Molecular Characterization and Antibiotic Susceptibility Pattern of Staphylococcus aureus Isolated from Clinical and Environmental Sources

By

AYEPOLA, OLAYEMI OLUSEUN

Presented To

Department of Biological Science

ABSTRACT

Staphylococcus aureus is an important pathogen causing skin and soft-tissue infections, systemic infections and toxemic syndromes. In order to have adequate information for treatment of S. aureus infections, it is important to understand trends in the antibiotic-resistance patterns as well as clonal identities across geographical regions. A total of 297 non-duplicate S. aureus isolates (209 clinical, 84 carrier and 4 environmental) were characterized by phenotypic and genomic methods. Antimicrobial susceptibility testing was performed by disk diffusion and the automated VITEK-2 system. PCR was used to amplify genes for accessory gene regulator (agr); capsular polysaccharide (cap) 5 and 8, exfoliative toxins (eta and etb), the toxic shock syndrome toxin- 1(tst) and Panton-Valentine Leukocidin (PVL). Typing of isolates was by the staphylococcal protein A (spa) typing. High level resistance was observed against penicillin and ampicillin (97.3%); trimethoprim/sulfamethoxazole (80%) and tetracycline (17.5%). Azithromycin, clarithromycin, erythromycin, clindamycin, linezolid, vancomycin, nitrofurantoin, fusidic acid, mupirocin and rifampicin recorded 100% activity against the isolates. Ninety-five percent of all strains (n=281) harboured the β-lactamase (blaZ) gene and 2.7% (n=8) possessed the mecA gene. The methicillin resistant S. aureus (MRSA) strains were resistant to at least 10 antibiotics including all penicillins, penicillin/penicillinase inhibitor combinations, carbapenem and cephalosporins. The staphylococcal cassette chromosome mec (SCCmec) typing of MRSA strains detected only SCCmec types I and IV in two strains (Y260: type I and Y59: type IV). The eta and tst genes were present in 0.7% (n=2) and 1.7% (n=5) of S. aureus isolates respectively. A high prevalence of PVL genes was noted in clinical isolates (79.4%; n=166); carrier isolates (56%; n=47) and environmental isolates (75%; n=3). The PVL protein was expressed in vitro by 68.5% of strains harboring lukS-PV and lukF-PV gene. All strains carried either the cap8 (91.9%; XX n=273) or cap5 locus (7.7%; n=23) while one MRSA strain was untypeable. A Single agr allele was detected in each S. aureus isolate with the majority in agr-2 (73.4%; n=218). Thirty-seven spa types were identified; predominant spa types among the methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) were t084 (65%), t2304 (4.4%) and t8435 (4%). Prevalent spa types in MRSA were t002, t008, t064, t194, t8439, t8440 and t8441. Eleven novel spa types (t8435, t8436, t8437, t8438, t8439, t8440, t8441, t8442, t8952, t8953, t8953) were identified. The pT181 plasmid was successfully used to confer tetracycline resistance in S. aureus strains A56 and Y1. The use of phenotypic and molecular methods in this study provided useful information on antibiotic resistance and genetic diversity of S. aureus isolates from Ogun and Lagos States of Nigeria. The information provided could help in monitoring the evolution of S. aureus strains in Nigeria over time.
TABLE OF CONTENTS


Title  page -  -  -  -  -  -  -  -  -  - I
Certification -  -  -  -  -  -  -  -  -  - ii
Declaration -  -  -  -  -  -  -  -  - iii
Dedication -  -  -  - -  -  -  -  - iv
Acknowledgements -  -  -  - -  -  - -  -  -  -  -  -  - vi
Table of Contents -  -  -  -  -  -  -  -  - -  - vii
List of Tables -  -  -  -  -  -  - ix
List of Figures -  -  -  -  - -  -  -  -  -  -  - xvi
List of Plates -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - xviii
Abstract -  -  -  -  -  -  -  -  -  - xix


CHAPTER ONE: INTRODUCTION
11Background -  -  -  -  -  -  - - 1
12 Importance of this research -  -  -  -  -  -  -  -  - - 3
13  The aim and objectives of the research -  -  -  -  -  -  -  - - 4

