Pediatric bacteremia and CNS infections associated with klebsiella pneumoniae: molecular genetic characteristics and clinical features

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Klebsiella pneumoniae is one of the most significant and life-threatening pathogen of nosocomial infections. This opportunistic microorganism can cause infections of the bloodstream, respiratory tract, urinary tract, skin and soft tissues, inflammation of meninges of the brain and spinal cord, leading to elevated hospital mortality. The purpose of our study was a retrospective analysis of molecular genetic characteristics of K. pneumoniae isolated from blood and liquor samples as well as to describe clinical features in bacteremia and CNS infections. According to the results of assessed clinical data, K. pneumoniae isolates were selected from 64 children suffered from surgical pathology (congenital heart defects — 30%, abdominal pathology — 39%, severe combined trauma — 12%) and somatic diseases accompanied by antibacterial and/or glucocorticosteroid therapy — 14%. The minimum suppressive concentrations of antibiotics were determined by the broth micro-dilution method. Carbapenemases were detected by real time polymerase chain reaction. Virulence genes and capsule serotypes K1/K2 were assessed by multiplex PCR. Biofilms were grown using flat-bottomed polystyrene plates, followed by coloring, fixation, elution and data detection. The population diversity was assessed by multilocus sequence typing. Bacteremia and CNS infections associated with K. pneumoniae were fatal in 25% of cases. A substantial portion of the isolates demonstrated the phenotype of extremely drug resistance (XDR) — 43%, the phenotype of multidrug resistance (MDR) was shown in 16% of the isolates. The blaCTX-M cephalosporinase gene was found in 85% of the strains. The main determinant of resistance to carbapenems was the blaOXA-48 gene (33%); the blaNDM gene was detected in 9% of strains. The combination of blaOXA-48 and blaNDM was found in 7% of isolates. The study of biofilm production showed that moderate ability to form biofilms was shown in 61%, strong — 21%, and weak — 15% isolates. Two isolates (3%) did not form biofilms. The virulence genes entB and mrkD were detected in 100% of isolates, ybtS — in 78%. The iutA gene was found in 18% of the strains. Two isolates showed the presence of the kfu gene. Seven isolates belonged to the K2 serotype. 27 different genotypes were found in K. pneumoniae isolates examined. The most common were: ST307 — 21%, ST395 — 12%, ST48 — 7%, ST39 — 6% and ST29 — 6%. Infections of the bloodstream and central nervous system associated with K. pneumoniae have great importance in clinical practice. This microorganism is able to long persist on biotic and abiotic surfaces, has a wide natural and acquired resistance to antibiotics.

About the authors

Zulfirya Z. Sadeeva

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: zulfiryasadeeva@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4587-0902

Junior Researcher, Laboratory of Molecular Microbiology

Russian Federation, Moscow

Irina E. Novikova

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: novikovayudina@outlook.com
ORCID iD: 0000-0003-4234-0209

Junior Researcher, Laboratory of Molecular Microbiolog

Russian Federation, Moscow

Anna V. Lazareva

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: annalaz71@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3896-2590

DSc (Medicine), Head Researcher, Laboratory of Molecular Microbiology, Head of the Microbiology Laboratory

Russian Federation, Moscow

Natalya M. Alyabyeva

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: bambolinka@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9365-9143

PhD (Medicine), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Experimental Immunology and Virology

Russian Federation, Moscow

Olga V. Karaseva

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation; Clinical and Research Institute of Emergency Pediatric Surgery and Trauma, Department of Public Health of Moscow

Email: karaseva.o@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-9418-4418

DSc (Medicine), Head of the Department of Emergency Surgery and Pediatric Trauma; Deputy Director for Scientific Work, Head of the Department of Combined Trauma, Anesthesiology-Resuscitation

Russian Federation, Moscow; Moscow

Olga G. Yanushkina

Clinical and Research Institute of Emergency Pediatric Surgery and Trauma, Department of Public Health of Moscow

Email: spartak-lfc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6227-466X

Researcher, Department of Combined Trauma

Russian Federation, Moscow

Marina G. Verschinina

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: labckb@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6051-5231

