09.1 Molecular Epidemiology of Staphylococcus aureus Nasal Carriage and Wound Colonization in a Burn Centre.

Auteur: A.M.D Kooistra-Smid
Promotiejaar: 2008
ISBN-13: 978-90-9023738-1

Proefschrift beschrijft (o.a.) resultaten van onderzoek gefinancierd door de Nederlandse Brandwonden Stichting

Samenvatting

Patiënten met brandwonden die opgenomen zijn in Brandwondencentra zijn vatbaar voor bacteriële kolonisatie en infectie. Het risico op kolonisatie en infectie van de brandwond wordt beïnvloed door factoren die gerelateerd zijn aan de patiënt zelf (bv. de leeftijd, het percentage verbrand lichaamsoppervlak en onderliggende ziektes), aan de omgeving (bv. medepatiënten, ziekenhuismedewerkers, invasieve instrumenten en de kwaliteit van de geleverde brandwondenzorg) en aan het infecterende micro-organisme (bv. species en antimicrobiële virulentie- en resistentieprofielen). Infectie van brandwonden kan resulteren in een verlenging van de opnameduur van patiënten en in een toename van noodzakelijke chirurgische ingrepen (1-5). Bovendien kunnen kolonisatie en infectie van de brandwond het risico op hypertrophische littekenvorming verhogen (6). Ondanks een grote verbetering in de brandwondenzorg, blijft infectie een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit bij patiënten met brandwonden.

Eén van de meest voorkomende pathogene micro-organismen in brandwonden is Staphylococcus aureus (7). De binnenkant van de punt van de neus (het vestibulum nasi) is het primaire ecologische reservoir van S. aureus bij mensen (8, 9). In verschillende studies is aangetoond dat ongeveer 10-35% van de mensen persisterend (continu) drager is, ongeveer 20-75% van de mensen soms drager is en ongeveer 5-50% nooit drager is van dit micro-organisme (10-15). S. aureus dragerschap blijkt een risicofactor te zijn voor het ontstaan van infecties in bepaalde patiëntengroepen (8, 16). Het percentage brandwonden dat gekoloniseerd raakt met S. aureus varieert aanzienlijk en is geassocieerd met het percentage totaal verbrand lichaamsoppervlak, de leeftijd van de patiënt en S. aureus dragerschap onder patiënten en ziekenhuismedewerkers (1-4).

In brandwondencentra is dragerschap onder patiënten en medewerkers een belangrijke S. aureus bron. Als voornaamste transmissieroute van patiënt naar patiënt, worden de tijdelijke gekoloniseerde handen van ziekenhuismedewerkers gezien. Ziekenhuismedewerkers kunnen S. aureus verwerven na direct contact met een patiënt of met gecontamineerde objecten. Bovendien kunnen oppervlakten in de omgeving gecontamineerd worden met S. aureus, een bacteriesoort die in staat is om hierop weken tot maanden te overleven. Patiënten en ziekenhuismedewerkers kunnen continu nieuwe stafylokokken klonen introduceren op een brandwondencentrum. Echter, het is niet bekend of elk van deze klonen over een identieke capaciteit beschikt om brandwonden te koloniseren en zich te verspreiden over een brandwondencentrum.

Uitgebreide gedetailleerde moleculaire epidemiologische analyse van S. aureus dragerschap en transmissiedynamiek in een brandwondencentrum is tot op heden niet in de literatuur beschreven. Voor het inzetten van effectieve preventieve maatregelen ter voorkoming van kolonisatie van brandwonden met S. aureus is opheldering van de transmissiedynamiek noodzakelijk. In dit hoofdstuk worden de resultaten die in dit manuscript zijn beschreven in het kort genoemd en bediscussieerd en zal er worden afgesloten met het geven van een aantal klinische aanbevelingen.

Preventie van S. aureus kolonisatie en infectie bij brandwonden
De laatste decennia zijn er meerdere maatregelen voorgesteld ter voorkoming van S. aureus infecties bij patiënten met brandwonden. De verspreiding van S. aureus kan deels voorkomen worden door de implementatie van hygiënische maatregelen zoals contactisolatie, cohort verpleging en het onder strikt aseptische omstandigheden verrichten van verbandwisselingen. Daarnaast worden dekolonisatie strategieën toegepast met als doel het risico op S. aureus kolonisatie van de brandwond te reduceren. De huidige gouden standaard in de topicale behandeling van brandwonden is zilver-sulfadiazine, dat aangrijpt op de bacteriële cel en relatief sterk aan het DNA bindt (17). Selectieve decontaminatie van het maagdarmkanaal (18-20) en eliminatie van S. aureus neusdragerschap bij patiënten (21) zijn ook beschreven als mogelijkheid om het risico op S. aureus kolonisatie van brandwonden te reduceren. Eradicatie van S. aureus neusdragerschap kan tijdelijk bereikt worden door een eenmalige behandeling met nasale mupirocine, een veelgebruikt antibioticum (22).

