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Streptococcus pneumoniae, resistance and disease in adults in the era of conjugate vaccines

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Universitat de Barcelona. Departament de Patologia i Terapèutica Experimental

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[eng] Streptococcus pneumoniae is an important human pathogen, being one of the main etiological agents of serious infectious diseases such as pneumonia or meningitis and other less serious like otitis media. S. pneumoniae adheres to the respiratory epithelium being part of the nasopharyngeal microbiome. This nasopharyngeal colonization is more frequent in young children (colonization percentages of around 27-65%) than in adults with a frequency of colonization around 10%. In recent years, the introduction of the pneumococcal conjugate vaccines (PCVs) for children has changed the epidemiology of pneumococcal diseases. Since vaccination by PCVs prevents the carrier status of those strains expressing serotypes included in the vaccine, their transmission is reduced and a beneficial group protection (“herd protection”) occurs in the non-vaccinated population. Three PCVs have been marketed in Spain: PCV7 (introduced in 2001), PCV10 (in 2009) and PCV13 (which replaced PCV7 in 2010). All of them were administered voluntarily until 2015, when PCV13 became part of the routine vaccination schedule for children and were subsidized by the government. The main objective of this thesis is to study the impact of the introduction of PCVs in children on invasive pneumococcal disease in adults (IPD). The works included in this thesis focus on describing the effects of the introduction of PCVs in Spain on the epidemiology of IPD in adults. Specifically, this thesis has studied the changes in the incidence of IPD, in the rates of antibiotic resistance, in the clones responsible for IPD and in the clinical characteristics of patients in the era of PCVs. The first part of this thesis shows how the introduction of PCV13 in Spain caused an early decrease in the incidence of adult IPD. The global incidence of IPD decreased by 33.9% from 2008-2009 to 2012-2013. These results were related to a decrease in the incidence of those serotypes included in PCV7 (decrease of 52.7%) and of those additional PCV13 (decrease of 55.0%), while disease caused by non-vaccine serotypes remained stable. The reduction in IPD rates was greater in the Community of Madrid, a community in which PCVs (PCV7 and later PCV13) were included in the routine childhood vaccination schedule in 2009. Regarding the additional PCV13 serotypes all decreased except serotype 3 which remained stable, possibly indicating a lower effectiveness of PCV13 in preventing IPD due to this serotype. On the other hand, a change was observed in two non-vaccine serotypes: first, a decrease in the incidence of serotype 8, probably due to the disappearance of an outbreak in young adults in the Madrid region in previous years. And, second, an increase in serotype 6C that may indicate a minor effect of the described cross-reactivity with serotype 6A (included in PCV13). Regarding antibiotic susceptibility, a non-statistically significant increase in the frequency of isolates non-susceptible to penicillin (MIC ≥ 0.12 mg/L, 22.7% vs 26.8%, p = 0.065), cefotaxime (MIC > 0.5 mg/L, 10.1% vs 12.5%, p = 0.14) and MDR isolates (13.1% vs 16.2%, p = 0.08) was observed. In spite of that, the incidence of IPD caused by these resistant isolates remained stable over time. Because we detected an increase in the rates of non-susceptibility to penicillin and cefotaxime after PCV13, in the second work we aimed to study the local impact of PCVs on the incidence of IPD due to MDR and penicillin non-susceptible strains. The period analysed (1994-2018) includes two key moments for the study of the evolution of IPD in Spain: the introduction of PCV7 and PCV13 vaccines in 2001 and 2010, respectively. In this study, we analysed changes in the incidence of IPD, antimicrobial susceptibility, evolution of clones responsible for multidrug-resistance, and clinical characteristics of patients. Our results demonstrated that PCVs have been beneficial in reducing the incidence of resistant strains (risk ratio [RR] comparing the period 1994- 2000 with the period 2016-2018: 0.70 [95% CI 0.53–0.93]) while the effect on the incidence of IPD due to susceptible strains was limited (RR 0.96 [95% CI 0.80–1.16]). Therefore, while the overall incidence of IPD in the adult population has shown a slight non-statistically significant decrease (RR 0.87 [95% CI 0.74–1.02], the rates of resistance to most antimicrobials have been reduced. With respect to genotypes associated with antimicrobial resistance, about 50% of IPD due to resistant strains in the 2016-2018 period was caused by two clones: Spain9V-ST156 (serotype 11A) and Denmark14-ST230 (serotype 24F). We also evaluated the putative coverage of two vaccines that are under development (PCV15 and PCV20), concluding that almost half of the current resistant strains express serotypes not included in these vaccines, so their efficacy with respect to antibiotic resistance may be limited. Finally, we also analysed the clinical characteristics of the patients with resistant IPD, showing that, despite not being an independent factor associated with mortality, resistant strains appear in patients with worse prognosis (advanced age, more comorbidities, nosocomial acquisition and previous antibiotic therapy) which leads to higher mortality. The last part of this thesis focuses on the study by WGS of the genetic evolution of the clone Spain9V-ST156 (PMEN3) over a period of 30 years (1987–2016). In Spain, this clone has been the most frequent among β-lactam resistant strains causing IPD and has classically been associated with serotypes 9V and 14. In our study, this clone was responsible for more than 12% of all cases of IPD in adults during the 90s. The introduction of PCV7 in 2001 (which included serotypes 9V and 14) caused a progressive decrease in the incidence of the PMEN3 clone. Despite this, the appearance of strains expressing serotype 11A (not included in PCV13) in recent years has allowed this clone to persist as a cause of IPD. The WGS study allowed us to identify 6 lineages within this clone with different prevalence over time. All lineages were derived from the original ST1569V except the last one (ST652111A) which originated from the ST8389V lineage through a capsular switching event and the acquisition of capsular type 11A. Using WGS, it was also possible to verify the existence of two different serotype 14 lineages (ST156) that independently emerged during the 1990s and that could not be easily detectable with the usual typing techniques (PFGE or MLST). Furthermore, the study showed evidence of recombination events in three chromosomal regions: the capsular operon (capsular switching) and the adjacent regions containing pbp2x and pbp1a genes, the murM region, and the region containing pbp2b–ddl genes. Then, all the chromosomal regions that had undergone changes were associated with capsular switching or β-lactam resistance, which evidenced the enormous impact of the introduction of PCVs and broad-spectrum β- lactams on the evolution of this clone. Finally, despite the genetic changes detected, no differences in the clinical characteristics of patients were found, which highlighted the importance of the PMEN3 genetic background. In this sense, the majority of strains harboured prophages with genes coding for PblB proteins, which have recently been associated to platelet aggregation and increased mortality in IPD.

