Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1859510.36233/0372-9311-544zxmnbqORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleComparative genomic analysis of clinical isolates of Klebsiella pneumoniae isolated from newborns with different outcomes of the infectious process in the neonatal periodСравнительный геномный анализ клинических изолятов Klebsiella pneumoniae, выделенных от новорождённых детей с различными исходами инфекционного процесса в неонатальном периодеhttps://orcid.org/0000-0001-8521-7652UstyuzhaninAlexander V.УстюжанинАлександр Владимирович
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), leading researcher, Department of immunology, microbiology, pathomorphology and cytodiagnostics

канд. мед. наук, в. н. с. научного отделения иммунологии, микробиологии, патоморфологии и цитодиагностики

ust103@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2834-6754MakhanyokAnna A.МаханёкАнна Алексеевна
Russian Federation

junior researcher, Department of immunology, microbiology, pathomorphology and cytodiagnostics

м. н. с. научного отделения иммунологии, микробиологии, патоморфологии и цитодиагностики

makhanechek@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0852-6766ChistyakovaGuzel N.ЧистяковаГузель Нуховна
Russian Federation

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head, Department of immunology, microbiology, pathomorphology and cytodiagnostics

д-р мед. наук, профессор, рук. научного отделения иммунологии, микробиологии, патоморфологии и цитодиагностики

chistyakovagn@niiomm.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4238-4642RemizovaIrina I.РемизоваИрина Ивановна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Department of immunology, microbiology, pathomorphology and cytodiagnostics

канд. биол. наук, с. н. с. научного отделения иммунологии, микробиологии, патоморфологии и цитодиагностики

remizovaii@yandex.ruUral Scientific Research Institute of Maternity and Child CareУральский научно-исследовательский институт охраны материнства и младенчества300320251021627124052024Copyright ©; 2025, Ustyuzhanin A.V., Makhanyok A.A., Chistyakova G.N., Remizova I.I.Copyright ©; 2025, Устюжанин А.В., Маханёк А.А., Чистякова Г.Н., Ремизова И.И.2025Ustyuzhanin A.V., Makhanyok A.A., Chistyakova G.N., Remizova I.I.Устюжанин А.В., Маханёк А.А., Чистякова Г.Н., Ремизова И.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18595

Introduction. Some progress has been made in the study of the molecular mechanisms of antibiotic resistance, namely, genes and their variants have been identified that ensure the inactivation of beta-lactam antibiotics. Nevertheless, there is still a necessity for further studies of genetic diversity of nosocomial strains, prevalence of genetic determinants of resistance to other groups of antibiotics, virulence factors and realization of pathogenic potential by opportunistic microorganisms.

Aim of the study was to compare the genetic profile of clinical isolates of Klebsiella pneumoniae isolated from newborns with different outcomes of the infectious process in the neonatal period.

Materials and methods. Using whole-genome sequencing and bioinformatic analysis to search for determinants of resistance and virulence, 3 strains of K. pneumoniae were studied, 2 of which were isolated from the blood of a generalized form of infection, 1 from the feces of a newborn child.

Results. K. pneumoniae strains belonged to sequence types (ST) ST23, ST14 and ST3559, and differed in genetic determinants of antibiotic resistance and virulence factors. At the same time, they all had the genetic determinants fimH, mrkA and iutA, which are associated with an increased ability to attach to substrates and transport aerobactin. Strain 222 of ST3559, which has the largest number of antibiotic resistance genes, contained the smallest number of virulence factor genes, and vice versa, strain 144 of ST23, in which the smallest number of antibacterial drug resistance genes was detected, contained the most virulence factor genes.

Conclusions. Identification of K. pneumoniae strains that differ in the genetic profile of antibiotic resistance and virulence in neonatal hospital patients indicates a complex interaction between bacteria and the macroorganism, in which isolates with low pathogenic potential can cause serious infectious complications, and vice versa, when a highly virulent strain does not realize its pathogenic potential, as demonstrated in case of K. pneumoniae strains ST14, ST3559 and ST23, respectively. This highlights the difficulty of effectively predicting and managing infection risks in hospital operations.

Введение. Существует необходимость исследования генетического разнообразия внутрибольничных штаммов, распространённости детерминант устойчивости к антибиотикам, факторов вирулентности и реализации патогенного потенциала оппортунистическими микроорганизмами.

Цель работы — сравнить генетический профиль антибиотикорезистентности и вирулентности клинических изолятов Klebsiella pneumoniae, выделенных от новорождённых детей с различными исходами инфекционного процесса в неонатальном периоде.

Материалы и методы. С помощью полногеномного секвенирования и биоинформационного анализа для поиска детерминант резистентности и вирулентности исследованы 3 штамма K. pneumoniae, 2 из которых выделены из крови при генерализованной инфекции, 1 — из фекалий новорождённого ребёнка.

