Genomic characterisation of Escherichia coli causing bloodstream infections

Abstract

Bakgrunn: Blodstrøminfeksjon (BSI) er definert av tilstedeværelsen av levedyktige mikrober i blodet til en pasient med systemiske tegn på infeksjon. Dette kan føre til sepsis, et infeksiøst syndrom assosiert med økt dødelighet. Escherichia coli (E. coli) er både en kommensal bakterie vanligvis funnet i menneskets tarmflora, og en patogen som kan forårsake ulike sykdommer som BSI. I dette studiet ble E. coli stammer isolert fra BSI og kommensale E. coli stammer karakterisert genomisk og sammenlignet for å undersøke hvilke patotyper som er assosiert med BSI og hva gjør dem i stand til å forårsake BSI.

Materiale og metoder: Totalt 258 BSI stammer isolert fra BSI pasienter registrert i Helse Nord-Trøndelag (HNT) Sepsisregister og 238 kommensale stammer isolert fra fæces av friske voksne var inkludert i dette studiet. Alle stammene var samlet i 2017-2019 og sekvensert med Illumina NovaSeq i forkant av studiet. Kvaliteten av helgenomsekvenser ble vurdert og stammene var karakterisert etter genotype (fylogruppe, sekvenstype og serotype), virulensgener og antimikrobielle resistensgener.

Resultater: Totalt ble 254 BSI stammer og 235 kommensale stammer vurdert til å ha god read- og assembly-kvalitet. Fylogruppe B2 og ST12 var observert til å være signifikant assosiert med BSI, mens ST59 var signifikant assosiert med kommensale stammer. Ingen serotyper var signifikant assosiert med enten BSI eller kommensale stammer. BSI stammer hadde signifikant mer virulensgener enn kommensale stammer. Gener relatert til adhesjon og jernopptak var særdeles svært utbredt. Basert på Mikrobiell Genomvide Assosiasjonsstudie var blant annet P fimbriae (pap) gener og et gen som koder for Yersiniabaktin polyketid syntase HMPW1 observert til å være signifikant assosiert med BSI. For enkelte signifikante gener, var det vanskelig å avgjøre deres direkte forhold grunnet deres generell involvering i diverse mekanismer. Totalt sett er de fleste av de signifikante genene assosiert med BSI kjent for å vanligvis befinne seg i plasmider. Prevalensen av antimikrobielle resistensgener i begge kohortene var generelt lavt. Sammenligning av resistensgener i kohortene viste at BSI stammer hadde signifikant mer resistensgener enn kommensale stammer. Resistensgener mot beta-lactam var ofte observert i begge kohortene, der flere stammer var funnet til å også ha resistensgener mot trimethoprim, gentamicin og/eller quinolone.

Konklusjon: Studiet fant en signifikant assosiasjon mellom BSI og fylogruppe B2 og ST12. Funnene i studiet antydet at tilegnelse av visse gener er bestemmende faktorer for virulens i BSI, basert på signifikante gener. Plasmidanalyse er dermed anbefalt for å undersøke assosiasjonen mellom tilegnede gener og BSI. Den generelt lave prevalensen av antimikrobiell resistens gener indikerte at resistens ikke var en nødvendighet for BSI stammer, men heller gir en fordel. Inklusjon av pasientdata kan gi innsikt i vertskarakteristikker som kan assosieres med en økt risiko for å utvikle BSI.

Background: Bloodstream infection (BSI) is defined by the presence of viable microbes in the blood of a patient with systemic signs of infection. This can lead to sepsis, an infectious syndrome associated with an increased mortality rate. Escherichia coli (E. coli) is both a commensal typically residing in humans’ gut microbiota, and a pathogen which can cause a variety of diseases, including BSI. In this study, E. coli isolated from BSI and commensal E. coli were genomically characterised and compared to investigate which pathotypes are associated with BSI and what enables them to cause BSI.

Material and methods: A total of 258 BSI strains isolated from BSI patients registered in the Helse Nord-Trøndelag Trust (HNT) Sepsis registry and 238 carriage strains isolated from healthy human faeces were included in this study. All strains were collected in 2017-2019 and sequenced with Illumina NovaSeq prior to the study. The quality of the whole genome sequences was assessed, and strains were characterised with regard to genotype (phylogroup, sequence type and serotype), virulence genes and antimicrobial resistance genes.

Results: A total of 254 BSI and 235 carriage strains were considered to have good quality reads and assembly. Findings showed phylogroup B2 and ST12 to be significantly associated with BSI, whilst ST59 was significantly associated with carriage strains. No serotypes were found to be significantly associated with either BSI or carriage strains. BSI strains harboured significantly more virulence genes than carriage strains. Genes related to adhesion and iron acquisition were in particular highly prevalent. Based on Microbial Genome-Wide Association Study (mGWAS), P fimbriae (pap) genes and a gene encoding Yersiniabactin polyketide synthase HMPW1 among others were found to be significantly associated with BSI. For certain genes, the direct relation to BSI was difficult to determine as they could be associated with various mechanisms. Overall, a majority of the genes significantly associated with BSI are known to typically be located in plasmids. The prevalence of antimicrobial resistance genes in both cohorts were generally low. However, BSI strains significantly harboured more resistance genes than carriage strains. Beta-lactam resistance genes was commonly observed in both cohorts, in which several strains were found to also harbour resistance genes to trimethoprim, gentamicin and/or quinolone.

Conclusion: This study found a significant association between BSI and phylogroup B2 and ST12. Findings suggested that acquisition of certain genes are determinants of virulence in BSI, based on the significant genes. Plasmid analysis is therefore recommended to investigate the association between acquired genes and BSI. The generally low prevalence of antimicrobial resistance genes indicated resistance to not be a necessity for BSI-causing strains, but rather provides an advantage. Inclusion of patient data may provide more insight into the host characteristics that may be associated with an increased risk in BSI development.