In Vitro Selection of High-Level Beta-Lactam Resistance in Methicillin-Susceptible Staphylococcus aureus

Abstract

Selective pressure of beta-lactams is thought to be responsible for mutation selection in methicillin-susceptible Staphylococcus aureus (MSSA). We used next-generation sequencing to compare the genomes of beta-lactamase-positive (SA0707) and -negative (SA0937) MSSA isolates with their derivatives obtained after selection with oxacillin, ceftaroline, or meropenem. Selection with oxacillin and ceftaroline caused a rapid and significant (6–8 times) increase in the minimum inhibitory concentration (MICs) of oxacillin, penicillin, amoxicillin/clavulanate, and ceftaroline against the derivatives of both isolates, associated with growth impairment. Selection with meropenem caused a limited increase in the MICs of all beta-lactams against both isolates. During the initial stages of selection (after 5–15 passages), mutations were detected only in some reads, which indicated the heterogeneity of the population; however, during the later stages, either the population reversed to the wild type or fixation of the mutation was observed in the entire population. Selection with different beta-lactams caused diverse mutational events, but common mutations were detected in gdpP, all penicillin-binding proteins, cell wall regulators (vraST, graR), and deletions in the promoter region of pbp4. Therefore, the disk diffusion test with cefoxitin does not reveal resistance associated with these mechanisms in some cases, which can lead to the failure of beta-lactam therapy.

The current view on betalactam resistance in Staphylococcus aureus

“…Мутации в ПСБ4 способ ствуют незначительному повышению МПК, а мутации и небольшие делеции в промоторной области, напро тив, ассоциированы со значительным увеличением МПК цефтаролина посредством гиперэкспрессии ПСБ4 и уве личению поперечных сшивок в структуре пептидогли кана [74]. Роль ПСБ4 в формировании высокого уровня устойчивости к беталактамам, включая цефтаролин, была продемонстрирована во многих экспериментах по селекции устойчивости in vitro как у MRSA, так и MSSA [75][76][77]. Устойчивость к беталактамам, опосредован ная мутациями в ПСБ4, также была описана и у клини ческих изолятов, выделенных при различных стафило кокковых инфекциях у человека [78,79].…”

“…В ретроспективных работах на коллекциях клинических mecотрицательных изолятов S. aureus, но проявляющих устойчивость к оксациллину и/или цефокситину, мутации в гене gdpP регистрируются до 90% случаев [93]. В ис следовании селекции устойчивости MSSA in vitro к цеф таролину, оксациллину и меропенему было показано, что селекция на любом из трех антибиотиков приводила к перекрестной устойчивости ко всем беталактамам за счет формирования мутаций в гене gdpP и/или других ПСБ [76]. Напротив, мутации в эссенциальном белке DacA приводят к снижению уровня цдиАМФ и, как след ствие, восстановлению чувствительности к препаратам, действующим на клеточную стенку [94].…”