Аннотация
Данные об элементном составе K. pneumoniae ограничены, что затрудняет разработку экспресс-методов дифференциации клинически значимых штаммов клебсиелл.
Цель исследования: оценка элементного статуса у клинических штаммов K. pneumoniae, обладающих β-лактамазами расширенного спектра (БЛРС), выделенных из мокроты пациентов отделения реанимации и интенсивной терапии (ОРИТ).
Материал и методы. Исследованы 38 штаммов K. pneumoniae, изолированные из мокроты пациентов ОРИТ. Выделяли клебсиеллы количественно на среде Эндо, идентификацию проводили в ПЦР. Наличие БЛРС изучали методом двойных дисков. Элементы у бактерий исследованы методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Статистическая обработка проведена программой IBM SPSS Statistics («IBM/Predictive Solutions»).
Результаты. У штаммов-продуцентов БЛРС общая масса элементов составила 795,65 мкг/мг, у штаммов K. pneumoniae, не продуцирующих БЛРС в 3 раза ниже — 256,32 мкг/мг (U=14, p=0,02). Установлены отличия структуры элементов у БЛРС-продуцирующих K. pneumoniae (χ2=78,45; df=8; p=0,01). Общее содержание серы выше у БЛРС-продуцирующих K. pneumoniae (433,9 мкг/мг, против 103 мкг/мг) (U=48,5; p=0,021). Различия регистрировали в отношении кальция, содержание которого составило 144 мкг/мг у БЛРС-продуцирующих штаммов и 27,51 мкг/мг у штаммов без БЛРС (U=34, p=0,011). Содержание железа (U=74,5, p=0,001) и цинка (U=67; p=0,003) у продуцирующих БЛРС штаммов в 10 раз выше, чем у штаммов группы сравнения.
Заключение. Особенности элементного состава БЛРС-продуцирующих штаммов K.pneumoniae характеризуются высоким содержанием серы, кальция, железа, цинка, являющихся кофакторами ферментов вирулентности и адаптации к окружающей среде.
Annotation
Data on the elemental composition of K. pneumoniae are limited, which complicates the development of new methods for rapid differentiation of clinically significant Klebsiella.
The aim was an assessment of the elemental status of clinical extended-spectrum β-lactamases K.pneumoniae isolated from sputum of patients in the intensive care unit.
Material and methods. We studied 38 strains of K. pneumoniae isolated from the sputum of patients in the intensive care and anesthesiology department. Klebsiella were isolated quantitatively on Endo medium, identification was in the polymerase chain reaction. The presence of extended-spectrum β-lactamases (ESBL) was studied using the double-disk method. Elements in bacteria were studied using the inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy method. Statistical processing was performed using the IBM SPSS Statistics program («IBM/Predictive Solutions»).
Results. In strains with ESBL, the total mass of elements was 795.65 mcg/mg, while in Klebsiella not producing ESBL it was 3 times lower — 256.32 mcg/mg (U=14, p=0.02). Differences in the structure of elements were found in ESBL-producing K. pneumoniae (χ2=78.45; df=8; p=0.01). The total sulfur content was higher in ESBL-producing K. pneumoniae (433.9 mcg/mg versus 103 mcg/mg) (U=48.5; p=0.021). Differences were also recorded in calcium, the content of which was 144 mcg/mg in ESBL-producing strains and 27.51 mcg/mg in strains without ESBL (U=34, p=0.011). The content of iron (U=74.5, p=0.001) and zinc (U=67; p=0.003) in ESBL-producing strains was 10 times higher than in the comparison strains.
Conclision. The features of the elemental composition of ESBL-producing strains K. pneumoniae are characterized by a high content of sulfur, calcium, iron and zinc, which are cofactors of virulence enzymes and adaptation to the environment.
Key words: elemental composition; Klebsiella pneumonia; antibiotic resistance; virulence
Список литературы
ЛИТЕРАТУРА
Боронина Л.Г., Кочнева Н.А., Саматова Е.В., Асновская А.Г., Устюгова С.С., Панова С.А. и др. Сравнительная характеристика бактериальных патогенов, выделенных от пациентов реанимационных отделений детского стационара. Клиническая лабораторная диагностика. 2024; 69(5): 215-21. DOI: 10.51620/0869-2084-2024-69-5-215-221.
Михайловская В.С., Селиванова П.А., Кузнецова М.В. Распространённость генов qacEΔ1, qacE, oqxA, oqxB, acrA, cepA и zitB среди мультирезистентных Klebsiella pneumoniae, выделенных в кардиохирургическом стационаре. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2024; 101 (4): 502-11. DOI: 10.36233/0372-9311-548.
