Patogénesis de Staphylococcus epidermidis en la infección de prótesis articular

Abstract

Les infeccions de pròtesi articular són complicacions serioses difícils de tractar, que poden generar seqüeles físiques irreversibles i grans costos econòmics. Staphylococcus epidermidis és un comensal important en la pell humana que ha tingut un gran impacte com a patogen oportunista en les infeccions relacionades amb cossos estranys. S’han descrit gens com a marcadors moleculars que diferencien soques infectives de S. epidermidis de les soques comensals. Fins a la data, no s’ha identificat un marcador únic per distingir les soques infectives de les soques comensals de S. epidermidis.

En aquest estudi, es pretén identificar marcadors genètics relacionats amb la patogenicitat de S. epidermidis que permetin discriminar la població de soques d’infecció i comensal. Per arribar a aquest objectiu, s’han estudiat 117 soques de 3 poblacions de S. epidermidis: 50 soques de pacients amb infecció de pròtesi articular (IPA), 50 soques de la pell i fosses nasals de persones sanes (PS), i 17 soques del camp quirúrgic durant una artroplàstia primària (CQ). La població de CQ no havia estat estudiada ni comparada amb les altres poblacions. Els principals objectius van ser determinar la sensibilitat a antibiòtics i detectar els mecanismes de resistència, determinar l’estructura poblacional mitjançant camp pulsat (PFGE) i multilocus sequence typing (MLST), determinar la formació de biofilm i detectar els gens implicats o altres elements. Addicionalment, es va fer un estudi de seqüenciació massiva (WGS) en les soques ST2.

L’estudi de sensibilitat antibiòtica va determinar altes taxes de resistència a la majoria dels antibiòtics testats, on les soques d’IPA van ser les més resistents, seguides de les soques CQ i PS.

La tècnica de MLST va determinar en 117 soques de S. epidermidis 54 secuenciotipos (STs) diferents, i es van descriure 24 STs i 14 al·lels nous per primera vegada. El ST2 va predominar en les soques d’IPA (44%) i va ser exclusiu en aquesta població, seguit del ST640 i el ST5 (12% ambdós). Les soques PS i CQ van presentar una gran variabilitat de STs, sense cap ST predominant. La majoria de soques (68%) es van agrupar en el CC2.

L’anàlisi per PFGE va determinar 6 patrons de PFGE, que van incloure de 2-5 soques i 52 patrons únics de PFGE. Es va realitzar un estudi complementari per WGS per profunditzar en les relacions epidemiològiques a través de l’enfocament per SNPs i es van determinar dos possibles esdeveniments de transmissió de pacient a pacient. No va ser possible confirmar la transmissibilitat ja que no es van trobar relacions clínic-epidemiològiques.

Totes les soques van ser productores de biofilm, el que suggereix que la formació de biofilm no és un factor discriminatiu de les soques d’infecció i comensals.

El contingut de gens relacionats amb la formació de biofilm va variar entre les diferents poblacions de soques. En les soques d’IPA van predominar els gens sdrF, bhp, l’operó ica i la seqüència d’inserció IS256, i en les soques comensals els gens embp i hld i l’element mòbil ACME.

En conclusió, tot i la dificultat de definir les soques de S. epidermidis que causen la infecció, aquest estudi va trobar que l’evidència que les soques infeccioses i comensals no eren equivalents. No s’ha trobat un marcador únic per diferenciar les soques d’infecció de les soques comensals, però una combinació de diversos marcadors ens va permetre establir diferències entre les poblacions. Les soques d’infecció protèsica pertanyien amb més freqüència al clon patogènic ST2 i van adquirir determinants genètics que van promoure la infecció, com l’operó ica, IS256, sdrF, bhp i mecA. Per contra, les soques comensals es van caracteritzar per la presència significativa de embp, hld i ACME. Es recomana WGS per a estudis de filogènia i detecció de de gens en S. epidermidis.

Las infecciones de prótesis articular son complicaciones serias difíciles de tratar, que pueden generar secuelas físicas irreversibles y grandes costos económicos. Staphylococcus epidermidis es un comensal importante en la piel humana que ha tenido un grande impacto como patógeno oportunista en las infecciones relacionadas con cuerpos extraños. Se han descrito genes como marcadores moleculares que diferencian cepas infectivas de S. epidermidis de las cepas comensales. Hasta la fecha, no se ha identificado un marcador único para distinguir las cepas infectivas de las cepas comensales de S. epidermidis.

En este estudio, se pretende identificar marcadores genéticos relacionados con la patogenicidad de S. epidermidis que permitan discriminar la población de cepas de infección y comensal. Para llegar a este objetivo, se han estudiado 117 cepas de 3 poblaciones de S. epidermidis: 50 cepas de pacientes con infección de prótesis articular (IPA), 50 cepas de la piel y fosas nasales de personas sanas (PS), y 17 cepas del campo quirúrgico durante una artroplastia primaria (CQ). La población de CQ no había sido estudiada ni comparada con las otras poblaciones. Los principales objetivos fueron determinar la sensibilidad a antibióticos y detectar los mecanismos de resistencia, determinar la estructura poblacional mediante campo pulsado (PFGE) y multilocus sequence typing (MLST), determinar la formación de biofilm y detectar los genes implicados u otros elementos. Adicionalmente, se hizo un estudio de secuenciación masiva (WGS) en las cepas ST2.

