Aerococcal infections - from bedside to bench and back

Abstract

The genus Aerococcus comprises eight species of Gram-positive cocci. The incidence and the clinical importance of aerococcal infections have been underestimated in the past, due to species identification difficulties. In our first study, we evaluated the usefulness of MALDI-TOF MS as a species identification method for aerococci and found that it had a high sensitivity and specificity. Two population-based studies on aerococcal bacteriuria were performed after MALDI-TOF MS was implemented in the clinical microbiology laboratory. A. urinae and A. sanguinicola were more common than previously thought and grew in almost 1 % of all urine samples. The patients were of old age and gender was almost equally distributed between men and women. Almost 80 % of the patients had symptoms of a urinary tract infection in one of the studies. Several antibiotics, including nitrofurantoin and amoxicillin, could serve as treatment options. Resistance against ciprofloxacin was recorded, especially in A. sanguinicola isolates. In a retrospective population-based study on aerococcal bacteremia, 77 cases were identified during a three-year period (A. urinae n=49, A. sanguinicola n=13, A. viridans n=14 and A. christensenii n=1). The A. urinae and A. sanguinicola patients were old (median age >80 years), predominately of male gender and underlying urological diseases were common. A majority of the A. urinae and A. sanguinicola patients had severe sepsis. Five patients with A. urinae bacteremia were diagnosed with infective endocarditis. A. viridans seemed to be a contaminant in most cases. The aerococcal isolates were sensitive to betalactam antibiotics and vancomycin. Two studies were conducted regarding virulence mechanisms. We demonstrated that A. sanguinicola isolates produced biofilms and induced platelet aggregation, two potentially important virulence mechanisms. A. urinae isolates were subjected to masspectrometry-based proteomics and whole genome sequencing. Two cell wall-anchored proteins with LPXTG-motifs (denoted Asp proteins) quantitatively dominated the surface and genes encoding these proteins were localized in a conserved locus on the aerococcal chromosome. It is of interest to determine the function of the Asp proteins to create a better understanding of how A. urinae cause infection.

Abstract (Swedish)