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[spa] Streptococcus pneumoniae es uno de los patógenos humanos más importantes, siendo uno de los principales agentes etiológicos de enfermedades graves como neumonía o meningitis y otras menos graves como puede ser la otitis media. S. pneumoniae se adhiere al epitelio respiratorio y forma parte de la microbiota nasofaríngea. Esta colonización nasofaríngea es más frecuente en los niños pequeños (porcentajes de colonización de alrededor 27-65%) mientras que en adultos la frecuencia de colonización suele ser inferior, alrededor del 10%. En los últimos años la introducción de las vacunas conjugadas neumocócicas (VCNs) en niños ha cambiado la epidemiología de las enfermedades neumocócicas. Debido a que la vacunación mediante VCNs previene el estado de portador de aquellas cepas con serotipos incluidos en la vacuna, la transmisión de estos serotipos se ve reducida y se produce un efecto beneficioso de protección de grupo (“herd protection”) en la población no vacunada. En España se han comercializado tres PCVs: PCV7 (introducida en 2001), PCV10 (en 2009) y PCV13 (que sustituyó a la PCV7 en 2010). Todas ellas se administraron de forma voluntaria sin estar incluidas en el calendario de vacunación hasta el año 2015, en el que la PCV13 pasó a formar parte de las vacunas incluidas en el calendario de vacunación sistemática gratuita en niños. Esta tesis tiene como objetivo principal estudiar el efecto de la introducción de las PCVs en niños en la enfermedad neumocócica invasiva en adultos (ENI). Los trabajos incluidos en esta tesis se centran en describir los efectos de la introducción de las PCVs en España sobre la epidemiología de la ENI en adultos. En concreto, en esta tesis se han estudiado los cambios en la incidencia de ENI, en las tasas de resistencia antibiótica, en los clones responsables de ENI y en las características clínicas de los pacientes en la era de las PCVs. La primera parte de esta tesis muestra como la introducción de la PCV13 en España en el año 2010 causó un rápido descenso en las tasas de incidencia de ENI en adultos. La incidencia global de ENI se redujo un 33.9% desde el periodo 2008-2009 hasta el 2012-2013. Estos resultados se relacionaron con un descenso en la incidencia de aquellos serotipos incluidos en la PCV7 (descenso del 52.7%) y de los adicionales PCV13 (descenso del 55.0%), mientras que los serotipos no vacunales se mantuvieron estables. La reducción en las tasas de ENI fue mayor en la Comunidad de Madrid, comunidad en las que las PCVs (PCV7 y posteriormente PCV13) se incluyeron en la vacunación sistemática infantil en 2009. Respecto a los serotipos adicionales PCV13, todos descendieron excepto el serotipo 3 que se mantuvo estable lo que puede indicar una menor efectividad de la PCV13 en prevenir la ENI debida a este serotipo. Por otro lado, se observó un cambio en dos serotipos no vacunales: un descenso en el serotipo 8, probablemente debido a la desaparición de un brote en adultos jóvenes en la región de Madrid en los años previos, y un incremento en el serotipo 6C que puede indicar una ausencia de la descrita reactividad cruzada con el serotipo 6A (incluido en la PCV13). Respecto a los datos de sensibilidad antibiótica, se observó un incremento no estadísticamente significativo en la frecuencia de aislados no sensibles a penicilina (MIC ≥ 0.12 mg/L, 22.7% vs 26.8%, p = 0.065), cefotaxima (MIC > 0.5 mg/L, 10.1% vs 12.5%, p = 0.14) y en la de aislados MDR (13.1% vs 16.2%, p = 0.08). A pesar de ello, la incidencia debido a estos aislados resistentes se mantuvo estable. Como detectamos un aumento de las tasas de no susceptibilidad a la penicilina y a la cefotaxima tras la PCV13, en el segundo trabajo nos propusimos estudiar el impacto de las PCV sobre la incidencia de la ENI debido a las cepas no sensibles a penicilina y MDR. El período analizado (1994-2018) incluye dos momentos clave para el estudio de la evolución de la ENI como son la introducción de las vacunas PCV7 y PCV13 en los años 2001 y 2010, respectivamente. En el estudio analizamos los cambios en la incidencia de la enfermedad neumocócica invasiva, la evolución de los clones responsables de la