Кукалевская Н.Н., Бажукова Т.А., Давидович Н.В., Сабанаев М.А., Хомеча В.А. Характер микробиоты толстой кишки у молодых лиц г. Архангельска. Астраханский медицинский журнал. 2024; 19 (4): 46-59. DOI: 10.17021/1992-6499-2024-4-46-59.
Zhang F., Aschenbrenner D., Youn Y.J., Tao Zuo T. The gut mycobiome in health, disease, and clinical applications in association with the gut bacterial microbiome assembly. The Lancet Microbe. 2022; 3: 969-83. DOI: 10.1016/S2666-5247(22)00203-8.
Ивушкина Л.В., Миронов А.Ю. Микробиологический мониторинг Klebsiella pneumoniae и механизмы их резистентности к антимикробным препаратам у больных туберкулёзом г. Москвы. Клиническая лабораторная диагностика. 2024; 69(4): 131-41. DOI: 10.51620/0869-2084-2024-69-4-131-141.
You X., Wang L., Wang H., Xu Y., Chen Y., Xu H., Ji X., Ma X., Xu X. Liver abscess induced by intestinal hypervirulent Klebsiella pneumoniae through down-regulation of tryptophan-IPA-IL22 axis. iScience. 2024; 27: 110849-70. DOI: 10.1016/j.isci.2024.110849.
Леванова Л.А., Марковская А.А., Отдушкина Л.Ю. Захарова Ю.В. Роль кишечной микробиоты в развитии инфекций мочевыводящих путей у детей. Фундаментальная и клиническая медицина. 2021; 6 (2): 24-30. DOI: 10.23946/2500-0764-2021-6-2-24-30.
Ju Ch., Li J., Huang F., Fang I.U., Cao Y.A., Zhang K. Clinical characteristics, risk factors and outcomes of Klebsiella pneumoniae pneumonia developing secondary Klebsiella pneumoniae bloodstream infection. BMC Pulmonary Medicine. 2023; 23 (1): 102-13. DOI: 10.1186/s12890-023-02394-8.
Воронина О.Л., Кунда М.С., Рыжова Н.Н., Аксенова Е.И., Садеева З.З., Новикова И.Е. и др. Геномные особенности резистентных изолятов Klebsiella pneumoniae, выделенных из кровяного русла и ликвора пациентов детского стационара. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023; 100 (6): 399-409. DOI: 10.36233/0372-9311-430.
Deroche L., Rozenholc A., Arrivé F., Martellosio J., Moal G., Thille A.W., Barraud O., Marchand S., Buyck J. M. Emergence of cefiderocol resistance during therapy in NDM-5-producing Klebsiella pneumoniae isolates harboring siderophore receptors mutations. International Journal of Infectious Diseases. 2025; 151: 107321-25. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1201971224003965.
Агеевец В.А., Агеевец И.В., Сидоренко С.В. Конвергенция множественной резистентности и гипервирулентности у Klebsiella pneumoniae. Инфекция и иммунитет. 2022; 12 (3): 450-60. https://iimmun.ru/iimm/article/view/1825/1510.
Berry S.K., Rust S., Irving L., Bartholdson Scott J., Weinert L.A, Dougan G. et al. Characterization of mAbs against Klebsiella pneumoniae type 3 fimbriae isolated in a target-independent phage display campaign. Microbiology Spectrum. 2024; 12: 400-24. DOI: 10.1128/spectrum.00400-24.
Игнатова Н.И., Александрова Н.А., Заславская М.И., Абрамычева Д.В. Влияние условий культивирования на интенсивность биоплёнкообразования штаммами Klebsiella pneumoniae. Клиническая лабораторная диагностика. 2020; 65(8): 512-15. DOI: 10.18821/0869-2084-2020-65-8-512-515.
Телишевская Л.Я., Ночевный В.Т. Минеральные элементы в жизнедеятельности и метаболизме патогенных бактерий. Ветеринарная патология. 2015; 4: 19-28. https://www.vetpat.ru/jour/article/view/365/293.
Козлов А.В., Лямин А.В., Жестков А.В. Обмен железа в бактериальной клетке: от физиологического значения к новому классу антимикробных препаратов. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2022; 24 (2): 165-70. DOI: 10.36488/cmac.2022.2.165-170.
Constante M., Fragoso G., Lupien-Meilleur J., Calve A., Santos M. M. Iron supplements modulate colon microbiota composition and potentiate the protective effects of probiotics in dextran sodium sulfate-induced colitis. Inflamm. Bowel Dis. 2017; 23: 753-66. DOI: 10.1097/mib.0000000000001089.
