Genomveränderungen in Staphylocuccus aureus während der chronischen Lungeninfektion bei Zystischer Fibrose

Abstract

Staphylococcus aureus besiedelt bei 30 % der Bevölkerung asymptomatisch den Nasenvorhof. Bei Patienten mit Zystischer Fibrose (CF) verursacht S. aureus chronische, schwer therapierbare Lungeninfektion. Ziel dieser Studie war es genomische Veränderungen der Bakterien während der Nasenkolonisation und der Lungeninfektion bei CF-Patienten systematisch zu erfassen. Hierzu wurden Folgeisolate von 208 gesunden Kontrollpersonen und von 118 CF-Patienten gesammelt und durch Puls-Feld-Gel-Elektrophorese (PFGE) typisiert. Nur Individuen die zwischen zwei Proben mit dem gleichen Stamm besiedelt waren, wurden in die Studie eingeschlossen. Die Stamm-Definition erfolgte über PFGE, wurde jedoch mit anderen Typisierungsmethoden überprüft. Kleinere Fragmentmuster-Variationen bei aufeinander folgenden Isolaten wurden als Genomveränderungen definiert. Bei signifikant (p<.0001) mehr CF-Patienten (13/26) wurden S. aureus-Stämme nachgewiesen, welche eine oder mehrere Genomveränderung zeigten, als bei gesunden Menschen (2/38). Die durchschnittliche Zeit, innerhalb der es zu solchen Genomveränderungen kommt, war bei S. aureus-Stämmen von CF-Sputen (durchschnittlich 1,03 Jahre) signifikant (p<.0001) kürzer, als bei Stämmen aus der Nasenschleimhaut Gesunder (durchschnittlich 13,4 Jahre). Bei den Genomveränderungen handelt es sich um Deletionen oder Insertionen größerer DNA-Bereiche (ca. 20 bis 200 kb), die auf die Mobilisation von mobilen genetischen Elementen (Transposons, Phagen, etc.) hindeuten. Genomveränderungen konnten in verschiedenen Klonkomplexen von S. aureus nachgewiesen werden. Ausgewählte Stämme wurden in vitro extensiv subkultiviert und nach Subkultivierung auf Genomveränderungen untersucht. In keinem der Fälle konnte in vitro eine Genomveränderung beobachtet werden. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass es im Laufe der S. aureus Lungeninfektion bei CF-Patienten häufiger zu Genomveränderungen kommt, als während der Kolonisation der Nase. S. aureus unterliegt möglicherweise während der Lungeninfektion einem starken Selektionsdruck der durch die entzündungsspezifische Reaktion des Wirtes und/oder durch den massiven Antibiotika-Einsatz ausgelöst sein könnte. Inwiefern die Genomveränderungen mit einer Veränderung des Virulenzpotentials verbunden sind, sollte in weiteren Untersuchungen geklärt werden.

Staphylococcus aureus (S. aureus) asymptomatically colonizes the anterior nares of 30 % of the population. In patients with cystic fibrosis it causes a wide spectrum of chronic diseases, especially affections of the lungs. In the present study, we assessed the frequency of genomic alterations during chronic lung infection in patients with cystic fibrosis and during colonization of the nares in healthy individuals. S. aureus isolates were obtained from 118 patients with cystic fibrosis and from 268 healthy individuals and typed with pulse-field gel electrophoresis (PFGE). Only consecutive intervals with the same S. aureus genome type were included in the study. Clone definition was based on PFGE but was also verified by other typing methods. Minor fragment variations in consecutive clones were interpreted as genome alterations. Significantly (p<.0001) more patients with cystic fibrosis (13/26) harboured S. aureus clones showing genomic alterations than did healthy control subjects (2/38). The frequency of genome alterations was significantly higher (p<.0001) in S. aureus derived from patients with cystic fibrosis (meantime 1, 03 years) than in isolates derived from healthy individuals (meantime 13, 4 years). Genomic alterations are deletions or insections of bigger DNA-fragments (around 20 to 200 kb), which could be linked to mobilization of genetic elements (transposons, phages). No association was observed between the frequency of genomic alterations and certain clonal lineages of S. aureus. Selected clones showing alterations in vivo were analyzed during extended in vitro subculturing. Although phenotypic variations occurred, no changes in the PFGE pattern were detected. The results show that genomic alterations in S. aureus occur more often during lung infection in patients with cystic fibrosis than during the colonization of the nares in healthy individuals. S. aureus may be exposed high selection pressure during lung infection, which could be on account of the specific host response and/or the regular antibiotic exposure on the pathogen. How far genomic alterations are associated to increasing or decreasing virulence should be subject of following studies.