The Role of Efflux Pump and Carbapenemase Production in the Development of Multidrug Resistance in Klebsiella Pneumoniae and Acinetobacter Baumannii Strains Isolated from Patients with COVID-19 Infection
Authors: Карпова Е.В. , Тапальский Д.В. 
Published: July 2022

Введение. Пациентам, госпитализированным с COVID-19, часто назначают антибиотики широкого спектра действия, которые могут способствовать селекции и распространению антибиотикорезистентных штаммов.Цель. Выявить продукцию карбапенемаз и установить механизмы активного выведения антибиотиков различных групп у множественно- и экстремально-антибиотикорезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae и Acinetobacter baumannii, выделенных от госпитализированных пациентов с инфекцией COVID-19.Материалы и методы. Для 51 множественно- и экстремально-антибиотикорезистентного штамма Klebsiella pneumoniae и 47 множественно-антибиотикорезистентных штаммов A. baumannii, выделенных от госпитализированных пациентов с инфекцией COVID-19, методом микроразведений в бульоне определены минимальные подавляющие концентрации (МПК). Дополнительно установлены МПК антибиотиков в присутствии протонного ингибитора эффлюксных насосов – карбонилцианид-3-хлорфенилгидразона (CCCP). Фенотипический скрининг продукции метало-β-лактамаз (МБЛ) у штаммов K. pneumoniae выполнен методом двойных дисков с ЭДТА. Детекция генов карбапенемаз осуществлена методом ПЦР-анализа в режиме реального времени.Результаты. Все штаммы проявляли множественную либо экстремальную устойчивость к антибиотикам. Все штаммы A. baumannii были устойчивы к карбапенемам, левофлоксацину, амикацину и являлись продуцентами OXA-карбапенемаз. Сохраняли чувствительность к карбапенемам только 2,0–3,9% штаммов K. pneumoniae, к амикацину – 7,8% штаммов. Продукция карбапенемаз выявлена у 68,6% штаммовK. pneumoniae (NDM – 31,4%, OXA-48 – 23,5%, KPC – 2,0%, копродукция двух карбапенемаз – 11,8%). Ингибирование эффлюксных насосов позволило снизить значения МПК карбапенемов, цефалоспоринов, левофлоксацина, амикацина, тигециклина для 2,1–25,5% штаммов A. baumannii и K. pneumoniae, но не восстанавливало их чувствительность к антибиотикам.Заключение. Устойчивость к карбапенемам и другим β-лактамам у штаммов A. baumannii и K. pneumoniae связана с продукцией карбапенемаз. Присутствие у части исследуемых штаммов механизмов эффлюкса является важным, но не единственным механизмом антибиотикорезистентности.

Introduction. Patients hospitalized with COVID-19 are often prescribed broad-spectrum antibiotics that can contribute the selection and spread of antibiotic-resistant strains.Purpose. To identify carbapenemase production and the active efflux mechanisms for antibiotics of various classes in multidrug- and extensively drug-resistant Klebsiella pneumoniae and Acinetobacter baumannii strains isolated from patients with COVID-19 infection.Materials and methods. This study included 51 multidrug- and extensively drug-resistant Klebsiella pneumoniae strains and 47 multidrug-resistant strains of Acinetobacter baumannii isolated from patients with COVID-19 infection. The minimum inhibitory concentrations (MICs) for meropenem, imipenem, cefepime, ceftazidime, doxycycline, levofloxacin, tigecycline, rifampicin, chloramphenicol and amikacin were assessed by broth microdilution method for all investigated strains. Moreover, MICs of antibiotics in the presence of efflux pump inhibitor (carbonyl cyanide-chlorophenylhydrazone, CCCP) were determined. For phenotypic detection of metallo-β-lactamase (MBL) production the double-disk EDTA method was performed. Carbapenemase genes were detected by real- time PCR.Results. All of the isolated strains have demonstrated multidrug or extensively drug resistance. All strains of A.baumannii were resistant to carbapenems, levofloxacin, amikacin and were OXA-carbapenemase producers. Susceptibility to carbapenems remained only in 2.0–3.9% of K. pneumoniae strains, to amikacin – in 7.8% of strains. Carbapenemase production was detected in 68.6% of K. pneumoniae strains (NDM – 31.4%, OXA-48 – 23.5%, KPC – 2.0%, co-production of two carbapenemase – 11.8%). Inhibition of efflux pumps made it possible to reduce the MIC values for carbapenems, cephalosporins, levofloxacin, amikacin, tigecycline in 2.1–25.5% of A. baumannii and K. pneumoniae strains. On the other hand, it didn’t restore their susceptibility to antibiotics.Conclusion. Resistance to carbapenems and other β-lactams in A.baumannii and K. pneumoniae strains is associated with the production of carbapenemases. The presence of efflux mechanisms in some of the studied strains is an important, but not the only mechanism of antibiotic resistance.