Prevalence and acquisition pathway identification of carbapenemase-producing Enterobacterales colonization

Abstract

Carbapenemase-producing Enterobacterales (CPE) are global concerns in treatment and infection control. In addition, the number of CPE outbreaks in hospitals is increasing despite the strengthening of contact precautions. Since 2018, active surveillance in the Emergency Room (ER) and universal surveillance in the Intensive Care Unit (ICU) using stool specimens have been implemented in our hospital. This study aimed to confirm the prevalence and transition rate of CPE infection from stool surveillance culture and to identify the acquisition pathway of CPE by sequencing analysis. This is a longitudinal review of patients with stool surveillance cultures at a tertiary center in Seoul, South Korea, from July 2018 to June 2020. Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), multilocus sequence typing (MLST), and whole genome sequencing (WGS) were performed for carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli strains. Among 1,620 patients who had undergone stool CPE surveillance cultures, only 7.11% of active surveillance at the ER and 4.46% of universal surveillance in the ICU were stool CPE positive. The transition rates from stool carriers to clinical CPE infections were 29.41% in the ER and 31.37% in the ICU. However, it was significantly high (55.0%) in the initial stool CPE-negative ICU patients. Among the initial stool CPE-positive patients, hypertension (61% vs. 92.3%, P = 0.004), malignancy (28.8% vs. 53.8%, P = 0.027), and mechanical ventilation (25.4% vs. 53.8%, P = 0.011) were significant risk factors for clinical CPE infection. In the multivariate analysis, underlying hypertension (odds ratio = 5.18 [95% confidence interval, 1.93 – 8.43], P = 0.009) and malignancy (OR = 2.94 [95% CI, 1.55 - 7.96], P = 0.038) were found to be significant risk factors for clinical CPE infection from stool carriers. Molecular typing revealed that sequence type (ST) 307 and ST 395 were dominant in K. pneumoniae, and ST 410 was dominant in E. coli isolates. In addition, this study showed a high prevalence of K. pneumoniae blaKPC-2 ST 307 of stool CPE. In conclusion, active surveillance showed a higher detection rate than universal stool CPE screening. One-third of stool carriers ultimately developed clinical CPE infection. In addition, ST 307 and ST 395 were dominant in carbapenemase-producing K. pneumoniae. Thus, even if some genotypes are transmitted from outside the hospital, it can be confirmed that a particular strain is continuously dominant in the hospital. Therefore, in-hospital ICU surveillance, as well as active surveillance to block acquisition from outside, should be performed for the early detection of stool carriers and for early intervention in severe patients. Thus, close monitoring is needed to prevent propagation of CPE infection. Carbapenemase producing Enterobacterales (CPE)는 치료 및 감염 관리에 있어 전세계적으로 위협이되며 높은 관심을 갖는 균주임. 또한, 표준 주의, 접촉 주의을 강화함에도 불구하고 병원 내 CPE 발생이 증가하고 있음. 2018년부터 우리 병원에서는 대변 검체를 이용한 응급실 대변감시배양 및 중환자실 입실 전 전수 대변감시배양을 시행하고 있음. 본 연구는 대변감시배양에서 CPE 감염의 유병률과 대변 보균자에서 CPE 감염의 전이율을 확인하고, 분자생물학적 분석을 통해 원내 유행하는 CPE의 역학적 특성을 확인하고자 함. 2018년 7월부터 2020년 6월까지 3차 의료기관에서 대변감시배양을 받은 환자의 균주와 임상 정보를 수집하였음. Whole genome sequencing 은 Carbapenemase producing Klebsiella pneumoniae와 Escherichia coli 균주에 대해 시행되었음. 대변 CPE 감시 배양을 실시한 1,620명의 환자 중 응급실에서 시행한 감시 배양 환자의 7.11%와 중환자실에서 시행한 감시 배양 환자의 4.46% 만이 대변 CPE 양성으로 확인되었음. 대변 보균자에서 임상 CPE 감염으로의 전환율은 응급실 감시 배양 양성 환자에서 29.41%, 중환자실 감시 배양 양성 환자에서 31.37% 였으나, 초기 중환자실 감시배양에서 음성인 환자에서는 현저하게 높음을 확인하였음 (55.0%). 대변 CPE 보균자와 임상 CPE 감염환자 군의 비교에서 고혈압 (61% vs. 92.3%, P = 0.004), 악성종양 (28.8% vs. 53.8%, P = 0.027), 기계적 환기 (25.4% vs. 53.8%, P = 0.011) 및 중환자실 재실 기간 (6.5 days vs. 1.0 days, P = 0.017)은 임상 CPE 감염의 중요한 위험 요소였음. 다변량 분석에서는 기저 고혈압 (Odds ratio = 5.18 [95% Confidence interval, 1.93 – 8.43], P = 0.009)과 악성 종양 (OR = 2.94 [95% CI, 1.55 - 7.96], P = 0.038) 이 대변 보균자로부터의 임상적 CPE 감염의 중요한 위험 인자로서 통계적 유의성을 보였음. 동정된 균주 간 연관성 확인을 위해 시행한 Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE)와 Multi-locus sequence typing (MLST) 분석 결과 sequence type 307과 ST 395는 K. pneumoniae에서, ST 410은 E. coli 분리주에서 우세함을 확인하였음. 또한 본 연구에서는 K. pneumoniae blaKPC ST 307의 원내 높은 유병율을 확인하였음. 이를 통해 병원 외부에서 전파되는 일부 유전자형이 있더라도 특정 유전형이 병원 내에서 지속적으로 우세함을 확인할 수 있었음. 결론적으로, 중환자실에서 시행하는 감시배양보다 응급실에서 시행하는 고위험군 대변 감시배양에서 더 높은 대변 CPE 검출률을 보였음. 그리고 대변 보균자의 1/3이 궁극적으로 임상적 CPE 감염으로 진행됨을 확인함. 또한, carbapenemase producing K. pneumonia ST 307과 ST 395 가 원내 유행함을 확인하였음. 이를 통해 병원 외부에서 전파되는 일부 유전자형이 있더라도 특정 유전형이 병원 내에서 지속적으로 우세함을 확인할 수 있었음. 따라서 외부로부터의 유입을 차단하는 고위험군 감시 배양뿐만 아니라, 중환자실에서 지속적인 감시 배양을 통해 대변보균자를 조기에 발견하고 중증 환자에 대한 조기 개입을 시행하여 CPE 감염의 전파를 방지하기 위한 면밀한 모니터링이 필요함.