Влияние шоковых концентраций гентамицина на формирование устойчивости и мелкоколониевых фенотипов у Staphylococcus aureus

Гентамицин является одним из компонентов комбинированной терапии инфекционных эндокардитов, вызванных Staphylococcus aureus, включая метициллинорезистентные штаммы (methicillin-resistant S.aureus, MRSA).

Цель исследования — анализ влияния десяти 6-часовых циклов воздействия высоких концентраций (16 мкг/мл) гентамицина in vitro на изменение фенотипа и генотипа аминогликозидочувствительных штаммов S.aureus, относящихся к четырём сиквенс-типам: ST5 (ATCC 29213), ST8, ST97 и ST22 (MRSA). Для всех штаммов, кроме ATCC 29213, после селекции отмечалось увеличение МПК гентамицина до 8–64 мкг/мл. Один штамм (SA0937) диссоциировал на три морфотипа, включая мелкоколониевый вариант (small colony variant, SCV). Вариант производного штамма SA0937 с колониями нормального размера характеризовался ассоциированной устойчивостью к даптомицину за счёт мутации P314L в MprF. Формирование устойчивости не сопровождалось изменением скорости роста, кроме морфотипа SCV. Для штамма ATCC 29213 после селекции отмечалось появление толерантности, проявляющейся в увеличении эффективного киллинга до 14 ч в 24-часовом time-killing эксперименте с концентрацией антибиотика 16 мкг/мл. У штамма ATCC 29213 выявлены мутации в пептидил т-РНК гидролазе (Pth). У трёх штаммов были обнаружены делеции в гене atpG, входящим в состав АТФ-синтазного комплекса. У остальных производных штаммов были выявлены делеции и мутации в генах метаболизма менахинона hepS, menA и трансляционном факторе элонгации G (fusA). Таким образом, использование гентамицина сопряжено с возможным быстрым формированием устойчивости и толерантности, не связанными с приобретением генов аминогликозид-модифицирующих ферментов. Выявление SCV ассоциировано с неблагоприятными клиническими исходами. При использовании комбинированной терапии необходимо учитывать, что существует возможность формирования устойчивости к даптомицину на фоне селекции гентамицином.

1. Serio A. W., Keepers T., Andrews L., Krause K. M. Aminoglycoside Revival: Review of a Historically Important Class of Antimicrobials Undergoing Rejuvenation. EcoSal Plus. 2018; 8 (1). doi 10.1128/ecosalplus.ESP-00022018.

2. Radlinski L. C., Rowe S. E., Brzozowski R. et al. Chemical Induction of Aminoglycoside Uptake Overcomes Antibiotic Tolerance and Resistance in Staphylococcus aureus. Cell Chem Biol. 2019; 26 (10): 1355–1364 e4. doi 10.1016/j.chembiol.2019.07.009.

3. Balwit J. M., van Langevelde P., Vann J. M., Proctor R. A. Gentamicinresistant menadione and hemin auxotrophic Staphylococcus aureus persist within cultured endothelial cells. J Infect Dis. 1994; 170 (4): 1033–1037. doi 10.1093/infdis/170.4.1033.

4. Kriegeskorte A., Lore N. I., Bragonzi A. et al. Thymidine-dependent Staphylococcus aureus small-colony variants are induced by trimethoprimsulfamethoxazole (SXT) and have increased fitness during SXT challenge. Antimicrob Agents Chemother. 2015; 59 (12): 7265–7272. doi 10.1128/AAC.00742-15.

5. Kahl B. C., Becker K., Loffler B. Clinical significance and pathogenesis of staphylococcal small colony variants in persistent infections. Clin Microbiol Rev. 2016; 29 (2): 401–427. doi 10.1128/CMR.00069-15.

6. Brown N. M., Goodman A. L., Horner C. et al. Treatment of methicillinresistant Staphylococcus aureus (MRSA): updated guidelines from the UK. JAC Antimicrob Resist. 2021; 3 (1): dlaa114. doi 10.1093/jacamr/dlaa114.

7. Davis J. S., Van Hal S., Tong S. Y. Combination antibiotic treatment of serious methicillin-resistant Staphylococcus aureus infections. Semin Respir Crit Care Med. 2015; 36 (1): 3–16. doi 10.1055/s-0034-1396906.

8. Nicolau D. P., Freeman C. D., Belliveau P. P. et al. Experience with a oncedaily aminoglycoside program administered to 2,184 adult patients. Antimicrob Agents Chemother. 1995; 39 (3): 650–655. doi 10.1128/AAC.39.3.650.

9. Fridman O., Goldberg A., Ronin I. et al. Optimization of lag time underlies antibiotic tolerance in evolved bacterial populations. Nature. 2014; 513 (7518): 418–421. doi 10.1038/nature13469.

10. Sprouffske K., Wagner A. Growthcurver: an R package for obtaining interpretable metrics from microbial growth curves. BMC Bioinformatics. 2016; 17: 172. doi 10.1186/s12859-016-1016-7.

11. Brown J., Pirrung M., McCue L. A. FQC Dashboard: integrates FastQC results into a web-based, interactive, and extensible FASTQ quality control tool. Bioinformatics. 2017; 33 (19): 3137–3139. doi: 10.1093/bioinformatics/btx373.