Бухарин О.В. Адаптивные стратегии взаимодействия возбудителя и хозяина при инфекции. Вестник Российской академии наук. 2018; 88(7): 637-43. DOI: 10.31857/S086958730000087-3.
Орлов Ю.П., Говорова Н.В., Лукач В.Н. Метаболизм железа в условиях инфекции. Обзор литературы. Вестник интенсивной терапии им. А.И. Салтанова. 2020; 1: 90-9. DOI: 10.21320/1818-474X-2020-1-90-99.
Chu W.H.W., Tan Y.H., Tan S.Y., Chen Y., Yong M., Lye D.C., Kalimuddin Sh., Archuleta S., Gan Y-H. Acquisition of regulator on virulence plasmid of hypervirulent Klebsiella allows bacterial lifestyle switch in response to iron. mBio. 2023; 14 (2): 1-24. DOI: 10.1128/mbio.01297-23.
Царев В.Н., Подпорин М.С., Царева Т.В., Царева В.В., Козодаев М.Г., Ипполитов Е. В. Антиадгезивное и антимикробное действие покрытия из оксида титана с кристаллической структурой анатаз в экспериментах in vitro для имплантируемых медицинских изделий. Клиническая стоматология. 2024; 27(3): 6-13. DOI: 10.37988/1811-153X_2024_3_6.
Корзун А.О., Плотникова Ю.А., Барышева Е.С., Баранова О.В. Механизмы ингибирования металло-β-лактамаз. Микроэлементы в медицине. 2024; 25(3): 59-61. DOI: 10.19112/2413-6174-2024-25-3-26.
Фадеева Т.В., Невежина А.В. Новые стратегии лечения инфекций, вызванных биоплёнкопродуцирующими Klebsiella pneumoniae. Acta Biomedica Scientifica. 2024; 9(6): 63-75. DOI: 10.29413/ABS.2024-9.6.7.
Сухих А.С., Захарова Ю.В. Особенности строения липотейхоевых кислот бифидобактерий по данным ТСХ и ИК-ФТ. Сорбционные и хроматографические процессы. 2017; 17 (5): 764-71. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30295801.
Sullivan M.J., Terán I., Goh K.G.K., Ulett G.C. Resisting death by metal: metabolism and Cu/Zn homeostasis in bacteria. Emerg. Top Life Sci. 2024; 8 (1): 45-56. DOI: 10.1042/ETLS20230115.
Peng W., Xu Y., Yin Y., Xie J., Ma R., Song G. et al. Biological characteristics of manganese transporter MntP in Klebsiella pneumoniae. mSphere. 2024; 9: 77-24. DOI: 10.1128/msphere.00377-24.
Hicks J.L., Oldham K., McGarvie J., Walker E.J. Combatting antimicrobial resistance via the cysteine biosynthesis pathway in bacterial pathogens. Biosci Rep. 2022; 42 (10): 1-25. DOI: 10.1016/j.micpath.2024.107272.
Olaonipekun B.A., Buys E.M. The effect of citric acid, heat, and high-pressure on the morphology and physiology of Bacillus spores: Simulating high-pressure processing of complementary foods. LWT. 2025; 215: 117181-9. DOI: 10.1016/j.lwt.2024.117181.
Bakoena A., Hetsa B.A., Asante J., Mbanga J., Amoako D.G., Abia A.L.K. et al. Genomic analysis of virulent, multidrug resistant Klebsiella pneumoniae and Klebsiella oxytoca from bloodstream infections, South Africa. Microbial. Pathogenesis. 2025; 200: 107272-11. DOI: 10.1016/j.micpath.2024.107272.
Yilmaz B., Li H. Gut microbiota and iron: the crucial actors in health and disease. Pharmaceuticals (Basel). 2018; 11 (4): 98. DOI: 10.3390/ph11040098.
Леонов В.В., Булатов И.А., Миронов А.Ю. Рост и экспрессия факторов вирулентности условно-патогенных микроорганизмов в сыворотке крови при разных вариантах гомеостаза железа. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61 (8): 498-501. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-8-498-501.
