Klebsiella pneumoniae, stipite ipermucoso | Kp stipite...

La problematica dei superbug: cosa c’è oltre l’antibioticoresistenza

Oggigiorno, la diffusione in tutto il mondo dei cosiddetti superbug desta particolare preoccupazione in ambito socio-sanitario (1). Tale fenomeno è associato al concetto di antibioticoresistenza, in quanto i superpatogeni sono solitamente identificati in quei batteri caratterizzati da meccanismi di resistenza agli antibiotici. Tuttavia, la problematica della diffusione dei superbug va oltre il fenomeno dell’antibiotico-resistenza. Infatti esistono alcuni patogeni che, al di là della presenza di specifici meccanismi di resistenza, presentano caratteristiche di virulenza che li rendono una minaccia per la salute globale. La diffusione di ceppi non classici di Klebsiella pneumoniae (Kp), quale lo stipite ipermucoso, è un esempio calzante di questa problematica. Nel corso del tempo, infatti, sono stati descritti alcuni stipiti di Kp con specifiche caratteristiche di virulenza e capaci di causare infezioni gravi anche in soggetti non immunocompromessi.

A partire dalla metà degli anni '80 e '90, sono stati riportati in Taiwan dei casi di infezione grave da Kp caratterizzati dalla capacità di causare ascessi epatici piogenici in pazienti senza una precedente storia di malattia epatobiliare e localizzazioni metastatiche a distanza, quali endoftalmite, localizzazioni polmonari e del sistema nervoso centrale (2-3). Due erano le peculiarità di questi isolati: la propensione alla diffusione metastatica in siti distanti (solitamente tipica di batteri Gram positivi quali Staphylococcus aureus e Streptococcus pyogenes); il fenotipo ipermucoviscoso come definito di seguito. Tali isolati sono stati inizialmente descritti in Asia, Africa, Australia ma un numero crescente di casi è stato via via descritto nei Paesi occidentali.

Stipite ipermucoso ed isolati ipervirulenti di K. pneumoniae: possiamo considerarli sinonimi?

La prima considerazione da affrontare è la differenza e, allo stesso tempo, la complementarietà delle caratteristiche di ipermucosità e ipervirulenza. Kp stipite ipermucoso si definisce per la presenza di un fenotipo identificabile mediante string test. Lo string test consiste nella presenza di un filamento viscoso di lunghezza ≥5 mm ottenuto allungando la crescita delle colonie batteriche a 37°C per 18–24 ore su una piastra di agar sangue (Figura 1) (4). Tale definizione è una definizione fenotipica e la presenza di questa specifica caratteristica viene solitamente attribuita alla capacità dell’isolato di iperprodurre la capsula esterna. Tuttavia, non tutte le colonie mucoidi di Kp hanno uno string test positivo, fenomeno che evidenzia la differenza tra ceppi capsulari mucoidi e le varianti ipermucoviscose, definite dalla positività dello string test.

La rilevanza clinica di Kp stipite ipermucoso risiede nel fatto che tale fenotipo può portare con sé una serie di meccanismi di virulenza in ultima analisi responsabili delle caratteristiche cliniche, quali la difficile eradicazione e la propensione metastatizzante.

Da quando sono stati descritti per la prima volta, i cloni ipermucosi di Kp sono stati associati a ipervirulenza, tanto che questi termini [stipite ipermucoso e varianti ipervirulente di Kp (hvKP)], vengono utilizzati come sinonimi nella letteratura scientifica. Tuttavia, tale equivalenza non è totalmente corretta. Il fenotipo ipermucoco e ipervirulento possono coesistere e risultare complementari, ma alcuni studi hanno mostrato che un fenotipo ipermucoviscoso di per sé non è sufficiente per indurre uno stato ipervirulento e, d’altro canto, esistono delle varianti hvKp che non esprimono il fenotipo ipermucoviscoso (5). La Figura 2 mostra le differenze e la complementarietà tra fenotipi ipermucoviscosi e ipervirulenti.

