The adaptation of Staphylococcus epidermidis commensal and clinical isolates to human blood: the search for molecular diagnostics markers

Abstract

Staphylococcus epidermidis é um habitante normal de pele e mucosas humanas saudáveis que está associado a infeções nosocomiais, principalmente em pacientes imunocomprometidos, contribuindo para um aumento considerável nos custos na saúde, na morbilidade e na mortalidade. Isto está relacionado principalmente com a crescente utilização de dispositivos médicos e com a capacidade de S. epidermidis de formar biofilmes nesses dispositivos. Uma questão importante que precisa ser esclarecida prende-se com a dificuldade de diagnosticar as infeções causadas por S. epidermidis, uma vez que ocorre com facilidade contaminação das hemoculturas devido à natureza onipresente na pele humana e a dificuldade em diferenciar isolados comensais da pele de isolados invasivos que causam doença. Assim, o objetivo desta tese foi tentar encontrar marcadores moleculares baseados na expressão de RNA de forma a diferenciar os isolados comensais dos isolados clínicos, e assim, contribuir para o desenvolvimento de uma nova ferramenta de diagnóstico que permita discriminar os isolados que contaminam as hemoculturas dos isolados associados a infeções. Para atingir esse objetivo, começou por analisar se o transcriptoma de três isolados clínicos e de três isolados comensais, após duas horas de incubação em sangue humano, tendo sido destacado cinco potenciais genes que permitiram a diferenciação destes seis isolados. Infelizmente, quando se tentou validar esses resultados numa coleção de 56 isolados, o potencial discriminatório desses genes foi perdido. Por outro lado, estes resultados destacaram a grande versatilidade metabólica dos isolados que ocupam os diferentes nichos, o que reforça a ideia que S. epidermidis, é de facto, um patógeno oportunista. Essa segunda hipótese foi confirmada através da avaliação da capacidade de sobrevivência em sangue humano, onde foi demonstrado que todos os isolados testados tinham a mesma capacidade de adaptação ao sangue humano, o que sugere que a capacidade de S. epidermidis causar infeção depende da oportunidade de penetrar as camadas externas protetoras do hospedeiro e da sua capacidade de sobreviver à ação antimicrobiana do sangue humano.

Staphylococcus epidermidis is a normal inhabitant of healthy human skin and mucosae that originate important nosocomial infections, particularly in immunocompromised patients, contributing to a considerable increase in healthcare costs, morbidity, and mortality. This is mainly related to the increasing utilization of medical devices and the capacity of S. epidermidis to form biofilms on such devices. An important issue that needs to be addressed is related to the difficulty to accurately diagnose S. epidermidis infections, which consequently results in prolonged hospital stays, inappropriate treatment, and further testing. This occurs due to the easiness of contamination of blood samples collected for diagnosis, due to the ubiquitous nature of this species in the human skin, and the difficulty in differentiating skin commensal isolates from invasive isolates that cause disease. The purpose of this thesis was to identify RNA-based molecular markers that could be able to differentiate clinical from commensal isolates and, ultimately, to contribute to the development of a novel diagnostic tool that could accurately discriminate strains contaminating blood cultures from infection-associated strains. The analysis of the transcriptome of three clinical and three commensal isolates, after two hours of incubation in human blood, highlighted five potential markers. Unfortunately, when we tried to validate these findings with a collection of 56 isolates, the discriminatory potential of these genes was lost. Conversely, these results highlighted the great metabolic versatility of S. epidermidis isolates from different niches, which reinforces the idea that S. epidermidis is, in fact, an opportunistic pathogen. We further confirmed this hypothesis by assessing bacterial survivability in human blood, where we demonstrated that both clinical and commensal isolates had similar ability to adapt to the host microenvironment, in this case, the human blood. Overall, in our experimental model, the isolates from hospital and community settings displayed the same ability to survive and proliferate in human blood further suggesting that S. epidermidis ability to cause infection mostly relies on the opportunity to breach the protective layers of the host and its ability to evade and proliferate in the immunocompromised host.