Genomics of Staphylococcus aureus and Enterococcus faecalis isolated from the ocular surface of dry eye disease sufferers

Abstract

Tørre øyne er en utbredt okulær tilstand som rammer millioner av mennesker verden over. Ubehag, betennelse og smerte er fremtredende symptomer på sykdommen og påvirker pasientens livskvalitet. Nyere forskning viser at immunmediert betennelse har en sentral rolle i sykdommens utvikling. Nyere undersøkelser antyder en mulig kobling mellom okulært mikrobiom dysbiose og utvikling av tørre øyne. Målet med denne studien er å karakterisere Staphylococcus aureus og Enterococcus faecalis isolert fra okulære overflater hos pasienter med tørre øyne. Helgenomsekvensering ble brukt til å samle informasjon om bakterienes potensielle innvirkning på øyeoverflaten. Videre ble multipleks PCR brukt for å undersøke virulensgener, og antibiotikafølsomhetstesting ble utført.

Genomanalyse viste at genomstørrelse for S. aureus var mellom 2,74 og 2,83 Mbp for. Genomstørrelsen på begge E. faecalis var 2,86 Mbp. Dette var i tråd med forventede størrelser for disse artene. Multilokus sekvenstyping og fylogenetisk analyse fant ikke øyespesifikke klynger for bakterieartene. Genomisk analyse, - inkludert estimat for patogent potensial, resistom og virulensfaktorer indikerte en høy sannsynlighet for patogenisitet blant alle isolater i studien. Resistomanalyse viste tilstedeværelsen av resistensgener som for eksempel blaZ i alle S. aureus-isolater og dfrG-genet i to av dem. E. faecalis-isolater inneholdt lsa(A)-genet. Screening for virulensfaktorer viste tilstedeværelsen av ulike faktorer i isolater av begge arter, inkludert gener assosiert med toksinproduksjon og gener som spiller en rolle i å unnslippe vertens immunsystem. Visse gener som ble påvist kan være direkte assosiert med sykdommens patofysiologi. Eksempler på dette er tst som koder for et toksin som utløser inflammatoriske responser, og hylA og hylB som koder for enzymer som kan redusere tårefilmens kvalitet. Multipleks PCR-analyse bekreftet tilstedeværelsen av spesifikke S. aureus virulensgener. Det kan også nevnes at, ingen av isolatene viste multiresistens. Dermed bør standard antibiotikabehandlinger for øyelidelser være effektive.

Dry eye disease (DED) is a widespread ocular condition affecting millions worldwide. Ocular discomfort, inflammation and pain are prominent symptom of the disease and dramatically affect the patients’ quality of life. Emerging research emphasise the pivotal role of immune-mediated inflammation in the disease progression. Recent investigations suggesting a potential link between ocular microbiome dysbiosis and DED development. The aim of this study was to characterize Staphylococcus aureus and Enterococcus faecalis isolated from the ocular surface of DED patients. Whole genome sequencing (WGS) was utilized to investigate their pathogenic effect on the ocular surface. Furthermore, multiplex PCR targeting virulence genes, and antibiotic susceptibility testing were performed.

WGS analysis revealed genome sizes ranging from 2.74 to 2.83 Mbp for S. aureus and 2.86 Mbp for E. faecalis, which is consistent with the expected sizes for these species. Multi locus sequence typing and phylogenetic analysis failed to identify an eye-specific clusters for both bacterial species. Genomic analysis, including screening for pathogenicity, resistome, and virulence factors, indicated a high probability of pathogenicity among all isolates in the study. Resistome analysis revealed the presence of resistance encoding gene blaZ in all S. aureus isolates and dfrG gene with only two of them, while E. faecalis isolates carries lsa(A) gene. Virulence factors screening demonstrated the presence of various factors in both bacterial species isolates encoding for genes associated with toxins production and evading the host immune system. Certain genes could be directly associated with DED pathophysiology, including those encoding for toxins triggering inflammatory responses (tst) and genes encoding for enzymes potentially reducing the quality of the ocular tear film (hylA and hylB). Additionally, multiplex PCR analysis confirmed the presence of specific S. aureus virulence genes. Lastly, none of the isolates demonstrated multidrug resistance in the susceptibility testing, indicating that standard antibiotic treatments for ocular conditions should be effective.