Haemophilus influenzae – typing, epidemiology and beta-lactam resistance

Abstract

Haemophilus influenzae is a common cause of respiratory tract infections such as acute otitis media (AOM), exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and pneumonia. The species is subdivided into encapsulated and non-encapsulated strains, designated type a-f and nontypeable H. influenzae (NTHi), respectively. Prior to introduction of polysaccharide-protein conjugate vaccines against H. influenzae type b (Hib) in childhood vaccination programmes this serotype frequently caused severe invasive infections in small children. Nowadays invasive disease by Hib is rare, but cases still occur. At present, NTHi is the dominating type to cause invasive disease and invasive NTHi disease appears to be increasing. Nontypeable H. influenzae disease severity traditionally has been considered largely host dependant. In parallel, non-beta-lactamase mediated beta-lactam resistance among NTHi is also increasing.
    In the first two studies of this thesis, we investigated capsule typing of H. influenzae by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS), a technology routinely used for bacterial species identification. Mass spectra of the different types of encapsulated H. influenzae were highly similar within each type and separable from each other. The differences in mass spectra relied on the clonal population structure of encapsulated H. influenzae, with conserved type specific genetic lineages. Mass spectra of NTHi were diverse, due to their genetic heterogeneity. Following construction of a comprehensive reference database, MALDI-TOF MS showed high accuracy for capsule typing of H. influenzae.
    In the third study of the thesis, a clonal group of NTHi with resistance against beta-lactam antibiotics was investigated. The clonal group accounted for one quarter of clinical respiratory H. influenzae isolates with non-beta-lactamase mediated beta-lactam resistance in the study region. Furthermore, patients infected by isolates of the clonal group had an increased risk of hospitalization compared to patients infected by other NTHi, indicating enhanced virulence traits. The clonal group was also found among invasive isolates.
    In the final study of the thesis we retrospectively compared benzylpenicillin, whose effect on H. influenzae is debated, to wide spectrum beta-lactams (WSBLs) as empirical treatment of H. influenzae lower respiratory tract infections in patients requiring hospitalization. Empirical treatment with benzylpenicllin was not associated with higher mortality or increased risk of hospital readmission compared to treatment with WSBLs. The early clinical response rate was, however, lower for patients receiving benzylpenicillin, which was attributed mainly to a lower response rate in patients infected with beta-lactamase producing isolates.
    In conclusion this thesis shows that MALDI-TOF MS can be efficiently used for rapid capsule typing of H. influenzae. The newly developed method can be valuable for typing of invasive H. influenzae isolates and for surveillance of Hib vaccination efficacy. The studied clonal group appears to harbour enhanced virulence traits. This indicates that bacterial factors may affect NTHi disease severity more than previously considered, and possibly contribute to the increased incidence of invasive NTHi disease. Finally, although the effect of benzylpenicillin on H. influenzae is debated, empirical treatment of lower respiratory tract infections of mild to moderate severity caused by H. influenzae with the agent appears safe

Abstract (Swedish)

