Methicillin Resistance In Staphylococci : Horizontal Transfer of Mobile Genetic Element (SCCmec) Between Staphylococcal Species

Regardless of the existence of antibiotics, infectious diseases are the leading causes of death in the world. Staphylococci cause many infections of varying severity, although they can also exist peacefully in many parts of the human body. Most often Staphylococcus aureus colonises the nose, and that colonisation is considered to be a risk factor for spread of this bacterium. S. aureus is considered to be the most important Staphylococcus species. It poses a challenge to the field of medicine, and one of the most problematic aspects is the drastic increase of the methicillin-resistant S. aureus (MRSA) strains in hospitals and community world-wide, including Finland. In addition, most of the clinical coagulase-negative staphylococcus (CNS) isolates express resistance to methicillin. Methicillin-resistance in S. aureus is caused by the mecA gene that encodes an extra penicillin-binding protein (PBP) 2a. The mecA gene is found in a mobile genomic island called staphylococcal chromosome cassette mec (SCCmec). The SCCmec consists of the mec gene and cassette chromosome recombinase (ccr)gene complexes. The areas of the SCCmec element outside the ccr and mec complex are known as the junkyard J regions. So far, eight types of SCCmec(SCCmec I- SCCmec VIII) and a number of variants have been described. The SCCmec island is an acquired element in S. aureus. Lately, it appears that CNS might be the storage place of the SCCmec that aid the S. aureus by providing it with the resistant elements. The SCCmec is known to exist only in the staphylococci. The aim of the present study was to investigate the horizontal transfer of SCCmec between the S. aureus and CNS. One specific aim was to study whether or not some methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) strains are more inclined to receive the SCCmec than others. This was done by comparing the genetic background of clinical MSSA isolates in the health care facilities of the Helsinki and Uusimaa Hospital District in 2001 to the representatives of the epidemic MRSA (EMRSA) genotypes, which have been encountered in Finland during 1992-2004. Majority of the clinical MSSA strains were related to the EMRSA strains. This finding suggests that horizontal transfer of SCCmec from unknown donor(s) to several MSSA background genotypes has occurred in Finland. The molecular characteristics of representative clinical methicillin-resistant S. epidermidis (MRSE) isolates recovered in Finnish hospitals between 1990 and 1998 were also studied, examining their genetic relation to each other and to the internationally recognised MRSE clones as well, so as to ascertain the common traits between the SCCmec elements in MRSE and MRSA. The clinical MRSE strains were genetically related to each other; eleven PFGE types were associated with sequence type ST2 that has been identified world-wide. A single MRSE strain may possess two SCCmec types III and IV, which were recognised among the MRSA strains. Moreover, six months after the onset of an outbreak of MRSA possessing a SCCmec type V in a long-term care facility in Northern Finland (LTCF) in 2003, the SCCmec element of nasally carried methicillin-resistant staphylococci was studied. Among the residents of a LTCF, nasal carriage of MR-CNS was common with extreme diversity of SCCmec types. MRSE was the most prevalent CNS species. Horizontal transfer of SCCmec elements is speculated to be based on the sharing of SCCmec type V between MRSA and MRSE in the same person. Additionally, the SCCmec element of the clinical human S. sciuri isolates was studied. Some of the SCCmec regions were present in S. sciuri and the pls gene was common in it. This finding supports the hypothesis of genetic exchange happening between staphylococcal species. Evaluation of the epidemiology of methicillin-resistant staphylococcal colonisation is necessary in order to understand the apparent emergence of these strains and to develop appropriate control strategies. SCCmec typing is essential for understanding the emergence of MRSA strains from CNS, considering that the MR-CNS may represent the gene pool for the continuous creation of new SCCmec types from which MRSA might originate.