Fattori di virulenza di Kp stipite ipermucoso

Come si nota in Figura 2, uno degli elementi distintivi di Kp stipite ipermucoso variante ipervirulenta è la presenza di iperproduzione capsulare. I sierotipi K1 (prevalente in Asia) e K2 (prevalente in America e Europa) sono stati tra i primi ad essere identificati come varianti ipermucose e ipervirulente (6). Tuttavia, altri sierotipi capsulari ed altri fattori di virulenza sono stati descritti nelle Kp ipermucose. Tra questi, vi è il gene rmpA che agisce come regolatore trascrizionale positivo della sintesi di polisaccaridi capsulari (7). Anche questo non è un carattere distintivo dello stipite ipermucoso di Kp. Esistono infatti ceppi positivi per i geni rmpA e rmpA2 e senza fenotipo ipermucoviscoso. Altri fattori di virulenza riscontrati nei ceppi ipermucosi e ipervirulenti sono l’aerobactina e la yersiniabactina, ovvero dei siderofori capaci di potenziare la capacità di acquisizione di ioni ferro da parte del batterio(8). Infine esistono altri fattori di virulenza quali la proteina fosfolipasi di famiglia D (phospholipase D family protein, PLD1) e le porine di membrana, quali KpnO.

Tali fattori possono essere variamente presenti nelle Kp ipermucose e nelle hvKp. Cubero et al. hanno analizzato 878 casi di batteriemia causata da Kp, di cui il 5.4% con fenotipo ipermucoso (string test positivo). Tra questi, il 30.2% appartenevano al sierotipo K1 e presentavano il gene rmpA, il 22.6% erano sierotipo non K1 e positivi per il gene rmpA mentre il 47.2% erano sierotipo non K1 e negativi per gene rmpA. Alcuni isolati che esprimevano il gene rmpA non presentavano fenotipo ipermucoviscoso ma erano comunque in grado di determinare malattia invasiva con formazione di ascessi epatici ed a distanza. Tali risultati sembrano suggerire che l'ipermucosità rilevata attraverso lo string test non è sufficiente per rendere un isolato ipervirulento, aspetto determinato dalla presenza di tratti genetici distintivi (9).

Epidemiologia locale e impatto clinico di Kp stipite ipermucoso

Kp stipite ipermucoso è relativamente poco diffuso in Italia. Un recente studio su isolati di Kp stipite ipermucoso provenienti da 43 laboratori di microbiologia dislocati sul territorio nazionale ha mostrato una bassa prevalenza di tali stipiti ed assenza di espansione clonale degli stessi in Italia (10). Gli isolati ipermucosi analizzati appartenevano ai sequence types (ST) 5, ST8, ST11 e ST25 ed erano capaci di produrre meccanismi quali yersiniabactina e aerobactina ma, diversamente da quanto descritto in altre casistiche, nessuno degli isolati aveva un fenotipo di ipermucosità determinato dalla presenza dei classici regolatori rmpADC (10). Sebbene rari in Italia, gli isolati ipermucosi di Kp rivestono importanza in quanto possono essere causa di mini-outbreak locali caratterizzati da alta mortalità. Uno studio clinico condotto a Pisa ha messo in evidenza un outbreak di hvKp stipite ipermucoso durante la pandemia COVID-19 (11). Durante tale mini-epidemia sono state isolate 36 hvKp ipermucose: 29 (80.6%) responsabili di infezioni e 7 (19.4%) isolati colonizzanti. Tali hvKp appartenevano all’ST147, aspetto rilevante in quanto trattasi dello stesso ST tipico degli isolati di Kp produttrici di NDM circolanti localmente. Le hvKp responsabili della mini-epidemia toscana esprimevano i geni rmpADC responsabili di iperproduzione capsulare e determinanti plasmidici di virulenza quali i geni iucA-D-iutA coinvolti nell’espressione di aerobactina. Da un punto di vista terapeutico, tali isolati rappresentano una sfida per la presenza di limitate opzioni terapeutiche. Tali hvKp (portatrici il gene blaCTX-M) sono, infatti, caratterizzati per un fenotipo caratteristico delle Kp produttrici di ESBL con resistenza a piperacillina/tazobactam, ceftolozane/tazobactam ed ertapenem, restando sensibili solo a meropenem e alle nuove combinazioni ceftazidime/avibactam e meropenem/vaborbactam (imipenem/relebactam non era ancora disponibile al momento dell’outbreak). La mortalità riportata tra i pazienti con infezione è stata molto elevata (48.3%), superiore a quella descritta nei pazienti con COVID-19 grave e superinfezione batterica dallo stesso gruppo di ricerca.