CHAPTER TWO: LITERATURE REVIEW
21  The staphylococci -  -  -  -  -  -  -  - 6
211  Important properties -  -  -  -  -  - 6
212  Staphylococcus  aureus  genome -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 7
213  Staphylococcus aureus  cell Wall -  -  -  -  - 9
22  Staphylococcus aureus  virulence determinants -  -  -  - 10
221  Exfoliative toxins -  -  -  -  -  -  -  - 11
222   Adhesins -  -  -  -  -  -  - 12
223   Superantigenic  exotoxins -  -  -  -  -  -  -  - 13
224   Staphylococcus aureus  enzymes -  -  -  -  - 14
225  Leukocidins -  -  -  -  -  - 15
23   Staphylococcus aureus  pathogenesis -  -  -  - 15
23 1   Staphylococcus aureus  infections -  -  -  -  - 18
24  Nasal carriage of  Staphylococcus aureus -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 20
241  Staphylococcus aureus  colonization among health-care workers -  -  -  - 21
242  The environment as a source of infection -  -  -  -  -  - 22
25   Coagulase negative staphylococci -  -  -  -  - 23
251   Biofilm formation in staphylococci -  -  - -  -  -  -  - 26
26   Emergence of antimicrobial resistance -  -  -  -  -  -  - 27
261  Genetics of antimicrobial resistance -  -  -  -  -  -  -  - 28
262   Evolution of methicillin resistant  S  aureus  (MRSA) -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 28
27   Antistaphylococcal agents -  -  -  -  -  -  -  - 33
271   β-lactam antibiotics -  -  -  -  -  -  - 33
272  Penicillins -  -  -  -  -  -  - 33
273  Penicillinase-stable β-lactams -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 36
274  Genetics of methicillin resistance -  -  -  - 36
275   Macrolides, Lincosamides & Streptogramins - -  -  - 39
276   Fluoroquinolones - -  -  -  -  -  - 40
277   Aminoglycosides -  -  -  -  -  - -  -  41
278   Tetracyclines -  -  -  -  -  -  - -  -  41
279  Sulfonamides & Trimethoprim -  - -  -  -  -  -  -  -  -  - 42
2710 Glycopeptides -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  43
2711 Linezolid -  -  -  -  -  -  -  44
2712 Daptomycin -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  44
2713 Tigecycline -  -  -  -  -  - 45
2714 Quinupristin–dalfopristin -  -  -  -  -  -  -  -  -  45
28  Epidemiology of  S aureus  infections -  -  -  -  -  -  -  - 50
29  Molecular typing  methods for  S aureus -  -  -  -  -  -  - 54
291  Antibiogram -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 56
292  Bacteriophage typing  -  -  -  -  -  -  56
293  Plasmid  profile analysis  -  -  -  -  -  -  - -  - 57
294   Pulsed Field Gel electrophoresis  (PFGE) -  -  -  -  -  -  -  58
295   Polymerase Chain Reaction (PCR) -  -  -  -  -  59
296   Real-Time Polymerase Chain Reaction  -  -  -  -  -  -  -  -  61
297   Coagulase gene typing  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  61
298  Staphylococcal protein A  (spa) typing -  -  -  -  -  -  - 62
299   Staphylococcal Cassette Chromosome  mec  (SCCmec) typing -  -  -  -  - 63
2910 Multilocus Sequence Typing (MLST) -  -  -  -  -  -  - 64
210  Strategies for control of  S  aureus  infections -  -  -  -  -  -  - 65
2101 Hand washing -  -  -  -  -  -  -  -  - 66
2102 Screening of staff -  -  -  -  -  - -  - 67
2103 Environmental cleaning -  -  -  -  -  -  - -  - 68

