification of Mycobacterium tuberculosis by DNA fingerprinting: recommendations for a standardized methodology. J. Clin. Microbiol., 1993, vol. 31, no. 2, pp. 406–409.Van Soolingen D., Qian L., de Haas P.E., Douglas J.T., Traore H., Portaels F., Qing H.Z., Enkhsaikan D., Nymadawa P., van Embden J.D. Predominance of a single genotype of Mycobacterium tuberculosis in countries of east Asia. J. Clin. Microbiol., 1995, vol. 33, no. 12, pp. 3234–3238.