PhD (Medicine), Leading Researcher, Laboratory of Medical Genomics

Russian Federation, Moscow

Andrey P. Fisenko

National Medical Research Center for Children’s Health of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: fisenko@nczd.ru
ORCID iD: 0000-0001-8586-7946

DSc (Medicine), Professor, Director 

Russian Federation, Moscow

References

  1. Новикова И.Е., Садеева З.З., Шакирзянова Р.А., Алябьева Н.М., Лазарева А.В., Карасева О.В., Вершинина М.Г., Фисенко А.П. Использование полимеразной цепной реакции для детекции генов резистентности у грамотрицательных бактерий в рутинной практике педиатрического стационара // Клиническая лабораторная диагностика. 2022. T. 67, № 3. С. 180–185. [Novikova I.E., Sadeeva Z.Z., Shakirzyanova R.A., Alyabieva N.M., Lazareva A.V., Karaseva O.V., Vershinina M.G., Fisenko A.P. The using of the polymerase chain reaction for the detection of resistance genes in gram-negative bacteria in routine practice in a pediatric hospital. Klinicheskaya laboratornaya diagnostika = Russian Clinical Laboratory Diagnostics, 2022, vol. 67, no. 3, pp. 180–185. (In Russ.)] doi: 10.51620/0869-2084-2022-67-3-180-185
  2. Ahmed H.A., Ibrahim E.H.S., Abdelhaliem E., Elariny E.Y.T. Biotyping, virulotyping and biofilm formation ability of ESBL-Klebsiella pneumoniae isolates from nosocomial infections. J. Appl. Microbiol., 2022, vol. 132, no. 6, pp. 4555–4568. doi: 10.1111/jam.15563
  3. Bachman M.A., Oyler J.E., Burns S.H., Caza M., Lépine F., Dozois C.M., Weiser J.N. Klebsiella pneumoniae yersiniabactin promotes respiratory tract infection through evasion of lipocalin 2. Infect. Immun., 2011, vol. 79, no. 8, pp. 3309–3316. doi: 10.1128/IAI.05114-11
  4. Compain F., Babosan A., Brisse S., Genel N., Audo J., Ailloud F., Kassis-Chikhani N., Arlet G., Decré D. Multiplex PCR for detection of seven virulence factors and K1/K2 capsular serotypes of Klebsiella pneumoniae. J. Clin. Microbiol., 2014, vol. 52, no. 12, pp. 4377–4380. doi: 10.1128/JCM.02316-14
  5. Diancourt L., Passet V., Verhoef J., Grimont P.A., Brisse S. Multilocus sequence typing of Klebsiella pneumoniae nosocomial isolates. J. Clin. Microbiol., 2005, vol. 43, no. 8, pp. 4178–4182. doi: 10.1128/JCM.43.8.4178-4182.2005
  6. Fursova N.K., Astashkin E.I., Gabrielyan N.I., Novikova T.S., Fedyukina G.N., Kubanova M.K., Esenova N.M., Sharapchenko S.O., Volozhantsev N.V. Emergence of five genetic lines ST395NDM-1, ST13OXA-48, ST3346OXA-48, ST39CTX-M-14, and novel ST3551OXA-48 of multidrug-resistant clinical Klebsiella pneumoniae in Russia. Microb. Drug. Resist., 2020, vol. 26, no. 8, pp. 924–933. doi: 10.1089/mdr.2019.0289
  7. German G.J., Gilmour M., Tipples G., Adam H.J., Almohri H., Bullard J., Dingle T., Farrell D., Girouard G., Haldane D., Hoang L., Levett P.N., Melano R., Minion J., Needle R., Patel S.N., Rennie R., Reyes R.C., Longtin J., Mulvey M.R. Canadian recommendations for laboratory interpretation of multiple or extensive drug resistance in clinical isolates of Enterobacteriaceae, Acinetobacter species and Pseudomonas aeruginosa. Can. Commun. Dis. Rep., 2018, vol. 44, no. 1, pp. 29–34. doi: 10.14745/ccdr.v44i01a07
  8. Girometti N., Lewis R.E., Giannella M., Ambretti S., Bartoletti M., Tedeschi S., Tumietto F., Cristini F., Trapani F., Gaibani P., Viale P. Klebsiella pneumoniae bloodstream infection: epidemiology and impact of inappropriate empirical therapy. Medicine (Baltimore), 2014, vol. 93, no. 17, pp. 298–309. doi: 10.1097/MD.0000000000000111