Bakteriesläktet Aerococcus består av åtta arter av s.k. Grampositiva kocker. Den
första arten, A. viridans, beskrevs 1953 och kopplingar gjordes mellan den och en allvarlig sjukdom hos hummer. Det skulle dröja åtskilliga decennier innan nästa aerokockart, A. urinae, upptäcktes. Denna kopplades till urinvägsinfektioner (UVI) och bakteriemi, dvs. växt av bakterier i blodet, hos människa. Därefter har två andra arter vilka kan orsaka sjukdom hos människa, A. sanguinicola och A. christensenii, identifierats. Övriga aerokockarter förekommer enbart hos djur eller har ej visats orsaka sjukdom hos människa. Det var tidigare okänt hur vanliga aerokocker var i urin- och blodprover från svenska patienter och vilken betydelse de eventuellt hade som sjukdomsframkallande bakterier. Det fanns svårigheter med att artbestämma aerokocker. Deras koloniutseende på odlingsplattor liknade dessutom en annan grupp av bakterier, alfa-streptokocker, och misstogs därför ofta för att utgöras av dessa. Alfa-streptokocker förorenar ofta urinprov vid provtagning. Under den första delen av 2010-talet introducerades en ny analysmetod inom bakteriediagnostiken som var baserad på s.k. masspektrometri (MALDI-TOF MS). Analysinstrumentet undersöker proteininnehållet i bakterier, vilket genererar ett masspektra eller ”fingeravtryck” för varje art. Därefter sker en jämförelse mellan det erhållna masspektrat med masspektra i en databas. På så sätt bestäms en arttillhörighet med stor säkerhet. MALDI-TOF MS visades sig vara en väldigt tillförlitlig metod för att artbestämma många av våra vanligt förekommande bakterier.
I denna avhandlings första delarbete (Paper I) utvärderade vi MALDI-TOS MS och dess tillförlitlighet i att identifiera aerokocker. Vi fann att MALDI-TOF MS var en metod med god sensitivitet och specificitet i avseende att identifiera A. urinae och A. sanguinicola jämfört med en referensmetod (sekvensering av 16S rRNA-genen).
I det andra delarbetet (Paper II) beskrev vi den kliniska presentationen av bakteriemi med A. sanguinicola. Vi identifierade retrospektivt alla fall i Skåne mellan åren 2006-2012 och tog del av patientjournalerna samt undersökte bakterieisolatens förmåga att bilda biofilm och inducera trombocytaggregation (dvs hopklumpning av blodplättar). Elva patienter identifierades och alla var män (medianålder var 82 år). Många patienter hade urinvägssjukdomar och urinvägskateter. Nio patienter uppfyllde kriterierna för svår sepsis (systemisk påverkan med organsvikt) och två patienter dog på sjukhuset. Två patienter fick hjärtklaffinfektion (endokardit), vilket är en allvarlig komplikation som oftast kräver långvarig antibiotikabehandling och ibland kirurgi. Alla bakterieisolat från de elva patienterna bildade biofilm på plastytor men endast en del fick trombocyter att aggregera. Dessa två egenskaper kan vara viktiga för bakteriers sjukdomsframkallande förmåga, speciellt i avseende på att infektera främmande material och att etablera en infektionshärd på hjärtklaffar.
I nästa delarbete (Paper III), undersökte vi retrospektivt förekomsten av aerokocker i blododlingar i Skåne under en treårsperiod. Vi identifierade 77 fall av aerokockbakteriemi, vara A. urinae stod för 49 fall och A. sanguinicola för 13 fall. Merparten av dessa patienter var gamla (medianåldern var > 80 år) och de flesta var män (80 % respektive 54 % för A. urinae och A. sanguinicola). Många patienter hade sjukdomar i urinvägarna sedan tidigare och många hade även inneliggande urinvägskatetrar. En majoritet av patienterna med någon av dessa två arter i blodet hade ett misstänkt urinvägsfokus (dvs. ursprunget för infektionen förmodades vara urinvägarna), även om få patienter hade aerokocker i urinodlingar. En majoritet av dessa patienter drabbades av organsvikt som en orsak av infektionen. Vanligast var att njurarna drabbades. Fem patienter med A. urinae i blodet fick diagnosen hjärtklaffinfektion (endokardit). En patient med endokardit avled. Totalt avled tre patienter med A. urinae och två patienter med A. sanguinicola inom 30 dagar efter inläggning på sjukhus. Fjorton fall av bakteriemi orsakat av A. viridans identifierades också, men merparten av dem bedömdes vara orsakade av föroreningar av blododlingarna. Således verkar A. viridans spela en jämförelsevis mindre betydande roll beträffande allvarliga infektioner än A. urinae och A. sanguinicola. Vi undersökte känsligheten hos bakterieisolaten från patienterna för tio antibiotika genom att bestämma det s.k. MIC-värdet, dvs. den minsta koncentration uttryckt i mg/l som hämmar bakteriernas tillväxt. Aerokockerna var i nästan alla fall känsliga för betalaktamantibiotika (en grupp antibiotika där penicillin ingår) och vancomycin.
I nästa delarbete (Paper IV) undersökte vi hur vanliga aerokocker var i urinodlingar under en tremånadersperiod i Skåne och beskrev bl.a. ålder och kön på patienterna. Vi testade även aerokockernas känslighet för olika antibiotika. I ett uppföljande arbete (Paper V), observerade vi behandlingseffekten av olika antibiotika mot UVI orsakat av aerokocker genom intervjuer med läkare och patient (under och efter behandling), samt genom att undersöka urinprov efter avslutad behandling för att notera om aerokockerna var eradikerade. Sammanfattningsvis fann vi i dessa två studier att aerokocker var betydligt vanligare än vad man tidigare trott. A. urinae och A. sanguinicola tillsammans återfanns i nästan 1 % av alla urinprov som togs i Skåne under studieperioden på två månader i delarbete V. Patienterna var gamla (medianålder var 83 respektive 79 år i de två studierna) och könsfördelningen hos patienterna med UVI orsakat av aerokocker var ganska jämnt fördelad mellan män och kvinnor. Som jämförelse kan nämnas att patienter med UVI orsakat av E. coli, den vanligaste bakterien i urinodlingar, oftast är kvinnor (84 % i vår studie) och att de dessutom är yngre (medianålder 69 år i vår studie). Vi utvärderade behandlingseffekten av de antibiotika som ordinerats till 50 patienter med A. urinae och 19 patienter med A. sanguinicola och nitrofurantoin uppnådde bra effekt vid behandling av A. urinae, men något sämre effekt mot A. sanguinicola. Nitrofurantoin är ett av två förstahandsmedel för UVI-behandling i Sverige. Det andra medlet, pivmecillinam, gavs endast till sex patienter med A. urinae men med bra effekt. Ett annat antibiotikum, ciprofloxacin, som vanligtvis ges till patienter med mer komplicerade urinvägsinfektioner (t.ex. njurbäckeninflammation), hade bra effekt i nio fall av UVI orsakat av A. urinae. Dock noterades en ganska utbredd resistens mot ciprofloxacin hos A. sanguinicola-isolaten.
I denna avhandlings sista delarbete (Paper VI) använde vi masspektrometri och helgenomssekvensering för att kartlägga ytproteiner och gener kodande för sådana hos A. urinae. Vi fann att två proteiner dominerade ytan kvantitativt, dvs. utgjorde en stor andel av den totala mängden protein på ytan. Dessa proteiner hade strukturella likheter med proteiner från andra bakterier (t.ex. streptokocker och stafylokocker), som man vet har stor betydelse för dessa bakteriers sjukdomsframkallande förmåga. De är framför allt i den del av proteinet som förankras i bakteriens cellvägg som likheterna finns (det s.k. LPXTG-motivet). Dessa två LPXTG-proteiner hos A. urinae fick namnet Asp-proteiner. Generna som kodade för dessa proteiner fick namnet asp-gener och de fanns organiserade på ett liknande sätt i genomet hos alla undersökta bakterieisolat. Asp-proteinerna har än så länge okända funktioner, men med tanke på deras rikliga förekomst på ytan, och att asp-generna förekommer hos alla undersökta bakterieisolat, tror vi att de har en viktig betydelse för A. urinae. Möjligtvis är Asp-proteinerna involverade när aerokocker bildar biofilm eller fäster till celler i urinvägarna.

• author: Senneby, Erik
• supervisor: Magnus Rasmussen; Ann Cathrine Petersson
• opponent: associate professor Giske, Christian, Karolinska Institutet
• organization: Infection Medicine (BMC); Translational infection medicine (research group)
• alternative title: Aerococcal infections : - from bedside to bench and back
• publishing date: 2018
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical and Health Sciences
• keywords: Aerococcal infections
• in: Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2018
• volume: 2018
• issue: 74
• pages: 82 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC A10, Sölvegatan 17 i Lund
• defense date: 2018-05-24 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-640-3
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• additional info: ISSN: 1652-8220 Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2018:74
• id: 462a4518-bc40-448d-90d1-a4cadff91339
• date added to LUP: 2018-05-02 13:34:58
• date last changed: 2019-11-19 13:50:04