REFERENCES
Boronina L.G., Kochneva N. A., Samatova E.V., Asnovskaya A.G., Ustyugova S.S., Panova S.A. et al. Comparative characteristics of bacterial pathogens isolated from patients in intensive care units of a children’s hospital. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika. 2024; 69(5): 215-21. DOI: 10.51620/0869-2084-2024-69-5-215-221. (in Russian)
Mixaylovskaya V.S., Selivanova P.A., Kuznetszova M.V. Prevalence of qacEΔ1, qacE, oqxA, oqxB, acrA, cepA and zitB genes among multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae isolated in a cardiac surgery hospital. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2024; 101(4): 502-11. DOI: 10.36233/0372-9311-548. (in Russian)
Kukalevskaya N.N., Bazhukova T.A., Davidovich N.V., Sabanaev M.A., Xomecha V.A. The nature of the colon microbiota in young people in Arkhangelsk. Astraxanskyj meditsinsiyj zhurnal. 2024; 19(4): 46-59. DOI: 10.17021/1992-6499-2024-4-46-59. (in Russian)
Zhang F., Aschenbrenner D., Youn Y.J., Tao Zuo T. The gut mycobiome in health, disease, and clinical applications in association with the gut bacterial microbiome assembly. The Lancet Microbe. 2022; 3: 969-83. DOI: 10.1016/S2666-5247(22)00203-8.
Ivushkina L.V., Mironov A.Yu. Microbiological monitoring of Klebsiella pneumoniae and mechanisms of their resistance to antimicrobial drugs in patients with tuberculosis in Moscow. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika. 2024; 69(4): 131-41. DOI: 10.51620/0869-2084-2024-69-4-131-141. (in Russian)
You X., Wang L., Wang H., Xu Y., Chen Y., Xu H., Ji X., Ma X., Xu X. Liver abscess induced by intestinal hypervirulent Klebsiella pneumoniae through down-regulation of tryptophan-IPA-IL22 axis. iScience. 2024; 27: 110849-70. DOI: 10.1016/j.isci.2024.110849.
Levanova L.A., Markovskaya A.A., Otdushkina L.Yu. Zakharova Yu.V. The role of intestinal microbiota in the development of urinary tract infections in children. Fundamental`naya i klinicheskaya meditsina. 2021; 6(2): 24-30. DOI: 10.23946/2500-0764-2021-6-2-24-30. (in Russian)
Ju Ch., Li J., Huang F., Fang I.U., Cao Y.A., Zhang K. Clinical characteristics, risk factors and outcomes of Klebsiella pneumoniae pneumonia developing secondary Klebsiella pneumoniae bloodstream infection. BMC Pulmonary Medicine. 2023; 23(1): 102-13. DOI: 10.1186/s12890-023-02394-8.
Voronina O.L., Kunda M.S., Ry`zhova N.N., Aksenova E.I., Sadeeva Z.Z., Novikova I.E. et al. Genomic features of resistant Klebsiella pneumoniae isolates isolated from the bloodstream and cerebrospinal fluid of patients in a children’s hospital. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2023; 100 (6): 399-409. DOI: 10.36233/0372-9311-430. (in Russian)
Deroche L., Rozenholc A., Arrivé F., Martellosio J., Moal G.,Thille A.W., Barraud O., Marchand S.,Buyck J.M. Emergence of cefiderocol resistance during therapy in NDM-5–producing Klebsiella pneumoniae isolates harboring siderophore receptors mutations. International Journal of Infectious Diseases. 2025; 151: 107321-25. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1201971224003965.
Ageevets V.A., Ageevets I.V., Sidorenko S.V. Convergence of multiple resistance and hypervirulence in Klebsiella pneumoniae. Infektsiya i immunitet. 2022; 12 (3): 450-60. https://iimmun.ru/iimm/article/view/1825/1510. (in Russian)
Berry S.K, Rust S., Irving L., Bartholdson Scott J., Weinert L.A, Dougan G. et al. Characterization of mAbs against Klebsiella pneumoniae type 3 fimbriae isolated in a target-independent phage display campaign. Microbiology Spectrum.2024; 12: 400-24. DOI: 10.1128/spectrum.00400-24.
Ignatova N.I., Aleksandrova N.A., Zaslavskaya M.I., Abramycheva D.V. The influence of cultivation conditions on the intensity of biofilm formation by Klebsiella pneumoniae strains. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika. 2020; 65(8): 512-5. DOI: 10.18821/0869-2084-2020-65-8-512-515. (in Russian)
Telishevskaya L.Ya., Nochevnyi V.T. Mineral elements in the vital activity and metabolism of pathogenic bacteria. Veterinarnaya patologiya. 2015; 4: 19-28. https://www.vetpat.ru/jour/article/view/365/293>. (in Russian)
Kozlov A.V., Lyamin A.V., Zhestkov A.V. Iron metabolism in bacterial cells: from physiological significance to a new class of antimicrobial drugs. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya. 2022; 24(2): 165-70. DOI: 10.36488/cmac.2022.2.165-170. (in Russian)
Constante M., Fragoso G., Lupien-Meilleur J., Calve A., Santos M. M. Iron supplements modulate colon microbiota composition and potentiate the protective effects of probiotics in dextran sodium sulfate-induced colitis. Inflamm. Bowel Dis. 2017; 23: 753-66. DOI: 10.1097/mib.0000000000001089.