Результаты. K. pneumoniae ST23, ST14, ST3559 отличались генетическими детерминантами антибиотикорезистентности и факторов вирулентности. Вместе с тем все они имели гены fimH, mrkA и iutA, ассоциированные с повышенной способностью к адгезии к субстратам и транспортом аэробактина. Штамм ST3559, обладающий наибольшим количеством генов антибиотикорезистентности (9), содержал 8 генов факторов вирулентности; в штамме ST23, в котором детектировано наименьшее количество генов устойчивости к антибактериальным препаратам (3), обнаружено больше всего генов факторов вирулентности (21).

Заключение. Выявление штаммов K. pneumoniae, различающихся по генетическому профилю антибиотикорезистентности и вирулентности, у пациентов неонатальных стационаров указывает на сложное взаимодействие между бактериями и организмом новорождённого ребёнка, при котором изоляты с низким патогенным потенциалом могут вызывать серьёзные инфекционные осложнения, и наоборот, когда высоковирулентный штамм не реализует свой патогенный потенциал, как в случаях с K. pneumoniae ST14, ST3559 и ST23. Это подчёркивает сложность эффективного прогнозирования и управления инфекционными рисками в деятельности стационаров.

Klebsiella pneumoniaenext-generation sequencingbioinformatics analysisvirulence genesantibiotic resistance genesKlebsiella pneumoniaeполногеномное секвенированиебиоинформационный анализгены вирулентностигены антибиотикорезистентностиD'Apolito D., Arena F., Conte V., et al. Phenotypical and molecular assessment of the virulence potential of KPC-3-producing Klebsiella pneumoniae ST392 clinical isolates. Microbiol. Res. 2020;240:126551. DOI: https://doi.org/10.1016/j.micres.2020.126551GBD 2019 Antimicrobial Resistance Collaborators. Global mortality associated with 33 bacterial pathogens in 2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet. 2022;400(10369):2221–48. DOI: https://doi.org/10.1016/s0140-6736(22)02185-7Эйдельштейн М.В., Шайдуллина Э.Р., Иванчик Н.В. и др. Антибиотикорезистентность клинических изолятов Klebsiella pneumoniae и Escherichia coli в стационарах России: результаты многоцентрового эпидемиологического исследования. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2024;26(1):67–78. Edelstein M.V., Shaidullina E.R., Ivanchik N.V., et al. Antimicrobial resistance of clinical isolates of Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli in Russian hospitals: results of a multicenter epidemiological study. Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2024;26(1):67–78. DOI: https://doi.org/10.36488/cmac.2024.1.67-78Дубоделов Д.В., Любасовская Л.А., Шубина Е.С. и др. Генетические детерминанты резистентности к β-лактамным антибиотикам госпитальных штаммов Klebsiella pneumoniae, выделенных у новорожденных. Генетика. 2016;52(9):1097–102. DOI: https://doi.org/10.7868/S0016675816090046 EDN: https://elibrary.ru/wlnemr Dubodelov D.V., Lubasovskaya L.A., Shubina E.S., et al. Genetic determinants of resistance of hospital-associated strains of klebsiella pneumoniae to β-lactam antibiotics isolated in neonates. Russian Journal of Genetics. 2016;52(9):993–8. DOI: https://doi.org/10.1134/S1022795416090040 EDN: https://elibrary.ru/xfhwgbКузьменко С.А., Брежнева Н.И., Гончаров А.Е., Тутельян А.В. Характеристика свойств внутрибольничной популяции Klebsiella pneumoniae. Фундаментальная и клиническая медицина. 2019;4(2):58–65. Kuzmenko S.A., Brezhneva N.I., Goncharov A.E., Tutelyan A.V. Features of nosocomial Klebsiella pneumoniae population. Fundamental and Clinical Medicine. 2019;4(2):58–65. EDN: https://elibrary.ru/fwfxljБелова И.В., Точилина А.Г., Соловьева И.В. Характеристика госпитальных штаммов Klebsiella pneumoniae, циркулирующих в педиатрическом стационаре. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2019;(8):25–9. Belova I.V., Tochilina A.G., Solov'eva I.V., et al. Characteristic of hospital Klebsiella pneumoniae strains circulating in the pediatric hospital. Public Health and Life Environment – PH&LE. 2019;(8):25–9. DOI: https://doi.org/10.35627/2219-5238/2019-317-8-25-29 EDN: https://elibrary.ru/bbaveiТапальский Д.В., Бонда Н.А., Карпова Е.В., Стома И.