Molecular methods for the epidemiological analysis of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Streptococcus pneumoniae

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Streptococcus pneumoniae are major health problems worldwide, both found in symptomless carriage but also causing even life-threatening infections. The aim of this thesis was to characterise MRSA and S. pneumoniae in detail by using several molecular typing methods for various epidemiological purposes: clonality analysis, epidemiological surveillance, outbreak investigation, and virulence factor analysis. The characteristics of MRSA isolates from the strain collection of the Finnish National Infectious Disease Register (NIDR) and pneumococcal isolates collected from military recruits and children with acute otitis media (AOM) were analysed using various typing techniques. Antimicrobial susceptibility testing, pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), multilocus sequence typing (MLST), spa typing, staphylococcal cassette chromosome mec (SCCmec) typing, and the detection of Panton-Valentine leukocidin (PVL) genes were performed for MRSA isolates. Pneumococcal isolates were analysed using antimicrobial susceptibility testing, serotyping, MLST, and by detecting pilus islet 1 (PI-1) and 2 (PI-2) genes. Several international community- and hospital-associated MRSA clones were recognised in Finland. The genetic diversity among MRSA FIN-4 isolates and among FIN-16 isolates was low. Overall, MRSA blood isolates from 1997 to 2006 were genetically diverse. spa typing was found to be a highly discriminatory, rapid and accurate typing method and it also qualifies as the primary typing method in countries with a long history of PFGE-based MRSA strain nomenclature. However, additional typing by another method, e.g. PFGE, is needed in certain situations to be able to provide adequate discrimination for epidemiological surveillance and outbreak investigation. An outbreak of pneumonia was associated with one pneumococcal strain among military recruits, previously healthy young men living in a crowded setting. The pneumococcal carriage rate after the outbreak was found to be exceptionally high. PI-1 genes were detected at a rather low prevalence among pneumococcal isolates from children with AOM. However, the study demonstrated that PI-1 has existed among pneumococcal isolates prior to pneumococcal conjugate vaccine and the increased antimicrobial resistance era. Moreover, PI-1 was found to associate with the serotype rather than the genotype. This study adds to our understanding of the molecular epidemiology of MRSA strains in Finland and the importance of an appropriate genotyping method to be able to perform high-level laboratory-based surveillance of MRSA. Epidemiological and molecular analyses of S. pneumoniae add to our knowledge of the characteristics of pneumococcal strains in Finland.

Metisilliini-resistentti Staphylococcus aureus (MRSA) ja Streptococcus pneumoniae aiheuttavat merkittäviä terveysongelmia maailmanlaajuisesti. Molemmat voivat löytyä oireettomilta kantajilta, mutta ne voivat aiheuttaa myös hengenvaarallisia infektioita. Staphylococcus aureus on tavallinen pehmytkudosinfektioiden aiheuttajamikrobi, joka voi aiheuttaa myös vakavia infektioita kuten verenmyrkytystä. Viime vuosien aikana MRSA-bakteerien aiheuttamat infektiot ovat yleistyneet Suomessa sekä sairaala- että avohoitopotilailla. Vuoden 2009 aikana MRSA-tilanne parani ja pysyi ennallaan myös vuonna 2010. Streptococcus pneumoniae eli pneumokokki on tavallisin hengitystieinfektioita kuten poskiontelontulehdusta, lasten välikorvantulehduksia tai keuhkokuumetta aiheuttava bakteeri, mutta myös yleisimpiä vakavien infektioiden, kuten verenmyrkytyksen tai aivokalvontulehduksen, aiheuttajia. Pneumokokkeja kantaa nenänielussaan viidennes terveistä aikuisista, pikkulapsista jopa puolet. Pneumokokin aiheuttamia epidemioita esiintyy etenkin lastentarhoissa ja armeijassa. MRSA- ja pneumokokkikantojen tyypitykseen ja nimeämiseen käytetään useita erilaisia DNA-pohjaisia menetelmiä kuten geenien monistamista ja sekvensointia sekä pulssikenttägeelielektroforeesia (PFGE). Tässä työssä karakterisoitiin MRSA- ja S. pneumoniae -bakteereita tarkemmin käyttämällä useita tyypitysmenetelmiä erilaisiin epidemiologisiin tutkimuksiin: klonaalisiin analyyseihin, epidemiologiseen seurantaan, epidemiaselvityksiin ja virulenssitekijöiden analysointiin. Useita kansainvälisiä sairaalaperäisiä ja avohoitoon liittyviä MRSA-klooneja tunnistettiin Suomessa. spa-geenin sekvensointiin perustuva spa-tyypitys oli hyvin erottelukykyinen, nopea ja tarkka tyypitysmenetelmä ja se täyttää vaatimukset ensisijaisena tyypitysmenetelmänä myös maissa joilla on pitkä historia MRSA-kantojen nimeämisestä PFGE-tyypityksellä. Ahtaissa oloissa elävien, aiemmin terveiden varusmiesten keuhkokuume-epidemiaan liittyi yksi pneumokokkikanta. Melko pieneltä osalta pneumokokkikannoista, jotka oli eristetty akuuttia välikorvantulehdusta sairastavilta lapsilta, löydettiin pilus-1 (PI-1) -geenejä. Tutkimus lisää tietoutta MRSA-kantojen molekyyliepidemiologiasta Suomessa ja käytössä olevien genotyypitysmenetelmien soveltuvuudesta korkeatasoiseen MRSA-seurantatyöhön. Pneumokokin epidemiologiset ja molekylaariset tutkimukset lisäävät tietoa Suomalaisten pneumokokkikantojen ominaisuuksista ja niiden taudinaiheuttamiskyvystä.