multirresistencia y las características clínicas de los pacientes durante los últimos 25 años. Los resultados mostraron que las PCVs han tenido un efecto beneficioso sobretodo en la disminución de la incidencia de cepas resistentes (riesgo relativo [RR] comparando el periodo 1994-2000 con el periodo 2016-2018: 0.70 [95%IC 0.53–0.93]) mientras que su impacto sobre la incidencia de ENI debida a cepas sensibles ha sido limitado (RR 0.96 [95%IC 0.80–1.16]). Estos datos muestran que mientras la incidencia global de ENI en la población adulta ha mostrado un leve descenso, no estadísticamente significativo (RR 0.87 [95%IC 0.74–1.02], las tasas de resistencia a la mayoría de antimicrobianos han descendido. Con respecto a los genotipos resistentes, alrededor del 50% de la ENI actual debida a cepas resistentes está causada por dos clones: Spain9V-ST156 (serotipo 11A) y Denmark14-ST230 (serotipo 24F). En el trabajo también evaluamos las tasas de cobertura de dos vacunas que actualmente están en desarrollo (PCV15 y PCV20) concluyendo que casi la mitad de las cepas multiresistentes actuales expresan serotipos no incluidos en estas vacunas por lo que su eficacia con respecto a la resistencia antibiótica puede ser limitada. Por último, también analizamos las características clínicas de los pacientes con ENI concluyendo que, a pesar de no ser un factor independiente asociado a mortalidad, las cepas resistentes aparecen sobretodo en pacientes con peor pronóstico (edad avanzada, más comorbilidades, adquisición nosocomial y antibioterapia previa) lo que conlleva una mayor mortalidad. La última parte de esta tesis se centra en el estudio mediante WGS de la evolución genética del clon Spain9V-ST156 (PMEN3) durante un periodo de 30 años (1987–2016). En España, este clon ha sido el más frecuente entre las cepas resistentes a β-lactámicos causantes de ENI y clásicamente se ha asociado a los serotipos 9V y 14. En nuestro estudio este clon ha sido responsable de más del 12% de todos los casos de ENI en adultos durante los años 90. La introducción de la PCV7 en el año 2001 (incluyendo serotipos 9V y 14) hizo que la incidencia del clon PMEN3 progresivamente disminuyera pero la aparición de cepas expresando el serotipo 11A (no incluido en la PCV13) durante los últimos años ha permitido a este clon mantenerse como una causa importante de ENI. El estudio mediante WGS permitió identificar 6 linajes dentro de este clon con prevalencias distintas a lo largo del tiempo. Todos los linajes derivaron del original ST1569V excepto el último (ST652111A) que se originó a partir del linaje ST8389V mediante un evento de intercambio capsular con la adquisición del tipo capsular 11A. Mediante WGS también se pudo constatar la existencia de dos linajes distintos del serotipo 14 con el mismo ST156 que emergieron de forma independiente durante los años noventa y que no podían ser fácilmente detectables con las técnicas de tipado habituales. Además, el estudio mostró evidencia de eventos de recombinación en tres regiones cromosómicas: el operón capsular (intercambio capsular) y las regiones adyacentes que contienen los genes pbp2x and pbp1a, el gen murM y la región con los genes pbp2b–ddl. De esta forma, todas las regiones cromosómicas que habían sufrido cambios a lo largo del tiempo estaban relacionadas con eventos de intercambio capsular o de resistencia a β-lactámicos, lo que evidenciaba el impacto por un lado de las vacunas conjugadas y por el otro de la presión antibiótica en la evolución de este clon. Por último, a pesar de los cambios genéticos detectados, no se encontraron diferencias en las características clínicas de los pacientes a lo largo del tiempo lo que mostraba la importancia de su background genético. En este sentido, la mayoría de cepas presentaban profagos con la presencia de genes que codifican para proteínas PblB, recientemente relacionadas con agregación plaquetaria y aumento de mortalidad en ENI.

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Tesis Doctorals - Departament - Patologia i Terapèutica Experimental

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Streptococcus pneumoniae, resistance and disease in adults in the era of conjugate vaccines