  9. Hernández-García M., Pérez-Viso B., León-Sampedro R., Navarro-San Francisco C., López-Fresneña N., Díaz-Agero C., Morosini M.I., Ruiz-Garbajosa P., Cantón R. Outbreak of NDM-1+CTX-M-15+DHA-1-producing Klebsiella pneumoniae high-risk clone in Spain owing to an undetectable colonised patient from Pakistan. Int. J. Antimicrob. Agents, 2019, vol. 54, no. 2, pp. 233–239. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2019.05.021
  10. Herridge W.P., Shibu P., O’Shea J., Brook T.C., Hoyles L. Bacteriophages of Klebsiella spp., their diversity and potential therapeutic uses. J. Med. Microbiol., 2020, vol. 69, no. 2, pp. 176–194. doi: 10.1099/jmm.0.001141
  11. Hu D., Li Y., Ren P., Tian D., Chen W., Fu P., Wang W., Li X., Jiang X. Molecular epidemiology of hypervirulent carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae. Front. Cell Infect. Microbiol., 2021, vol. 11: 661218. doi: 10.3389/fcimb.2021.661218
  12. Hu P., Chen J., Chen Y., Zhou T., Xu X., Pei X. Molecular epidemiology, resistance, and virulence properties of Pseudomonas aeruginosa cross-colonization clonal isolates in the non-outbreak setting. Infect. Genet. Evol., 2017, vol. 55, pp. 288–296. doi: 10.1016/j.meegid.2017.09.010
  13. Karlsson M., Stanton R.A., Ansari U., McAllister G., Chan M.Y., Sula E., Grass J.E., Duffy N., Anacker M.L., Witwer M.L., Rasheed J.K., Elkins C.A., Halpin A.L. Identification of a Carbapenemase-producing hypervirulent Klebsiella pneumoniae Isolate in the United States. Antimicrob. Agents Chemother., 2019, vol. 63, no. 7: e00519-19. doi: 10.1128/AAC.00519-19
  14. Khrulnova S., Fedorova A., Frolova I., Tandilova K., Likold E., Klyasova G. Distribution of virulence genes and capsule types in Klebsiella pneumoniae among bloodstream isolates from patients with hematological malignancies. Diagn. Microbiol. Infect. Dis., 2022, vol. 104, no. 1: 115744. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2022
  15. Kochan T.J., Nozick S.H., Medernach R.L., Cheung B.H., Gatesy S.W.M., Lebrun-Corbin M., Mitra S.D., Khalatyan N., Krapp F., Qi C., Ozer E.A., Hauser A.R. Genomic surveillance for multidrug-resistant or hypervirulent Klebsiella pneumoniae among United States bloodstream isolates. BMC Infect. Dis., 2022, vol. 22, no. 1: 603. doi: 10.1186/s12879-022-07558-1
  16. Liu C., Du P., Xiao N., Ji F., Russo T.A., Guo J. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae is emerging as an increasingly prevalent K. pneumoniae pathotype responsible for nosocomial and healthcare-associated infections in Beijing, China. Virulence, 2020, vol. 11, no. 1, pp. 1215–1224. doi: 10.1080/21505594.2020.1809322
  17. Lv J., Zhu J., Wang T., Xie X., Wang T., Zhu Z., Chen L., Zhong F., Du H. The role of the two-component QseBC signaling system in biofilm formation and virulence of hypervirulent Klebsiella pneumoniae ATCC43816. Front. Microbiol., 2022, vol. 13: 817494. doi: 10.3389/fmicb.2022.817494
  18. Mairi A., Pantel A., Ousalem F., Sotto A., Touati A., Lavigne J.P. OXA-48-producing Enterobacterales in different ecological niches in Algeria: clonal expansion, plasmid characteristics and virulence traits. J. Antimicrob. Chemother., 2019, vol. 74, no. 7, pp. 1848–1855. doi: 10.1093/jac/dkz146
  19. Marques A.T., Tanoeiro L., Duarte A., Gonçalves L., Vítor J.M.B., Vale F.F. Genomic analysis of prophages from Klebsiella pneumoniae clinical Isolates. Microorganisms, 2021, vol. 9, no. 11: 2252. doi: 10.3390/microorganisms9112252