О. Klebsiella pneumoniae с множественной устойчивостью к антибиотикам в этиологии инфекций кровотока. Клиническая инфектология и паразитология. 2021;10(2):179–86. Tapalski D., Bonda N., Karpova E., Stoma I. Multidrug resistant Klebsiella pneumoniae in the etiology of bloodstream infections. Clinical Infectology and Parasitology. 2021;10(2):179–86. DOI: https://doi.org/10.34883/PI.2021.10.2.024 EDN: https://elibrary.ru/belhvfRahmat Ullah S., Irum S., Mahnoor I., et al. Exploring the resistome, virulome, and mobilome of multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae isolates: deciphering the molecular basis of carbapenem resistance. BMC Genomics. 2024;25(1):408. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-024-10139-yВоронина О.Л., Кунда М.С., Рыжова Н.Н. и др. Геномные особенности резистентных изолятов Klebsiella pneumoniae, выделенных из кровяного русла и ликвора пациентов детского стационара. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023;100(6):399–409. Voronina O.L., Kunda M.S., Ryzhova N.N., et al. Genomic features of resistant klebsiella pneumoniaе, isolated from the bloodstream and cerebrospinal fluid of pediatric hospital patients. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2023;100(6):399–409. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-430 EDN: https://elibrary.ru/ylxbdzMoussa B., Hmami F., Arhoun B., et al. Intense intestinal carriage of carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae co-harboring OXA-48, KPC, VIM, and NDM among preterm neonates in a Moroccan neonatal intensive care unit. Cureus. 2023;15(12):e50095. DOI: https://doi.org/10.7759/cureus.50095Шамина О.В., Крыжановская О.А., Лазарева А.В., и др. Устойчивость карбапенемрезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae к колистину: молекулярные механизмы и бактериальный фитнес. Вестник Российского государственного медицинского университета. 2020;(3):11–8. EDN: https://elibrary.ru/lvaxwk Shamina O.V., Kryzhanovskaya O.A., Lazareva A.V., et al. Colistin resistance of carbapenem-resistant klebsiella pneumoniae strains: molecular mechanisms and bacterial fitness. Bulletin Of Russian State Medical University. 2020;(3):11–8. DOI: https://doi.org/10.24075/brsmu.2020.032 EDN: https://elibrary.ru/dipfgbСадеева З.З., Новикова И.Е., Лазарева А.В. и др. Бактериемии и инфекции ЦНС у детей, ассоциированные с Klebsiella pneumoniae: молекулярно-генетическая характеристика и клинические особенности. Инфекция и иммунитет. 2023;13(6):1117–28. Sadeeva Z.Z., Novikova I.E., Lazareva A.V., et al. Pediatric bacteremia and CNS infections associated with Klebsiella pneumoniae: molecular genetic characteristics and clinical features. Russian Journal of Infection and Immunity. 2023;13(6):1117–28. DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-PBA-14482 EDN: https://elibrary.ru/hysajoStarkova P., Lazareva I., Avdeeva A., et al. Emergence of hybrid resistance and virulence plasmids harboring New Delhi Metallo-β-lactamase in Klebsiella pneumoniae in Russia. Antibiotics (Basel). 2021;10(6):691. DOI: https://doi.org/10.3390/antibiotics10060691Степанова Т.Ф., Катаева Л.В., Посоюзных О.В. и др. Структура ESKAPE-патогенов, изолированных от пациентов отделения реанимации и интенсивной терапии новорождённых Национального госпиталя педиатрии г. Ханой, Социалистическая Республика Вьетнам. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023;100(2):168–77. Stepanova T.F., Kataeva L.V., Posoyuznykh O.V., et al. The structure of ESKAPE pathogens isolated from patients of the neonatal intensive care unit at the national hospital of pediatrics in Hanoi, the socialist republic of Vietnam. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2023;100(2):168–77. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-329 EDN: https://elibrary.ru/aamneiУстюжанин А.В., Чистякова Г.Н., Ремизова И.И. Изучение влияния ферментного препарата Вобэнзим на процесс формирования биоплёнок штаммов бактерий. Антибиотики и химиотерапия. 2024;69(1-2):10–4. Ustyuzhanin A.V., Chistyakova G.N., Remizova I.I. Study of the Wobenzym enzyme preparation effect on the formation of bacterial biofilms. Antibiotics and Chemotherapy. 