mesЭкстремальная биомедицинаExtreme Medicine3033-89643033-8972Centre for Strategic Planning of the Federal Medical and Biological Agency10.47183/mes.2022.038mes-206Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕORIGINAL RESEARCHВыделение и характеристика бактериофагов Klebsiella pneumoniae, кодирующих полисахарид-деполимеразы с уникальной капсульной специфичностьюIsolation and characterization of Klebsiella pneumoniae bacteriophages encoding polysaccharide depolymerases with rare capsule specificityГородничевР. Б.GorodnichevR. B.

Роман Борисович Городничев

ул. Малая Пироговская, д. 1а, г. Москва, 119435

Roman B. Gorodnichev

Malaya Pirogovskaya, 1а, Moscow, 119435

gorodnichev.r.b@gmail.comКорниенкоМ. А.KornienkoM. A.

Москва

Moscow

БеспятыхД. А.BespiatykhD. A.

Москва

Moscow

МалаховаМ. В.MalakhovaM. V.

Москва

Moscow

ВеселовскийВ. А.VeselovskyV. A.

Москва

Moscow

ГолощаповО. В.GoloshchapovO. V.

Санкт-Петербург

Saint Petersburg

ЧухловинА. Б.ChukhlovinA. B.

Санкт-Петербург

Saint Petersburg

БеспятыхЮ. А.BespyatykhJ. А.

Москва

Moscow

ШитиковЕ. А.ShitikovE. A.

Москва

Moscow

Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентстваРоссияFederal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of the Federal Medical Biological AgencyRussian FederationПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. ПавловаРоссияPavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian FederationПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова; Детский научно-клинический центр инфекционных болезней Федерального медико-биологического агентстваРоссияPavlov First Saint Petersburg State Medical University; Pediatric Research and Clinical Center of Infectious Diseases of the Federal Medical Biological AgencyRussian Federation2022281020242445259Copyright © Городничев Р.Б., Корниенко М.А., Беспятых Д.А., Малахова М.В., Веселовский В.А., Голощапов О.В., Чухловин А.Б., Беспятых Ю.А., Шитиков Е.А., 20242024Городничев Р.Б., Корниенко М.А., Беспятых Д.А., Малахова М.В., Веселовский В.А., Голощапов О.В., Чухловин А.Б., Беспятых Ю.А., Шитиков Е.А.Gorodnichev R.B., Kornienko M.A., Bespiatykh D.A., Malakhova M.V., Veselovsky V.A., Goloshchapov O.V., Chukhlovin A.B., Bespyatykh J.А., Shitikov E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.extrememedicine.ru/jour/article/view/206

Бактериальные инфекции, вызываемые устойчивыми к антибиотикам штаммами Klebsiella pneumoniae, входят в список самых опасных угроз для мирового общественного здравоохранения. Одним из альтернативных способов терапии инфекций, вызванных K. pneumoniae, может стать терапия бактериофагами и/или их производными. Целью работы было выделить из внешней среды и охарактеризовать капсуло-специфичные бактериофаги K. pneumoniae, пригодные для терапевтического применения и несущие гены полисахарид-деполимераз. Бактериофаги выделяли из проб речной воды методом накопительных культур. Спектр хозяев бактериофагов оценивали на коллекции из 180 клинических штаммов K. pneumoniae. Полногеномное секвенирование бактериофагов выполняли на платформе MiSeq (Illumina). В рамках исследования выделено и охарактеризовано четыре новых бактериофага, принадлежащих к различным таксономическим группам: vB_KpnM_NDO71 (подсемейство Vequintavirinae), vB_KpnS_MAG26fr (семейство Casjensviridae), vB_KpnS_MDA2066 (семейство Ackermannviridae) и vB_KpnS_PMM-G3 (семейство Drexlerviridae). Бактериофаги vB_KpnM_NDO71, vB_KpnS_MAG26fr и vB_KpnS_PMM-G3 обладали узким спектром литической активности и лизировали все штаммы с капсульным типом штамма хозяина: KL45, KL19 или KL28 соответственно. Бактериофаг vB_KpnS_MDA2066 проявлял литическую активность в отношении штаммов двух различных капсульных типов: KL19 и KL107. Бактериофаги обладали строго вирулентной природой и не несли в своем составе генов интеграз, а также потенциально опасных генов токсинов и детерминант устойчивости к антибиотикам, что позволяет применять их в терапевтической практике. Для каждого бактериофага предсказаны рецептор-связывающие белки, представленные полисахарид-деполимеразами.