Koagulaasinegatiivisten stafylokokkien aiheuttama utaretulehdus naudalla –kirjallisuuskatsaus ja patogeneesitutkimus kokeellisen infektiomallin avulla

Koagulaasinegatiivisia stafylokokkeja (KNS) on pidetty ja osittain pidetään edelleenkin vähäpätöisinä utaretulehdusta aiheuttavina bakteereina. Tämä on johtunut niiden aiheuttaman utaretulehduksen lievästä taudinkuvasta ja korkeasta paranemisprosentista, verrattuna esimerkiksi koagulaasipositiivisen Staphylococcus aureuksen aiheuttamaan utaretulehdukseen. Utaretulehdusdiagnostiikassa on näinollen tyydytty määrittämään KNS:t ainoastaan ryhmätasolle, ei lajitasolle. KNS:n esiintyvyys utaretulehdusten aiheuttajina on lisääntynyt jatkuvasti. Niistä on tullut Suomessa ja monessa muussakin maassa yleisimmin utaretulehdusnäytteistä eristetty taudinaiheuttaja. Joillakin tiloilla KNS:t ovat voineet muodostua jo karjaongelmaksikin. Tämä on herättänyt tutkijoiden ja karjanomistajien kiinnostuksen kyseistä bakteeriryhmää ja sen merkitystä kohtaan. Maidontuottajia KNS-bakteeriryhmä kiinnostaa eniten maidon laadun kannalta, koska KNS-tulehdus aiheuttaa muutoksia maidossa ja nostaa solulukua. KNS-tulehdukset ovat yleisimpiä ensikoilla, jotka ovat karjojen uudistumisen perusta. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään tämänhetkiseen tietoon KNS:n yleispiirteistä, niiden esiintyvyyteen, merkitykseen utaretulehduksen aiheuttajana, mikrobilääkeresistenssiin, etiologiaan ja taudinaiheutuskykyyn. Lisäksi käsitellään utareen puolustusmekanismeja sekä maidon tulehdusindikaattoreita. Kirjallisuuskatsauksen lopussa keskitytään KNS-tulehdusten hoitoon ja ehkäisyyn. Kokeellisessa osassa kuvataan tekemämme tartutuskoe, jossa kahdeksaan kerran poikineeseen lehmään tartutettiin peräkkäin S. epidermidis ja S. simulans. Tartutuksen jälkeen seurasimme mm. lehmien yleisoireita, maitomäärää, maidon solupitoisuutta sekä maidon entsyymiaktiivisuuksia. Koejärjestelyt perustuivat Simojoki ym. vuonna 2005 tekemään pilottikokeeseen. Kokeessa havaittiin eroavaisuuksia käyttämiemme KNS-lajien aiheuttamissa utaretulehduksissa. Tulosten perusteella voitiin todeta, että S. simulans aiheuttaa lehmälle voimakkaamman tulehdusvasteen kuin S. epidermidis. Lisätietoa eri KNS-lajien ominaisuuksista kaivataan edelleen ja uusia tutkimuksia julkaistaankin jatkuvasti. Jos tulevissa tutkimuksissa saadaan yhä enemmän todisteita KNS:n välisistä taudinaiheutuskyvyn eroista, epidemiologiasta sekä resistenssitilanteesta, uskon, että koagulaasinegatiivisia stafylokokkeja aletaan tyypittää lajitasolle asti. Lajitason tietämys mahdollistaisi yhä tehokkaampien utareterveyssuunnitelmien tekemisen KNS-tartuntojen ehkäisyä varten sekä yksityiskohtaisempien hoito-ohjeiden antamisen.

