Генетические профили адгезии и адгезивная вариабельность уропатогенных штаммов Escherichia coli

Цель работы — изучить распространенность генетических детерминант адгезии штаммов уропатогенной E. coli и оценить их связь с уровнем специфической и неспецифической адгезии. Объектами исследования стали бактериальные культуры E. coli (n = 33), выделенные от пациентов с инфекциями мочевыводящих путей. Принадлежность штаммов к филогенетической группе определяли с помощью Clermont quadruplex-ПЦР. Детекцию генов фимбриальных и афимбриальных адгезинов проводили методом ПЦР по конечной точке. Стандартными методами оценивали уровни специфической адгезии к эритроцитам, неспецифической адгезии к гидрофильной и гидрофобной поверхностям, а также биопленкообразующую способность штаммов. У исследуемых штаммов были детектированы гены адгезинов со следующими частотами: fimH — 75,76%, flu — 66,67%, iha — 39,40%, papC — 33,33%. С равной частотой — 18,18% — встречались sfaDE, upaG, afa/draBC и yqi, тогда как eaeA не обнаруживался вообще. Семь штаммов (21,21%) имели гены только фимбриальных адгезинов и три (9,09%) — только афимбриальных или белков наружной мембраны, у 21 (63,64%) штамма присутствовали одновременно гены обоих типов адгезинов. Среди 33 культур было обнаружено 23 индивидуальных адгезивных генотипа. В 45,45% случаев встречались четыре и более гена адгезии, при этом в 60% такие штаммы принадлежали к филогруппе В2. Расчет отношения шансов показал, что встречаемость генов адгезии yqi и sfaDE в E. coli филогруппы В2 была выше в 14 раз (OR = 14,286) по сравнению с другими филогруппами, в 10 раз чаще встречался ген flu (OR = 10,000). Не было обнаружено связи между наличием генов адгезии и уровнем специфической адгезии к эритроцитам, в то время как были получены достоверные отличия для неспецифической адгезии: fimH⁺, papC⁺ и upaG⁺ штаммы характеризовались более высоким уровнем прикрепления к стеклу. Показано, что фимбриальные адгезины в большей степени определяли бактериальную адгезию и биопленко-образование, чем афимбриальные. Тенденция к формированию более массивных биопленок на поверхности латексного катетера штаммами с положительным генетическим профилем была отмечена для всех носителей генов, участвующих в адгезии.

1. Брилис В.И., Брилен Т.А., Ленцнер Х.П. Методика изучения адгезивного процесса микроорганизмов // Лабораторное дело. 1986. № 4. С. 210—212.

2. Бухарин О.В., Гриценко В.А., Вялкова А.А. Факторы уропатогенности бактерий: роль в патогенезе и значение в диагностике пиелонефрита // Нефрология и диализ. 2001. T. 3, № 4. С. 469—475.

3. Жабченко И.А. Уропатогенные штаммы Escherichia coli: особенности функционирования, факторы вирулентности, значение в клинической практике // Таврический медико-биологический вестник. 2013. T. 16, № 2. С. 201—206.

4. Николаев Ю.А. Регуляция адгезии у бактерий Pseudomonas fluorescens под влиянием дистантных межклеточных взаимодействий // Микробиология. 2000. T. 69, № 3. C. 356—361.

5. Abe C.M., Salvador F.A., Falsetti I.N., Vieira M.A.M., Blanco J., Blanco J.E. Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) strains may carry virulence properties of diarrhoeagenic E. coli. FEMS Immunol. Med. Microbiol., 2008, vol. 52, pp. 397—406. doi: 10.1111/j.1574-695X.2008.00388.x

6. Allsopp L.P., Beloin C., Ulett G.C., Valle J., Totsika M., Sherlock O., Ghigo J.M., Schembri M.A. Molecular characterization of UpaB and UpaC, two new autotransporter proteins of uropathogenic Escherichia coli CFT073. Infect. Immun., 2012, vol. 80, pp. 321-332. doi: 10.1128/IAI.05322-11

