The Norwegian VRE study: An investigation into the population structure of vancomycin resistant enterococci and the molecular characteristics of enterococci in Norway

Enterokokker er en gruppe av bakterier som lever naturlig i tarmen vår og kan erverve genetisk materiale (DNA) fra miljøet som hjelper dem med å bli resistente mot antibiotika. Vankomycin er et viktig antibiotikum for behandling av enterokokker som har ervervet resistens mot vanlige brukte antibiotika. Den vankomycinresistente formen av enterokokker (VRE) er derfor en viktig utfordring i helsevesenet globalt. VRE kan forårsake alvorlige infeksjoner, spesielt hos sykehuspasienter med redusert immunforsvar. Forekomst av VRE i Norge har vært lav, men økte betydelig etter 2010. Det overordnede målet i studien var å beskrive epidemiologien til VRE i Norge knyttet til forekomsten av nye van-typer, det økende antallet av VRE faecium og deres genetiske sammensetning. Vi har i denne studien undersøkt de første tilfellene av to sjeldne typer vankomycin resistens (vanD -del 1 og vanE – del 2) samt samlet VRE fra 2010-15 og sammenlignet deres DNA mot vankomycinfølsomme enterokokker (VSE) (del 3). I første del undersøkte vi genetisk slektskap mellom de første to tilfeller av vanD-type VRE i Norge som ble påvist hos to forskjellige pasienter innenfor to måneder. VanD-type VRE-isolatene tilhørte forskjellige enterokokkarter, Enterococcus faecium (fra både tilfelle A og B) samt Enterococcus casseliflavus (fra tilfelle B). Dette er første gang VanD-type vankomycinresistens er beskrevet i E. casseliflavus. Vi identifiserte tre nye genomiske øyer av antatt Clostridiales-ordens opprinnelse som bærer disse vanD genklyngene. Helgenomanalyser avdekket fylogenetisk forskjellige stammer samt at vanD genklyngene var lokalisert på ulike genomiske øyer i de to tilfellene. Dette betyr at til tross for at de to tilfellene forekom nært tidsmessig har det ikke forekommet spredning hverken av bakterier eller mobile genetiske strukturer mellom tilfellene. I andre del karakteriserte vi de to første norske isolatene av vanE-type VRE som ble påvist i samme pasient med 30 måneders mellomrom. Deres vanE-genklynger var del av et ikke-overførbart mobilt element (Tn6202) som har vært beskrevet før, men det ene genet som regulerer uttrykk av vankomycinresistensen (vanSE) var avkortet i begge isolatene noe som førte til at det ene isolatet hadde mistet sin induserbare regulering av resistensen. Genomlikheter tyder på at de to vanE-type Enterococcus faecalis isolatene fra samme pasient er beslektede, til og med også med et kanadisk vanE-type VRE isolat. I tredje delprosjekt viste vi at populasjonsstrukturen til vankomycinresistente og følsomme E. faecium i en setting med lav forekomst av resistens som Norge, er sterkt påvirket av globalt utbredte sekvenstyper (ST) og spesielt samtidige europeiske klyngetyper (CT). De to største klyngene ble hovedsakelig funnet på ett sykehus og inneholdt et mobilt genetisk element (Tn1549) med vanB-type vankomycinresistensgener. De to klyngene hadde ervervet Tn1549 uavhengig av hverandre, fra andre tarmmikrober. Det ble også funnet flere mindre klynger med vanA-type gener på ulike varianter av plasmider som alle kodet for egenskaper som bidrar til persistens av vankomycinresistens. Videre dokumenterte vi at forekomsten av VRE faecalis er mye lavere enn VRE faecium. E. faecium kan deles i to fylogenetiske hovedgrupper A og B. Alle de norske VRE faecium og de fleste VSE faecium tilhørte globale sykehusassosierte ST i den fylogenetiske subgruppen A1. Norske VRE faecium og vellykkede CTer har flere virulensfaktorer som støtter biofilmdannelse og kolonisering sammenlignet med en mer mangfoldig VSE faecium populasjon, som også inkluderte gruppe B isolater som er mindre sykdomsfremkallende og resistente enn subgruppe A1. Hovedresultatene viser at situasjonen i Norge er lik andre europeiske land med sirkulering av lett overførbare VSE som senere erverver nytt DNA og blir til VRE. Dette er viktig kunnskap for å kunne implementere målrettede tiltak for å forhindre forekomst og spredning av VRE. Egenskapene til enterokokkene, spesielt VRE, fører til omfattende smitteverntiltak når de er isolert fra sykehuspasienter. Screening av pasienter for tarmbærerskap basert på risikovurdering er standardprosedyre i helsevesenet. Likevel har store utbrudd av VRE utfordret det norske helsevesenet fordi det har vært huller i vår kunnskap om hvordan vi kan kontrollere disse utbruddene og om de molekylære egenskapene som fremmer forekomst og nosokomial spredning av VRE. Følgelig har det vært viktig å gjøre en omfattende norsk molekylær epidemiologisk studie av VRE både for å beskrive situasjonen i detalj, men også for å kunne tilpasse smittevernet ved å avsløre ukjente overføringsmønstre av VRE og identifisere molekylære egenskaper ved VRE som kan definere nye intervensjoner, forebygging og begrensning av utbrudd. Tilsvarende vil ny kunnskap på dette felt informere prioriteringen og utforming av smittevernpolicy på nasjonalt og globalt nivå. Denne studien representerer den første omfattende avdekking av populasjonsstrukturen til E. faecium i en setting med lav forekomst av resistens som Norge og inkluderer både vankomycinresistente (VREfm) og følsomme (VSEfm) isolater. Gjennom komparative genomiske analyser har vi gitt ny innsikt i epidemiologi og populasjonsstruktur, interaksjonen mellom VREfm og VSEfm, og fremhevet kritiske faktorer for forståelse og forebygging av VRE-spredning. Studien avslører også virulomprofilene til VREfm og VSEfm ved hjelp av en intern database med 30 eksperimentelt verifiserte virulensfaktorer involvert i E. faecium-patogenese (dvs evne til å lage infeksjon/sykdom). VREfm fremviste et systematisk høyere antall virulensfaktorer enn genetisk relaterte VSEfm. De overordnede funnene utvider vår nåværende kunnskap om epidemiologi og spredning av VREfm og gir ny innsikt i den genomiske utviklingen av kliniske stammer av VREfm og VSEfm. Vi viste også at E. faecalis spilte en mindre roll i spredning av VRE i en lav-AMR-prevalenssetting. Studien har økt vår forståelse av den molekylære populasjonsdynamikken, spredning og opprinnelse av antibiotikaresistensmekanismer, spesielt vankomycinresistens, i enterokokkpopulasjonen. Dette gjør at vi kan identifisere intervensjoner som kan forhindre spredning av resistens blant enterokokker og finjustere antimikrobiell forvaltning for å sikre både optimal behandling av infeksjoner og minimal resistensseleksjon. Prosjektleder med flere er ansatt på Nasjonal kompetanetjeneste for påvising av antibiotikaresistens (K-res) som også er blitt referanselaboratorium for VRE (fra 2019) mens studien har pågått. K-res regnes som en autoritet på VRE i Norge og resultatene fra studien har blitt formidlet til fagmiljøet (klinisk mikrobiologi, smittevern og FHI) som K-res har løpende kontakt med. Den nye kunnskapen har ført til endringer i hvordan man oppfatter enterokokker og VRE i fagmiljøet som er involvert i diagnostikk, behandling og utbruddshåndtering samt utarbeidelse av antibiotikaveiledere og smitteverntiltak.