Infecciones respiratorias por Staphylococcus aureus: implicación clínica de factores de virulencia y persistencia

Abstract

Staphylococcus aureus es uno de los principales patógenos comensales y oportunistas responsables de causar infecciones del tracto respiratorio inferior (ITRI). Es conocida la dificultad de distinguir entre colonización e ITRI por S. aureus tanto en pacientes crónicos como en pacientes sin neumopatía de base. La prevalencia de colonización por este microorganismo dificulta establecer el valor clínico del aislado en muestra respiratoria en determinados grupos de pacientes y establecer la verdadera indicación del tratamiento. En pacientes sometidos a ventilación mecánica (VM), la potencial gravedad del desarrollo de neumonía da lugar a frecuente prescripción antibiótica de forma empírica, favoreciendo a su vez el desarrollo de resistencias. El estudio de factores tanto del microorganismo como del hospedador, debería facilitar la distinción entre los estadios de colonización e infección. Por tanto, el objetivo de este trabajo es determinar la importancia clínica del aislamiento de S. aureus en las vías respiratorias inferiores de pacientes sometidos a VM, mediante el estudio de factores asociados con la persistencia y la adaptación del microorganismo a este nicho anatómico. Esto representaría un cambio importante en el diagnóstico y el manejo de las ITRI causadas por este microorganismo. Inicialmente se estudió qué factores del hospedador y del microorganismo estarían relacionados con la evolución clínica y el aislamiento persistente de S. aureus en muestra respiratoria. Esto se llevó a cabo en una cohorte de pacientes ingresados en UCI y sometidos a VM, que fueron clasificados en diferentes grupos en cuanto a la relación del aislado con el hospedador (infección vs. colonización). Se demostró que, de entre las diferentes variables evaluadas, el resultado clínico desfavorable es independiente de los días bajo VM y de estancia en la UCI, así como del perfil genético y el patrón de resistencia a la cloxacilina de los aislados. Además, hemos demostrado que el aislamiento persistente de S. aureus, observado en aproximadamente el 40% de los pacientes, tampoco se asoció con la evolución clínica desfavorable. Sin embargo, aunque también se observaron casos de aislados MSSA persistentes, la resistencia a la cloxacilina se correlacionó con la persistencia en el aislamiento. Por otro lado, la persistencia de S. aureus en muestra respiratoria resultó ser frecuente en los pacientes que presentaban un aislamiento consecutivo de Pseudomonas aeruginosa. Esta asociación nos llevó a investigar las interacciones entre S. aureus y P. aeruginosa, otro importante agente etiológico de ITRI frecuentemente aislado en la misma localización anatómica. El estudio de las interacciones entre estos microorganismos nos permitió ampliar el conocimiento respecto a las relaciones interespecies y su impacto sobre la virulencia, persistencia y adaptación al tracto respiratorio, y la progresión o cronicidad de la infección. A continuación, se analizó la funcionalidad del sistema quorum sensing (QS)- agr (accessory gene regulator), uno de los principales sistemas de regulación de la virulencia en S. aureus, en aislados provenientes de pacientes con ITRI. Alrededor del 83% de los aislados resultaron tener el sistema Agr funcional. Se observaron correlaciones entre la funcionalidad del Agr y la capacidad de formación de biofilm de los aislados. No obstante, la actividad de este sistema regulador de virulencia parece no tener influencia en el resultado clínico desfavorable de los pacientes, ni tampoco en el aislamiento persistente. Los hallazgos obtenidos en este estudio destacan que tanto la funcionalidad del sistema Agr, como el aislamiento persistente, observados a menudo en los aislados provenientes de pacientes sometidos a VM, corresponden más a fenotipos de adaptación del microorganismo al microbioma del tracto respiratorio, que a fenotipos de virulencia relacionados con el resultado clínico desfavorable. Por lo tanto, esto refuerza la observación de que las infecciones del tracto respiratorio a menudo se manejan de forma subóptima con respecto al diagnóstico correcto, indicación, dosis y duración del tratamiento antimicrobiano. En cuanto a las relaciones interespecíficas entre aislados de S. aureus y P. aeruginosa en pacientes con ITRI aguda, se observó que de forma similar a lo que ocurre en aislados provenientes de pacientes con enfermedades respiratorias crónicas, P. aeruginosa compite y supera a S. aureus en condiciones de cultivo estándar de laboratorio. Sin embargo, la presencia de un medio de cultivo que simula in vitro la mucosidad del tracto respiratorio, favorece la coexistencia entre ellos, e influye en la actividad de los sistemas QS y en el desarrollo de fenotipos relacionados con la virulencia como es la formación de biofilm. Finalmente, este trabajo sugiere el uso de un enfoque que combine métodos fenotípicos y genotípicos, donde además se consideren las relaciones interespecies entre los diferentes componentes del microbioma respiratorio, a la hora de investigar con mayor precisión las posibles asociaciones entre los factores microbianos y la evolución clínica y la susceptibilidad a los antibióticos en las ITRI por S. aureus.

