Грамотрицательная комменсальная бактерия Klebsiella pneumoniae обычно обитает на слизистых оболочках человека, включая желудочно-кишечный тракт и верхние дыхательные пути.
Она также является оппортунистическим патогеном, вызывающим широкий спектр нозокомиальных и внебольничных инфекций, которые часто приводят к неблагоприятным клиническим и экономическим последствиям. Проявления K. pneumoniae включают пневмонию, инфекции кровотока, менингит, инфекции мочевыводящих путей, инфекции ран и мягких тканей, а также абсцесс печени. K. pneumoniae может проникать в обычно стерильные участки организма, такие как кровь, при локализованных инфекционных заболеваниях, хирургических операциях, наличии катетеров и других внутрисосудистых медицинских устройств. Попадание и размножение бактерий в кровотоке может привести к сильному иммунному ответу, включая отказ и дисфункцию органов, что при отсутствии своевременного и надлежащего лечения может привести к летальному исходу. Во всем мире K. pneumoniae является третьей ведущей причиной инфекций кровотока.
Бремя инфекций K. pneumoniae в клиниках усугубляется резистентностью к антимикробным препаратам (AMR), которая значительно ограничивает доступные варианты лечения и повышает уровень смертности, особенно среди пациентов, инфицированных инвазивными штаммами. Некоторые клоны K. pneumoniae становятся все более устойчивыми к нескольким антимикробным препаратам и обозначаются как мультирезистентные или широкорезистентные. Бактерии, которые являются носителями карбапенемаз и бета-лактамаз расширенного спектра действия (ESBL), особенно примечательны тем, что они делают неэффективными многие бета-лактамы.
Всемирная организация здравоохранения признает устойчивые к цефалоспоринам третьего поколения и карбапенемам Enterobacteriaceae, включая K. pneumoniae, критической угрозой, для борьбы с которой срочно требуются новые антибиотики. Смертность пациентов с инфекциями кровотока, вызванными резистентными K. pneumoniae, крайне высока и составляет от 17 до 34% для пациентов с ESBL-продуцирующими K. pneumoniae и до 42% для пациентов с карбапенем-резистентными K. pneumoniae. ESBL-продуцирующие K. pneumoniae были зарегистрированы в нескольких больничных вспышках, и их растущая распространенность может быть связана с чрезмерным использованием цефалоспоринов расширенного спектра действия в медицинских учреждениях.
Систематический анализ обзоров литературы, больничных систем, лабораторных данных и систем эпиднадзора, охватывающих 204 страны и территории, показал, что только в 2019 году более 50 000 смертей были связаны с резистентностью K. pneumoniae к цефалоспоринам третьего поколения. Прогностические модели показывают, что при сохранении текущих тенденций в использовании антимикробных препаратов к 2030 году более половины инвазивных K. pneumoniae станут устойчивыми к цефалоспоринам и карбапенемам третьего поколения. Несмотря на растущую угрозу резистентной K. pneumoniae и постоянно увеличивающийся набор клонов высокого риска, наше понимание основных бактериальных и генетических особенностей, способствующих развитию AMR при инфекциях кровотока и последующему распространению в больничных условиях, остается неполным.
K. pneumoniae представляет собой фенотипически и генетически разнообразную совокупность клонов. В широком смысле она подразделяется на два патотипа, которые демонстрируют различные профили заболеваний. Так называемая «классическая» K. pneumoniae является распространенной причиной нозокомиальных инфекций и часто является носителем мобильных плазмид, кодирующих гены AMR. Гипервирулентная K. pneumoniae является основной причиной внебольничных инфекций у здоровых людей, включая абсцесс печени, пневмонию и менингит, эндофтальмит и инфекции центральной нервной системы. Гипервирулентные клоны часто чувствительны к большинству антимикробных препаратов, но были описаны клоны, проявляющие как гипервирулентность, так и множественную лекарственную устойчивость (так называемые конвергентные клоны).
