Молекулярно-генетическая характеристика трех новых бактериофагов Klebsiella pneumoniae, перспективных для применения в фаговой терапии

Бактерия Klebsiella pneumoniae способна вызывать широкий спектр внутрибольничных инфекций человека, ассоциированных с антибиотикорезистентностью и высокой смертностью. Одна из перспективных альтернатив применению антибиотиков для лечения таких инфекций — терапия вирулентными бактериофагами. Целью работы было выделить из внешней среды вирулентные бактериофаги, эффективные против актуальных клинических штаммов K. pneumoniae, и дать их молекулярно-генетическую характеристику. Бактериофаги выделяли из проб речной воды методом накопительных культур. Полногеномное секвенирование бактериофагов выполняли на платформе MiSeq (Illumina). Выделено и описано три новых бактериофага K. pneumoniae, принадлежащих к семействам Autographiviridae (vB_KpnP_NER40, GenBank MZ602146) и Myoviridae (vB_KpnM_VIK251, GenBank MZ602147; vB_KpnM_FRZ284, GenBank MZ602148). На коллекции из 105 клинических штаммов K. pneumoniae установлено, что бактериофаги vB_KpnP_NER40 и vB_KpnM_VIK251 обладают узким спектром литической активности (22% и 11%), ограниченным штаммами с капсульным типом К2 и К20 соответственно. Бактериофаг vB_KpnM_FRZ284, напротив, имел широкий спектр литической активности (37%), вызывая лизис штаммов с различным типом капсульного полисахарида. Фаги обладают строго вирулентной природой и не несут в составе генома гены интеграз, токсинов или факторов патогенности. В составе геномов капсулоспецифичных бактериофагов vB_KpnP_NER40 и vB_KpnM_VIK251 обнаружены гены деполимераз, кодирующие потенциальные рецепторсвязывающие белки. Коктейль из трех бактериофагов лизировал около 65% штаммов исследуемой коллекции K. рneumoniae и потенциально применим в терапевтических целях.

1. Paczosa MK, Mecsas J. Klebsiella pneumoniae: going on the offense with a strong defense. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2016; 80 (3): 629–61.

2. Podschun R, Ullmann U. Klebsiella spp. as nosocomial pathogens: Epidemiology, taxonomy, typing methods, and pathogenicity factors. Clin Microbiol Rev. 1998; 11 (4): 589–603.

3. Lee CR, et al. Global dissemination of carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae: epidemiology, genetic context, treatment options, and detection methods. Frontiers in microbiology. 2016; 7: 895.

4. Kuzmenkov AY, et al. AMRmap: an interactive web platform for analysis of antimicrobial resistance surveillance data in Russia. Front Microbiol. 2021; 12: 377.

5. Górski A, et al. Phage therapy: current status and perspectives. Med Res Rev. 2020; 40 (1): 459–63.

6. Payne RJH, Jansen VAA. Phage therapy: the peculiar kinetics of self-replicating pharmaceuticals. Clin Pharmacol Ther. 2000; 68 (3): 225–230.

7. Schooley RT, et al. Development and use of personalized bacteriophage-based therapeutic cocktails to treat a patient with a disseminated resistant Acinetobacter baumannii infection. Antimicrob Agents Chemother. 2017; 61 (10): e00954–17.

8. Dedrick RM, et al. Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nat Med. 2019; 25 (5): 730–3.

9. Clark JR, March JB. Bacteriophages and biotechnology: vaccines, gene therapy and antibacterials. Trends Biotechnol. 2006; 24 (5): 212–8.

10. Pires DP, et al. Bacteriophage-encoded depolymerases: their diversity and biotechnological applications. Appl Microbiol Biotechnol. 2016; 100 (5): 2141–51.

11. Wyres KL, et al. Identification of Klebsiella capsule synthesis loci from whole genome data. Microb genomics. 2016; 2 (12).

12. Sobirk SK, Struve C, Jacobsson SG. Primary Klebsiella pneumoniae liver abscess with metastatic spread to lung and eye, a North-European Case Report of an emerging syndrome. Open Microbiol. 2010; 4 (1): 5–7.

13. Knecht LE, Veljkovic M, Fieseler L. Diversity and function of phage encoded depolymerases. Front Microbiol. 2020; 10: 2949.

14. Solovieva EV, et al. Comparative genome analysis of novel Podoviruses lytic for hypermucoviscous Klebsiella pneumoniae of K1, K2, and K57 capsular types. Virus Res. 2018; 243: 10–18.

15. Volozhantsev N, et al. Characterization and therapeutic potential of Bacteriophage-encoded polysaccharide depolymerases with — galactosidase activity against Klebsiella pneumoniae K57 capsular type. Antibiot. 2020; 9 (11): 1–16.

16. Scorpio A, et al. Treatment of experimental anthrax with recombinant capsule depolymerase. Antimicrob Agents Chemother. 2008; 52 (3): 1014.

17. Kornienko M, et al. Analysis of nosocomial Staphylococcus haemolyticus by MLST and MALDI-TOF mass spectrometry. Infect Genet Evol. 2016; 39: 99–105.

18. M100 Performance Standards for Antimicrobial Susceptibility Testing An informational supplement for global application developed through the Clinical and Laboratory Standards Institute consensus process. 29th ed. Clinical and Laboratory Standards Institute, Wayne, Pennsylvania, 2019. Available from: https://clsi.org/media/2663/m100ed29_sample.pdf.

19. Diancourt L, et al. Multilocus sequence typing of Klebsiella pneumoniae nosocomial isolates. J Clin Microbiol. 2005; 43 (8): 4178–82.

20. Brisse S, et al. Wzi gene sequencing, a rapid method for determination of capsular type for Klebsiella strains. J Clin Microbiol. 2013; 51 (12): 4073–8.

21. Van Twest R, Kropinski AM. Bacteriophage enrichment from water and soil. Methods Mol Biol. 2009; 501: 15–21.

22. Mazzocco A, et al. Enumeration of bacteriophages using the small drop plaque assay system. Methods Mol Biol. 2009; 501: 81–85.

23. Sambrook J, Fritsch EF, Maniatis T. Molecular cloning: a laboratory manual. 1989; 2.

24. Liu B, et al. VFDB 2019: a comparative pathogenomic platform with an interactive web interface. Nucleic Acids Res. 2019; 47 (D1): D687–D692.

25. Liu B, Pop M. ARDB — Antibiotic Resistance Genes Database. Nucleic Acids Res. 2009; 37.

26. Wang C, et al. Protective and therapeutic application of the depolymerase derived from a novel KN1 genotype of Klebsiella pneumoniae bacteriophage in mice. Res Microbiol. 2019; 170 (3): 156–64.

27. D’Andrea MM, et al. φbO1E, a newly discovered lytic bacteriophage targeting carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae of the pandemic Clonal Group 258 clade II lineage. Sci Rep. 2017; 7 (1): 1–8.

28. Yang J, et al. A nosocomial outbreak of KPC-2-producing Klebsiella pneumoniae in a Chinese hospital: dissemination of ST11 and emergence of ST37, ST392 and ST395. Clin Microbiol Infect. 2013; 19 (11): E509–E515.

29. Muggeo A, et al. Spread of Klebsiella pneumoniae ST395 nonsusceptible to carbapenems and resistant to fluoroquinolones in North-Eastern France. J Glob. 2018; 13: 98–103.

30. Купцов Н. С., Корниенко М. А., Городничев Р. Б., Данилов Д. И., Малахова М. В., Парфенова Т. В. и др. Эффективность препаратов бактериофагов против патогенов группы ESKAPE. Вестник РГМУ. 2020; (3): 19–26.