Bacterial infections caused by antibiotic resistant strains of Klebsiella pneumoniae are among the most dangerous threats for the world's public healthcare. Treatment with bacteriophages and/or their derivatives could become one of the alternative methods for therapy of infections caused by K. pneumoniae. The study was aimed to isolate from the environment and characterize the capsule-specific K. pneumoniae bacteriophages that are useful for therapy and possess the polysaccharide depolymerase genes. Bacteriophages were isolated from the river water samples by enrichment method. The host range of bacteriophages were assessed using the collection of 180 K. pneumoniae clinical strains. Bacteriophage whole genome sequencing was performed on the MiSeq platform (Illumina). Four new bacteriophages from different taxonomic groups were isolated and characterized during the study: vB_KpnM_NDO71 (Vequintavirinae family), vB_KpnS_MAG26fr (Casjensviridae family), vB_KpnS_MDA2066 (Ackermannviridae family), and vB_KpnS_PMM-G3 (Drexlerviridae family). Bacteriophages vB_KpnM_NDO71, vB_KpnS_MAG26fr, and vB_KpnS_PMM-G3 had a narrow lytic spectrum and lysed all strains with the capsular type of the host: KL45, KL19 or KL28, respectively. Bacteriophage vB_KpnS_MDA2066 showed lytic activity against strains with two different capsular types: KL19 and KL107. Bacteriophages were strictly virulent and contained no integrase genes, potentially dangerous toxin genes or antibiotic resistance determinants. This allows them to be used in therapeutic practice. Receptor-binding proteins represented by polysaccharide depolymerases were predicted for each bacteriophage.

