Genetic Basis and Diagnostics of Extended-Spectrum Beta-Lactamases among Enterobacteriaceae in Finland

Since the introduction of antibiotic agents, the amount and prevalence of Beta-lactam resistant enterobacteria has become an increasing problem. Many enterobacteria are opportunistic pathogens that easily acquire resistance mechanisms and genes, which make the situation menacing. These bacteria have acquired resistance and can hydrolyse extended spectrum cephalosporins and penicillins by producing enzymes called extended-spectrum Beta-lactamases (ESBLs). ESBL-producing bacteria are most commonly found in the gastro-intestinal tract of colonised patients. These resistant strains can be found in both health-care associated and community-acquired isolates. The detection and treatment of infections caused by bacteria producing ESBLs are problematic. This study investigated the genetic basis of extended-spectrum Beta-lactamases in Enterobacteriaceae, especially in Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae isolates. A total of 994 Finnish Enterobacteriaceae strains, collected at 26 hospital laboratories, during 2000 and 2007 were analysed. For the genetic basis studies, PCR, sequencing and pyrosequencing methods were optimised. In addition, international standard methods, the agar dilution and disk diffusion methods were performed for the resistance studies, and the susceptibility of these strains was tested for antimicrobial agents that are used for treating patients. The genetic analysis showed that bla_CTX-M was the most prevalent gene among the E. coli isolates, while blaS_HV-12 was the most common Beta-lactamase gene in K. pneumoniae. The susceptibility testing results showed that about 60% of the strains were multidrug resistant. The prevalence of ESBL-producing isolates in Finland has been increasing since 2000. However, the situation in Finland is still much better than in many other European countries.

Automaattisen nukleiinihappoeristyslaitteen ja reaaliaikaisen PCR-menetelmän soveltuvuus herpes simplex -virusten keskushermostoinfektiodiagnostiikkaan

Keskushermosto- ja neonataali-infektiot ovat herpes simplex -virusten aiheuttamista taudeista vakavimpia. Niihin on olemassa lääkitys, joka on tehokkain, kun se aloitetaan aivan sairauden alkuvaiheessa. Näiden infektioiden diagnostiikassa PCR-menetelmä on herkin. Tämä menetelmä on kuitenkin työläs ja aikaa vievä, joten uudet nopeammat menetelmät ovat tervetulleita. Opinnäytetyö tehtiin HUSLABin virologian osastolle. Työssä testattiin QIAGENIN artus®HSV-1/2 LC PCR-reagenssipakkausta, joka on tehty käytettäväksi Roche diagnosticsin reaaliaikaisella PCR-laitteella LightCyclerillä. Lisäksi työssä testattiin automaattista bioMérieuxin NucliSens easyMAG- nukleiinihappoeristyslaitetta. Referenssinä käytettiin HUSLABin virologian osastolla testaushetkellä käytössä olevia menetelmiä. Reaaliaikaisen PCR-menetelmän herkkyyttä testattiin positiivisilla HSV-1 ja HSV-2 kontrollilaimennussarjoilla. Menetelmän oikeellisuutta testattiin määrittämällä laaduntarkkailu- ja potilasnäytteitä, jotka olivat likvoria. Tuloksia verrattiin QCMD:n antamiin ja perinteisellä ”in house”- PCR-menetelmällä saatuihin referenssituloksiin. Spesifisyyttä testattiin muiden ihmisten herpesvirusten positiivisilla kontrolleilla. Automaattisen nukleiinihappoeristysmenetelmän toimivuutta testattiin HSV-positiivisilla ja -negatiivisilla likvornäytteillä, jotka oli aikaisemmin eristetty fenoli-kloroformiuutolla. Tulokset QIAGENIN artus®HSV-1/2 LC PCR-reagenssipakkauksesta olivat hyviä. Kont-rollilaimennussarjan määrityksessä reaaliaikainen PCR-menetelmä osoittautui perinteistä ”in house”- PCR-menetelmää herkemmäksi. Potilasnäytteiden määrityksessä tulokset olivat yhtenevät. EasyMAG- nukleiinihappoeristysmenetelmällä eristettyjen potilasnäytteiden määrityksistä saadut tulokset olivat myös hyviä. Kun tuloksia verrattiin fenoli-kloroformiuutolla saatuihin tuloksiin, olivat tulokset yhtä näytettä lukuun ottamatta yhtenevät. Molemmat testattavat menetelmät ovat nopeita ja virhelähteiden mahdollisuus on vähäisempi kuin perinteisessä ”in house”-PCR menetelmässä ja fenoli-kloroformiuutolla nukleiinihappoa eristettäessä. Tutkimusten tulokset osoittivat molempien menetelmien soveltuvan hyvin HSV:n eristykseen ja määritykseen likvornäytteistä.

