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アイテム
東京都における侵襲性肺炎球菌感染症例由来 Streptococcus pneumoniae の細菌学的・分子疫学的研究
https://az.repo.nii.ac.jp/records/2000417
https://az.repo.nii.ac.jp/records/20004171125801a-2d98-4b4f-a833-8ffd66834062
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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diss_de_otsu0032.pdf (110.3 MB)
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diss_de_otsu0032_jab&rev.pdf (258 KB)
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| Item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 公開日 | 2025-03-13 | |||||||
| タイトル | ||||||||
| タイトル | 東京都における侵襲性肺炎球菌感染症例由来 Streptococcus pneumoniae の細菌学的・分子疫学的研究 | |||||||
| 言語 | ja | |||||||
| タイトル | ||||||||
| タイトル | Bacteriological and molecular epidemiological studies of invasive pneumococcal disease-derived Streptococcus pneumoniae in Tokyo, Japan | |||||||
| 言語 | en | |||||||
| 言語 | ||||||||
| 言語 | jpn | |||||||
| 資源タイプ | ||||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||
| アクセス権 | ||||||||
| アクセス権 | open access | |||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | |||||||
| 著者 |
内谷, 友美
× 内谷, 友美
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| 著者(英) | ||||||||
| 姓名 | Uchitani, Yumi | |||||||
| 言語 | en | |||||||
| 抄録 | ||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||
| 内容記述 | 肺炎球菌（Streptococcus pneumoniae）は主要な呼吸器感染症起因菌の一つであるが、ときに髄膜炎や敗血症等の重篤な疾患を引き起こす。本菌が血液、髄液またはその他の無菌的部位から分離される症例は侵襲性肺炎球菌感染症（IPD）と定義され、感染症法において五類全数把握疾患に指定されている。莢膜は本菌の主要な病原因子であると同時に血清型を決定する抗原であり、本菌の血清型は100種類以上存在する。わが国ではIPD予防のために、複数の血清型を含む多価ワクチンが定期接種として導入された結果、IPDは著しく減少した。しかしながら、IPD起因菌の血清型に変化が認められており、いくつかの非ワクチン血清型が問題となってきた。特にワクチン導入後、患者分離株の主要な血清型となった血清群24については、十分な分離株の解析がなされているとは言えない状況である。また、本菌の薬剤感受性の傾向は、ペニシリン（PCG）耐性の割合が減少傾向であるとされている。本菌の発生動向、血清型および薬剤感受性についての継続的な情報は、ワクチン効果の評価や治療時の抗菌薬選択において非常に重要である。 本研究では、ワクチン導入直後の2013年10月から2022年12月までの期間に都内医療機関で分離された肺炎球菌780株（0–14歳の小児398株、21–98歳の成人382株）を対象とし、血清型別および薬剤感受性試験について調査期間を1期（2013–2016年）、2期（2017–2019年）および3期（2020–2022年）に分けて調査を実施した。さらに、ワクチン導入後の主要な血清型の一つである血清型24Fを含む血清群24について、分子疫学解析を行い、以下のような知見を得た。 1）患者の臨床症状とワクチン接種歴の比較 患者の症状は、全年齢で原発巣不明の菌血症が38.1%と最多で、次いで肺炎が29.6%、髄膜炎が12.1%であった。臨床症状を小児と成人で比較すると、肺炎は成人で多く認められ、中耳炎、呼吸器症状、菌血症は小児で多く、IPDの臨床症状が小児と成人で異なることが明らかとなった。ワクチン接種歴については、小児症例ではワクチン接種率が90.7%であったが、成人症例におけるワクチン接種率は10.5%であった。成人におけるワクチン接種対象者の接種率は約50%と報告されているのに対し、本研究における成人の接種率は低く、このことが感染リスクの増加となっていることが示唆された。 2）血清型分布と薬剤感受性 1期から3期の全期間において血清型別の結果、菌株は42種類の血清型に型別された。小児由来菌株で最も多い血清型は、24F (17.3%)であり、次いで15A、24Bの順であった。一方、成人由来菌株で最も多い血清型は3 (13.6%)であり、次いで12F、19Aの順であり、小児と成人で血清型分布が異なることが明らかとなった。 調査期間中の動向については、小児においてはPCV13（小児対象13価ワクチン）血清型である19Aが1期から2期の間に減少した一方、同期間で15B、24Bは増加し、2期から3期の間で35Bは増加した。また、成人においては2期と3期の間でPPSV23（高齢者対象23価ワクチン）血清型である7F、12Fの減少、および非ワクチン型である34の増加が確認された。小児におけるPCV13含有血清型の割合は1期から3期にかけて、それぞれ19.4%、5.0%、1.2%であり、成人におけるPPSV23含有血清型の割合は76.2%、69.0%、45.1%と両者ともに有意に低下していた。 一方、薬剤感受性試験ではPCGに対する最小発育阻止濃度（MIC）値0.12 µg/mLを耐性とすると、1期から2期にかけて耐性率は25.5%から19.1%と減少したが、3期は30.3%と増加傾向であった。 以上により、ワクチン接種が血清型分布に与える影響が確認され、ワクチン型から非ワクチン型へのシフトが進んでいることが明らかになった。さらに、ワクチン導入後のPCG耐性率は減少傾向と考えられていたが、本研究において2020年以降再び上昇していることが確認され、臨床上PCG耐性菌（PRSP）に留意する必要が示された。 3）血清型と薬剤耐性率の関連および経年変化 PCG耐性率はPCV13ワクチン型では、6B、19Fおよび19Aが高く、非PCV13ワクチン型では15A、23Aおよび35Bの耐性率が高かった。