Conclusioni

Kp stipite ipermucoso può esprimere specifici fattori che conferiscono ipervirulenza. Sebbene non endemici in Italia, essi possono causare mini-outbreak locali caratterizzati da alta mortalità, quale quello recentemente riportato in Toscana (Pisa) in pazienti con COVID-19. Tali isolati non classici di Kp possono essere caratterizzati da svariati meccanismi di virulenza e presentare un fenotipo di resistenza variabile. Considerata l’alta mortalità cui le infezioni da Kp stipite ipermucoso si associano, è importante identificarne tempestivamente la diffusione in ogni realtà epidemiologica.

1. Falcone M, Tiseo G, Carbonara S, et al. Mortality Attributable to Bloodstream Infections Caused by Different Carbapenem-Resistant Gram-Negative Bacilli: Results From a Nationwide Study in Italy (ALARICO Network). Clin Infect Dis. 2023;76:2059-2069.
2. Cheng DL, Liu YC, Yen MY, et al. Septic metastatic lesions of pyogenic liver abscess. Their association with Klebsiella pneumoniae bacteremia in diabetic patients. Arch Intern Med 1991; 151:1557-9.
3. Wang JH, Liu YC, Lee SS, et al. Primary liver abscess due to Klebsiella pneumoniae in Taiwan. Clin Infect Dis 1998; 26:1434-8.
4. Eisenmenger EF, Guajardo E, Finch N et al. “String Test” for hypermucoviscous Klebsiella pneumoniae. Am J Med 2021; 134: e520 1.
5. Catalán-Nájera JC, Garza-Ramos U, Barrios-Camacho H. Hypervirulence and hypermucoviscosity: Two different but complementary Klebsiella spp. phenotypes? Virulence. 2017;8:1111-1123.
6. Yu WL, Fung CP, Ko WC, et al. Polymerase chain reaction analysis for detecting capsule serotypes K1 and K2 of Klebsiella pneumoniae causing abscesses of the liver and other sites. J Infect Dis. 2007;195:1235.
7. Hsu CR, Lin TL, Chen YC, et al. The role of Klebsiella pneumoniae rmpA in capsular polysaccharide synthesis and virulence revisited. Microbiology 2011; 157:3446-57.
8. Russo TA, Olson R, Macdonald U, et al. Aerobactin mediates virulence and accounts for increased siderophore production under iron-limiting conditions by hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae. Infect Immun. 2014;82:2356-67.
9. Cubero M, Grau I, Tubau F, et al. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae clones causing bacteraemia in adults in a teaching hospital in Barcelona, Spain (2007-2013). Clin Microbiol Infect. 2015; 22:154-60.
10. Arena F, Menchinelli G, Di Pilato V, et al. Resistance and virulence features of hypermucoviscous Klebsiella pneumoniae from bloodstream infections: Results of a nationwide Italian surveillance study. Front Microbiol. 2022;13:983294.
11. Falcone M, Tiseo G, Arcari G, et al. Spread of hypervirulent multidrug-resistant ST147 Klebsiella pneumoniae in patients with severe COVID-19: an observational study from Italy, 2020-21. J Antimicrob Chemother. 2022;77:1140-1145.