Enterohemorraginen Escherichia coli (EHEC) ja sen osoittaminen PCR-menetelmällä

Summary: Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) and its detection with a PCR method

Infective Endocarditis in a Finnish Teaching Hospital. 25 Years of Experience of Adult Patients

Infektiivinen endokardiitti yliopistollisessa keskussairaalassa vuosina 1980-2004 hoidetuilla aikuispotilailla Tausta: Infektiivinen endokardiitti on edelleen vakava sairaus. Huolimatta siitä, että taudin diagnostiikka ja hoito ovat kehittyneet, siihen liittyy edelleen merkittävää sairastuvuutta ja kuolleisuutta. Endokardiitin taudinkuvassa on viime vuosina tapahtunut muutoksia monissa maissa. Tavoitteet: Tutkia endokardiitin kliinista kuvaa ja ennustetta suomalaisessa yliopistosairaalassa vuosina 1980-2004 endokardiitin vuoksi hoidetuilla aikuispotilailla. Aineisto: Osatyössä I endokardiitin todennäköisyyttä analysoitiin 222:lla vuosina 1980-1995 endokardiittiepäilyn vuoksi hoidetulla potilaalla käyttäen apuna sekä Duken että von Reyn diagnostisia kriteereitä. Osatyössä II tutkittiin endokardiittiin liittyviä neurologisia komplikaatioita 218 varmassa tai mahdollisessa endokardiittiepisodissa. Osatyössä III tutkittiin seerumin C-reaktiivisen proteiinin (CRP) käyttökelpoisuutta hoitovasteen arvioinnissa 134:ssä varmaksi luokitellussa endokardiittiepisodissa. Osatyössä IV tutkittiin yleisbakteeri-PCRmenetelmän käyttökelpoisuutta etiologisessa diagnostiikassa 56:lla endokardiittiepäilyn vuoksi leikatulla potilaalla. Osatöissä V ja VI analysoitiin kaikki vuosina 1980-2004 hoidetut 303 endokardiittipotilasta lyhytaikais- ja 1-vuotisennusteen suhteen sekä tutkittiin endokardiitin taudinkuvassa tapahtuneita muutoksia sairaalassamme. Tulokset: Duken kriteerit osoittautuivat von Reyn kriteereitä herkemmiksi endokardiitin diagnostiikassa: 243 tutkitusta episodista 114 luokiteltiin varmoiksi endokardiiteiksi Duken kriteereillä, kun vastaavasti ainoastaan 64 luoteltiin varmoiksi von Reyn kriteereillä (p<0.001). Lisäksi peräti 115 episodissa endokardiitin diagnoosi hylättiin von Reyn kriteereillä, kun diagnoosi hylättiin Duken kriteereillä ainoastaan 37 episodissa (p<0.001). Neurologinen komplikaatio ilmeni ennen mikrobilääkehoidon aloittamista 76 %:ssa episodeja ollen ensimmäinen oire 47 %:ssa. Kuolema oli merkitsevästi yhteydessä neurologisiin komplikaatioihin. Hoitovastetta seurattaessa seerumin CRP:n lasku oli merkitsevästi nopeampaa komplikaatioitta toipuvilla potilailla kuin niillä, joille kehittyi komplikaatioita tai jotka menehtyivät tautiinsa. PCR-tutkimus poistetusta läpästä antoi ainoana menetelmänä etiologisen diagnoosin neljässä tapauksessa (2 stafylokokkilajia, 1 Streptococcus bovis,1 Bartonella quintana), joissa kaikissa mikrobilääkehoito oli ollut käytössä ennen näytteiden ottamista. Koko aineistossa kahden läpän infektio tai neurologisten komplikaatioiden, perifeeristen embolioiden tai sydämen vajaatoiminnan kehittyminen ennustivat sekä sairaalakuolleisuutta että 1-vuotiskuolleisuutta, kun taas ≥65 vuoden ikä ja sydämen ultraäänitutkimuksessa todettu vegetaatio tai Duken luokittelun mukainen pääkriteeri ennustivat kuolemaa vuoden sisällä. Korkea CRP-taso sairaalaan tullessa ennusti sekä sairaalakuolleisuutta että 1-vuotiskuolleisuutta. Huumeiden käyttäjien endokardiitit lisääntyivät tutkimusaikana merkitsevästi (p<0.001). Päätelmät: Tässä työssä vahvistetaan Duken kriteerien käyttökelpoisuus endokardiitin diagnostiikassa. Lisäksi vahvistui käsitys, että nopea diagnoosi ja mikrobilääkehoidon aloittaminen ovat parhaat keinot ehkäistä neurologisia komplikaatioita ja parantaa endokardiittipotilaiden ennustetta. CRP:n normalisoituminen on endokardiittipotilailla hyvän ennusteen merkki. Suoraan läppäkudoksesta tehty PCR-tutkimus on hyödyllinen, kun taudin aiheuttaja on kasvuominaisuuksiltaan vaativa tai potilas on saanut mikrobilääkehoitoa ennen viljelynäytteiden ottamista. Muutamat aiemmissa tutkimuksissa todetut huonon ennusteen merkit ennustavat huonoa ennustetta myös tämän tutkimuksen potilailla. Uutena löydöksenä ilmeni, että korkea CRP-arvo sairaalaan tullessa merkitsee sekä huonoa lyhyt- että pitkäaikaisennustetta. Huumeiden käyttäjien endokardiittien ilmaantuminen on tärkein epidemiologinen muutos 25 vuoden tutkimusaikana.