Bukharin O.V. Adaptive strategies of interaction between the pathogen and the host during infection. Vestnik Rossiyskoy akademii nauk. 2018; 88(7): 637-43. DOI: 10.31857/S086958730000087-3. (in Russian)
Orlov Yu.P., Govorova N.V., Lukach V.N. Iron metabolism under infection conditions. Literature review. Vestnik intensivnoy terapii im. A.I. Saltanova. 2020; 1:90-9. DOI: 10.21320/1818-474X-2020-1-90-99. (in Russian)
Chu W.H.W., Tan Y.H., Tan S.Y., Chen Y., Yong M., Lye D.C., Kalimuddin Sh., Archuleta S., Gan Y-H. Acquisition of regulator on virulence plasmid of hypervirulent Klebsiella allows bacterial lifestyle switch in response to iron. mBio. 2023; 14 (2): 1-24. DOI: 10.1128/mbio.01297-23.
Tsarev V.N., Podporin M.S., Tsareva T.V., Tsareva V.V., Kozodaev M.G., Ippolitov E.V. Anti-adhesive and antimicrobial activity of titanium oxide coating with anatase crystal structure in vitro experiments for implantable medical devices. Klinicheskaya stomatologiya. 2024; 27(3): 6-13. DOI: 10.37988/1811-153X_2024_3_6. (in Russian)
Korzun A.O., Plotnikova Yu.A., Barysheva E.S., Baranova O.V. Mechanisms of metallo-β-lactamase inhibition. Mikroelementy` v meditsine. 2024; 25(3): 59-61. DOI: 10.19112/2413-6174-2024-25-3-26. (in Russian)
Fadeeva T.V., Nevezhina A.V. New strategies for the treatment of infections caused by biofilm-producing Klebsiella pneumoniae. Acta Biomedica Scientifica. 2024; 9(6): 63-75. DOI: 10.29413/ABS.2024-9.6.7. (in Russian)
Sukhikh A.S., Zakharova Yu.V. Structural features of lipoteichoic acids of bifidobacteria according to TLC and IR-FT data. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2017; 17 (5): 764-71. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30295801. (in Russian)
Sullivan M.J., Terán I., Goh K.G.K., Ulett G.C. Resisting death by metal: metabolism and Cu/Zn homeostasis in bacteria. Emerg. Top Life Sci. 2024; 8(1): 45-56. DOI: 10.1042/ETLS20230115.
Peng W., Xu Y., Yin Y., Xie J., Ma R., Song G. et al. Biological characteristics of manganese transporter MntP in Klebsiella pneumoniae. mSphere. 2024; 9: 77-24. DOI: 10.1128/msphere.00377-24.
Hicks J.L., Oldham K., McGarvie J., Walker E.J. Combatting antimicrobial resistance via the cysteine biosynthesis pathway in bacterial pathogens. Biosci. Rep. 2022; 42(10): 1-25. DOI: 10.1016/j.lwt.2024.117181.
Olaonipekun B.A., Buys E.M. The effect of citric acid, heat, and high-pressure on the morphology and physiology of Bacillus spores: Simulating high-pressure processing of complementary foods. LWT. 2025; 215: 117181-9. DOI: 10.1016/j.lwt.2024.117181.
Bakoena A., Hetsa B.A., Asante J., Mbanga J., Amoako D.G., Abia A.L.K. et al. Genomic analysis of virulent, multidrug resistant Klebsiella pneumoniae and Klebsiella oxytoca from bloodstream infections, South Africa. Microbial. Pathogenesis. 2025; 200: 107272-11. DOI: 10.1016/j.micpath.2024.107272.
Yilmaz B., Li H. Gut microbiota and iron: the crucial actors in health and disease. Pharmaceuticals (Basel). 2018; 11 (4): 98. DOI: 10.3390/ph11040098.
Leonov V.V., Bulatov I.A., Mironov A.Yu. Growth and expression of virulence factors of opportunistic microorganisms in blood serum under different variants of iron homeostasis. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika. 2016;61 (8): 498-501. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-8-498-501. (in Russian)