вирулентные бактериофагиKlebsiella pneumoniaeантибиотикорезистентностьфаготерапияполисахарид-деполимеразыvirulent bacteriophagesKlebsiella pneumoniaeantibiotic resistancebacteriophage therapypolysaccharide depolymerasesисследование выполнено за счет средств, предоставленных для выполнения государственного задания «Разработка комплексной схемы терапии лекарственно-устойчивых возбудителей инфекционных заболеваний с применением бактериофагов или их производных в сочетании с антибактериальными препаратами» (шифр: Бактериофаг-2). Типирование штаммов Klebsiella pneumoniae выполнено за счет гранта Российского научного фонда №22-15-00149, https://rscf.ru/project/22-15-00149/.the study was supported by the funds of the State Assignment "Development of the Scheme for Complex Therapy of Infectious Diseases Caused by Antibiotic Resistant Pathogens Involving the Use of Bacteriophages or Their Derivatives in Combination with Antibacterials” (code: Bacteriophage-2). Typing of Klebsiella pneumoniae strains was supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-15-00149, https://rscf.ru/project/22-15-00149/).ReferencesPaczosa MK, Mecsas J. Klebsiella pneumoniae: Going on the Offense with a Strong Defense. Microbiol Mol Biol Rev. 2016; 80 (3): 629–61.Paczosa MK, Mecsas J. Klebsiella pneumoniae: Going on the Offense with a Strong Defense. Microbiol Mol Biol Rev. 2016; 80 (3): 629–61.Touati A, Mairi A, Baloul Y, Lalaoui R, Bakour S, Thighilt L et al. First detection of Klebsiella pneumoniae producing OXA-48 in fresh vegetables from Béjaïa city, Algeria J Glob Antimicrob. Resist. 2017; 9: 17–18.Touati A, Mairi A, Baloul Y, Lalaoui R, Bakour S, Thighilt L et al. First detection of Klebsiella pneumoniae producing OXA-48 in fresh vegetables from Béjaïa city, Algeria J Glob Antimicrob. Resist. 2017; 9: 17–18.Podschun R, Ullmann U. Klebsiella spp. as nosocomial pathogens: Epidemiology, taxonomy, typing methods, and pathogenicity factors. Clin Microbiol Rev. 1998; 11(4): 589–603.Podschun R, Ullmann U. Klebsiella spp. as nosocomial pathogens: Epidemiology, taxonomy, typing methods, and pathogenicity factors. Clin Microbiol Rev. 1998; 11(4): 589–603.Сухорукова, М. В., Эйдельштейн, М. В., Иванчик, Н. В., Склеенова, Е. Ю., Шайдуллина, Э. Р., Азизов, И. С., и др. Антибиотикорезистентность нозокомиальных штаммов Enterobacterales в стационарах России: результаты многоцентрового эпидемиологического исследования «МАРАФОН 2015–2016». Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2019; 21(2): 147–59.Sukhorukova MV, Edelstein MV, Skleenova EY, Ivanchik NV, Shajdullina ER, Azyzov IS et al. Antimicrobial resistance of nosocomial Enterobacterales isolates in Russia: results of multicenter epidemiological study “MARATHON 2015–2016”. 2019; 21 (2): 147–59.Кузьменков, А. Ю., Виноградова, А. Г., Трушин, И. В., Эйдельштейн, М. В., Авраменко, А. А., Дехнич А.В. и др. AMRmap — система мониторинга антибиотикорезистентности в России. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2021; 23(2): 198–204.Kuzmenkov AY, Vinogradova AG, Trushin IV, Eidelstein MV, Avramenko AA, Dehnich AV et al. AMRmap — ANTIBIOTIC RESISTANCE SURVEILLANCE SYSTEM IN RUSSIA. Kliniceskaa Mikrobiologia i Antimikrobnaa Himioterapia, 2021; 23 (2): 198–204Murray CJ, Ikuta KS, Sharara F, Swetschinski L, Aguilar GR, Gray A, et al. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis. Lancet. 2022; 399(10325): 629–55.Murray CJ, Ikuta KS, Sharara F, Swetschinski L, Aguilar GR, Gray A, et al. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis. Lancet. 2022; 399(10325): 629–55.Górski A, Międzybrodzki R, Węgrzyn G, Jończyk‐Matysiak E, Borysowski J, Weber‐Dąbrowska B. Phage therapy: Current status and perspectives. Med Res Rev. 2020; 40(1): 459–463.Górski A, Międzybrodzki R, Węgrzyn G, Jończyk‐Matysiak E, Borysowski J, Weber‐Dąbrowska B. Phage therapy: Current status and perspectives. Med Res Rev. 2020; 40(1): 459–463.Clokie MR, Millard AD, Letarov AV, Heaphy S. Phages in nature. Bacteriophage. 2011; 1 (1): 31.Clokie MR, Millard AD, Letarov AV, Heaphy S. Phages in nature. Bacteriophage. 2011; 1 (1): 31.D’Herelle MF. On an invisible microbe antagonistic to dysentery bacilli. Comptes Rendus Acad des Sci Paris. 