Molecular Evolution of Metazoan Hypoxia-inducing Factors

Most metazoans rely on aerobic energy production, which is dependent on adequate oxygen supply. In the case of reduced oxygen supply (hypoxia), the most profound changes in gene expression are mediated by transcription factors named hypoxia-inducible factors (HIF alpha). These proteins are post-translationally regulated by prolyl-4-hydroxylase (PHD) enzymes that are direct “sensors” of cellular oxygen levels. This thesis examines the molecular evolution of metazoan HIF systems. In early metazoans the HIF system emerged from pre-existing PHD oxygen sensors and early bHLH-PAS transcription factors. In invertebrates our analysis revealed an unexpected diversity of PHD genes and HIF alpha sequence characteristics. An early branching vertebrate, the epaulette shark (Hemiscyllium ocellatum) was chosen for sequencing and hypoxia preconditioning studies of HIF alpha and PHD genes. As no quantitative PCR reference genes were available, this thesis includes the first study of reference genes in cartilaginous fish species. Applying multiple statistical analysis we also discoveredthat commonly used reference gene software may perform poorly with some data sets. Novel reference genes allowed accurate measurements of the mRNAlevels of the studied target genes. Cartilaginous fishes have three genomic duplicates of both HIF alpha and PHD genes like mammals and teleost fishes. Combining functional divergence and selection analyses it was possible to describe how sequence changes in both HIF alpha and PHD duplicates may have contributed to the differential oxygen sensitivityof HIF alphas. Additionally, novel teleost HIF-1 alpha sequences were produced and used to reveal the molecular evolution of HIF-1 alpha in this lineage rich with hypoxia tolerant species.

Data analysis tools and methods for DNA microarray and high-throughput sequencing data

The recent rapid development of biotechnological approaches has enabled the production of large whole genome level biological data sets. In order to handle thesedata sets, reliable and efficient automated tools and methods for data processingand result interpretation are required. Bioinformatics, as the field of studying andprocessing biological data, tries to answer this need by combining methods and approaches across computer science, statistics, mathematics and engineering to studyand process biological data. The need is also increasing for tools that can be used by the biological researchers themselves who may not have a strong statistical or computational background, which requires creating tools and pipelines with intuitive user interfaces, robust analysis workflows and strong emphasis on result reportingand visualization. Within this thesis, several data analysis tools and methods have been developed for analyzing high-throughput biological data sets. These approaches, coveringseveral aspects of high-throughput data analysis, are specifically aimed for gene expression and genotyping data although in principle they are suitable for analyzing other data types as well. Coherent handling of the data across the various data analysis steps is highly important in order to ensure robust and reliable results. Thus,robust data analysis workflows are also described, putting the developed tools andmethods into a wider context. The choice of the correct analysis method may also depend on the properties of the specific data setandthereforeguidelinesforchoosing an optimal method are given. The data analysis tools, methods and workflows developed within this thesis have been applied to several research studies, of which two representative examplesare included in the thesis. The first study focuses on spermatogenesis in murinetestis and the second one examines cell lineage specification in mouse embryonicstem cells.