  20. Paczosa M.K., Mecsas J. Klebsiella pneumoniae: going on the offense with a strong defense. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2016, vol. 80, no. 3, pp. 629–661. doi: 10.1128/MMBR.00078-15
  21. Pan H., Lou Y., Zeng L., Wang L., Zhang J., Yu W., Qiu Y. Infections caused by carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae: microbiological characteristics and risk factors. Microb. Drug Resist., 2019, vol. 25, no. 2, pp. 287–296. doi: 10.1089/mdr.2018.0339
  22. Potron A, Poirel L, Rondinaud E, Nordmann P. Intercontinental spread of OXA-48 beta-lactamase-producing Enterobacteriaceae over a 11-year period, 2001 to 2011. Euro Surveill., 2013, vol. 18, no. 31: 20549. doi: 10.2807/1560-7917.es2013.18.31.20549
  23. Stepanović S., Vuković D., Hola V., Di Bonaventura G., Djukić S., Cirković I., Ruzicka F. Quantification of biofilm in microtiter plates: overview of testing conditions and practical recommendations for assessment of biofilm production by staphylococci. APMIS, 2007, vol. 115, no. 8, pp. 891–899. doi: 10.1111/j.1600-0463.2007.apm_630.x
  24. Wyres K.L., Holt K.E. Klebsiella pneumoniae population genomics and antimicrobial-resistant clones. Trends Microbiol., 2016, vol. 24, no. 12, pp. 944–956. doi: 10.1016/j.tim.2016.09.007
  25. Xu M., Fu Y., Kong H., Chen X., Chen Y., Li L., Yang Q. Bloodstream infections caused by Klebsiella pneumoniae: prevalence of blaKPC, virulence factors and their impacts on clinical outcome. BMC Infect. Dis., 2018, vol. 18, no. 1: 358. doi: 10.1186/s12879-018-3263-x
  26. Yang Y., Yang Y., Chen G., Lin M., Chen Y., He R., Galvão K.N., El-Gawad El-Sayed Ahmed M.A., Roberts A.P., Wu Y., Zhong L.L., Liang X., Qin M., Ding X., Deng W., Huang S., Li H.Y., Dai M., Chen D.Q., Zhang L., Liao K., Xia Y., Tian G.B. Molecular characterization of carbapenem-resistant and virulent plasmids in Klebsiella pneumoniae from patients with bloodstream infections in China. Emerg. Microbes. Infect., 2021, vol. 10, no. 1, pp. 700–709. doi: 10.1080/22221751.2021.1906163
  27. Yuan Y., Wang J., Yao Z., Ma B., Li Y., Yan W., Wang S., Ma Q., Zhang J., Xu J., Li L., Wang Y., Fan E. Risk factors for Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae bloodstream infections and outcomes. Infect. Drug. Resist., 2020, vol. 13, pp. 207–215. doi: 10.2147/IDR.S223243
  28. Zhang S., Zhang X., Wu Q., Zheng X., Dong G., Fang R., Zhang Y., Cao J., Zhou T. Clinical, microbiological, and molecular epidemiological characteristics of Klebsiella pneumoniae-induced pyogenic liver abscess in southeastern China. Antimicrob. Resist. Infect. Control, 2019, vol. 8: 166. doi: 10.1186/s13756-019-0615-2
  29. Zheng X., Wang J.F., Xu W.L., Xu J., Hu J. Clinical and molecular characteristics, risk factors and outcomes of Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae bloodstream infections in the intensive care unit. Antimicrob. Resist. Infect. Control, 2017, vol. 6: 102. doi: 10.1186/s13756-017-0256-2

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Combinations of virulence determinants in K. pneumoniae isolates

Download (128KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. K. pneumoniae genotype composition in bacteremia and CNS infection

Download (368KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Carbapenemase prevalence among representatives of various genotypes

Download (111KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Sadeeva Z.Z., Novikova I.E., Lazareva A.V., Alyabyeva N.M., Karaseva O.V., Yanushkina O.G., Verschinina M.G., Fisenko A.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».