12. Bolger A. M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014; 30 (15): 2114–2120. doi: 10.1093/bioinformatics/btu170.

13. Bankevich A., Nurk S., Antipov D. et al. SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing. J Comput Biol. 2012; 19 (5): 455–477. doi: 10.1089/cmb.2012.0021.

14. Barrick J. E., Colburn G., Deatherage D. E. et al. Identifying structural variation in haploid microbial genomes from short-read resequencing data using breseq. BMC Genomics. 2014; 15: 1039. doi: 10.1186/14712164-15-1039.

15. Гостев В. В., Сопова Ю. В., Калиногорская О. С. et al. Влияние шоковых концентраций ванкомицина на формирование гетерорезистентности Staphylococcus aureus. Антибиотики и химиотер. 2020; 65 (9–10): 3–7. doi: https://doi.org/10.37489/0235-2990-2020-65-9-10-3-7.

16. Hodiamont C. J., van den Broek A. K., de Vroom S. L. et al. Clinical pharmacokinetics of gentamicin in various patient populations and consequences for optimal dosing for gram-negative infections: an updated review. Clin Pharmacokinet. 2022; 61 (8): 1075–1094. doi: 10.1007/s40262022-01143-0.

17. Khare A., Tavazoie S. Extreme Antibiotic persistence via heterogeneitygenerating mutations targeting translation. mSystems. 2020; 5 (1): doi: 10.1128/mSystems.00847-19.

18. Schaaff F., Bierbaum G., Baumert N. et al. Mutations are involved in emergence of aminoglycoside-induced small colony variants of Staphylococcus aureus. Int J Med Microbiol. 2003; 293 (6): 427–435. doi: 10.1078/1438-4221-00282

19. Tuchscherr L., Kreis C. A., Hoerr V. et al. Staphylococcus aureus develops increased resistance to antibiotics by forming dynamic small colony variants during chronic osteomyelitis. J Antimicrob Chemother. 2016; 71 (2): 438–448. doi: 10.1093/jac/dkv371.

20. Ibacache-Quiroga C., Oliveros J. C., Couce A., Blazquez J. Parallel evolution of high-level aminoglycoside resistance in Escherichia coli under low and high mutation supply rates. Front Microbiol. 2018; 9: 427. doi: 10.3389/fmicb.2018.00427.

21. Ng J. M. L., Ngeow Y. F., Saw S. H. et al. Mutations in atpG2 may confer resistance to gentamicin in Listeria monocytogenes. J Med Microbiol. 2022; 71 (12). doi: 10.1099/jmm.0.001618.

22. Vestergaard M., Nohr-Meldgaard K., Bojer M. S. et al. Inhibition of the ATP synthase eliminates the intrinsic resistance of Staphylococcus aureus towards polymyxins. mBio. 2017; 8 (5). doi: 10.1128/mBio.01114-17.

23. Liu L., Beck C., Nohr-Meldgaard K. et al. Inhibition of the ATP synthase sensitizes Staphylococcus aureus towards human antimicrobial peptides. Sci Rep. 2020; 10 (1): 11391. doi: 10.1038/s41598-020-68146-4.

24. Vestergaard M., Leng B., Haaber J. et al. Genome-Wide Identification of antimicrobial intrinsic resistance determinants in Staphylococcus aureus. Front Microbiol. 2016; 7: 2018. doi: 10.3389/fmicb.2016.02018.

25. Lobritz M. A., Belenky P., Porter C. B. et al. Antibiotic efficacy is linked to bacterial cellular respiration. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015; 112 (27): 8173–8180. doi: 10.1073/pnas.1509743112.

26. Rodriguez de Evgrafov M. C., Faza M., Asimakopoulos K., Sommer M. O. A. Systematic investigation of resistance evolution to common antibiotics reveals conserved collateral responses across common human pathogens. Antimicrob Agents Chemother. 2020; 65 (1). doi: 10.1128/AAC.01273-20.

27. Desai J., Liu Y. L., Wei H. et al. Structure, function, and inhibition of Staphylococcus aureus heptaprenyl diphosphate synthase. ChemMedChem. 2016; 11 (17): 1915–1923. doi: 10.1002/cmdc.201600311.

28. Kang K. M., Mishra N. N., Park K. T. et al. Phenotypic and genotypic correlates of daptomycin-resistant methicillin-susceptible Staphylococcus aureus clinical isolates. J Microbiol. 2017; 55 (2): 153–159. doi: 10.1007/s12275-017-6509-1.

29. Steed M. E., Hall A. D., Salimnia H. et al. Evaluation of daptomycin nonsusceptible Staphylococcus aureus for stability, population profiles, mprf mutations, and daptomycin activity. Infect Dis Ther. 2013; 2 (2): 187¬200. doi: 10.1007/s40121-013-0021-7.

30. Jiang J. H., Peleg A. Y. Daptomycin-nonsusceptible Staphylococcus aureus: the role of combination therapy with daptomycin and gentamicin. Genes (Basel). 2015; 6: 4: 1256¬67. doi: 10.3390/genes6041256.