Aikaerotteisesti fluoresenssia mittaavan reaaliaikaisen PCR-laitteen kehitys

Kvantitatiivinen reaaliaikainen polymeraasiketjureaktio (engl. polymerase chain reaction, PCR) on osoittautunut käyttäjäystävällisimmäksi menetelmäksi nukleiinihapposekvenssien kvantitoimisessa. Tätä menetelmää voidaan herkistää pienempien DNA-pitoisuuksien havaitsemiseen käyttämällä hyväksi aikaerotteista fluorometriaa (engl. time-resolved fluorometry, TRF) ja luminoivia lantanidileimoja, joiden fluoresenssin pitkän eliniän ansiosta emission mittaus voidaan suorittaa vasta hetki virittävän valopulssin jälkeen, jolloin lyhytikäinen taustasäteily ehtii sammua. Tuloksena saadaan korkea signaali-taustasuhde. Tämän diplomityön tarkoituksena oli rakentaa TRF:än pystyvä reaaliaikainen PCR-laite, sillä tällaista laitetta ei ole markkinoilla tarjolla. Laite rakennettiin kehittämällä lämpökierrätin ja yhdistämällä se valmiiseen TRF:än kykenevään mittapäähän. Mittapään ja lämpökierrättimen hallitsemiseksi kehitettiin myös tietokoneohjelma. Valon tuottamiseksi ja mittaamiseksi haluttiin käyttää edullisia komponentteja, joten työssä käytettiin valmiin mittapään optiikkaa, jossa viritys tapahtuu hohtodiodilla (engl. light-emitting diode, LED) ja lantanidileiman emission mittaus fotodiodilla (engl. photodiode, PD) tai valomonistinputkella (engl. photomultiplier tube, PMT). Myös mittapään suorituskykyä tutkittiin. Työtä varten kehitettiin lämpökierrätin, joka koostui Peltier-elementillä lämmitettävästä PCR-putkitelineestä ja lämpökannesta. Mittalaitteen suorituskyvyn tutkimiseen käytettiin kelaattikomplementaatioon perustuvaa PCR-tuotteen havaitsemismenetelmää. Kelaattikomplementaatio perustuu kahteen erilliseen oligonukleotidimolekyyliin, joista toiseen on sidottu lantanidi-ioni ja toiseen valoa absorboiva ligandirakenne, jotka yhdessä muodostavat fluoresoivan kokonaisuuden. Kehitetyn lämpökierrättimen todettiin olevan tarpeeksi tarkka sekä tehokas ja sen lämmitys- ja jäähdytysnopeuden maksimeiksi saatiin 2,6 °C/sekunti. Detektorina käytetyn PD:n ei todettu olevan tarpeeksi herkkä emission havainnoimiseksi ja se korvattiin laitteessa PMT:llä. Käytetyllä PCR-määrityksellä kynnyssykleiksi (engl. threshold cycle, Ct) sekä kehitetylle että referenssilaitteelle saatiin 28,4 käyttämällä samaa 100 000 kopion DNA:n aloitusmäärää. Työssä osoitettiin, että on mahdollista kehittää edullisia komponentteja käyttävä, TRF:än pystyvä, reaaliaikainen PCR-laite, joka kykenee vastaavaan Ct-arvoon kuin vertailulaite. PD:n herkkyys ei kuitenkaan riittänyt. Tulokset olivat lupaavia, sillä LED- ja PD-teknologiat kehittyvät ja markkinoille on tullut myös muita komponentteja, joiden avulla on tulevaisuudessa mahdollista kehittää vielä herkempi laite.