1917; 165: 373–5.D’Herelle MF. On an invisible microbe antagonistic to dysentery bacilli. Comptes Rendus Acad des Sci Paris. 1917; 165: 373–5.Khatami A, Lin RC, Petrovic‐Fabijan A, Alkalay‐Oren S, Almuzam S, Britton PN et al. Bacterial lysis, autophagy and innate immune responses during adjunctive phage therapy in a child. EMBO Mol Med. 2021; 13 (9): e13936.Khatami A, Lin RC, Petrovic‐Fabijan A, Alkalay‐Oren S, Almuzam S, Britton PN et al. Bacterial lysis, autophagy and innate immune responses during adjunctive phage therapy in a child. EMBO Mol Med. 2021; 13 (9): e13936.Leitner L, Ujmajuridze A, Chanishvili N, Goderdzishvili M, Chkonia I, Rigvava S et al. Intravesical bacteriophages for treating urinary tract infections in patients undergoing transurethral resection of the prostate: a randomised, placebo-controlled, double-blind clinical trial. Lancet Infect Dis. 2021; 21 (3): 427–36.Leitner L, Ujmajuridze A, Chanishvili N, Goderdzishvili M, Chkonia I, Rigvava S et al. Intravesical bacteriophages for treating urinary tract infections in patients undergoing transurethral resection of the prostate: a randomised, placebo-controlled, double-blind clinical trial. Lancet Infect Dis. 2021; 21 (3): 427–36.Petrovic Fabijan A, Lin RC, Ho J, Maddocks S, Ben Zakour NL, Iredell JR. Safety of bacteriophage therapy in severe Staphylococcus aureus infection. Nat Microbiol. 2020; 5 (3): 465–72.Petrovic Fabijan A, Lin RC, Ho J, Maddocks S, Ben Zakour NL, Iredell JR. Safety of bacteriophage therapy in severe Staphylococcus aureus infection. Nat Microbiol. 2020; 5 (3): 465–72.Verbeken G, Pirnay JP. European regulatory aspects of phage therapy: magistral phage preparations. Curr Opin Virol. 2022; 52 (November): 24–29.Verbeken G, Pirnay JP. European regulatory aspects of phage therapy: magistral phage preparations. Curr Opin Virol. 2022; 52 (November): 24–29.Pires DP, Oliveira H, Melo LD, Sillankorva S, Azeredo J. Bacteriophage-encoded depolymerases: their diversity and biotechnological applications. Appl. Microbiol Biotechnol. 2016; 100 (5): 2141–51.Pires DP, Oliveira H, Melo LD, Sillankorva S, Azeredo J. Bacteriophage-encoded depolymerases: their diversity and biotechnological applications. Appl. Microbiol Biotechnol. 2016; 100 (5): 2141–51.Danis-Wlodarczyk KM, Wozniak DJ, Abedon ST. Treating bacterial infections with bacteriophage-based enzybiotics: In vitro, in vivo and clinical application. Antibiotics. 2021; 10 (12): 1–36.Danis-Wlodarczyk KM, Wozniak DJ, Abedon ST. Treating bacterial infections with bacteriophage-based enzybiotics: In vitro, in vivo and clinical application. Antibiotics. 2021; 10 (12): 1–36.Kornienko M, Ilina E, Lubasovskaya L, Priputnevich T, Falova O, Sukhikh G et al. Analysis of nosocomial Staphylococcus haemolyticus by MLST and MALDI-TOF mass spectrometry. Infect. Genet Evol. 2016; 39: 99–105.Kornienko M, Ilina E, Lubasovskaya L, Priputnevich T, Falova O, Sukhikh G et al. Analysis of nosocomial Staphylococcus haemolyticus by MLST and MALDI-TOF mass spectrometry. Infect. Genet Evol. 2016; 39: 99–105.Brisse S, Passet V, Haugaard AB, Babosan A, Kassis-Chikhani N, Struve C et al. Wzi gene sequencing, a rapid method for determination of capsulartype for klebsiella strains. J Clin Microbiol. 2013; 51 (12): 4073–8.Brisse S, Passet V, Haugaard AB, Babosan A, Kassis-Chikhani N, Struve C et al. Wzi gene sequencing, a rapid method for determination of capsulartype for klebsiella strains. J Clin Microbiol. 2013; 51 (12): 4073–8.Mazzocco A, Waddell TE, Lingohr E, Johnson RP. Enumeration of Bacteriophages by the Direct Plating Plaque Assay. Methods Mol. Biol. Humana Press. 2009; 501: 77–80.Mazzocco A, Waddell TE, Lingohr E, Johnson RP. Enumeration of Bacteriophages by the Direct Plating Plaque Assay. Methods Mol. Biol. Humana Press. 2009; 501: 77–80.Green MR, Sambrook J. Molecular Cloning: a Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2012; 1890 p.Green MR, Sambrook J. Molecular Cloning: a Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2012; 1890 p.Liu B, Zheng D, Jin Q, Chen L, Yang J. VFDB 2019: A comparative pathogenomic platform with an interactive web interface. Nucleic Acids Res. 2019; 47 (D1): D687–D692.Liu B, Zheng D, Jin Q, Chen L, Yang J. VFDB 2019: A comparative pathogenomic platform with an interactive web interface. Nucleic Acids Res. 2019; 47 (D1): D687–D692.Liu B, Pop M. ARDB — Antibiotic resistance genes database. Nucleic Acids Res. 2009; 37 (SUPPL. 