Staphylococcus aureus is one of the most important commensal and opportunistic pathogen responsible for causing lower respiratory tract infections (LRTI). The difficulty in distinguishing between colonization and LRTI by S. aureus is well known in both chronic patients and patients without underlying lung diseases. The prevalence of colonization by this microorganism makes it difficult to determine the clinical value of an isolation in a respiratory sample in certain groups of patients and to establish an appropriate treatment. In patients undergoing mechanical ventilation (MV), the potential severity of developing pneumonia gives rise to frequent empirical antimicrobial prescription, favoring at the same time the development of resistance. The study of factors from both the microorganism and the host should facilitate the distinction between the stages of colonization and infection. Therefore, the objective of the present work is to determine the clinical importance of the isolation of S. aureus in the lower respiratory tract of patients undergoing MV, by studying factors associated with the persistence and adaptation of the microorganism to this anatomical niche. This would represent a significant change in the diagnosis and management of LRTIs caused by this microorganism. Initially, we focused on studying which factors of the host and the microorganism could be related to the clinical course and the persistent isolation of S. aureus in respiratory samples. This was carried out in a cohort of patients admitted to the ICU and undergoing MV, who were classified into different groups regarding the relationship of the isolate with the host (infection vs. colonization). We shown that among the different variables evaluated, an unfavorable clinical outcome is independent of the days under MV and stay in the ICU, as well as the genetic profile and the resistance pattern to cloxacillin of the isolates. In addition, we have shown that persistent isolation of S. aureus, observed in approximately 40% of patients, was also not associated with the clinical outcome. However, although cases of persistent MSSA isolates were also observed, resistance to cloxacillin was significantly associated with persistence. On the other hand, the persistence of S. aureus in the respiratory sample was found to be frequent in patients with consecutive isolation of Pseudomonas aeruginosa. This association led us to investigate the interactions between S. aureus and P. aeruginosa, another important etiological agent of LRTIs frequently isolated in the same anatomical location. The study of the interactions between these two microorganisms would expand the knowledge on interspecies relationships and their impact on virulence, persistence, and adaptation to the respiratory tract, as well as the progression or chronicity of the infection. Next, we analyzed the functionality of the quorum sensing system (QS) - agr (accessory gene regulator), one of the main virulence regulation systems in S. aureus, in isolates from patients with LRTI. Approximately 83% of the isolates were found to have a functional Agr system. Correlations were observed between the functionality of the Agr and the biofilm formation capacity of the clinical isolates. However, the activity of this virulence regulatory system does not seem to influence on the unfavorable clinical outcome of the patients, nor on the persistent isolation. The findings obtained in this study highlight that both the functionality of the Agr system and persistent isolation, often observed in isolates from patients undergoing MV, correspond more to adaptation phenotypes of the microorganism to the respiratory tract microbiome than to virulence phenotypes related to the unfavorable clinical result. Therefore, this reinforces the observation that respiratory tract infections are often handled suboptimally with respect to the correct diagnosis, indication, dosing and duration of antibiotic regimens. Regarding the interspecific relationships between S. aureus and P. aeruginosa isolated from patients with acute LRTI, we observed that similarly to what occurs in isolates from patients with chronic respiratory diseases, P. aeruginosa inhibits and outcompetes S. aureus under standard laboratory culture conditions. However, the presence of a mucus-like medium favors the coexistence between them and influences the activity of the QS systems and the development of phenotypes related to virulence such as biofilm formation in both microorganisms. Finally, this work proposes the use of a combined approach that includes both phenotypic and genotypic methods, and that also considers the interspecies relations among the different components of the respiratory microbiome, to investigate accurately the possible associations between the microbial factors and the clinical outcome, and antimicrobial susceptibility in LTRIs caused by S. aureus.