El estudio de sensibilidad antibiótica determinó altas tasas de resistencia a la mayoría de los antibióticos testados, donde las cepas de IPA fueron las más resistentes, seguidas de las cepas CQ y cepas PS.

La técnica de MLST determinó en 117 cepas S. epidermidis 54 secuenciotipos (STs) diferentes, y se describieron 24 STs y 14 alelos nuevos por primera vez. El ST2 predominó en las cepas de IPA (44%) y fue exclusivo en esta población, seguido del ST640 y el ST5 (12% ambos). Las cepas PS y CQ presentaron una gran variabilidad de STs, sin ningún ST predominante. La mayoría de cepas (68%) se agruparon en el CC2.

El análisis por PFGE determinó 6 patrones de PFGE que incluyeron de 2-5 cepas y 52 patrones únicos de PFGE. Se realizó un estudio complementario por WGS para profundizar en las relaciones epidemiológicas a través del enfoque por SNPs y se determinaron dos posibles eventos de transmisión de paciente a paciente. No fue posible confirmar la transmisibilidad ya que no se encontraron relaciones clínico-epidemiológicas.

Todas las cepas fueron productoras de biofilm, lo que sugiere que la formación de biofilm no es un factor discriminativo de las cepas de infección y comensales.

El contenido de genes relacionados con la formación de biofilm varió entre las diferentes poblaciones de cepas. En las cepas de IPA predominaron los genes sdrF, bhp, el operón ica y la secuencia de inserción IS256, y en las cepas comensales los genes embp y hld y el elemento móvil ACME.

En conclusión, a pesar de la dificultad de definir las cepas de S. epidermidis que causan la infección, este estudio encontró que la evidencia de que las cepas infecciosas y comensales no eran equivalentes. No se encontró un marcador único para diferenciar las cepas de infección de las cepas comensales, pero una combinación de varios marcadores nos permitió establecer diferencias entre las poblaciones. Las cepas de infección protésica pertenecían con mayor frecuencia al clon patogénico ST2 y determinantes genéticos adquiridos que promovieron infección, como el operón ica, IS256, sdrF, bhp y mecA. Por el contrario, las cepas comensales se caracterizaron por la presencia significativa de embp, hld y ACME. Se recomienda WGS para estudios de filogenia y detección de genes.

Prosthetic joint infections are serious complications that are difficult to treat, which can generate irreversible physical sequelae and high economic costs. Staphylococcus epidermidis is an important commensal in human skin that has had a great impact as an opportunistic pathogen in foreign body related infections. Genes have been described as molecular markers that differentiate infective strains of S. epidermidis from commensal strains. To date, no single marker has been identified to distinguish infective strains from commensal strains of S. epidermidis.

In this study, the aim is to identify genetic markers related to the pathogenicity of S. epidermidis that allow discriminating the population of infection and commensal strains. To achieve this objective, 117 strains from 3 populations of S. epidermidis have been studied: 50 strains from patients with joint prosthesis infection (IPA), 50 strains from the skin and nasal swabs of healthy people (PS), and 17 strains of the surgical field during a primary arthroplasty (CQ). The CQ population had not been studied or compared with the other populations. The main objectives were to determine the susceptibility to antibiotics and detect the resistance mechanisms, determine the population structure using pulsed field (PFGE) and multilocus sequence typing (MLST), determine the biofilm formation and detect the genes involved or other elements. Additionally, a whole genome study (WGS) was performed on the ST2 strains.

The antibiotic susceptibility study determined high rates of resistance to most of the antibiotics tested, where the IPA strains were the most resistant, followed by the CQ and PS strains.

The MLST technique determined in 117 S. epidermidis strains 54 different sequence-type (STs), and 24 STs and 14 new alleles were described for the first time. The ST2 predominated in IPA strains (44%) and was exclusive in this population, followed by ST640 and ST5 (12% both). The PS and CQ strains presented a great variability of STs, without any predominant ST. Most of the strains (68%) were grouped in CC2.

The PFGE analysis determined 6 PFGE patterns that included 2-5 strains and 52 unique PFGE patterns. A complementary study was performed by WGS to study the epidemiological relationships through the SNP approach and two possible transmission events from patient to patient were determined. It was not possible to confirm the transmissibility because no clinical-epidemiological relationships were found.

All strains were biofilm-producing, suggesting that biofilm formation is not a discriminatory factor for infecting and commensal strains.

The genetic content related to biofilm formation varied between different populations of strains. In the IPA strains the sdrF, bhp, the ica operon and the IS256 predominated, and in the commensal strains the embp and hld genes and the mobile element ACME.

In conclusion, despite the difficulty of defining the S. epidermidis strains that causing the infection, this study found that the evidence that infectious and commensal strains were not equivalent. No single marker was found to differentiate infection strains from commensal strains, but a combination of several markers allowed us to establish differences between populations. The prosthetic infection strains most frequently belonged to the pathogenic clone ST2 and acquired genetic determinants that promoted infection, such as the ica operon, IS256, sdrF, bhp and mecA. In contrast, commensal strains were characterized by the significant presence of embp, hld, and ACME. WGS is recommended for gene detection and phylogeny studies.