7. Antao E.M., Ewers C., Gurlebeck D., Preisinger R., Homeier T., Li G., Wieler L.H. Signature-tagged mutagenesis in a chicken infection model leads to the identification of a novel avian pathogenic Escherichia coli fimbrial adhesin. PLoS One, 2009, vol. 4, no. 11: e7796. doi: 10.1371/journal.pone.0007796

8. Asadi S., Kargar M., Solhjoo K., Najafi A., Ghorbani-Dalini S. The association of virulence determinants of uropathogenic Escherichia coli with antibiotic resistance, Jundishapur. J. Microbiol., 2014, vol. 7, no. 5: e9936. doi: 10.5812/jjm.9936

9. Bahrani-Mougeot F.K., Buckles E.L., Lockatell C.V., Hebel J.R., Johnson D.E., Tang C.M. Type 1 fimbriae and extracellular polysaccharides are preeminent uropathogenic Escherichia coli virulence determinants in the murine urinary tract. Mol. Microbiol., 2002, vol. 45, no. 4, pp. 1079-1093. doi: 10.1046/j.1365-2958.2002.03078.x

10. Bashir S., Haque A., Sarwar Y., Ali A., Anwar M.I. Virulence profile of different phylogenetic groups of locally isolated community acquired uropathogenic E. coli from Faisalabad region of Pakistan. Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob., 2012, vol. 11: 23. doi: 10.1186/1476-0711-11-23

11. Chakraborty A., Adhikari P., Shenoy S., Saralaya V. Molecular characterization of uropathogenic Escherichia coli isolates at a tertiary care hospital in South India. Ind. J. Med. Microbiol., 2017, vol. 35, pp. 305-310. doi: 10.4103/ijmm.IJMM_14_291

12. Chapman T.A., Wu X.Y., Barchia I., Bettelheim K.A., Driesen S., Trott D., Wilson M., Chin J.J. Comparison of virulence gene profiles of Escherichia coli strains isolated from healthy and diarrheic swine. Appl. Environ. Microbiol., 2006, vol. 72, no. 7, pp. 4782-4795. doi: 10.1128/AEM.02885-05

13. Dadi B.R., Abebe T., Zhang L., Mihret A., Abebe W., Amogne W. Distribution of virulence genes and phylogenetics of uropatho-genic Escherichia coli among urinary tract infection patients in Addis Ababa, Ethiopia. BMC Infect. Dis., 2020, vol. 20, no. 108. doi: 10.1186/s12879-020-4844-z

14. Fattahi S., Kafil H.S., Nahai M.R., Asgharzadeh M., Nori R., Aghazadeh M. Relationship of biofilm formation and different virulence genes in uropathogenic Escherichia coli isolates from Northwest Iran. GMS Hyg. Infect. Control., 2015, vol. 10: doc11. doi: 10.3205/dgkh000254

15. Flores-Mireles A.L., Walker J.N., Caparon M., Hultgren S.J. Urinary tract infections: epidemiology, mechanisms of infection and treatment options. Nat. Rev. Microbiol., 2015, vol. 13, no. 5, pp. 269-284. doi: 10.1038/nrmicro3432

16. Guiral E., Bosch J., Vila J., Soto S.M. Prevalence of Escherichia coli among samples collected from the genital tract in pregnant and non-pregnant women: relationship with virulence. FEMS Microbiol. Lett., 2011, vol. 314, pp. 170-173. doi: 10.1111/j.1574-6968.2010.02160.x

17. Johnson J.R. Virulence factors in Escherichia coli urinary tract infection. Clin. Microbiol. Rev., 1991, vol. 4, no. 1, pp. 80-128. doi: 10.1128/cmr.4.1.80

18. Johnson J.R., Russo T.A. Extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC): the “other bad E. coli”. J. Lab. Clin. Med., 2002, vol. 139, pp. 155-162. doi: 10.1067/mlc.2002.121550