Haemophilus influenzae är en bakterie som lever i människans luftvägar. Ofta orsakar bakterien ingen skada hos personen som bär den, men ibland orsakar H. influenzae luftvägsinfektioner såsom öroninflammation hos barn, akut försämring hos patienter med kroniskt obstruktiv luftvägssjukdom (KOL) samt lunginflammation. Bakterien kan också orsaka allvarliga infektioner såsom blodförgiftning och hjärnhinneinflammation. Dessa infektioner kallas invasiva, vilket innebär att bakterier kan odlas fram från en normalt sett bakteriefri (steril) vävnad, som till exempel blod. H. influenzae delas in i olika typer. Dessa benämns typ a till f beroende på vilken sorts skyddande kapselmolekyl de producerar och omger sig med. Det finns även bakteriestammar som inte producerar någon kapsel. Dessa kallas icke-kapslade H. influenzae. För att särskilja de olika typerna finns olika metoder för kapseltypning.
   Allvarliga infektioner har historiskt nästan uteslutande orsakats av H. influenzae typ b (Hib) och främst drabbat barn i tidig förskoleålder. Sedan barnvaccination mot Hib införts i stora delar av världen under 1990- och 2000-talet har sjukdom orsakad av Hib minskat drastiskt. Idag orsakas både luftvägssjukdom och invasiv sjukdom i huvudsak av de icke-kapslade stammarna. Invasiv sjukdom med icke-kapslade H. influenzae verkar öka i förekomst, men anledningen till detta är inte klarlagd. Sjukdom framkallad av dessa stammar har till stor del ansetts vara beroende av en ökad infektionskänslighet hos personen som drabbas. Enstaka fall av svår sjukdom orsakad av Hib förekommer dock fortfarande även i befolkningar med hög vaccinationstäckning. Det är därför viktigt att undersöka vilken kapseltyp invasiva bakteriestammar tillhör och på så sätt säkerställa att vaccinationsprogrammen mot Hib fungerar.
   Infektioner orsakade av H. influenzae behandlas ofta med så kallade betalaktamantibiotika, men resistens mot denna typ av antibiotika ökar. I många fall behandlas patienter med infektioner innan det är säkerställt vilken bakterie som orsakar infektionen. Vid lunginflammation som kräver sjukhusvård rekommenderas ofta läkemedlet benzylpenicillin för sådan initial behandling. Benzylpenicillin har god effekt på pneumokockbakterier, som är den vanligaste orsaken till lunginflammation, men osäker effekt på H. influenzae.
   I de första två studierna i denna avhandling undersöktes möjligheten att använda matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) för kapseltypning av H. influenzae. Vid denna typ av masspektrometri analyseras ett bakterieprovs proteininnehåll och ett så kallat massfingeravtryck genereras. Analysen går snabbt och tekniken används idag i klinisk diagnostik för artbestämning av bakterier från patientprover. Studierna visade att de kapslade kapseltyperna (a till f) hos H. influenzae hade olika typspecifika massfingeravtryck och gick att skilja åt med hjälp av dessa. En ny automatiserad kapseltypningsmetod med MALDI-TOF MS skapades och visade goda resultat jämfört med den nuvarande metoden för kapseltypning.
   I den tredje studien i avhandlingen undersöktes en särskild antibiotikaresistent ”klon” av icke-kapslad H. influenzae som tidigare har kopplats till invasiv sjukdom och ett sjukdomsutbrott på ett äldreboende. Studien visar att klonen var vanligt förekommande i Skåne åren 2010 till 2012. Bland patienter med luftvägssjukdom orsakad av klonen var risken för sjukhusvård större än hos patienter som drabbats av infektioner med andra bakteriestammar. Detta tyder på att klonen orsakade mer allvarlig sjukdom än andra bakteriestammar. Under den studerade tidsperioden orsakade klonen även två fall av blodförgiftning (även kallat sepsis).
   I avhandlingens sista studie undersöktes initial behandling av lunginflammation som kräver sjukhusvård och som i ett senare skede visar sig vara orsakad av H. influenzae. Vi kunde inte se någon ökad dödlighet eller ökad förekomst av sjukhusåterinläggningar hos patienter som fått initial behandling med benzylpenicillin jämfört med de som fått behandling med andra antibiotika.
   Sammanfattningsvis visar denna avhandling att kapseltypning av H. influenzae med MALDI TOF MS har god träffsäkerhet. Metoden är snabb, enkel och kan underlätta vaccinationsövervakning och snabb kapseltypning av invasiva bakteriestammar. Avhandlingen visar också att det finns icke-kapslade stammar av H. influenzae som verkar vara särskilt aggressiva och medför en högre risk att patienten drabbas av allvarlig sjukdom. Förekomsten av sådana kloner skulle delvis kunna förklara den ökning av allvarlig sjukdom orsakad av icke-kapslade H. influenzae som noterats de senaste åren. Resultaten indikerar också att svårighetsgraden av sjukdom orsakad av icke-kapslade stammar inte endast beror på patientens infektionskänslighet, utan att även bakteriens egenskaper har betydelse. Den sista studien visar att initial behandling med benzylpenicillin av luftvägsinfektioner av mild till måttlig grad som senare visar sig vara orsakade av H. influenzae inte verkar öka risken för allvarliga komplikationer. Detta tyder på att nuvarande behandlingsrekommendationer med benzylpenicillin inte behöver ändras av den anledningen.

• author: Månsson, Viktor
• supervisor: Kristian Riesbeck; Fredrik Resman; Johan Tham
• opponent: professor Frimodt-Möller, Niels, Department of Clinical Microbiology, Rigshospitalet, University of Copenhagen, Denmark
• organization: Clinical Microbiology, Malmö (research group)
• publishing date: 2019
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Laboratory Medicine; Infectious Medicine
• keywords: benzylpenicillin, beta-lactam resistance, beta-lactams, BLNAR, capsule typing, clonal, Haemophiilus influenzae, Hib, MALDI-TOF MS, MLST, NTHi, serotyping, virulence, epidemiology
• in: Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2019
• issue: 4
• pages: 93 pages
• defense location: Patologens Aula, Jan Waldenströms gata 59, Skånes universitetssjukhus i Malmö
• defense date: 2019-01-25 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-733-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3aa3a6b8-1a20-4a35-b21b-8279fe24b6ea
• date added to LUP: 2018-12-21 12:17:26
• date last changed: 2019-11-19 13:49:45