Rapid Differentiation of Pneumococci And Viridans Group Streptococci by MALDI-TOF Mass Spectrometry And a Rapid Nucleic Acid Amplification Test in A Clinical Microbiology Laboratory

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5273-2
Title: Rapid Differentiation of Pneumococci And Viridans Group Streptococci by MALDI-TOF Mass Spectrometry And a Rapid Nucleic Acid Amplification Test in A Clinical Microbiology Laboratory
Author: Harju, Inka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Microbiology
Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Turku University Hospital, Clinical Microbiology Department
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes schola doctoralis scientiae circumiectalis, alimentarie, biologicae - URN:ISSN:ISSN 2342-5431
Abstract: Streptococcus pneumoniae is one of the most significant human bacterial pathogens. It is a major causative agent of community-acquired pneumonia. It is also the most common cause of bacterial otitis media and among most common bacteria causing meningitis in children. The close relatives of S. pneumoniae, the Viridans group streptococci form a central part of the human oral microbiome, but they are also a leading cause of endocarditis. The fast and reliable identification of these bacteria from clinical specimens would therefore be of prime importance for a clinical microbiology laboratory, allowing for the laboratory to provide helpful information to clinicians for identifying the infection focus and targeting antibiotic treatment. The close relationship between S. pneumoniae and Viridans group streptococci, especially their subgroup Mitis group streptococci, complicates the reliable species level identification of these bacteria. The identification of streptococci by the traditional biochemical methods is both unreliable and time-consuming: the identification takes 1-2 days after bacterial growth has been detected on a plate or in a blood culture bottle. Even sequencing of the 16S ribosomal RNA gene commonly used as a reference method for bacterial identification cannot reliably differentiate between pneumococci and other Mitis group streptococci or identify other Mitis group streptococci to the species level. For the identification of pneumococci, detection of pneumococcal-specific genes is considered a “golden standard”. For the Viridans group streptococci, multi-locus sequence typing (MLST), based on the analysis of the sequences of several genes, is considered to be the most reliable method of identification. However, the MLST is too laborious and time-consuming for the identification of streptococci in a routine clinical microbiology laboratory. Within the last decade, MALDI-TOF mass spectrometry has enabled the fast and reliable identification of most bacterial species. However, exceptionally closely related bacterial groups pose a challenge even to the MALDI-TOF technology. This holds true even for pneumococci and Mitis group streptococci. In this study, the earlier database and algorithm versions of the commonly used MALDI-TOF systems were shown to be unable to reliably differentiate between pneumococci and Mitis group streptococci. Therefore, rapid molecular detection tests, such as GenomEra S. pneumoniae™ evaluated in this study, are still needed for rapid detection of pneumococci. However, it seems that the addition of more pneumococcal and Mitis group strains in the databases and new interpretation algorithms allow for reliable differentiation between pneumococci and the Mitis group streptococci. Altogether, the combination of rapid gene detection tests and MALDI-TOF technology with enhanced databases and identification algorithms enables fast, reliable and cost-effective differentiation between pneumococci and Mitis group streptococci and the reliable group level identification of other Mitis group streptococci. This is a sufficient level of identification in a clinical microbiology laboratory, enabling the clinician to evaluate the clinical significance of the finding and target further investigations and antibiotic treatment more specifically.Pneumokokki (Streptococcus pneumoniae) on merkittävimpiä ihmisen bakteeripatogeenejä: se on merkittävä avohoitosyntyisen keuhkokuumeen ja lasten välikorvatulehdusten aiheuttaja ja aiheuttaa myös suuren osan lasten aivokalvontulehduksista. Sen lähisukulaiset, viridans-ryhmän streptokokit, taas muodostavat merkittävän osan ihmisen suun normaalifloorasta, mutta ovat myös keskeisiä sydänkalvontulehduksen aiheuttajia. Pneumokokkien ja viridans-ryhmän streptokokkien nopea ja luotettava tunnistus kliinisen mikrobiologian laboratoriossa olisi kuitenkin ensiarvoisen tärkeää, koska tunnistustulos voi auttaa lääkäriä tunnistamaan infektiofokuksen ja suuntaamaan antibioottihoidon oikein. Pneumokokin ja viridans-ryhmän, erityisesti sen alaryhmän, mitis-ryhmän streptokokkien lähisukulaisuus vaikeuttaa näiden bakteerien luotettavaa erottamista toisistaan ja tunnistamista lajitasolle. Perinteisillä biokemiallisilla tunnistusmenetelmillä pneumokokkien ja viridans-ryhmän streptokokkien tunnistus vie yhdestä kahteen vuorokautta siitä, kun maljalla tai veriviljelypullossa on havaittu bakteerikasvua. Edes bakteerien tunnistuksessa yleisesti käytetty 16S rRNA-geenin sekvensointi ei kykene luotettavasti erottelemaan pneumokokkeja mitis-ryhmän streptokokeista eikä viridans-streptokokkeja lajitasolle. Pneumokokkien tunnistuksessa referenssimenetelmänä käytetäänkin pneumokokeille tyypillisten geenien monistusta. Viridans-ryhmän streptokokkien kohdalla tällaisena “kultaisena standardina” käytetään usean geenin nukleiinihappojärjestyksen analysointiin perustuvaa tyypitystä (MLST). Useiden geenien sekvenssianalyysiin perustuva tunnistus on kuitenkin liian kallista ja aikaa vievää kliinisen mikrobiologian laboratorion tarpeisiin. Viimeisen vuosikymmenen aikana MALDI-TOF-massaspektrometria on mahdollistanut useimpien bakteerien nopean ja luotettavan tunnistamisen. Toisilleen poikkeuksellisen läheistä sukua olevat bakteerit ovat kuitenkin haasteellisia tunnistettavia myös MALDI-TOF:lla. Tämä pätee myös pneumokokkeihin ja Mitis-ryhmän streptokokkeihin. Tässä työssä osoitettiin, että varhaisempia tietokantaversioita ja algoritmejä käytettäessä tavallisimmin käytetyt MALDI-TOF-laitteistot eivät kyenneet luotettavasti erottamaan pneumokokkeja Mitis-ryhmän streptokokeista. Tämän vuoksi geenimonistustestit kuten tässä työssä arvioitu GenomEra S. pneumoniae™ ovat tarpeen pneumokokkien nopeassa osoituksessa. Tämän tutkimuksen kolmas osatyö osoitti kuitenkin, että uusien pneumokokki- ja Mitis-ryhmän streptokokkikantojen lisääminen ja uusien tunnistusalgoritmien kehittäminen mahdollistavat pneumokokkien ja Mitis-ryhmän streptokokkien luotettavan erottamisen toisistaan myös MALDI-TOF:lla. MALDI-TOF:n ja nopean nukleiinihappotestin käyttö mahdollistavat pneumokokkien ja Viridans-streptokokkien nopean, luotettavan ja kustannustehokkaan erottamisen sekä Viridans-streptokokkien luotettavan tunnistuksen ryhmätasolle. Tämä tunnistustaso on riittävä kliinisen mikrobiologian laboratorion tarpeisiin, sillä hoitava lääkäri pystyy sen perusteella arvioimaan löydöksen kliinistä merkitystä ja kohdistamaan mahdollisia jatkotutkimuksia ja antibioottihoitoa tarkemmin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-5273-2
http://hdl.handle.net/10138/301625
Date: 2019-06-14
Subject: Mikrobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
RAPIDDIF.pdf 799.4Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record