PCGのMIC値が2 µg/mL以上の高度耐性株のうち15Aと35Bの両血清型で高度耐性株の64.7%を占めた。 非PCV13ワクチン型において、PCG耐性率は25.7%、17.7%、32.6%と推移した。各期間の35BのPCG耐性率はそれぞれ75.0%、42.9%、87.5%であり、2期から3期にかけて上昇が認められた。このことから、菌株の薬剤感受性傾向は血清型によりPCG耐性率が異なることが確認された。また、近年PCG 耐性率が再び上昇傾向を示したのは、35B 等のPCG 耐性率の高い非ワクチン型の増加が要因であり、これらの非ワクチン血清型への対策が必要であることを示唆した。 4）血清群24の血清型、遺伝子型および系統解析 前述の菌株の中で血清群24菌株と同定された121株に対し、7領域の遺伝子配列の差異で型別する MLST（Multilocus sequence typing）および全ゲノム解析による病原因子および系統解析を実施した。121株の血清型別は、24Fが74株、24Bが41株、24Cが4株で、他の2株については単一コロニーから分離されたにもかかわらず、24Fと24Cの両方の反応性を示す菌体が同時に観察され24F/Cとした。 MLSTの結果、ST（Sequence type）162が16株、ST2572が71株、ST2752が18株、ST5496が15株、ST18433（新規登録）が1株であった。各血清型におけるSTの変化は、2015年以前はすべての株がST2754またはST5496であったが、24Fについては2016年以降ST162が増加し、24Bにおいては2017年よりST2754が増加した。また、同一症例から24Fと24Bの異なる血清型が分離されたが、両株ともST162であった。 すべての供試菌株が保有する遺伝子領域の一塩基多型を基にしたCore gene SNPs解析の結果では、分離株はSTと相関する3系統に分類され、うち2系統において血清型は混在していた。以上により、東京都で分離された血清群24の主要な型は、現在はST162およびST2754であり、血清群24のゲノムは複数の系統間で血清型に多様性があることが明らかとなった。 5）病原性および薬剤耐性遺伝子の検索 各株の全ゲノム情報より、15種類の病原遺伝子と薬剤耐性関連遺伝子を検索した結果、全株がcbpD、cbpG、lytA、lytB、lytC、cbpE、pavA、hysA、nanA、eno、cppA、plyを保有していた。また、ST162またはST18433と同定された17株は全株が付着に関与する病原因子であるrlrA islet (rrgA、rrgB、rrgC、srtB、srtC、srtD )を保有しており、病原性の亢進が示唆された。 薬剤耐性遺伝子については、全株がPCG感受性であったが、PCG耐性に関与する遺伝子領域であるPBP（Penicillin binding protein）の型は、ST毎に異なる4種類の型に分類された。また、105株（86.8%）がermB（マクロライド耐性）とtetM（テトラサイクリン耐性）の両方を保有していた。また、コトリモキサゾール耐性については、血清群24のすべての株にfolAおよびfolPの変異が確認されたが、変異パターンはSTに応じて異なった。病原性遺伝子や薬剤耐性関連遺伝子のパターンはST毎に異なる傾向であることが判明し、近年血清群24として主流となっているST162やST2754ではコトリモキサゾール耐性が亢進していることが明らかとなった。 6）莢膜遺伝子領域の比較とabpA遺伝子のアミノ酸変異 各STと血清型別に抽出した6株について莢膜関連領域の遺伝子配列をCR931688（24F）とCR931687（24B）の参照配列と比較した結果、すべての東京株はdexBから5’側のtnpまでの配列は24F参照株に、3’側のglf周辺は24B参照株と相同性が高い配列を有していた。また、莢膜多糖の生合成に関与するとされるabpA遺伝子をCR931688と比較した結果、アミノ酸配列には19パターンが認められた。ST162は、共通してL77F、E100Dの変異が認められ、同一症例由来の2株のうち24BであったSp525株は、前述の変異に加えてP43L変異が認められた。abpA遺伝子の長さが変化した株はすべて24Bであった。K204E変異のみの株は61株と最も多く、24F、 24B、24C、24F/Cの血清型が存在した。これらのことから、東京における血清群24は、従来の報告とは異なる莢膜遺伝子の配列を持つことが解明され、一部のabpA遺伝子の変異パターンは、血清群24の血清型の決定に関与する可能性が示された。 7）ST162の系統解析と同一症例由来株の解析 同一症例由来の2株を含むST162に着目し、参照株を加えて全ゲノム系統解析を実施した。同一症例由来株は同枝に帰属し、これら2株は共通の由来を持つことが示唆された。さらに、ST162の中で唯一マクロライド耐性であったSp1057株は、英国等由来のマクロライド耐性株と同じクレードに属し、今後のST162のマクロライド耐性化に留意が必要であることが明らかとなった。また、同一症例から分離された2株の莢膜全長の塩基配列を比較したところ、abpAのP43Lの変異の要因となるT128Cの1塩基変異のみで、他の莢膜領域の塩基配列は同一であった。 以上により、abpA遺伝子産物のP43L変異は24Fから24Bへの血清型の変化に寄与する可能性が示唆された。 本研究において、ワクチン導入後のIPD症例の特徴やIPD由来肺炎球菌の血清型分布の変化、さらには薬剤感受性の長期的な動向を明らかにした。非ワクチン血清型の増加とPCG耐性菌の増加傾向が確認され、今後のワクチン施策や抗菌薬選択時の基礎データとして極めて有用である。一方、世界的にも重要な血清群24およびST162に関する全ゲノムの系統解析を初めて実施し、東京都の血清群24は3系統から構成されること、複数の系統間で血清型の多様性があることが示された。その中で、同一症例由来で共通の由来を持つと考えられる2株の血清型が異なったことや、24Fと24Cの両方の性質を示す血清型24F/Cが発見されたことは、血清型24Fにおける血清型の不安定さを裏付けるものであり、本菌が患者体内で変異し血清型を変化させる可能性を示した。さらに、ワクチン抗体だけでなく宿主免疫の標的となる莢膜についての詳細なゲノム解析から、abpA遺伝子の変異パターンが血清群24の血清型決定に大きく影響し、抗原性の変化からワクチン効果減弱および宿主免疫からの逃避による重症化のリスクにつながることを示唆する成果となった。 |
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| 言語 | ja | |||||||
| Abstract | ||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||
