Elements in Staphylococcus aureus associated with endocarditis

Abstract

Bakgrunn: Infeksiøs endokarditt (IE) er en fryktet infeksjon med høy mortalitet, og et varierende klinisk bilde som gjør diagnostikken utfordrende. Staphylococcus aureus er den vanligste forårsakende mikroben i industriland. Noen studier antyder at informasjon om patogenet kan forutsi alvorlighetsgraden av infeksjonen.

Mål: Målet med studien var å sammenligne tilstedeværelsen av et utvalg av gener (clfA, clfB, fnbA, fnbB, sspA, sspB, cna, sdrC, sdrD, sdrE, isdA og vWbp) og bindingsevne til fibrinogen og fibronektin i S. aureus fra pasienter med IE og asymptomatiske bærere. I tillegg så vi etter en assosiasjon mellom genotype, bindingsevne i en adheranseanalyse (in vitro fenotype) og evnen til å gi endokarditt (in vivo fenotype).

Metode: Vi vurderte 27 S. aureus bærerstammer og 30 S. aureus endokardittstammer sin evne til å binde til fibrinogen og fibronektin i en mikrotiteranalyse, og sammenlignet dette med bindingsevnen til en kontrollstamme (S. aureus 8325-4) som ble brukt som referanse. Data om stammene fra en tidligere utført helgenomsekvensering (HGS) ble brukt for å evaluere sekvenstype (ST), klonal kompleks (CC) og tilstedeværelsen av 12 gener som koder for proteiner involvert i adheranse.

Resultat: S. aureus sin bindingsevne til fibrinogen og fibronektin er gitt som prosentandelen av den gjennomsnittlige optiske tetthetsverdien (OD-verdien) til S. aureus 8325-4 etter at den gjennomsnittlige OD-verdien til de negative kontrollene er trukket fra. Bærerstammene og IE stammene viste variasjon i bindingsevne til både fibrinogen og fibronektin. Bindingsevnen til fibrinogen lå mellom 16% og 162% for bærerstammene, og mellom 21% og 220% for IE stammene. Bindingsevnen til fibronektin lå mellom -4% og 312% for bærerstammene, og mellom -11% og 284% for IE stammene. Bindingsevne for bærerstammene og IE stammene hadde ikke en signifikant forskjell for verken fibrinogen (p=0.117) eller fibronektin (p=0.114). Tilstedeværelsen av fire gener kjent for å kode proteiner involvert i adheranse (clfA, fnbA, fnbB og sdrC) var signifikant vanligere blant IE stammene enn blant bærerstammene.

Konklusjon: I denne studien fant vi en sammenheng mellom å være en IE-stamme og tre gener som koder for adhesiner til enten fibrinogen og/ eller fibronektin (clfA, fnbA og fnbB) og et gen (srdC) involvert i adhesjon gjennom en ukjent mekanisme. De gjennomsnittlige adhesjonsverdiene til både fibrinogen og fibronektin i in vitro analysen var like mellom IE og bærerstammer. Dette kan tyde på at denne in vitro analysen er uegnet for vurdering av S. aureus in vivo-adhesjon, eller at adhesjonen til fibrogen eller fibronektin ikke er en avgjørende faktor for å utvikle IE. I fremtidige studier bør man undersøke andre metoder for å vurdere adheranse hos S. aureus og vi anbefaler videre forskning på andre bakterieegenskaper som kan være viktige for utviklingen av IE.

Background: Infective endocarditis (IE) is a dreaded infectious disease due to its heterogeneous course, the challenges of reaching a diagnosis and its high mortality. Staphylococcus aureus is the most frequent causative organism in high income countries. Some studies suggest that characteristics of the infecting strain can predict the severity of IE.

Objectives: The aim of this study was to compare the presence of a selection of genes (clfA, clfB, fnbA, fnbB, sspA, sspB, cna, sdrC, sdrD, sdrE, isdA and vWbp) and adherence to fibrinogen or fibronectin of S. aureus strains from asymptomatic carriers and patients with IE. We also investigated the association between the bacterial genotype, the ability to adhere in an adherence assay (in vitro phenotype) and the ability to cause endocarditis (in vivo phenotype).

Methods: The adherence of 27 S. aureus carriage strains and 30 S. aureus IE strains to solid-phase fibrinogen and fibronectin was assessed using a microtiter assay, and compared to the adherence of a control strain (S. aureus 8325-4) used as reference. Data about the strains from a previously performed whole-genome sequencing (WGS) were used to evaluate sequence types (ST), clonal complexes (CC) and the presence of 12 genes known to encode proteins involved in adherence.

Results: The fibrinogen and fibronectin adherence values are given as the percentage of the mean optical density (OD) value of S. aureus 8325-4 after subtracting the mean OD value of the negative controls. Both carriage strains and IE strains showed variability in adherence values. The fibrinogen adherence values ranged from 16% to 162% for the carriage strains, and from 21% to 220% for the IE strains. The fibronectin adherence values ranged from -4% to 312% for the carriage strains, and from -11% to 284% for the IE strains. The adherence values between carriage and IE strains did not differ significantly for neither fibrinogen (p=0.117) nor fibronectin (p=0.114). Four genes that encode proteins involved in adherence (clfA, fnbA, fnbB, sdrC) were significantly more common among the IE than the carriage strains.

Conclusions: We found an association between being an IE strain and three genes that code for adhesins to fibrinogen, fibronectin, or both (clfA, fnbA and fnbB) and one gene (sdrC) involved in adhesion through unknown mechanisms. The mean adherence values to both fibrinogen and fibronectin in the in vitro adhesion assay were similar between IE and carriage strains. This may suggest that this in vitro assay is not suitable for assessment of S. aureus in vivo adhesion or that the adhesion to fibrinogen or fibronectin is not a distinguishing feature of IE strains. In future studies other methods to assess for adherence in S. aureus should be investigated, and we recommend further research on other bacterial characteristics that may be important for the development of IE.