肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）是全球关注的重要病原体之一，具有很强的抗生素耐药性获取能力，促进其广泛传播。在过去十年中，多重耐药菌肺炎克雷伯菌（MDR），特别是碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌（CRKP）的发病率在全球呈上升趋势，其中由CRKP引起的血流感染（BSI）给临床治疗带来了很大挑战，在医院环境中可导致高达50%以上的高死亡率。在我国流行的CRKP中，ST11流行克隆占主导地位，占CRKP的60-70%。周凯/肖永红团队前期在单中心研究中发现CRKP-ST11存在亚克隆演化，其中ST11-KL64取代ST11-KL47，成为当前主要亚克隆，且进化出更强的致病性，导致30天死亡率显著提高。然而，ST11-KL64在我国的流行情况，以及这个新兴种群的形成机制和驱动力仍然知之甚少。

 

 

为解决以上问题，南方科技大学第一附属医院（深圳市人民医院）周凯团队与浙江大学传染病诊治国家重点实验室肖永红团队再次合作，通过全国血流感染细菌耐药监测联盟（BRICS）收集2014-2019年间来自我国19个省份40家医院共794株CRKP菌株，运用生物信息学分析结合生物学实验方法，阐明了CRKP-ST11的种群结构与时空动态演化规律，明确亚克隆演替的关键遗传基础和相关驱动力。相关工作以“A point mutation in recC associated with subclonal replacement of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae ST11 in China”为题发表在Nature Communications。

 

在本研究中，研究人员明确了优势克隆ST11在我国临床出现亚克隆替换现象，先前流行的亚克隆OL101:KL47逐步被O2v1:KL64替换（图1），这与此前的单中心研究结果一致。分子进化分析显示O2v1:KL64与OL101:KL47群体的分化时间节点大约在2006年(95% HPD AD 2004–2009)。进一步分析发现这种演替的分子机制与O2v1:KL64发生高频重组存在密切关系。为掌握O2v1:KL64高频重组机制，团队对两个群体的点突变进行了高精度分析，并在O2v1:KL64中检测到一个特异recC点突变（His935Arg）（图2），且发现该突变只存在于中国分离的O2v1:KL64菌株中。通过设计重组实验模型，进一步确认His935Arg点突变可显著提高O2v1:KL64的重组能力（图3）。高频重组可为O2v1:KL64创造种群的高度多样性，从而为其适应性进化提供重要基础。

 

基因水平转移被认为是O2v1:KL64演替的另一重要机制，因为O2v1:KL64相比OL101:KL47携带更高负载的可移动遗传元件（图2，4）。其中，O2v1:KL64通过捕获一个IncFII型MDR质粒而形成复方新诺明和四环素的高水平耐药性；O2v1:KL64的成功流行还与其获得一个编码rmpA基因的pLVPK-like毒力质粒密切相关，这个毒力质粒可赋予O2v1:KL64更强的抗吞噬能力（图5），进一步解释了团队前期报道这个亚克隆形成高致病性的结论。同时，携带毒力质粒的O2v1:KL64表现出更频繁的医院间传播现象，这与当前该亚克隆大范围扩散的现象相一致（图6），也为制定院感防控策略提供了依据。以上结果共同表明，O2v1:KL64的流行演替与一系列遗传变异相关，反映出优势亚群的趋同进化。

 

图1 CRKP收集菌株的全国分布，及OL101:KL47亚克隆随着时间的推移逐步被O2v1:KL64替换。（图源：Zhou et al., Nat. Commun., 2023; 下同）

 

图2 ST11分离株的系统发育分析及差异遗传特征分布。

 

图3 recC介导的丝裂霉素C的耐药性。

 

图4 可移动遗传元件的祖先状态重建。

 

图5 OL101:KL47和O2v1:KL64的表型和基因型的显著差异。

 

图6 2014-2019年间，OL101:KL47和O2v1:KL64的院内和院际传播动态比较。

 

最后，团队通过分析全球ST11克隆的分布，确定其中几个具有重要流行病学意义的亚群体：1）国际传播亚群（在全球五大洲存在传播）：O4:KL15, O2v1:K24, 和O3b:KL125；2）洲际传播亚群（在洲内多个国家发生传播）：O2v2:KL105（欧洲亚群）和O2v2:KL27（美洲亚群）；3）本地传播亚群（在一个国家内发生传播）：) O2v1:KL64。分子进化分析显示，我国的ST11是于1983年左右(95% HPD AD 1977–1989)从国外传入后，发生本地演化和扩散。研究结果有力地反驳了当前国际上认为ST11是从中国扩散的错误观点。

 

作者强调公共卫生工作应侧重于通过监测在流行病发生的早期阶段识别高风险克隆，以便于实施靶向控制策略。

 

南科大第一附属医院呼吸疾病研究所周凯研究员和浙大附属第一医院肖永红教授为论文共同通讯作者，南科大第一附属医院薛春旭博士、徐婷婷助理研究员和浙大附属第一医院沈萍主任技师为论文共同作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后科学基金等项目资助。

 

原文链接：

 

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38061-z

 

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