2024;69(1-2):10–4. DOI: https://doi.org/10.37489/0235-2990-2024-69-1-2-10-14 EDN: https://elibrary.ru/vrvraoLeggett R.M., Ramirez-Gonzalez R.H., Clavijo B.J., et al. Sequencing quality assessment tools to enable data-driven informatics for high throughput genomics. Front. Genet. 2013;4:288. DOI: https://doi.org/10.3389/fgene.2013.00288Lee C.Y., Lee Y.F., Lai L.C., et al. MiDSystem: a comprehensive online system for de novo assembly and analysis of microbial genomes. N. Biotechnol. 2021;65:42–52. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nbt.2021.08.002Diancourt L., Passet V., Verhoef J., et al. Multilocus sequence typing of Klebsiella pneumoniae nosocomial isolates. J. Clin. Microbiol. 2005;43(8):4178–82. DOI: https://doi.org/10.1128/jcm.43.8.4178-4182.2005Lam M.M.C., Wick R.R., Judd L.M., et al. Kaptive 2.0: updated capsule and lipopolysaccharide locus typing for the Klebsiella pneumoniae species complex. Microb. Genom. 2022;8(3):000800. DOI: https://doi.org/10.1099/mgen.0.000800Kumabe A., Kenzaka T. String test of hypervirulent Klebsiella pneumonia. QJM. 2014;107(12):1053. DOI: https://doi.org/10.1093/qjmed/hcu124Kopotsa K., Mbelle N.M., Osei Sekyere J. Epigenomics, genomics, resistome, mobilome, virulome and evolutionary phylogenomics of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae clinical strains. Microb. Genom. 2020;6(12):mgen000474. DOI: https://doi.org/10.1099/mgen.0.000474Arena F., Giani T., Becucci E., et al. Large oligoclonal outbreak due to Klebsiella pneumoniae ST14 and ST26 producing the FOX-7 AmpC β-lactamase in a neonatal intensive care unit. J. Clin. Microbiol. 2013;51(12):4067–72. DOI: https://doi.org/10.1128/jcm.01982-13Hosbul T., Guney-Kaya K., Guney M., et al. Carbapenem and colistin resistant Klebsiella pneumoniae ST14 and ST2096 dominated in two hospitals in Turkey. Clin. Lab. 2021;67(9). DOI: https://doi.org/10.7754/clin.lab.2021.201226Naha S., Sands K., Mukherjee S., et al. OXA-181-Like carbapenemases in Klebsiella pneumoniae ST14, ST15, ST23, ST48, and ST231 from septicemic neonates: coexistence with NDM-5, resistome, transmissibility, and genome diversity. mSphere. 2021;6(1):e01156–20. DOI: https://doi.org/10.1128/msphere.01156-20Mshana S.E., Hain T., Domann E., et al. Predominance of Klebsiella pneumoniae ST14 carrying CTX-M-15 causing neonatal sepsis in Tanzania. BMC Infect. Dis. 2013;13:466. DOI: https://doi.org/10.1186/1471-2334-13-466Устюжанин А.В., Чистякова Г.Н., Ремизова И.И., Маханёк А.А. Распространенность генов антибиотикорезистентности bla-CTX-M, bla-SHV, bla-TEM в штаммах энтеробактерий, выделенных от пациентов перинатального центра. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2022;21(3):44–9. Ustyuzhanin A.V., Chistyakova G.N., Remizova I.I., Makhanyok A.A. Prevalence of antibiotic resistance genes bla-CTX-M, bla-SHV, bla-TEM in enterobacteria strains isolated from perinatal center patients. Epidemiology and Vaccinal Prevention. 2022;21(3):44–9. DOI: https://doi.org/10.31631/2073-3046-2022-21-3-44-49 EDN: https://elibrary.ru/hlwyocLev A.I., Astashkin E.I., Kislichkina A.A., et al. Comparative analysis of Klebsiella pneumoniae strains isolated in 2012–2016 that differ by antibiotic resistance genes and virulence genes profiles. Pathog. Glob. Health. 2018;112(3):142–51. DOI: https://doi.org/10.1080/20477724.2018.1460949Liu Y., Jian Z., Wang Z., et al. Clinical characteristics and molecular epidemiology of ST23 Klebsiella pneumoniae in China. Infect. Drug Resist. 2023;16:7597–611. DOI: https://doi.org/10.2147/idr.s428067Zhang Q.B., Zhu P., Zhang S., et al. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae detection methods: a minireview. Arch. Microbiol. 2023;205(10):326. DOI: https://doi.org/10.1007/s00203-023-03665-yАгеевец В.А., Агеевец И.В., Сидоренко С.В. Конвергенция множественной резистентности и гипервирулентности у Klebsiella pneumoniae. Инфекция и иммунитет. 2022;12(3):450–60. Ageevets V.A., Ageevets I.V., Sidorenko S.V. Convergence of multiple resistance and hypervirulence in klebsiella pneumoniae. Russian Journal of Infection and Immunity. 2022;12(3):450–60. DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-COM-1825 EDN: https://elibrary.ru/ucpmnf