Bovine mastitis caused by coagulase-negative staphylococci : host response and bacterial factors

Coagulase-negative staphylococci (CNS) are the most common bacteria isolated in bovine subclinical mastitis in many countries, and also a frequent cause of clinical mastitis. The most common species isolated are Staphylococcus (S) chromogenes, S. simulans, S. epidermidis, and S. xylosus. One half of the intramammary infections (IMI) caused by CNS persist in the udder. The pathogenesis of IMI caused by CNS is poorly understood. This dissertation focuses on host response in experimental intramammary infection induced by S. chromogenes, S. epidermidis and S. simulans. Model for a mild experimental CNS infection was developed with S. chromogenes (study I). All cows were infected and most developed subclinical mastitis. In study II the innate immune response to S. epidermidis and S. simulans IMI was compared in eight cows using a crossover design. A larger dose of bacteria was used to induce clinical mastitis. All cows became infected and showed mild to moderate clinical signs of mastitis. S. simulans caused a slightly stronger innate immune response than S. epidermidis, with significantly higher concentrations of the interleukins IL-1beta and IL-8 in the milk. The spontaneous elimination rate of the 16 IMIs was 31%, with no difference between species. No significant differences were recorded between infections eliminated spontaneously or remaining persistent, although the response was stronger in IMIs eliminated spontaneously, except the concentration of TNF-α, which remained elevated in persistent infections. Lactoferrin (Lf) is a component of the humoral defence of the host and is present at low concentrations in the milk. The concentration of Lf in milk is high during the dry period, in colostrum, and in mastitic milk. The effect of an inherent, high concentration of Lf in the milk on experimental IMI induced with S. chromogenes was studied in transgenic cows that expressed recombinant human Lf in their milk. Human Lf did not prevent S. chromogenes IMI, but the host response was milder in transgenic cows than in normal cows, and the former eliminated infection faster. Biofilm production has been suggested to promote persistence of IMI. Phenotypic biofilm formation and slime producing ability of CNS isolates from bovine mastitis was investigated in vitro. One-third of mastitis isolates produced biofilm. Slime production was less frequent for isolates of the most common mastitis causing species S. chromogenes and S. simulans compared with S. epidermidis. No association was found between the phenotypic ability to form biofilm and the persistence of IMI or severity of mastitis. Slime production was associated with persistent infections, but only 8% of isolates produced slime.

N-acetyl-β-D-glucosaminidaasi-entsyymiaktiivisuus normaalimaidossa sekä utaretulehdusta sairastavien lypsylehmien maidossa.