CHAPTER THREE: MATERIALS AND METHODS
31  Materials -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 69
311  Bacterial isolates -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 69
312  Reference bacterial strains -  -  -  - -  -  -  - 69
313  Antimicrobial agents -  -  -  -  -  -  -  -  - -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 70
314  Polymerase chain reaction (PCR) primers -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 70
315  Centers of study -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 70
32   Methods -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 75
321  Collection of bacterial samples -  -  -  -  -  -  - 75
322 Patient demographics -  -  -  -  -  -  - 75
323 Maintenance of bacterial strains -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 75
33    Identification of bacterial isolates -  -  -  -  -  - 76
331 Gram stain -  -  -  -  -  -  - 76
332 Catalase test -  -  -  -  -  - 76
333 Coagulase test -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 76
334 Latex agglutination test -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 77
335 Identification with VITEK-2 -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 77
34    Antimicrobial susceptibility testing -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 79
341  Antibiotic susceptibility testing by  disk diffusion technique   -  -  -  -  -  -  - 79
342  Antimicrobial susceptibility testing with VITEK-2 -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 80
35    Molecular techniques used  -  -   -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 81
351   DNA extraction for amplification -   -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 81
352    Polymerase chain reaction (PCR) -  -  -  -  - 81
353   Agarose Gel Electrophoresis -  -  -  -  -  -  - 81
36     Identification of S aureus by detection of nuc gene -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 82
37     Detection of antibiotic resistance genes -  -  -  -  -  -  - 83
371   Detection of the beta-lactamase gene (blaZ) gene -  -  - 83
372    Amplification of the mecA gene -  -  -  -  - 83
373   Characterization of SCCmec  -  -  -  -  -  -  - 84
38     Accessory gene regulator (agr) typing -  -  -  -  -  -  -  - 84
39      Characterization of virulence determinants - -  -  -  -  -  -  -  - 84
391    Detection of capsular genotype -  -  -  -  -  - 84
392   Staphylococcal toxin gene detection -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 85
393    Detection of  lukS-PV and lukF-PV   -  -  -  -  -  -  - 85
394   Quantitative detection of the PVL protein -  -  -  -  -  - 86
3941 Extraction of  LukS-PV -  -  -  -  - 86
3942 Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) -  -  - -  - 86
3943 Gel  preparation -  -  -  -  - -  - 87
3944 Electrophoresis -  -  -  -  - - - 87
3945 Western Blot -  -  -  -  -  - -  - 88
310    Genotyping of  S aureus  strains -  -  -  -  - -  - 89
3101      Protein A (spa) gene amplification -  -  -  - 89
311     Transformation experiments -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 90
3121   Making electrocompetent cells -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 91
3122 Transformation of  S aureus  RN4220  by electroporation -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 91
3123 Extraction of plasmid DNA -  -  -  -  -  -  - - 92
3124  Transformation of  S  aureus  strains -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 92
313   Statistical analysis -  -  -  -  -  -  -  - -  -  -  - 93

CHAPTER FOUR: RESULTS
41   Identification of isolates used in this study -  -  -  -  -  - -  -  - 94
42   Antimicrobial susceptibility profile of  S aureus  strains -  -  -  - 94
43   Comparison of antimicrobial susceptibility profile of  S aureus  and  coagulase negative
staphylococcal  strains -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - -  - 96
44   Identification of antibiotic resistance genes in  S aureus  strains -  -  -  -  - 97
45    Identification of virulence determinants in  S aureus isolates -  - 110
451   Identification of the capsular polysaccharides in  S aureus  isolates  -  -  - 110
452   Prevalence of toxin genes in S aureus strains -  -  -   - 110
453  Comparison of virulence determinants in  S aureus  isolates from clinical, carrier and
environmental sources   -  -  -  -  -  -  - -  -  -  -  110
454    Disease-association of PVL    -  -  -  -  - -  111
455   Detection and quantification of LukS-PV protein in PVL-gene positive S aureus   isolates
 -  -  -  -  -  -  -  -  -  - -  -  - 112
46   agr  typing and relationship with virulence determinants -  -  - 112
47   Molecular diversity of S aureus based staphylococcal protein A (spa) typing -  -  -  - 128
48   Characterization of MRSA strains -  -  -  -  -  -  -  - 129
49  Transfer of plasmid-mediated antibiotic resistance to 2 tetracycline-suceptible S   aureus
strains -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 137

CHAPTER FIVE: DISCUSSION
51   Identification and confirmation of  S aureus  strains -  -  -  -  -  - 139
52   Antibiotic resistance in  S aureus  strains -  -  -  -  -  - 140
521   Comparison of  antimicrobial susceptibility pattern of  S aureus  with coagulase negative
staphylococci -  -  -  -  -  -  -  -  - 141
53   Detection of antibiotic resistance genes -  -  -  -  -  -  - 143
54   Identification of virulence determinants in  S aureus  isolates -  - 146
541 l  Identification of the capsular polysaccharides in  S aureus  isolates -  -  - -  -  -  - 146
542   Staphylococcus aureus  toxin genes -  -  -  - 147
543   Prevalence of Panton Valentine Leukocidin (PVL) genes and the expression of its protein
in  S aureus  isolates -  -  -  -  - 148
55   Relationship agr  groups and virulence determinants -  -  -  -  -  - 151
56   Molecular diversity of  S aureus  isolates  based  on  staphylococcal protein A (spa)
typing -  -  -  -  -  -  -  - 153
57   Transfer of plasmid-mediated antibiotic resistance to  Staphylococcus aureus  strains156
CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS -  -   -  -  -  158
CONTRIBUTIONS TO  KNOWLEDGE -  -  -  -   -  -  -  -  160
REFERENCES -  -  -  -  -  -  - 161
APPENDICES


