Respiratorische Pseudomonas aeruginosa-Infektionen: Komparative Genomanalyse zwischen Isolaten von Patienten mit ambulant erworbener Pneumonie und Isolaten von Patienten mit Mukoviszidose

Abstract

Pseudomonas aeruginosa ist ein vielseitiges opportunistisches Bakterium, das eine Vielzahl unterschiedlicher Infektionen auslösen kann. Als Erreger chronischer Lungeninfektionen bei Mukoviszidose (CF) wird P. aeruginosa häufig identifiziert, es kann chronisch in der CF-Lunge persistieren, dem Immunsystem entgehen und eine Eradikation nahezu unmöglich machen. Als Auslöser der ambulant erworbenen Lungenentzündung (CAP) wird P. aeruginosa weniger häufig identifiziert, die Infektion wird jedoch mit einer erhöhten Mortalität und häufigeren schweren Verläufen in Verbindung gebracht.Bei der phänotypischen Analyse wurden große Unterschiede zwischen CAP- und CF-Stämmen festgestellt. Die CF-Stämme bilden häufiger kleine Koloniegrößen und weisen deutlich mehr Antibiotikaresistenzen auf, die mit einem erhöhten Antibiotikaeinsatz bei Mukoviszidose-Patienten zu erklären sind.Die komparative Genomanalyse zeigt anhand der Zuordnungen zu den phylogenetischen Gruppen (Gruppe 1: exoS-positiv, Gruppe 2: exoU-positiv) große Übereinstimmungen der epidemischen Populationsstrukturen von CAP- und CF-Stämmen. Es konnte in keiner der phylogenetischen Gruppen ein erhöhtes Vorkommen von CAP- oder CF-Stämmen nachgewiesen werden. Durch Analysen der SNPs (Einzelnukleotid-Polymorphismen) konnten keine grundsätzlichen genetische Unterschiede zwischen CAP- und CF-Stämmen, sondern zwischen den phylogenetischen Gruppen festgestellt werden. Dies bestätigte sich auch in der Analyse der Serotypen. Auch das Vorkommen einiger genomischer Inseln wurde deutlich mit der Zuordnung zur phylogenetischen Gruppe in Zusammenhang gebracht. Es lässt sich zusammenfassen, dass genetische Unterschiede zwischen den Stämmen abhängig von der phylogenetischen Gruppe sind und keine der verglichenen Erkrankungen durch Stämme einer Gruppe bevorzugt werden.Unter CAP- und CF-Stämmen wurden Stämme mit resistenzgentragenden, durch horizontalen Gentransfer erworbenen DNA-Fragmenten (genomische Insel und Integron), identifiziert. Unter diesen Stämmen befinden sich auch zwei CAP-Stämme, die in der Literatur als Hochrisikoklone (ST-111) beschrieben werden.In CF-Stämmen konnten häufiger Mutationen in Phänotyp- und Antibiotikaresistenz-assoziierten Genen gefunden werden. Dies ist mit einem erhöhten Selektionsdruck während der chronischen Persistenz in der CF-Lunge zu erklären. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit ist die potenzielle Vorhersage phänotypischer Antibiotikaresistenzen durch die Genomsequenzen. Es lässt sich schlussfolgern, dass Gene, die durch horizontalen Gentransfer erworben wurden und für Antibiotika-inaktivierende Enzyme (z. B. AMEs) kodieren, die beste Voraussagbarkeit zeigen. Mutationen in Genen, die zu veränderten Antibiotika-Zielstrukturen (z. B. gyrA) und zu einer veränderten Permeabilität führen (z. B. oprD), zeigen ebenfalls eine nachvollziehbare Genotyp-Phänotyp-Beziehung. Allerdings können, insbesondere durch einen langanhaltenden Selektionsdruck, unterschiedlichste Mechanismen zur Resistenzentwicklung beitragen, die die Voraussagegenauigkeit durch Genmutationen beeinträchtigen.Es lässt sich also zusammenfassen, dass P. aeruginosa-Stämme der phylogenetischen Gruppen 1 und 2 sowie akute als auch chronische Infektionserkrankungen auslösen können. Die genetischen und phänotypischen Differenzen der CF-Stämme sind somit die Folge der chronischen Persistenz unter hohem antibiotischen Selektionsdruck. Pseudomonas aeruginosa is a versatile opportunistic bacterium that can cause a variety of different infections. P. aeruginosa is frequently identified as the pathogen of chronic lung infections in cystic fibrosis (CF). It can persist chronically in the CF lung, can evade immune responses and make eradication almost impossible. P. aeruginosa is less frequently identified as the cause of community acquired pneumonia (CAP), but the infection is associated with increased mortality and more frequent severe courses.Phenotypic analysis revealed large differences between CAP and CF strains. The CF strains more frequently form small colony sizes and show significantly more antibiotic resistance, which can be explained by an increased use of antibiotics in cystic fibrosis patients.The comparative genomic analysis shows large similarities between the epidemic population structures of CAP and CF strains on the basis of the allocations to the phylogenetic groups (group 1: exoS-positive, group 2: exoU-positive). No increased incidence of CAP or CF strains could be detected in any of the phylogenetic groups. Analyses of SNPs (single nucleotide polymorphisms) revealed no fundamental genetic differences between CAP and CF strains, but between the phylogenetic groups. This was also confirmed in the analysis of serotypes. The presence of some genomic islands was also clearly associated with the assignment to the phylogenetic group. It can be summarized that genetic differences between strains depend on the phylogenetic group and that none of the compared diseases are preferred by strains of a group.Among CAP and CF strains, strains with resistance-bearing DNA fragments acquired by horizontal gene transfer (genomic island and integron) were identified. Among these strains two CAP strains are also described in the literature as high-risk clones (ST-111).In CF strains mutations in phenotype and antibiotic resistance associated genes could be found more frequently. This can be explained by an increased selection pressure during chronic persistence in the CF lung. Another focus of this work is the potential prediction of phenotypic antibiotic resistance by genome sequences. It can be concluded that genes acquired by horizontal gene transfer and coding for antibiotic-inactivating enzymes (e.g. AMEs) show the best predictability. Mutations in genes leading to altered antibiotic target structures (e.g. gyrA) and to altered permeability (e.g. oprD) also show a traceable genotype-phenotype relationship. However, especially due to prolonged selection pressure, various mechanisms can contribute to the development of resistance that impair the predictive accuracy of gene mutations. It can therefore be summarized that P. aeruginosa strains of phylogenetic groups 1 and 2 can trigger acute as well as chronic infectious diseases. The genetic and phenotypic differences of the CF strains are thus the result of chronic persistence under high antibiotic selection pressure.