N-acetyl-β-D-glucosaminidaasi (NAGaasi) on glykosidaaseihin kuuluva, solujen lysosomeissa esiintyvä entsyymi, jota vapautuu maitoon utaretulehduksen aikana vaurioituneista utareen epiteelisoluista, neutrofiileistä ja makrofageista. NAGaasientsyymiaktiivisuuden on useissa tutkimuksissa havaittu korreloivan utareen tulehdustilan ja maidon soluluvun (SCC) kanssa ja sitä on ehdotettu käytettäväksi utareen epiteelisolutuhon mittaamiseen yksinään tai yhdistettynä SCC:n määritykseen. Koska saostuminen ei häiritse NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden mittausta maidosta, entsyymiaktiivisuus ei muutu maitoa säilytettäessä ja entsyymin mittaaminen on melko yksinkertaista ja nopeaa, menetelmä vaikuttaisi sopivan hyvin seulontatestiksi piileville utaretulehduksille. NAGaasin käyttö on toistaiseksi rajoittunut tutkimuskäyttöön. Sen hyödyntämistä vaikeuttaa se, että terveille lehmille eri tutkimuksissa määritetyissä NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden viitearvoissa on suurta vaihtelua. NAGaasi-entsyymiaktiivisuus maidossa on useiden tutkimusten mukaan korkeampi silloin, kun tulehduksen on aiheuttanut jokin merkittävä patogeeni kuin silloin, kun tulehduksen taustalla on vähäpätöinen patogeeni. Lypsykauden vaiheen on havaittu vaikuttavan maidon NAGaasi-entsyymiaktiivisuuteen siten, että aktiivisuudet ovat korkeampia heti poikimisen jälkeen ja lypsykauden lopulla. On myös havaittu, että normaalimaidossa NAGaasi-entsyymiaktiivisuus on hieman korkeampi loppumaidossa kuin alkumaidossa. Poikimakerran vaikutuksista NAGaasi-entsyymiaktiivisuuteen on ristiriitaisia tutkimustuloksia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden viitearvot terveen sekä utaretulehdusta sairastavan lypsylehmän maidossa, sekä selvittää tulehduksen voimakkuuden, aiheuttajapatogeenin, poikimakerran ja lypsykauden vaiheen vaikutusta kyseisen entsyymin aktiivisuuteen maidossa. Tutkimusaineistossa oli mukana kaikkiaan 838 vuosina 2000–2010 otettua maitonäytettä 62 eri lypsykarjatilalta Suomesta ja Virosta. Normaalimaidon NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden viitearvot määritettiin yhdeksältä suomalaiselta lypsykarjatilalta kerätyistä 196 maitonäytteestä, jotka täyttivät asettamamme normaalimaidon kriteerit. Normaalimaidon kriteerit olivat seuraavat: SCC < 100 000, lehmällä ei ole utaretulehduksen oireita, poikimisesta on kulunut aikaa yli 30 vuorokautta ja edellisestä lypsystä yli 6 tuntia. NAGaasi-entsyymiaktiivisuus mitattiin modifioidulla Mattilan menetelmällä (Mattila 1985) vakioiduissa olosuhteissa. Aineisto analysoitiin käyttäen Stata Intercooler tilasto-ohjelman versiota 11.0 (Stata Corporation, Texas, USA). Maidon NAGaasientsyymiaktiivisuuteen terveessä neljänneksessä vaikuttavia tekijöitä tutkittiin lineaarisella sekamallilla, jossa sekoittavana tekijänä oli tila. SCC:n ja NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden korrelaatiota arvioitiin terveillä lehmillä, piilevää utaretulehdusta sairastaneilla lehmillä ja koko aineistossa. Korrelaatiot laskettiin Pearsonin korrelaatiokertoimella. Tilastollisesti merkitsevänä raja-arvona kaikissa analyyseissä pidettiin p < 0.05. Normaalimaidon NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden viitearvoiksi lehmillä, joilla poikimisesta oli kulunut yli 30 vrk, saatiin 0,09–1,04 pmol/min/μl maitoa. Verrattuna normaalimaidon NAGaasi-entsyymiaktiivisuuksien keskiarvoon (0,56) ja piilevää utaretulehdusta sairastaneiden lehmien NAGaasi-entsyymiaktiivisuuksien keskiarvoon (2,49), kliinistä utaretulehdusta sairastavien lehmien maidon NAGaasi-entsyymiaktiivisuus oli keskimäärin selvästi korkeampi (16,65). Keskiarvoissa oli selvä ero paikallisoireisten (12,24) ja yleisoireisten (17,74) lehmien välillä. Terveiden neljännesten maitonäytteistä määritetyn NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden ja SCC:n välillä ei havaittu korrelaatiota. Piilevässä utaretulehduksessa havaittiin positiivinen korrelaatio (0,74) maidon NAGaasientsyymiaktiivisuuden ja SCC:n välillä. NAGaasi-entsyymiaktiivisuuteen vaikuttivat tilastollisesti merkitsevästi SCC, poikimisesta kulunut aika ja poikimakerta. Eri patogeeniryhmien osalta havaitsimme, että neljänneksissä, joista eristettiin vähäpätöinen patogeeni, NAGaasi-entsyymiaktiivisuus oli selvästi matalampi kuin neljänneksissä, joista eristettiin merkittävä patogeeni. NAGaasi-entsyymiaktiivisuuden keskiarvoksi vähäpätöisille patogeeneille (KNS, koryneformi) saatiin 2,82 ja merkittäville patogeeneille (S. aureus, Str. uberis, Str, agalactiae, Str. dysgalactiae, E.coli) 16,87.