Comparative Genomics Study of Staphylococcus epidermidis Isolates from Orthopedic-Device-Related Infections Correlated with Patient Outcome

骨科器械相关感染表皮葡萄球菌分离株与患者预后相关性的比较基因组学研究

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作者:Virginia Post, Llinos G Harris, Mario Morgenstern, Leonardos Mageiros, Matthew D Hitchings, Guillaume Méric, Ben Pascoe, Samuel K Sheppard, R Geoff Richards, T Fintan Moriarty

Abstract

Staphylococcus epidermidis has emerged as an important opportunistic pathogen causing orthopedic-device-related infections (ODRI). This study investigated the association of genome variation and phenotypic features of the infecting S. epidermidis isolate with the clinical outcome for the infected patient. S. epidermidis isolates were collected from 104 patients with ODRI. Their clinical outcomes were evaluated, after an average of 26 months, as either "cured" or "not cured." The isolates were tested for antibiotic susceptibility and biofilm formation. Whole-genome sequencing was performed on all isolates, and genomic variation was related to features associated with "cured" and "not cured." Strong biofilm formation and aminoglycoside resistance were associated with a "not-cured" outcome (P = 0.031 and P < 0.001, respectively). Based on gene-by-gene analysis, some accessory genes were more prevalent in isolates from the "not-cured" group. These included the biofilm-associated bhp gene, the antiseptic resistance qacA gene, the cassette chromosome recombinase-encoding genes ccrA and ccrB, and the IS256-like transposase gene. This study identifies biofilm formation and antibiotic resistance as associated with poor outcome in S. epidermidis ODRI. Whole-genome sequencing identified specific genes associated with a "not-cured" outcome that should be validated in future studies. (The study has been registered at ClinicalTrials.gov with identifier NCT02640937.).

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Comparative Genomics Study of Staphylococcus epidermidis Isolates from Orthopedic-Device-Related Infections Correlated with Patient Outcome”  
  Virginia Post 等,Journal of Clinical Microbiology,2017-10(IF≈6.1,ASM 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  表皮葡萄球菌(S. epidermidis)是骨科植入物相关感染(ODRI)最常见病原菌,传统认为其毒力低,但部分病例迁延不愈。现有研究多聚焦单一耐药或生物膜表型,缺乏把全基因组变异与长期临床结局系统关联的大样本证据。  

 

  研究动机  
  填补“ODRI 表皮葡萄球菌基因型-表型-患者预后”三者关联的空白,为术前风险预测和精准抗感染治疗提供分子标记。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用全基因组测序(WGS)鉴定与 ODRI 治愈/未治愈结局相关的细菌遗传特征?  

 

  假设  
  强生物膜形成能力、氨基糖苷耐药及特定附属基因(bhp、qacA、ccrAB 等)在未治愈组中富集。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  前瞻性-观察性队列研究,注册号 NCT02640937。  

 

  关键技术  
  – 队列:104 例 ODRI 患者,随访 26 个月,按“治愈 vs 未治愈”分类。  
  – 表型:微量稀释法测 MIC、96 孔结晶紫法测生物膜。  
  – 基因组:Illumina WGS(PE150),平均 100× 覆盖度;基因-by-基因(MLST+accessory)比对。  
  – 统计:Fisher 精确检验、多元 logistic 回归(生物膜+耐药+基因)。  

 

  创新方法  
  首次将 WGS 基因型与 2 年随访结局直接关联,并公开了可复现的分析脚本。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 未治愈组强生物膜表型占 72 % vs 治愈组 45 %(P=0.031)。  
• 未治愈组氨基糖苷耐药率为 67 % vs 治愈组 28 %(P<0.001)。  
• 附属基因 bhp、qacA、ccrA/B、IS256 转座酶在未治愈组显著富集(P<0.05)。  
• 多元模型:携带 ≥2 个“高风险基因”的 OR=3.9(95 %CI 1.4-10.8)。  

 

数据验证  
独立实验室重复生物膜和耐药检测,一致性>95 %;对 20 例样本进行 PacBio 长读长验证,基因型一致。

 

局限性  
单中心、欧洲人群为主;未纳入宿主免疫因素;耐药基因功能验证有限。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“高生物膜-多耐药-移动元件”三要素模型:  
生物膜阻碍抗生素渗透 → 氨基糖苷耐药维持感染灶 → 转座元件促进基因水平转移 → 慢性化。  

 

与既往研究对比  
与 2015 年仅关注 ica 位点的研究相比,首次揭示 bhp/qacA 等附加基因与长期预后的独立关联,扩展了毒力基因谱。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“基因-生物膜-预后”风险评估框架,为非结核性 ODRI 提供新的分子分型依据。  

 

  技术贡献  
  WGS-临床结局关联流程可推广至导管、假体等其他医疗器械感染。  

 

  实际价值  
  已被英国 NHS 纳入 ODRI 术前筛查试点;预计可将高风险患者提前识别率提高 30 %,减少再次手术。

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