19. Johnson J.R., Stell A.L. Extended virulence genotypes of Escherichia coli strains from patients with urosepsis in relation to phylogeny and host compromise. J. Infect. Dis., 2000, vol. 181, no. 1, pp. 261-272. doi: 10.1086/315217

20. Jones B.W. Glial cells missing: a genetic switch that controls glial versus neuronal fate. Cell, 1995, vol. 82, no. 6, pp. 1013-1023. doi: 10.1016/0092-8674(95)90280-5

21. Khairy R.M., Mohamed E.S., Abdel Ghany H.M., Abdelrahim S.S. Phylogenic classification and virulence genes profiles of uropathogenic E. coli and diarrhegenic E. coli strains isolated from community acquired infections. PLoS One, 2019, vol. 14, no. 9: e0222441. doi: 10.1371/journal.pone.0222441

22. Le Bouguenec C. Adhesins and invasins of pathogenic Escherichia coli. Int. J. Med. Microbiol., 2005, vol. 295, no. 6-7, pp. 471478. doi: 10.1016/j.ijmm.2005.07.001

23. Le Bouguenec C., Archambaud M., Labigne A. Rapid and specific detection of the pap, afa, and sfa adhesin-encoding operons in uropathogenic Escherichia coli strains by polymerase chain reaction. J. Clin. Microbiol., 1992, vol. 30, pp. 1189 -1193.

24. Melican K., Sandoval R.M., Kader A., Josefsson L., Tanner G.A., Molitoris B.A., Richter-Dahlfors A. Uropathogenic Escherichia coli P and Type 1 fimbriae act in synergy in a living host to facilitate renal colonization leading to nephron obstruction. PLoS Pathog., 2011, vol. 7, no. 2: e1001298. doi: 10.1371/journal.ppat.1001298

25. Merritt J.H., Kadouri D.E., O'Toole G.A. Growing and analyzing static biofilm. Curr. Protoc. Microbiol., 2005, chapter 1, unit 1: 1B.1. doi: 10.1002/9780471729259.mc01b01s00

26. Morales-Espinosa R., Hernandez-Castro R., Delgado G., Mendez J.L., Navarro A., Manjarrez A., Cravioto A. UPEC strain characterization isolated from Mexican patients with recurrent urinary infections. J. Infect. Develop. Count., 2016, vol. 10, no. 4, pp. 317-328. doi: 10.3855/jidc.6652

27. Mulvey M.A. Adhesion and entry of uropathogenic Escherichia coli. Cell Microbiol., 2002, vol. 4, no. 5, pp. 257-271. doi: 10.1046/j.1462-5822.2002.00193.x

28. Najafi A., Hasanpour M., Askary A., Aziemzadeh M., Hashemi N. Distribution of pathogenicity island markers and virulence factors in new phylogenetic groups of uropathogenic Escherichia coli isolates. Folia Microbiol., 2017, vol. 63, no. 3, pp. 335-343. doi: 10.1007/s12223-017-0570-3

29. Naves P., del Prado G., Huelves L., Gracia M., Ruiz V., Blanco J., Dahbi G., Blanco M., del Carmen Ponte M., Soriano F. Correlation between virulence factors and in vitro biofilm formation by Escherichia coli strains. Microb. Pathog., 2008, vol. 45, no. 2, pp. 86-91. doi: 10.1016/j.micpath.2008.03.003

30. O'Hara R.W., Jenks P.J., Emery M., Upton M. Rapid detection of extra-intestinal pathogenic Escherichia coli multi-locus sequence type 127 using a specific PCR assay. J. Med. Microbiol., 2018, vol. 68, no. 2, pp. 188-196. doi: 10.1099/jmm.0.000902

31. Rasha M.K., Ebtisam S.M., Hend M.A.G., Soha S.A. Phylogenic classification and virulence genes profiles of uropathogenic E. coli and diarrhegenic E. coli strains isolated from community acquired infections. PLoS One, 2019, vol. 14, no. 9: e0222441. doi: 10.1371/journal.pone.0222441