| 内容記述 | Streptococcus pneumoniae, a major pathogen responsible for respiratory infections, occasionally causes severe diseases such as meningitis and sepsis. When S. pneumoniae is isolated from sterile sites such as the blood or cerebrospinal fluid, the infection is classified as invasive pneumococcal disease (IPD), a Category 5 disease under Japan’s Infectious Disease Control Law. The bacterial capsule is a major virulence factor of S. pneumoniae and determines its serotype, and more than 100 serotypes have been identified to date. In Japan, multivalent vaccines targeting multiple serotypes have been introduced as part of routine vaccination programs, leading to a considerable reduction in IPD cases. However, there has been a shift in the serotype distribution causing IPD, with some non-vaccine serotypes now emerging as a growing concern. In particular, serogroup 24, which has become one of the dominant serotypes among IPD isolates following vaccine introduction, has not been sufficiently analyzed. Additionally, the antimicrobial susceptibility of S. pneumoniae indicates a decreasing rate of resistance to penicillin (PCG). Continuous monitoring of epidemiological trends, serotypes, and antimicrobial susceptibilities of S. pneumoniae is crucial for evaluating vaccine efficacy and selecting antibiotics during treatment. In this study, we analyzed 780 S. pneumoniae strains isolated from medical institutions in Tokyo between October 2013 and December 2022. Of these, 398 were from pediatric patients aged 0–14 years and 382 from adults aged 21–98 years. The study period was divided into three phases—Periods 1 (2013-2016), 2 (2017-2019), and 3 (2020-2022). Serotyping and antimicrobial susceptibility testing were conducted, and molecular epidemiological analysis focused on serogroup 24, including serotype 24F, which has become one of the major serotypes in IPD isolates since the introduction of the vaccine. The findings are summarized below. 1) Comparison of clinical symptoms and vaccination history The most common symptoms across all ages were bacteremia of unknown origin (38.1%), followed by pneumonia (29.6%) and meningitis (12.1%). When comparing clinical symptoms between children and adults, pneumonia was more common in adults, whereas otitis media, respiratory symptoms, and bacteremia were more common in children. These findings highlight the differences in the clinical manifestations of IPD between children and adults. Regarding vaccination history, 90.7% of pediatric patients had been vaccinated, whereas only 10.5% of adult patients had been vaccinated. Although the vaccination rate among adults eligible for vaccination has been reported to be 34% to 49%, the low vaccination coverage among adults in this study suggests an increased risk of infection. 2) Serotype distribution and antimicrobial susceptibility A total of 42 serotypes were identified across all periods. The most common serotype among pediatric strains was 24F (17.3%), followed by 15A and 24B. In contrast, the most common serotype among adult strains was 3 (13.6%), followed by 12F and 19A, indicating that the distribution of serotypes differs between children and adults. The prevalence of serotype 19A, included in the PCV13 vaccine (13-valent pneumococcal conjugate vaccine for children), decreased from Period 1 to Period 2, whereas the prevalence of 15B and 24B increased during the same period and that of 35B increased from Period 2 to Period 3. Among adults, the