Bacteriophage-resistant carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae shows reduced antibiotic resistance and virulence

Abstract

La terapia con fagos ha demostrado ser muy prometedora en el tratamiento de infecciones bacterianas. Sin embargo, la eficacia de la terapia con fagos se ve comprometida por la inevitable aparición de cepas resistentes a los fagos. En este estudio, se identificó una cepa SWKP1711R de Klebsiella pneumoniae resistente a los fagos y resistente a los carbapenémicos, derivada de la cepa SWKP1711 de K. pneumoniae resistente a los carbapenémicos . Se investigó el mecanismo de resistencia a los bacteriófagos en SWKP1711R y se probaron los determinantes moleculares que causan características de crecimiento alteradas, resistencia a los antibióticos y virulencia de SWKP1711R. En comparación con SWKP1711, SWKP1711R mostró un crecimiento más lento, colonias más pequeñas, células filamentosas visibles al microscopio, producción reducida de polisacárido capsular (CPS) y lipopolisacárido, y resistencia reducida a varios antibióticos acompañada de virulencia reducida. Los experimentos de adsorción mostraron que el fago vB_kpnM_17-11 perdió la capacidad de adsorberse en SWKP1711R, y se identificó que el receptor de adsorción eran polisacáridos de superficie bacterianos. El análisis de variación genética reveló que, en comparación con la cepa parental, SWKP1711R tenía solo una deleción de timina en la posición 78 del marco de lectura abierto del gen lpcA , lo que resultó en una mutación por cambio de marco que causó la alteración del polisacárido de superficie bacteriano y la inhibición de la adsorción del fago, lo que en última instancia condujo a la resistencia al fago. El análisis del transcriptoma y la PCR cuantitativa de transcriptasa inversa revelaron que los genes que codifican la síntesis de lipopolisacáridos, ompK 35, bla TEM-1 y los sistemas toxina-antitoxina tipo II y Hha-TomB, estaban todos regulados a la baja en SWKP1711R. En conjunto, la evidencia presentada aquí indica que las alteraciones fenotípicas y la resistencia a los fagos que muestra el mutante pueden estar relacionadas con la mutación por desplazamiento del marco de lectura de lpcA y la expresión génica alterada. Si bien la evolución de la resistencia a los fagos sigue siendo un problema, nuestro estudio sugiere que la menor resistencia a los antibióticos y la virulencia de los derivados de cepas resistentes a los fagos podrían ser beneficiosas para aliviar la carga causada por las bacterias resistentes a múltiples fármacos.

Phage therapy has shown great promise in the treatment of bacterial infections. However, the effectiveness of phage therapy is compromised by the inevitable emergence of phage-resistant strains. In this study, a phage-resistant carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae strain SWKP1711R, derived from parental carbapenem-resistant K. pneumoniae strain SWKP1711 was identified. The mechanism of bacteriophage resistance in SWKP1711R was investigated and the molecular determinants causing altered growth characteristics, antibiotic resistance, and virulence of SWKP1711R were tested. Compared to SWKP1711, SWKP1711R showed slower growth, smaller colonies, filamentous cells visible under the microscope, reduced production of capsular polysaccharide (CPS) and lipopolysaccharide, and reduced resistance to various antibiotics accompanied by reduced virulence. Adsorption experiments showed that phage vB_kpnM_17-11 lost the ability to adsorb onto SWKP1711R, and the adsorption receptor was identified to be bacterial surface polysaccharides. Genetic variation analysis revealed that, compared to the parental strain, SWKP1711R had only one thymine deletion at position 78 of the open reading frame of the lpcA gene, resulting in a frameshift mutation that caused alteration of the bacterial surface polysaccharide and inhibition of phage adsorption, ultimately leading to phage resistance. Transcriptome analysis and quantitative reverse transcriptase PCR revealed that genes encoding lipopolysaccharide synthesis, ompK35, blaTEM-1, and type II and Hha-TomB toxin-antitoxin systems, were all downregulated in SWKP1711R. Taken together, the evidence presented here indicates that the phenotypic alterations and phage resistance displayed by the mutant may be related to the frameshift mutation of lpcA and altered gene expression. While evolution of phage resistance remains an issue, our study suggests that the reduced antibiotic resistance and virulence of phage-resistant strain derivatives might be beneficial in alleviating the burden caused by multidrug-resistant bacteria.