LIST OF TABLES


Table 21: Examples of antimicrobial  resistance determinants in  S  aureus -  -  -  -  -  -  -  - 47
Table 31 PCR primers used in this study -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - -  - 73
Table 41 Distribution of staphylococcal isolates obtained from clinical, carrier and
environmental  sources -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 98
Table 42 Antimicrobial resistance profile of 297 S aureus strains obtained from clinical,
carriage and environmental sources -  -  -  -  -  -  - 99
Table 43 Resistance phenotype of S aureus isolates from clinical, carriage and environmental
sources -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 100
Table 44 Antimicrobial resistance profile of MRSA -  -  -  - 101
Table 45 Antimicrobial susceptibility profile of staphylococcal isolates   -  -  - -  -  -  -  - 102
Table 46 Distribution of virulence determinants in S aureus isolates from carrier, clinical and
environmental sources -  -  -  -  -  - 114
Table 47 Comparison of virulence determinants in S aureus isolates from carrier, clinical and
environmental sources -  -  -  -  -  -  - -  -  -  - 115
Table 48 Distribution of PVL positive  S aureus  isolates  from clinical infections  -  -  -  - 116
Table 49 Association between  agr  groups and clinical infections  -  -  -  -  -  -  -  - 117
Table 410 Distribution of 37 spa types among S aureus strains from clinical, carriage and
environmental sources -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 130
Table 411 Distribution of spa types in 8 different medical centres in Lagos and Ogun
States  -  -  -  -  -  -  -  -  -  132
Table 412 Characterization of 297 S aureus strains by spa type antibiotic susceptibility pattern,
agr type and detection of virulence genes  -  -  -  -  - - - -  -  -  -  133
Table 413 Clonal characterization of 8 methicillin resistant S aureus strains by detection of
virulence determinants, agr type, spa type and SCCmec type  -  -  - 135


LIST OF FIGURES


Figure 21  Typical colonies of  S  aureus -  -  - -  -  -  -  - 7
Figure 22  Pathogenic factors of S aureus, with structural and secreted products   both  playing
roles as virulence factors -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - 13
Figure 23  Model for the  emergence of Panton-Valentine Leukocidin (PVL)—producing
community-associated methicillin-resistant S aureus (MRSA) -  - 31
Figure 24 Induction of staphylococcal β-lactamase synthesis in the presence of the β-lactam
antibiotic penicillin -  -  -  -  -  -  -  - 35
Figure 25 Comparison of S aureus SCCmec types -  -  -  -  - -  -  -  -  - -  -  - 39
Figure 26 Schematic of PCR -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  - -  -  - 61
Figure  31  Sources  of  clinical  isolates -  - - -  -  - -  -  -  - 72
Figure 41 Dendrogram showing relationship between 8 MRSA strains based on analysis of
antibiotic resistance -  -  -  -  -  -  -  - 104
Figure 42 Comparison of antimicrobial resistance patterns of MRSA and MRCoNS -  -  -  - 105
Figure 43 Dendrogram showing relatedness of S aureus to coagulase negative staphylococci
based on antibiogram  -  -  -  -  -  -  -  -  - 106
Figure 44 Distribution of virulence factors in 297 S aureus isolates -  -  -  - -  - 118
Figure 45 Quantification

Learn and Obtain Diploma in Web development, Software development, Business, Technology and Creative Skills taught by industry experts. Explore a wide range of skills with our professional tutorials.

About E-Project Material Centre


E-Project Material Centre is a web service aimed at successfully assisting final year students with quality, well researched, reliable and ready made project work. Our materials are recent, complete (chapter 1 to Minimum of Chapter 5, with references) and well written.INSTANT ACCESS! INSTANT DOWNLOAD. Simply select your department, choose from our list of topics available and explore your data

Why Students Love to Use E-Project Material ?


Guaranteed Delivery Getting your project delivered on time is essential. You cannot afford to turn in your project past the deadline. That is why you must get your project online from a company that guarantees to meet your deadline. e-Project Topics Material Centre is happy to offer instant delivery of projects listed on our website. We can handle just about any deadline you send our way. Satisfaction Guaranteed We always do whatever is necessary to ensure every customer's satisfaction

Disclaimer


E-Project Topics Material Centre will only provide projects as a reference for your research. The projects ordered and produced should be used as a guide or framework for your own project. The contents of the projects should be able to help you in generating new ideas and thoughts for your own project. It is the aim of e-Project Topics Centre to only provide guidance by which the projects should be pursued. We are neither encouraging any form of plagiarism nor are we advocating the use of the projects produced herein for cheating.

Terms and Condition


Using our service is LEGAL and IS NOT prohibited by any university/college policies You are allowed to use the original model papers you will receive in the following ways:
  • As a source for additional understanding of the subject
  • As a source for ideas for you own research (if properly referenced)
  • For PROPER paraphrasing ( see your university definition of plagiarism and acceptable paraphrase) Direct citing ( if referenced properly)
Thank you so much for your respect to the authors copyright