В данном исследовании мы поставили перед собой цель выяснить структуру популяции K. pneumoniae при инфекциях кровотока из одного медицинского центра и факторы, способствующие распространению AMR. Мы проанализировали сочетание 136 геномных последовательностей с коротким прочтением, дополненных 12 последовательностями K. pneumoniae с длинным прочтением, полученными в результате наблюдения за инфекциями кровотока.
Наше исследование подчеркивает поразительное клональное и геномное разнообразие K. pneumoniae при инфекциях кровотока. Наши результаты согласуются с данными, полученными в других клиниках США, Азии и Европы. Полученные нами данные значительно расширяют число клонов K. pneumoniae в кровотоке, указывая на то, что способность вызывать инфекции кровотока не ограничивается одной или несколькими генетическими линиями. Такое разнообразие означает, что причины резистентности, другие клинически значимые признаки и исходы заболеваний могут значительно различаться между K. pneumoniae от разных пациентов и в разных условиях.
Среди клонов, обнаруженных в нашем исследовании, мы сообщаем о присутствии известных пандемических клонов высокого риска с множественной лекарственной устойчивостью, таких как ST14, ST17, ST45, ST147 и ST307. Анализ соответствия фенотипов и генотипов AMR очень важен для оценки точности тестов на чувствительность к противомикробным препаратам и соотнесения фенотипов с предсказанными генотипами. Такие анализы важны для валидации фенотипических тестов, выявления новых детерминант резистентности и улучшения эпидемиологических расследований. Хотя соответствие для протестированных антимикробных препаратов составляло >90%, расхождения, вызванные невозможностью сопоставить фенотипы резистентных и чувствительных микроорганизмов с генотипами, снижали чувствительность и специфичность соответствий.
Мобильные генетические элементы, такие как плазмиды, являются важным средством распространения AMR и причастны к вспышкам и передаче заболеваний. Плазмиды, несущие ESBL, вносят значительный вклад в успех эпидемических клонов K. pneumoniae, таких как ST307 и ST25810. В нашем исследовании мы также продемонстрировали два заметных приобретения плазмид, которые могут способствовать стабильному поддержанию ESBL в нозокомиальных условиях. Передача плазмид может преодолевать экологические барьеры (например, от мочи к крови); следовательно, будущие усилия по эпиднадзору выиграют от включения некровяных изолятов для улучшения текущих знаний об экологическом диапазоне плазмид-носителей ESBL. Приобретение более одной плазмиды в рамках одного генома может быстро привести к возникновению множественной лекарственной устойчивости и конвергентных патотипов. Поэтому непрерывный мониторинг IncF-плазмид и топологии сетей обмена плазмидами в филогенетических и пространственно-временных ландшафтах имеет решающее значение.
Наше исследование показало, что K. pneumoniae при инфекциях кровотока может существенно различаться по клональным линиям, фенотипическим паттернам резистентности и носительству генов, опосредующих множественную лекарственную устойчивость и гипервирулентность. Временная персистенция резистентных штаммов и локальное распространение генов ESBL частично зависят от быстрой передачи плазмид семейства IncF в пределах одной бактериальной линии и между различными линиями. Эта работа будет полезна для разработки эффективных стратегий и мероприятий по контролю за распространением бактериальных клонов высокого риска, а также для уменьшения возможности персистенции и дальнейшей передачи патогенов. Продолжение наблюдения и дальнейшие геномные эпидемиологические исследования в медицинских учреждениях крайне важны для определения последующего риска для уязвимых пациентов и общества в целом.
В целом наши результаты подчеркивают важность учета как генетического фона штаммов-хозяев, так и путей передачи плазмид для понимания распространения AMR при инфекциях кровотока. Наши результаты подчеркивают необходимость улучшения профилактики и контроля инфекций для снижения риска передачи патогенов, связанных с оказанием медицинской помощи, включая важность наблюдения за геномными данными для выявления дальнейшей передачи и персистенции патогенов и плазмид.
