Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Staphylococcus aureus : molekulare Epidemiologie, Populationsbiologie und Evolution eines potentiell zoonotischen Erregers

Strommenger, Birgit

Um die Epidemiologie von durch S. aureus und MRSA verursachter Erkrankungen innerhalb und außerhalb von Krankenhäusern verstehen zu können, ist es essentiell, die räumliche und zeitliche Dynamik der S. aureus-Population zu verfolgen. Nur auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird es möglich, neue Infektionsrisiken zu erkennen sowie effektive infektionspräventive und therapeutische Maßnahmen einzuleiten. Die hier zusammengefassten Untersuchungen haben unter Verwendung sich kontinuierlich verbessernder technologischer und bioinformatischer Methoden dazu beigetragen, die Struktur der deutschen S. aureus-Population innerhalb und außerhalb von Krankenhäusern zu beschreiben und über einen längeren Zeitraum zu verfolgen. Die Nutzung Sequenz-basierter diagnostischer Verfahren zur molekularen Charakterisierung von S. aureus hat uns erstmals in die Lage versetzt, molekularepidemiologische Daten uneingeschränkt auszutauschen und zu vergleichen. Wichtige Trends, z. B. zur Verbreitung besonders virulenter, resistenter oder ausbreitungsfähiger S. aureus-Linien innerhalb spezieller Regionen sowie über Ländergrenzen hinweg, konnten so erstmals einheitlich kommuniziert und überwacht werden. Darüber hinaus haben die in diesem Zusammenhang durchgeführten Studien deutlich gemacht, dass wir zusätzlich zu den bisher im Fokus stehenden humanen Krankenhaus-assoziierten Linien eine zunehmende Anzahl von Isolaten eines breiten Spektrums weiter klonaler Linien vorfinden, die die unterschiedlichsten human- und tierassoziierten Habitate außerhalb von Krankenhäusern erobert haben und sich an die dortigen Umweltbedingungen anzupassen scheinen. Unsere Analysen konnten dazu beitragen, zu demonstrieren, dass solche Isolate in unterschiedlichem Maße und in unterschiedlichen Richtungen zwischen verschiedenen Habitaten ausgetauscht werden. Damit stellt S. aureus immer mehr ein Paradigma für Studien im Rahmen eines „One Health-Konzepts“ dar. Gerade in diesem Zusammenhang erwiesen sich in der Vergangenheit die Etablierung einheitlicher molekularepidemiologischer Untersuchungsverfahren und die Verwendung gemeinsamer Nomenklaturen als essentiell. Wir sind heute an einem Punkt angekommen, an dem uns neue Technologien die Möglichkeit eröffnen, das komplette bakterielle Genom als Informationsgrundlage zu nutzen. Dies ermöglicht es uns, die Evolution sowie die räumliche und zeitliche Dynamik des Auftretens und der Verbreitung spezieller S. aureus-Linien zu rekonstruieren. Durch Verknüpfung mit epidemiologischen Stammdaten sowie weiteren Laborparametern können wir so molekular-epidemiologisch relevante Informationen in einem bisher nicht verfügbaren Auflösungsvermögen ableiten, was uns in die Lage versetzt, die hier beschriebenen Limitationen bisher genutzter Sequenz-basierter Typisiermethoden zu umgehen. Erste Studien demonstrieren, dass die mittels NGS-Technologien erzeugten, hochkomplexen Datensätze für eine Routine-Anwendung sinnvoll nutzbar sind und uns einen immensen „Schatz“ zusätzlicher Informationen liefern, die im Sinne einer Genom-basierten, personalisierten Bakteriologie nutzbar gemacht werden können.

In order to understand the epidemiology of S. aureus and MRSA-related diseases hospitals, it is essential to track the spatial and temporal dynamics of the S. aureus population. Based on these findings it will be possible to identify new risks of infection and to initiate effective infection control and therapeutic measures. The studies summarized herein describe the structure of the German S. aureus population inside and outside of hospitals over a longer period of time by use of continuously improving technological and bioinformatic methods. The introduction of sequence-based diagnostic tool for the molecular characterization of S. aureus simplified the exchange and the reliable comparison of molecular epidemiological data significantly. For the first time we were able to monitor and communicate important trends, e.g. the spread of particularly virulent or resistant S. aureus lines within particular regions as well as across national borders and worldwide. Studies conducted in this context have demonstrated that in addition to well-described human hospital-associated lineages, we find an increasing number of isolates of a wide range of clonal lineages, which conquered a wide variety of human and animal-associated habitats outside hospitals and adapt to the local environmental conditions. Such isolates are exchanged between different habitats to different degrees and in different directions. Thus, S. aureus has become a paradigm for studies in the framework of a "one health concept". Especially in this context, the establishment of uniform molecular epidemiological examination methods and the use of common nomenclatures proved to be essential in the past. Today we have come to a point where new exciting technologies give us the opportunity to use the complete bacterial genome as a source of information. This enables us to reconstruct the evolution as well as the spatial and temporal dynamics of the emergence and spread of specific S. aureus lines. Through combination with epidemiological data and additional laboratory parameters, we can derive molecular epidemiologically relevant information in a previously unavailable resolution that enables us to circumvent the limitations of previously used sequence-based typing methods described here. Initial studies demonstrate that the highly complex data sets generated by NGS technologies are useful for a routine application and provide us with an immense "treasure trove" of additional information which enables the transformation of clinical microbiology into genome-based and personalized diagnostics.

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Strommenger, Birgit: Staphylococcus aureus. molekulare Epidemiologie, Populationsbiologie und Evolution eines potentiell zoonotischen Erregers. Hannover 2020. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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