Nontypeable Haemophilus influenzae: colonization, infection and biofilm formation

Abstract

Haemophilus influenzae is an opportunistic pathogen that forms part of the human nasopharyngeal microbiota. This microorganism is classified into encapsulated and nonencapsulated or nontypeable (NTHi) isolates, depending on the presence of a polysaccharide capsule. Although H. influenzae is a common respiratory commensal, it is also able to cause several infections, especially in patients with comorbidities. The most common respiratory infections in which H. influenzae can be identified as the main etiological agent are exacerbations in patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), community-acquired pneumonia (CAP), cystic fibrosis, and otitis media. In addition, this pathogen is also a common cause of invasive infections such as bacteraemia and meningitis. Before the introduction of the conjugate vaccine, H. influenzae serotype b (Hib) was the main cause of meningitis in children under five years. However, effective childhood vaccination has caused a dramatic reduction in Hib and allowed the expansion of NTHi, which is becoming more relevant in both respiratory and invasive infections.

In this thesis, we studied three different aspects of the epidemiology of NTHi since the introduction of the vaccine. Our study focused on molecular genotyping, antimicrobial resistance and adhesion and biofilm formation of NTHi isolates from healthy children and from adult patients with CAP, COPD and invasive diseases.

In the first part of this thesis, we set out to characterize the NTHi populations that are involved in adult infections in Bellvitge hospital. Furthermore, as humans are the only reservoir of NTHi, we aimed to identify the oropharyngeal carriage rate in healthy children attending day care centres in Oviedo.

The aim of the second part of this thesis was to determine the antimicrobial susceptibility profile of clinical NTHi isolates, placing emphasis on the molecular characterization of B-lactam and fluoroquinolone resistance, the main antimicrobials used in the treatment of NTHi infections.

The last part of this thesis focused on adhesion and biofilm formation. Biofilm is one of the mechanisms that microorganisms have developed in order to protect themselves and survive in hostile environments. Once the biofilm structure is formed, it is difficult to eliminate and, as a consequence, biofilm-associated infections commonly show recurrent symptoms. Although biofilm formation by NTHi remains controversial, biofilm-like structures have been observed in middle-ear mucosa in experimental chinchilla models of otitis media.

Taken together, all the studies discussed in this thesis can improve our understanding of the clinical epidemiology of NTHi populations since the introduction of vaccination and of the mechanism of biofilm formation in clinical isolates of this microorganism.

Haemophilus influenzae és un patogen oportunista que forma part de la microbiota nasofaríngia humana. Aquest microorganisme es classifica en soques capsulades i no capsulades o no tipables (HiNT) depenent de la presència d’una càpsula polisacarídica. Tot i que H. influenzae és un comensal respiratori comú, posseeix la capacitat de causar diferents infeccions, especialment en pacients amb malalties de base. Les infeccions respiratòries més freqüents causades per H. influenzae són les exacerbacions agudes en pacients amb Malaltia Pulmonar Obstructiva Crònica (MPOC), pneumònia adquirida en la comunitat (PAC), exacerbacions en pacients amb fibrosis quística i otitis mitjana. A més, aquest patogen és també una causa freqüent de malalties invasives com bacterièmia i meningitis. Abans de la introducció de la vacuna conjugada, H. influenzae serotipus b (Hib) fou la causa principal de meningitis en nens/es menors de cinc anys d’edat. No obstant, l'efectiva vacunació ha causat un dramàtic descens del Hib permetent l’expansió dels HiNT, que s’estan convertint en un patogen més rellevant tant en infeccions respiratòries com en infeccions invasives.

Els objectius plantejats en aquesta tesis, foren l’estudi de tres aspectes de la epidemiologia dels HiNT en l'etapa posterior a la introducció de la vacuna en Barcelona: la genotipificació molecular, la resistència antibiòtica i la formació de biofilm en soques d’HiNT aïllades de nens/es sans i de pacients adults amb PAC, MPOC i malalties invasives.

L’objectiu de la primera part d’aquesta tesis fou caracteritzar les poblacions d’HiNT involucrades en les infeccions en pacients adults de l’hospital de Bellvitge així com la determinació de la freqüència de colonització orofaríngia d’HiNT en nens/es sans que van a llars d’infants en Oviedo.

L’objectiu de la segona part de la tesis fou determinar els perfils de susceptibilitat antibiòtica dels aïllats clínics d’HiNT, emfatitzant en la caracterització molecular de la resistencia a B-lactàmics i fluoroquinolones, ja que són els antibiòtics més utilitzats en el tractament de les infeccions per HiNT.

L’última part de la tesis està enfocada a l’estudi de l’adhesió i la formació de biofilm. El biofilm és un dels mecanismes que els microorganismes han desenvolupat per a la protecció i supervivència en ambients hostils. Una vegada l’estructura del biofilm està formada és molt difícil d’eliminar i, com a conseqüència, les infeccions associades a biofilm presenten símptomes recurrents. Tot i que la formació de biofilm per HiNT roman controvertida, estructures tipus biofilm s’han observat en la mucosa de l’oïda mitjana en models experimentals d’otitis mitjana en xinxilla.

En conjunt, tots els estudis discutits en aquesta tesis contribueixen a ampliar el coneixement de la epidemiologia clínica, la resistència antibiòtica i la formació de biofilm de les poblacions d’HiNT en un període posterior a la introducció de la vacuna.