Een eenmalige behandeling met mupirocine resulteert in een eliminatie van nasale S. aureus gedurende enkele weken tot 12 maanden (23-26). Echter, profylactische applicatie van mupirocine heeft een wisselend effect op de preventie van S. aureus infecties (25, 27-33).

We bestudeerden het effect van eradicatie van nasale S. aureus met mupirocine op S. aureus brandwond kolonisaties, door het verrichten van twee interventies op het Brandwondencentrum in Groningen. Bij de eerste interventie behandelden we alle patiënten direct na het moment van opname met mupirocine (hoofdstuk 4). Onze bevindingen bevestigden het positieve effect van nasale applicatie van mupirocine op de eradicatie van S. aureus neusdragerschap. Tevens werd waargenomen dat de frequentie van kolonisatie van brandwonden met S. aureus tijdens de studieperiode gereduceerd was en dat S. aureus dragerschap het risico op S. aureus kolonisatie van de brandwond significant verhoogde. De laatstgenoemde bevinding ondersteunt het belang van de endogene transmissieroute. Na een periode van twee jaren werd de tweede interventie verricht onder medewerkers van het brandwondencentrum. In hoofdstuk 5 werd het effect van een eenmalige nasale mupirocine behandeling, gedurende één week, onder alle medewerkers, op de S. aureus kolonisatie van brandwonden onderzocht. We vonden dat nasale applicatie van mupirocine zeer effectief is in het reduceren van S. aureus neusdragerschap onder medewerkers, dat tot ca. 10 maanden aantoonbaar was. Echter, dit heeft niet geresulteerd in een significante reductie van de incidentie van S. aureus brandwond kolonisatie. Een interessante bevinding was dat moleculaire analyse van alle S. aureus isolaten een significante verschuiving liet zien in het genotype en de bron van S. aureus stammen die de brandwonden koloniseerden. Deze bevinding suggereert dat medewerkers van het Brandwondencentrum een significante rol spelen in de transmissiedynamiek van S. aureus, niet alleen als vector maar ook als een bron. Hoofdstuk 6 liet duidelijk zien dat S. aureus dragerschap voorspellend is ten aanzien van de daaropvolgende kolonisatie van brandwonden met S. aureus gedurende het verblijf op het brandwondencentrum. Dit is in overeenstemming met bevindingen uit voorgaande studies (34, 35).

De conclusies uit de bovengenoemde interventiestudies zijn: (i) nasale mupirocine behandeling is zeer effectief bij de eradicatie van S. aureus neusdragerschap bij patiënten en medewerkers, (ii) bij patiënten is S. aureus dragerschap bij opname voorspellend ten aanzien van brandwond kolonisatie op een later moment tijdens het verblijf op het brandwondencentrum, (iii) onder patiënten die bij opname niet-drager zijn, vindt regelmatig acquisitie van exogene stammen plaats, (iv) het blokkeren van één transmissieroute van het epidemiologische netwerk van S. aureus hoeft niet noodzakelijk te leiden tot een significante reductie van de overall incidentie van verworven S. aureus kolonisatie van de brandwond. Andere bronnen en routes van S. aureus zouden de, door een interventie geblokkeerde, route kunnen invullen of vervangen. Bovendien is mupirocine niet effectief in het dekoloniseren van lichaamsoppervlakken anders dan de neus, wat recent ook aangetoond is door Wertheim et at. (36). Deze lichaamsoppervlakken kunnen van additioneel belang zijn en even belangrijke bronnen vormen van S. aureus brandwond kolonisatie. Rectaal S. aureus dragerschap is als bron van infectie beschreven (30, 37, 38). Ten tweede kunnen gecontamineerde oppervlakken in de omgeving de prevalentie van S. aureus brandwond kolonisatie beïnvloeden. Ten slotte kunnen bezoekers ook S. aureus stammen introduceren op het brandwondencentrum.