prevalence of serotypes 7F and 12F, included in the PPSV23 vaccine (23-valent pneumococcal polysaccharide vaccine for the elderly), decreased from Period 2 to Period 3, whereas that of non-vaccine serotype 34 increased. The proportions of PCV13 serotypes in pediatric isolates were 19.4%, 5.0%, and 1.2% for Periods 1, 2, and 3, respectively, while the proportions of PPSV23 serotypes in adult isolates were 76.2%, 69.0%, and 45.1%, showing a significant decline in both groups. Antimicrobial susceptibility testing showed that the rate of resistance to PCG, defined as the minimum inhibitory concentration (MIC) of 0.12 µg/mL, decreased from 25.5% in Period 1 to 19.1% in Period 2 but increased to 30.3% in Period 3. These results highlight the impact of vaccination on serotype distribution, with a shift from vaccine serotype to non-vaccine serotypes. Additionally, the rate of resistance to PCG, which was thought to decrease after vaccine introduction, was found to increase again since 2020, indicating that PCG-resistant strains need to be closely monitored in clinical settings. 3) Relationship between serotypes and antimicrobial susceptibility The PCG resistance rate was high in PCV13 serotypes 6B, 19F, and 19A and non-PCV13 serotypes 15A, 23A, and 35B. Among the strains with high PCG resistance (MIC ≥ 2 µg/mL), 64.7% belonged to serotypes 15A and 35B. For non-PCV13 serotypes, the PCG resistance rates were 25.7%, 17.7%, and 32.6% across Periods 1, 2, and 3, respectively. Notably, the resistance rates of serotype 35B during each period were 75.0%, 42.9%, and 87.5%, respectively, showing a significant increase from Period 2 to Period 3. These findings indicate that antimicrobial susceptibility trends vary across serotypes, with distinct PCG resistance patterns observed. In addition, the PCG resistance rate has shown a tendency to increase again in recent years due to the increase in the prevalence of non-vaccine serotypes, such as 35B, which exhibit high PCG-resistance rates, indicating the need for measures against these non-vaccine serotypes. 4) Serotype, genotype, and phylogenetic analyses of serogroup 24 Among the strains identified as serogroup 24, 121 were subjected to multilocus sequence typing (MLST), a method which classifies bacterial strains based on the sequences of seven housekeeping genes. Whole-genome analysis was also performed to investigate virulence factors and conduct phylogenetic analysis. Serotyping revealed that 74 strains were 24F, 41 were 24B, and 4 were 24C. Two strains isolated from a single colony culture reacted to both 24F and 24C and were designated as 24F/C. MLST analysis identified the following sequence types (STs): 16 strains as ST162, 71 as ST2572, 18 as ST2752, 15 as ST5496, and 1 as ST18433 (a newly registered ST). The annual trends in the prevalence of these STs for each serotype showed shifts in their proportions. Before 2015, all serogroup 24 isolates belonged to either ST2572 or ST5496; however, since 2016, ST162 has become more prevalent among 24F isolates, and the prevalence of ST2754 has increased in 24B isolates from 2017 onwards. Notably, the two strains isolated from the same patient were identified as two different