Biofilm formation and multidrug resistance in Klebsiella pneumoniae urinary strains

The aim of this study was to evaluate the possible correlation between features contributing to biofilm production in different Klebsiella pneumoniae clinical strains and their antibiotic resistance profile. In total, 120 K. pneumoniae urinary strains were classified as susceptible (S=29), multidrug resistant (MDR=29) and extensively drug resistant (XDR=62), and characterized for in vitro adherence ability, polysaccharides production and mucoid phenotype. XDR isolates were significantly more able to form biofilm than S and MDR strains, the 68,97% of S, 65,52% of MDR and 90.32% XDR being strongly adherents. Furthermore, 20,69% of MDR and 90,32% of XDR were resistant at least to one carbapenem. A high amount of polysaccharides was produced by 34,5% of S, 48,3% of MDR and 80,6% of XDR strains. Three strains representative of S, MDR and XDR isolates have been analyzed by RT-PCR during planktonic and sessile growth, to evaluate the expression of 8 genes involved in antibiotic resistance (ompK35, ompK36, acrB) and biofilm production (mrkA, luxS,, pga, wbbM, wzm). During biofilm growth, Ompk36 gene was under-expressed in all the strains; acrB and luxS were up-regulated in the XDR strains; mrkA became significantly up-regulated in highly adherent strains; pgaA seemed to be up-regulated in 2 of the 3 MDR strains and in the 3 XDR isolates; wzm and wbbM were up-regulated in all XDR strains. In conclusion, the XDR strains seem to exploit multiple mechanisms to grow as rich and complex biofilms, the same mechanisms making them also even more virulent and resistant. Two couples of K. pneumoniae strains, isolated from urine samples of 2 patients before and after antibiotic therapy, were analyzed by multilocus sequence typing, colony-forming units counting and quantitative biofilm production assay. According to the obtained data, antibiotic pressure seems to select strains more resistant and more able to form biofilm.

Lo scopo di questo studio è stato valutare la possibile correlazione tra le caratteristiche che contribuiscono alla produzione di biofilm in diversi isolati di Klebsiella pneumoniae e il loro profilo di antibiotico-resistenza. Un totale di 120 ceppi urinari di K. pneumoniae sono stati suddivisi in 3 gruppi, i.e. sensibili (S=29), con resistenze multiple (MDR=29) e ampiamente resistenti ai farmaci (XDR=62), e caratterizzati per adesione, produzione di polisaccaridi e fenotipo mucoide. Il 20,69% degli MDR e il 90,32% degli XDR erano resistenti ai carbapenemi. Gli isolati XDR risultavano essere in grado di formare più biofilm (90.32% fortemente aderenti) rispetto ai ceppi S (68,97%) e MDR (65,52%). La forte produzione di polisaccaridi era osservata nel 34,5% degli S, nel 48,3% degli MDR e nel 80,6% degli XDR. Tre isolati rappresentativi per ogni gruppo sono stati analizzati mediante RT-PCR durante la crescita planktonica e quella sessile, per confrontare l'espressione di geni coinvolti nell'antibiotico-resistenza (ompK35, ompK36, acrB) e nella formazione di biofilm ( mrkA, luxS,, pga, wbbM, wzm) Durante la crescita in biofilm, OmpK36 risultava sotto-espresso in tutti i ceppi; acrB e Luxs erano up-regolati nei ceppi XDR; mrkA diveniva up-regolato nei ceppi fortemente adesivi (OD≥1); pgaA era sovra-espresso in 2 ceppi MDR e nei 3 isolati XDR; wbbM e wzm erano up-regolati in tutti i ceppi XDR esaminati. In conclusione, i ceppi XDR sono apparsi in grado di sfruttare meccanismi multipli per formare biofilm complessi che a loro volta rendono tali isolati più virulenti e resistenti agli antibiotici. Due coppie di ceppi di K. pneumoniae, isolati da 2 pazienti prima e dopo la terapia antibiotica, sono state analizzate tramite tipizzazione e saggio di produzione di biofilm. In base ai dati ottenuti, la pressione antibiotica è apparsa selezionare ceppi più resistenti e forti produttori di biofilm.