Genetische karakterisatie van S. aureus isolaten
Kolonisatie van de brandwond met S. aureus kan verworven worden langs de exogene route (kruisinfectie) en langs de endogene route, wanneer de patiënt van nature drager is van S. aureus (auto-infectie) (5, 26, 39, 40). Voor het identificeren van overeenkomsten tussen stammen onderling en voor het structureren van de populatie van S. aureus isolaten kan gebruik worden gemaakt van DNA-fingerprints (‘streepjescode’). In de studies die in dit manuscript beschreven zijn hebben we voor de genotypering van S. aureus isolaten gebruik gemaakt van pulsed field gel electrophorese (PFGE). De eerste uitgebreide bacteriële genotyperingsstudie die verricht werd op het Brandwondencentrum in Groningen (hoofdstuk 3), wees uit dat onder de meerderheid van patiënten die bij opname S. aureus drager was en tijdens het verblijf kolonisatie van brandwonden verwierf, de koloniserende stam identiek was aan de stam die door de patiënt bij opname gedragen werd. Echter, in een fors gedeelte van de nosocomiaal verworven kolonisaties was de stam afkomstig van andere bronnen. Dus, zowel endogene al exogene bronnen zijn belangrijk. Een interessante bevinding was dat de genotypering van S. aureus stammen geïsoleerd uit brandwonden van patiënten die bij opname geen drager waren, drie dominante PFGE-types (A, B, C) opleverde. Bovendien vertegenwoordigden deze drie types ook de meerderheid van de S. aureus stammen die geïsoleerd werden bij medewerkers (hoofdstuk 3). In hoofdstuk 6 beschreven we de populatiestructuur van S. aureus stammen die op een systematische manier geïsoleerd waren bij patiënten en medewerkers over een periode van 5 jaren. De meest belangrijke conclusies waren dat (i) dit brandwondencentrum een specifieke ecologische niche vertegenwoordigt waarin enkele klonen (A, B, C) zich genesteld hebben, die ‘well adapted’ (goed uitgerust) zijn en zich endemisch gedragen, (ii) een significant aantal van de nosocomiaal verworven brandwond kolonisaties veroorzaakt worden door een S. aureus stam die afkomstig is van andere bronnen dan de patiënt zelf, en (iii) dat persistent gekoloniseerde medewerkers een belangrijke rol vervullen bij het in stand houden van het S. aureus epidemiologische netwerk. In hoofdstuk 5 vonden we dat tijdelijke eradicatie van S. aureus dragerschap bij alle medewerkers resulteerde in een significante verschuiving in genotypes en bronnen van S. aureus stammen die brandwonden koloniseerden. De verschuiving ging van medewerkers en richting patiënten en andere (niet geïdentificeerde) bronnen.

De belangrijkste conclusies uit voornoemde studies zijn dat (i) ondanks cohort verpleging van patiënten en strikte hygiënische maatregelen kunnen een paar `well adapted’ klonen zich handhaven, opkomen en verspreiden op het brandwondencentrum, (ii) medewerkers niet alleen als een vector maar ook als een belangrijke bron gezien mogen worden in de transmissiedynamiek van S. aureus en tenslotte (iii) dat S. aureus dragerschap op het moment van opname voorspellend is ten aanzien van het verwerven van daaropvolgende kolonisatie van brandwonden. De verspreiding en de continue aanwezigheid van een aantal klonen gedurende een lange tijdsperiode zou door persisterende dragers onder medewerkers in stand kunnen worden gehouden, doordat deze medewerkers continu hun specifieke S. aureus stammen verspreiden in de omgeving. Deze stammen kunnen opgepikt worden door medewerkers die niet-drager zijn, waardoor deze medewerkers het risico lopen om intermitterend drager te worden. Ook kunnen oppervlakken in de omgeving herhaaldelijk gecontamineerd worden door dezelfde endemische stammen die door persisterende dragers onder medewerkers en patiënten verspreid kunnen worden.

Comparative genomics analyses (Vergelijkende analyse van genen)
Karakterisatie van S. aureus stammen liet zien dat drie PFGE-types (A, B, C) meer dan andere PFGE-types, in staat waren om brandwonden te koloniseren en dat deze drie types endemisch gedrag vertoonden op het brandwondencentrum (hoofdstuk 6). Comparative genomics analyses die verricht werden op een kleine set van endemische en niet-endemische stammen liet zien dat, vergeleken met de MRSA252 stam van S. aureus, afwezigheid van genen vaker voorkwam bij niet-endemische stammen dan bij endemische stammen. Een interessante bevinding is dat de discriminerende genen deel uit maakten van een geïntegreerd plasmide dat codeert voor – meervoudige zware metalen resistentie. Een mogelijke verklaring voor deze observatie zou het routinematige gebruik van zilver-sulfadiazine en cerium kunnen zijn bij de behandeling van brandwonden. Dit zou bacteriën kunnen selecteren die resistent zijn voor dit middel. Zilver resistente stammen zijn eerder aangetoond in andere brandwondencentra (41-45).

Mathematisch modelleerwerk
In hoofdstukken 3 tot en met 6 combineerden we genotypering (PFGE) met epidemiologische links van patiënten om de S. aureus transmissiedynamiek op te helderen. In hoofdstuk 7 gebruikten we een mathematisch model om de mate van invloed van endogene en exogene transmissieroutes te bepalen. Ondanks de relatief kleine patiëntenpopulatie en de relatief lange opnameduur van patiënten liet het model een positief effect van de applicatie van nasale mupirocine bij patiënten met brandwonden zien. Mogelijk ten gevolge van de relatief lage aantallen, en dus brede betrouwbaarheidsintervallen, bereikte het effect van toediening van nasale mupirocine aan medewerkers geen statistische significantie.