serotypes (24F and 24B), both belonging to ST162. Core gene SNP analysis, based on single nucleotide polymorphisms in the core genome, revealed that the isolates could be classified into three lineages, each correlated with distinct STs. Interestingly, the serotypes were interspersed across two of these clades. These results indicate that the dominant serotypes of serogroup 24 isolates in Tokyo are currently ST162 and ST2754 and that there is a substantial serotype diversity within the genome of serogroup 24, represented across multiple lineages. 5) Detection of virulence and antimicrobial resistance genes Fifteen virulence-related genes and several antimicrobial resistance-related genes were identified through the whole-genome sequencing of each strain. All strains carried a core set of virulence genes, including cbpD, cbpG, lytA, lytB, lytC, cbpE, pavA, hysA, nanA, eno, cppA, and ply. All 17 strains identified as ST162 or ST18433 harbored rlrA islets (rrgA, rrgB, rrgC, srtB, srtC, and srtD), which are known virulence factors involved in adhesion, suggesting that these strains may have enhanced virulence. Although all strains were PCG-sensitive, the types of penicillin-binding proteins involved in PCG resistance were classified into four different types, depending on the ST. Additionally, 105 isolates (86.8%) harbored both ermB (macrolide-resistant) and tetM (tetracycline-resistant). For co-trimoxazole resistance related genes, mutations in folA and folP were identified in all serogroup 24 strains, but the mutation patterns varied according to ST. The patterns of possession of virulence and antimicrobial resistance genes varied by ST, and recently dominant STs in serogroup 24, such as ST162 and ST2754, showed increased resistance to co-trimoxazole. 6) Comparison of capsular gene regions and mutations in abpA The gene alignments of the capsular regions of six strains, selected based on ST and serotype, were compared with the reference sequences CR931688 (24F) and CR931687 (24B). The analysis revealed that each strain had gene sequences similar to those of the 24F reference strain from dexB to the 5′ end of tnp and sequences similar to the 24B reference strain around glf at the 3′ end. The gene sequence of abpA, which is involved in the biosynthesis of capsular polysaccharides, was compared with that of CR931688, and 19 variants of amino acid sequence patterns were identified. The strains classified as ST162 commonly exhibited L77F and E100D mutations, while Sp525, a 24B strain from the same patient, had an additional P43L mutation. All strains with altered gene lengths were identified as serotype 24B. Sixty-one strains with only the K204E mutation, representing the most prevalent group, were identified, including serotypes 24F, 24B, 24C, and 24F/C. These results indicate that serogroup 24 in Tokyo has a different capsular gene alignment than that previously reported and that some abpA gene mutation patterns may contribute to serotype determination within serogroup 24. 