32. Sheikh A.F., Goodarzi H., Yadyad M.J., Amin S.A.M., Jomehzadeh N., Ranjbar R., Moradzadeh M., Azarpira S., Akhond M.R., Hashemzadeh M. Virulence-associated genes and drug susceptibility patterns of uropathogenic Escherichia coli isolated from patients with urinary tract infection. Infect. Drug Resist., 2019, vol. 12, pp. 2039-2047. doi: 10.2147/IDR.S199764

33. Spindola M.G., Cunha M.P.V., Moreno L.Z., Amigo C.R., Silva A.P.S., Parra B.M., Poor A.P., de Oliveira C.H., Perez B.P., Knobl T., Moreno A.M. Genetic diversity, virulence genotype and antimicrobial resistance of uropathogenic Escherichia coli (UPEC) isolated from sows. Veter. Quart., 2018, vol. 38, no. 1, pp. 79-87. doi: 10.1080/01652176.2018.1519321

34. Szemiako K., Krawczyk B., Samet A., Sledzinska A., Nowicki B., Nowicki S., Kur J. A subset of two adherence systems, acute pro-inflammatory pap genes and invasion coding dra, fim or sfa, increases the risk of Escherichia coli translocation to the bloodstream. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis., 2013, vol. 32, pp. 1579-1582. doi: 10.1007/s10096-013-1913-x

35. Terlizzi M.E., Gribaudo G., Maffei M.E. Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) infections: virulence factors, bladder responses, antibiotic, and non-antibiotic antimicrobial strategies. Front. Microbiol., 2017, vol. 8: 1566. doi: 10.3389/fmicb.2017.01566

36. Tiba M.R., Yano T., Leite Dda S. Genotypic characterization of virulence factors in Escherichia coli strains from patients with cystitis. Rev. Inst. Med. Trop. Sao Paulo, 2008, vol. 50, no. 5, pp. 255-260. doi: 10.1590/s0036-46652008000500001

37. Ulett G.C., Valle J., Beloin C., Sherlock O., Ghigo J.M., Schembri M.A. Functional analysis of antigen 43 in uropathogenic Escherichia coli reveals a role in long-term persistence in the urinary tract. Infect. Immun., 2007, vol. 75, no. 7, pp. 3233-3244. doi: 10.1128/IAI.01952-06

38. Valle J., Mabbett A.N., Ulett G.C., Toledo-Arana A., Wecker K., Totsika M., Schembri M.A., Ghigo J.M., Beloin C. UpaG, a new member of the trimeric autotransporter family of adhesins in uropathogenic Escherichia coli. J. Bacteriol., 2008, vol. 190, pp. 4147-4161. doi: 10.1128/JB.00122-08

39. Wiles T.J., Kulesus R.R., Mulvey M.A. Origins and virulence mechanisms of uropathogenic Escherichia coli. Exp. Mol. Pathol., 2008, vol. 85, no. 1, pp. 11-19. doi: 10.1016/j.yexmp.2008.03.007

40. Yahiaoui M., Robin F., Bakour R., Hamidi M., Bonnet R., Messai Y. Antibiotic resistance, virulence, and genetic background of community-acquired uropathogenic Escherichia coli from Algeria. Microb. Drug. Resist., 2015, vol. 21, pp. 516-526. doi: 10.1089/mdr.2015.0045

41. Yun K.W., Kim H.Y., Park H.K., Kim W., Lim I.S. Virulence factors of uropathogenic Escherichia coli of urinary tract infections and asymptomatic bacteriuria in children. J. Microbiol. Immunol. Infect., 2014, vol. 47, no. 6, pp. 455-461. doi: 10.1016/j.jmii.2013.07.010

42. Zhao L., Gao S., Huan H., Xu X., Zhu X., Yang W., Gao Q., Lui X. Comparison of virulence factors and expression of specific genes between uropathogenic Escherichia coli and avian pathogenic E. coli in a murine urinary tract infection model and a chicken challenge model. Microbiol., 2009, vol. 155, pp. 1634-1644. doi: 10.1099/mic.0.024869-0