Выделение и характеристика бактериофагов Klebsiella pneumoniae, кодирующих полисахарид-деполимеразы с уникальной капсульной специфичностью

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.

1. Paczosa MK, Mecsas J. Klebsiella pneumoniae: Going on the Offense with a Strong Defense. Microbiol Mol Biol Rev. 2016; 80 (3): 629–61.

2. 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.

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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Clokie MR, Millard AD, Letarov AV, Heaphy S. Phages in nature. Bacteriophage. 2011; 1 (1): 31.

9. D’Herelle MF. On an invisible microbe antagonistic to dysentery bacilli. Comptes Rendus Acad des Sci Paris. 1917; 165: 373–5.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Verbeken G, Pirnay JP. European regulatory aspects of phage therapy: magistral phage preparations. Curr Opin Virol. 2022; 52 (November): 24–29.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Green MR, Sambrook J. Molecular Cloning: a Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2012; 1890 p.

20. 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.

21. Liu B, Pop M. ARDB — Antibiotic resistance genes database. Nucleic Acids Res. 2009; 37 (SUPPL. 1): 443–7.

22. Nishimura Y, Yoshida T, Kuronishi M, Uehara H, Ogata H, Goto S. ViPTree: the viral proteomic tree server. Bioinformatics. 2017; 33 (15): 2379–80.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. Turner D, Kropinski AM, Adriaenssens EM. A Roadmap for Genome-Based Phage Taxonomy. Viruses. 2021; 13 (3): 506.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.