7) Phylogenetic analysis of ST162 and analysis of strains from the same patient A phylogenetic analysis was performed on ST162, focusing on two strains isolated from the same patient. A whole-genome phylogenetic analysis, performed with the reference strains, showed that both strains clustered together on the same branch, suggesting a common origin. Furthermore, the only macrolide-resistant strain of ST162, Sp1057, belonged to the same clade as other macrolide-resistant strains from the U.K. and other regions, indicating the need to monitor the potential for macrolide resistance in ST162. A further comparison of the full-length capsular sequences of the two isolates from the same patient revealed that a single nucleotide mutation in T128C resulted in a P43L mutation in the abpA product. All the remaining nucleotide sequences in the capsular region were identical. These results suggest that the P43L mutation in abpA can change the serotype from 24F to 24B. In conclusion, this study provided valuable insights into IPD cases after vaccine introduction, highlighting the changes in S. pneumoniae serotype distribution and the long-term trends in antimicrobial resistance. An increase in the prevalence of non-vaccine serotypes and a growing trend of the occurrence of PCG-resistant strains were observed, providing valuable baseline data to inform future vaccine strategies and the selection of antimicrobial agents. Additionally, we conducted the first global phylogenetic analysis of serogroup 24 and ST162, both of which are of major concern globally. Our findings revealed that serogroup 24 isolates from Tokyo were composed of three lineages with diverse serotypes among multiple clades. Notably, two strains from the same patient, although genetically related, exhibited different serotypes; additionally, the discovery of a serotype (24F/C), displaying features of both 24F and 24C, underscores the antigenic instability of serotype 24F. These findings indicate the potential for serotype conversion during infection. Furthermore, a detailed genomic analysis of the bacterial capsule, which is targeted by both vaccines and the host immune system, revealed that mutations in the abpA gene considerably influenced serotype determination within serogroup 24. These mutations may lead to antigenic changes that could reduce vaccine efficacy and increase the risk of the development of severe diseases through immune evasion. |
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| 言語 | en | |||||||
| 学位名 | ||||||||
| 学位名 | 博士(学術) | |||||||
| 学位授与機関 | ||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||
| 学位授与機関識別子 | 32701 | |||||||
| 学位授与機関名 | 麻布大学 | |||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||
| 学位授与年月日 | 2025-01-09 | |||||||
| 学位授与番号 | ||||||||
| 学位授与番号 | 乙第32号 | |||||||
| Rights | ||||||||
| 値 | 本研究の成果は以下の学術雑誌に掲載されたものである。 １．内谷友美, 奥野ルミ, 有吉司, 田淵優里, 久保田寛顕, 鈴木淳, 貞升健志： 東京都内におけるワクチン導入後の侵襲性肺炎球菌感染症由来菌株の血清型および薬剤感受性（2013 年～2022 年）。感染症学雑誌，98 巻，2 号，134～145頁，2024 年 ２．Uchitani,Y., Okuno,R., Ariyoshi,T., Kubota,H., Suzuki,J., Sadamasu,K.：Genetic characteristics of invasive pneumococcal disease-derived Streptococcus pneumoniae of serogroup 24 isolated in Tokyo, Japan. Journal of Infection and Chemotherapy, 31:102484, 2025 https://doi.org/10.1016/j.jiac.2024.07.024 |
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| 著者版フラグ | ||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||
