Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Epidemiologie boviner Staphylococcus epidermidis Isolate

Pfanzelt, Dorothea

S. epidermidis, a normal inhabitant of human skin and mucous membranes, is being isolated with increasing frequency as one of the predominant causes of infections related to implanted medical devices. In some other mammalian species S. epidermidis also plays a role as a cause of infections of the udder with and without clinical symptoms. The main virulence factor of infections related to implanted medical devices is correlated with the ability to form a biofilm, in which intercellular adhesion is mediated by PIA. Epidemiological studies in humans revealed that genes required for biofilm formation are highly prevalent in clinical S. epidermidis strains whereas a low prevalence was observed in commensal isolates. It was therefore reasonable to assume that a non human reservoir for biofilm forming S. epidermidis strains might exist. The study examined the prevalence of virulence-associated genes in bovine S. epidermidis isolates and the clonal relationship with human S. epidermidis isolates to detect wether bovine isolates may be a reservoir. The prevalence of virulence associated genes displayed a distribution in the majority of the investigated bovine isolates comparable to human commensal isolates except of mecA, bhp and IS256 which displayed a higher prevalence and aap which displayed a lower prevalence. The relatively high prevalence of mecA and of insertion element IS256 in bovine isolates in comparison with commensal human isolates may result from the frequent antibiotica application in dairy cattle husbandry, which exerts a high selection pressure on the bacterial population. Additionally, the aap and icaADBC gene, which are associated with biofilm formation displayed a much lower prevalence in bovine isolates than in clinical human isolates. Only two of the icaADBC‑positive bovine isolates displayed a biofilm‑positive phenotype and three icaADBC‑positive isolates a detectable PIA synthesis. No biofilm formation was observed in icaADBC-negative isolates. Furthermore, a protein dependent biofilm formation could not be detected in the investigated bovine isolates. Clonal relationship of human and bovine S. epidermidis strains was investigated by MLST and BURST algorithm. The bovine S. epidermidis strains were divided into 17 different sequence types by MLST. Thereby, 11 yet unknown sequence types were identified, whereas 6 sequence types were already described for human isolates. BURST analysis revealed 14 sequence types clustered in a single clonal complex with ST 2 as the predicted primary founder and ST 5 as a subgroup founder, as it was observed for human isolates. Four isolates displayed three sequence types identified as singletons, of which two were newly identified and ST 51 was already identified in human isolates. Furthermore, a new MLST scheme with different housekeeping genes and amplification fragments with a higher statistical probability of point mutation revealed that more than the half of the bovine isolates evolved from different clonal lineages and a threefold higher number of isolates which did not belong to one of the clonal complexes. Additionally, ica and mecA positive isolates from humans and the cow´s udder displayed clonal related and not related sequence types. These sequence types also represented isolates, which displayed a negative PCR result for these genes. In addition, the new MLST scheme revealed that mecA-positive bovine isolates belonged to sequence types of different clonal complexes as to sequence types which were not related at all. Finally, it was demonstrated by the MLST scheme by Wisplinghoff that the majority of the bovine isolates were clustered in a clonal complex with ST 2 as predicted primary founder as it was obeserved for human isolates and that the icaADBC and aap gene had a quite low prevalence in bovine isolates in comparison with clinical human isolates. It was therefore concluded that bovine S. epidermidis strains are not a reservoir for biofilm forming S. epidermidis strains, which cause infections related to implanted medical devices. The results of this study reveal that the S. epidermidis mastitis is caused by commensal S. epidermidis isolates of human skin and mucous membranes. But there is also some evidence that specific bovine S. epidermidis clones exist.