1): 443–7.Liu B, Pop M. ARDB — Antibiotic resistance genes database. Nucleic Acids Res. 2009; 37 (SUPPL. 1): 443–7.Nishimura Y, Yoshida T, Kuronishi M, Uehara H, Ogata H, Goto S. ViPTree: the viral proteomic tree server. Bioinformatics. 2017; 33 (15): 2379–80.Nishimura Y, Yoshida T, Kuronishi M, Uehara H, Ogata H, Goto S. ViPTree: the viral proteomic tree server. Bioinformatics. 2017; 33 (15): 2379–80.Gorodnichev RB, Volozhantsev NV, Krasilnikova VM, Bodoev IN, Kornienko MA, Kuptsov NS et al. Novel Klebsiella pneumoniae K23-Specific Bacteriophages From Different Families: Similarity of Depolymerases and Their Therapeutic Potential. Front Microbiol. 2021; 12: 669618.Gorodnichev RB, Volozhantsev NV, Krasilnikova VM, Bodoev IN, Kornienko MA, Kuptsov NS et al. Novel Klebsiella pneumoniae K23-Specific Bacteriophages From Different Families: Similarity of Depolymerases and Their Therapeutic Potential. Front Microbiol. 2021; 12: 669618.Городничев Р. Б., Корниенко М. А., Купцов Н. С., Малахова М. В., Беспятых Д. А., Веселовский В. А. и др. Молекулярно-генетическая характеристика трех новых бактериофагов Klebsiella pneumoniae, перспективных для применения в фаговой терапии. Медицина экстремальных ситуаций. 2021; 23 (3): 90–97.Gorodnichev RB, Kornienko MA, Kuptsov NS, Malakhova MV, Bespiatykh DA, Veselovsky VA et al. Molecular Genetic Characterization Of Three New Klebsiella pneumoniae Bacteriophages Suitable For Phage Therapy. Extreme medicine. 2021; 23 (3): 90-97.Chen X, Tang Q, Li X, Zheng X, Li P, Li M et al. Isolation, characterization, and genome analysis of bacteriophage P929 that could specifically lyase the KL19 capsular type of Klebsiella pneumoniae. Virus Res. 2022; 314: 198750.Chen X, Tang Q, Li X, Zheng X, Li P, Li M et al. Isolation, characterization, and genome analysis of bacteriophage P929 that could specifically lyase the KL19 capsular type of Klebsiella pneumoniae. Virus Res. 2022; 314: 198750.Turner D, Kropinski AM, Adriaenssens EM. A Roadmap for Genome-Based Phage Taxonomy. Viruses. 2021; 13 (3): 506.Turner D, Kropinski AM, Adriaenssens EM. A Roadmap for Genome-Based Phage Taxonomy. Viruses. 2021; 13 (3): 506.Squeglia F, Maciejewska B, Łątka A, Ruggiero A, Briers Y, DrulisKawa Z et al. Structural and Functional Studies of a Klebsiella Phage Capsule Depolymerase Tailspike: Mechanistic Insights into Capsular Degradation. Structure. 2020; 28 (6): 613–24.e4.Squeglia F, Maciejewska B, Łątka A, Ruggiero A, Briers Y, DrulisKawa Z et al. Structural and Functional Studies of a Klebsiella Phage Capsule Depolymerase Tailspike: Mechanistic Insights into Capsular Degradation. Structure. 2020; 28 (6): 613–24.e4.Zhao J, Liu C, Liu Y, Zhang Y, Xiong Z, Fan Y et al. Genomic characteristics of clinically important ST11 Klebsiella pneumoniae strains worldwide. J Glob Antimicrob Resist. 2020; 22: 519–6.Zhao J, Liu C, Liu Y, Zhang Y, Xiong Z, Fan Y et al. Genomic characteristics of clinically important ST11 Klebsiella pneumoniae strains worldwide. J Glob Antimicrob Resist. 2020; 22: 519–6.Petrovic Fabijan A, Khalid A, Maddocks S, Ho J, Gilbey T, Sandaradura I et al. Phage therapy for severe bacterial infections: a narrative review. Med J Aust. 2020; 212 (6): 279–85.Petrovic Fabijan A, Khalid A, Maddocks S, Ho J, Gilbey T, Sandaradura I et al. Phage therapy for severe bacterial infections: a narrative review. Med J Aust. 2020; 212 (6): 279–85.Асланов, Б. И., Зуева, Л. П., Кафтырева, Л. А., Бойцов, А. Г., Акимкин, В. Г., Долгий, А. А. и др. Рациональное применение бактериофагов в лечебной и противоэпидемической практике. Изд-во «Ремедиум Приволжье», 2014; 54 c.Aslanov BI, Zueva LP, Kaftyreva LA, Bojcov AG, Akimkin VG, Dolgij AA. et al. Racional'noe primenenie bakteriofagov v lechebnoj i protivojepidemicheskoj praktike. Izd-vo «Remedium Privolzh'e»; 2014; 54 c.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.