Temporal analysis and molecular characterization of dominant enterococcus strains present in feces from healthy human subjects

Abstract

The human intestinal microflora is an intricate environment where bacteria, viruses, fungi and the immune system interact. While the Enterococci are described as intestinal commensals, traits like the presence of chromosomal or mobile virulence factors and antibiotic resistance determinants have also lead to their classification as opportunistic pathogens. This group comprises around 1% of the total human intestinal flora and little is known about the population dynamics in terms of species or strain dominance. Although studies have focused on intestinal carriage and survival of specific strains (Sørensen, 2001; Lund, 2002; Sohn, 2013), there is little data on the natural population in healthy humans. Herein the dominant enterococci populations in healthy humans (not medicated for chronic illness nor antibiotic intake one month prior or during the sampling period) are described. These were recovered from stool samples of 3 healthy male subjects aged 18-25 years. A total of 140 isolates per subject were obtained during a sampling period of 7 consecutive days. Isolates were subjected to antibiotic resistance screening, molecular species ID, presence of virulence factors, plasmid families and strain characterization. Analysis showed that all three subjects carried different dominant enterococci but these were specifically limited to E. faecalis and E. faecium. Subject #1 was dominated by two distinct species, a commensal E. faecium or a Vancomycin Resistant E. faecalis. Only E. faecalis was present in Subject #2 and appears mostly commensal with esp as its sole virulence factor. However, for subject #3's isolates, we saw an increase in the pathogenic potential, a Tetracycline Resistant E. faecalis with the potential to carry Vancomycin resistance and 2 virulence factors. Data suggests that the intestinal diversity of enterococci is subject dependent, as there are different dominant strains in each subject; from commensal strains to strains with a higher frequency of antibiotic resistance and virulence factors that are similar to clinical strains. The presence of pathogenic strains in healthy humans reinforces the importance of studying humans as antibiotic resistance reservoirs as well as the prudent use of antibiotics. Intestinal carriage of pathogenic strains and the high turnover rate of strains can be of importance as species of concern may not be detected during culture cased screenings carried out before surgical procedures.

La microflora intestinal humana es un entorno complejo donde bacterias, virus, hongos y el sistema inmune interactúan directa o indirectamente. Los miembros del género Enterococcus son descritos como comensales intestinales, aunque la presencia de factores de virulencia y resistencia a antibióticos cromosómica o en elementos móviles, también los ha clasificado como patógenos oportunistas. Los Enterococos componen alrededor del 1% de la flora intestinal humana total y poco se sabe sobre la dinámica de la población en términos de dominancia de especie o de cepa. Los estudios se han centrado en la supervivencia y potencial colonización de cepas específicas (Sørensen, 2001; Lund, 2002; Sohn, 2013), sin embargo, hay pocos datos sobre la población natural en humanos saludables. Para describir el enterococo dominante en una población humana saludable, se realizó un muestreo de material fecal de 3 sujetos masculinos entre las edades de 19 a 25 años. Se obtuvo 140 aislados por sujeto durante un período de muestreo de 7 días consecutivos. Los seres humanos sanos, para este estudio, se definen como un sujeto sin enfermedad crónica medicada ni consumo de antibióticos 1 mes antes o durante el período de muestreo. El análisis molecular nos permite confirmar el género, determinar la especie, presencia de factores de virulencia, genes de resistencia antibióticos y determinar distintas cepas. Los resultados nos muestran que los tres sujetos poseían diferentes enterococos dominantes, limitados específicamente a E. faecalis y E. faecium. El sujeto # 1 estaba dominado por dos especies distintas, un E. faecium comensal o un E. faecalis resistente a Vancomicina. Sólo E. faecalis estuvo presente en el sujeto # 2 y semeja una cepa principalmente comensal, ya que no posee resistencia a antibióticos y posee esp como único factor de virulencia. Sin embargo, para los aislados del sujeto # 3, vemos un aumento en el potencial patogénico con 84% de los aislados identificados como E. faecalis resistentes a la tetraciclina con el potencial de cargar resistencia a vancomicina y 2 factores de virulencia adicionales. Los datos sugieren que la diversidad intestinal de los enterococos es dependiente del sujeto, ya que vemos diferentes cepas dominantes en cada sujeto; Desde cepas comensales hasta cepas con una mayor frecuencia de resistencia a los antibióticos y factores de virulencia que son similares a las cepas clínicas. La presencia de cepas potencialmente patógenas en humanos sanos refuerza la importancia de estudiar a los humanos como reservorios de resistencia a los antibióticos. El transporte intestinal de cepas patógenas y la rápida sucesión de cepa dominante, pueden ser importantes cuando se someten a procedimientos quirúrgicos, ya que la presencia intestinal de estas cepas puede no salvaguardar la salud del paciente.