S. epidermidis gehört zur physiologischen Haut- und Schleimhautflora des Menschen. In den vergangenen Jahren wurde er als einer der häufigsten Erreger nosokomial erworbener Fremdkörper-assoziierter Infektionen isoliert. Bei einigen anderen Säugetierspezies spielt er als Infektionserreger subklinischer und klinischer Mastitiden eine Rolle. Als Hauptpathogenitätsfaktor bei Fremdkörper-assoziierten Infektionen gilt die Ausbildung eines Biofilms, in dem die interzelluläre Adhärenz über PIA vermittelt wird. Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass die Biofilm-assoziierten Gene eine hohe Prävalenz bei humanen, klinischen S. epidermidis-Isolaten besitzen, während eine niedrige Prävalenz bei kommensalen Isolaten des Menschen beobachtet werden konnte. Dies legt die Existenz eines nicht-humanen Reservoirs für Biofilm-bildende, humanpathogene S. epidermidis-Stämme nahe, die in dieser Arbeit anhand der Untersuchung der Prävalenz Virulenz-assoziierter Gene boviner S. epidermidis-Isolate aus subklinischer Mastitis evaluiert werden sollte. Die Mehrzahl der untersuchten 36 S. epidermidis-Stämme, die aus bovinen Mastitiden isoliert wurden, zeigten mit Ausnahme des mecA-, bhp- und aap-Gens sowie des Insertionselementes IS256 eine Verteilung der Virulenz-assozierten Gene, wie man sie bei humanen, kommensalen S. epidermidis-Isolaten erwarten würde. Die relativ hohe Prävalenz des mecA‑Gens und des Insertionselementes IS256 bei bovinen S. epidermidis-Isolaten im Vergleich zu humanen, kommensalen Isolaten ist möglicherweise durch den hohen Antibiotikaeinsatz in der Milchviehhaltung bedingt, der einen hohen Selektionsdruck auf die Bakterienpopulation ausübt. Die mit der Biofilmbildung assoziierten Gene aap und icaADBC zeigten bei bovinen Isolaten eine weitaus geringere Präsenz als bei humanen, klinischen Isolaten. Von den vier icaADBC-positiven Isolaten zeigten nur zwei Isolate einen Biofilm‑positiven Phänotyp und drei Isolate eine detektierbare PIA-Synthese. In der Gruppe der icaADBC-negativen Isolate wurde keine Biofilmbildung detektiert. Ein Protein‑abhängiger Biofilm konnte unter den bovinen Isolaten nicht beobachtet werden. Die klonale Verwandtschaft boviner und humaner S. epidermidis-Stämme wurde mittels MLST und BURST-Algorithmus untersucht. Hierbei wurden die bovinen S. epidermidis‑Isolate mittels MLST in 17 verschiedene Sequenztypen eingeteilt. Davon waren 11 Sequenztpen bei humanen S. epidermidis-Stämmen bisher nicht identifiziert, während sechs Sequenztypen bereits bei humanen S. epidermidis-Isolaten beschrieben waren. Der BURST‑Algorithmus analysierte, dass 14 Sequenztypen einem klonalen Komplex mit dem ST 2 als Ausgangsgenotyp und ST 5 als Untergruppen-Ausgangsgenotyp angehörten, wie er auch für humane Isolate analysiert wurde. Vier bovine Isolate wurden durch Sequenztypen repräsentiert, die einen singleton darstellten, von denen zwei (ST 80, ST 82) neu identifiziert wurden und der bei humanen Isolaten bereits identifizierte ST 51. Weiterhin konnte mittels Sequenzierung zum Teil neuer housekeeping-Gene und Amplifikationsabschnitte dieser, die statistisch gesehen einer höheren Wahrscheinlichkeit von Punktmutationen unterliegen, gezeigt werden, dass eine größere Diversität innerhalb boviner S. epidermidis-Stämme besteht. Über die Hälfte der bovinen Isolate konnten Sequenztypen zugeordnet werden, die vier verschiedenen klonalen Linien angehörten und die Anzahl von Isolaten, die durch nicht klonal verwandte Sequenztypen repräsentiert wurde, erhöhte sich um ein Dreifaches. Ica- und mecA-positive Isolate sowohl humanen als auch bovinen Ursprungs konnten klonalverwandten als auch nicht-klonalverwandten Sequenztypen zugeordnet werden. Davon repräsentierten einige Sequenztypen auch für diese Gene negative Isolate. Anhand der Sequenzierung neuer Gene und Amplifikationsabschnitte konnte gezeigt werden, dass mecA‑positive bovine Isolate sowohl durch Sequenztypen verschiedener klonaler Linien als auch durch nicht klonal verwandte Sequenztyen repräsentiert werden können. Aufgrund der Zuordnung der Mehrzahl der bovinen Isolate zum mittels MLST-Schema nach Wisplinghoff auch für humane Isolate analysierten klonalen Komplex mit dem Ausgangsgenotyp 2 und der geringen ica- und aap-Präsenz bei bovinen Isolaten, kann darauf geschlossen werden, dass bovine S. epidermidis-Stämme kein Reservoir für Biofilm-positive, humanpathogene Stämme sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass S. epidermidis‑bedingte bovine Mastitiden durch kommensale Isolate der humanen Hautflora verursacht werden können. Jedoch konnten auch Hinweise für die Existenz spezifischer boviner S. epidermidis-Klone gefunden werden.

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Pfanzelt, Dorothea: Epidemiologie boviner Staphylococcus epidermidis Isolate. Hannover 2006. Tierärztliche Hochschule.

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