Aanbevelingen voor de klinische praktijk
Om het risico op S. aureus brandwond kolonisatie op een brandwondencentrum te verlagen zouden verschillende maatregelen genomen kunnen worden. Om dergelijke interventies te sturen is het van belang om een goed beeld te hebben van de primaire en secondaire bronnen van S. aureus als ook van de mogelijke transmissieroutes.

Het is duidelijk dat de belangrijkste transmissieroutes van S. aureus op een efficiënte en systematische manier onderbroken dienen te worden. De opties hiervoor zijn:

• Screening van alle patiënten op het moment van opname op S. aureus neus-, keel- en rectaaldragerschap; de methode van voorkeur is een accurate en snelle techniek, zoals PCR (dat wil zeggen met een turn-around-time van twee uren).
• Behandeling van geïdentificeerde dragers startend op de dag van opname met mupirocine, gedurende 5 dagen, twee keer per dag; follow-up neuskweken zullen afgenomen moeten worden om rekolonisatie met S. aureus te kunnen monitoren. Het gelijktijdige gebruik andere maatregelen, zoals het gebruik van chloorhexidine medicinale zeep, kan overwogen worden om S. aureus van andere delen van het lichaam snel te eradiceren.
• Theoretisch gezien zal als onderdeel van een S. aureus preventiestrategie op een vergelijkende manier eradicatie van S. aureus dragerschap onder medewerkers overwogen kunnen worden, met name die medewerkers die aantoonbaar persisterend drager zijn van een bijzondere virulente of endemische stam. Hiervoor zal reguliere monitoring van S. aureus dragerschap onder medewerkers noodzakelijk zijn.
• De afdeling Infectiepreventie zal onder de aandacht dienen te brengen dat medewerkers een belangrijk potentieel reservoir kunnen vormen van endemische nosocomiale S. aureus stammen.
• Ook zal de afdeling Infectiepreventie andere S. aureus bronnen dan patiënten en medewerkers moeten identificeren en benadrukken. De mogelijke invloed van de omgeving (lucht, vloer, bedlinnen, en stof) maar ook van bezoekers en familieleden, zullen onderzocht dienen te worden.
• Om daadwerkelijk tot preventie van S. aureus brandwond kolonisatie te kunnen komen, zal eradicatie van endogene S. aureus bronnen en de eliminatie van exogene S. aureus bronnen onder medewerkers en van objecten en oppervlakken in de omgeving gecombineerd dienen te worden. Omdat andere lichaamsoppervlakken ook potentiële bronnen kunnen zijn voor S. aureus kolonisatie, zal het wassen van het lichaam met een desinfecterende zeep van additionele waarde kunnen zijn in de interventiestrategie.

Andere aanbevelingen voor nader onderzoek zijn:

• Meer comparative genomics analyses zullen verricht moeten worden om te onderzoeken welke genen endemische stammen van niet-endemische stammen kunnen onderscheiden. Ook is het noodzakelijk om het mogelijke verband tussen aanwezigheid van genen en het endemisch gedrag van enkele klonen te onderzoeken.
• Omdat zilver-sulfadiazine gebruikt wordt als een routinematige interventie in brandwondencentra en omdat het voorkomen van zilver resistentie beschreven is in deze settings, zullen toekomstige studies gericht moeten worden op het ontwikkelen van gevoeligheidstesten voor zilver en cerium.
• Het is aannemelijk dat een toename in gebruik van mupirocine kan leiden tot een ‘low- en high-level’ resistentie voor dit middel. Van S. aureus stammen, geïsoleerd op een brandwondencentrum, zal de gevoeligheid voor mupirocine dan ook nauwkeurig gemonitored dienen te worden.
• Lokale als systemische alternatieve middelen ter eradicatie van S. aureus zullen getest dienen te worden bij zowel patiënten met brandwonden als bij medewerkers.
• De S. aureus populatiestructuur van het Brandwondencentrum in Groningen over een periode van 5 jaar is geanalyseerd. Om de bacteriële dynamiek in Nederlandse brandwondencentra te onderzoeken zal het zinvol zijn om klinische isolaten van de twee ander brandwondencentra in Rotterdam en Beverwijk te analyseren. Daarnaast kunnen ook niet-klinische isolaten geïncludeerd worden uit geografisch verschillende gebieden in Nederland, om in detail de populatie van klinische versus niet-klinische S. aureus stammen te onderzoeken. Internationale extrapolatie van zulke studies verdienen aanbeveling. Daarnaast zal het zinvol zijn om te onderzoeken wat de invloed van de lay-out van een brandwondencentrum en de toegepaste protocollen zijn op de bacteriële dynamiek.