Advances in Clinical and Experimental Medicine

Title abbreviation: Adv Clin Exp Med
JCR Impact Factor (IF) – 1.736
5-Year Impact Factor – 2.135
Index Copernicus  – 168.52
MEiN – 70 pts

ISSN 1899–5276 (print)
ISSN 2451-2680 (online)
Periodicity – monthly

Download original text (EN)

Advances in Clinical and Experimental Medicine

2010, vol. 19, nr 4, July-August, p. 429–436

Publication type: original article

Language: English

Effect of Subinhibitory Concentrations of Amikacin and Ciprofloxacin on the K1 Antigen Expression and Phagocytosis of Escherichia coli Strains

Wpływ stężeń subinhibicyjnych amikacyny i ciprofloksacyny na ekspresję antygenu K1 oraz fagocytozę szczepów Escherichia coli

Dorota Wojnicz1,, Dorota Tichaczek-Goska1,, Agnieszka Cisowska1,

1 Department of Biology and Medical Parasitology, Wroclaw Medical University

Abstract

Background. Escherichia coli strains with capsular Kl antigen are the major cause of neonatal meningitis and are also responsible for a large number of cases of bacteraemia and urinary tract infections in children and adults. The polysaccharide K1 antigen of E. coli is an important virulence factor that increases resistance to phagocytosis. Although the subinhibitory concentrations (sub-MICs) of antibiotics do not kill microorganisms, they are able to modulate their characteristics, e.g., the morphology of cells, the bacterial surface components. As a result a reduction of bacterial pathogenicity is observed. This may also be associated with changes in the susceptibility of pathogens to the host immune response.
Objectives. The aim of this study was to evaluate the influence of sub-MICs of amikacin and ciprofloxacin on the presence of cell-surface K1 antigen of uropathogenic E. coli strains and their phagocytosis by neutrophils.
Material and Methods. Fifteen E. coli strains expressing K1 antigen were selected from among the one hundred and twenty samples isolated from the urine of children with urinary tract infections. The bacteriophage K1A was used to detect the presence of the capsular antigen K1. The MICs of amikacin and ciprofloxacin for each strain incubated in Mueller-Hinton broth were obtained by microdilution method. The phagocytic index was determined by microscopic examination of slides prepared with May-Grünwald stain.
Results. Exposure of E. coli K1 strains to 1/2, 1/4 and 1/8 of MICs of amikacin and ciprofloxacin reduced the number of clones sensitive to K1A phage, however the effect of amikacin was minute. Moreover, changes in the susceptibility to phagocytosis of E. coli strains incubated in the presence of antibiotics were observed.
Conclusion. The treatment of encapsulated bacteria with sub-MICs of amikacin or ciprofloxacin inhibits the K1 capsule expression and enhances phagocytosis by human neutrophils.

Streszczenie

Wprowadzenie. Szczepy Escherichia coli z otoczkowym antygenem K1 są częstą przyczyną zapalenia opon mózgowordzeniowych u noworodków, przypadków bakteriemii oraz zakażeń układu moczowego u dzieci i dorosłych. Polisacharydowy antygen K1 pałeczek E. coli jest ważnym czynnikiem wirulencji, który zwiększa oporność na fagocytozę. Mimo, że stężenia subinhibicyjne antybiotyków (sub-MICs) nie zabijają bakterii, mogą zmieniać ich cechy fenotypowe, np. morfologię komórek, czy struktury powierzchniowe. W wyniku tego obniża się patogenność mikroorganizmów oraz zmienia się ich podatność na odpowiedź immunologiczną gospodarza.
Cel pracy. Określenie wpływu sub-MICs amikacyny i ciprofloksacyny na zdolność syntezy powierzchniowego antygenu K1 przez uropatogenne pałeczki E. coli oraz ich fagocytozę przez neutrofile.
Materiał i metody. W badaniach wykorzystano piętnaście szczepów E. coli K1 spośród stu dwudziestu izolatów otrzymanych z moczu dzieci z zakażeniem dróg moczowych. Obecność antygenu K1 na powierzchni komórek bakterii oznaczono za pomocą faga K1A. Wartości MIC amikacyny i ciprofloksacyny wobec badanych pałeczek oznaczono metodą mikrorozcieńczeń w podłożu Mueller-Hinton. Na podstawie mikroskopowej oceny rozmazów krwi barwionych odczynnikiem May-Grünwalda określono indeks fagocytarny.
Wyniki. Liczba klonów szczepów E. coli K1 wrażliwych na faga K1A poddanych działaniu 1/2, 1/4 oraz 1/8 MIC amikacyny lub ciprofloksacyny zmniejszyła się, w przypadku amikacyny obserwowane zmiany nie były jednak znaczące. Ponadto zaobserwowano zwiększoną podatność na fagocytozę bakterii inkubowanych w obecności antybiotyków.
Wnioski. Działanie sub-MICs amikacyny i ciprofloksacyny hamuje zdolność syntezy antygenu K1 przez pałeczki E. coli oraz zwiększa ich fagocytozę.

Key words

Escherichia coli, K1 antigen, phagocytosis, subinhibitory concentrations, antibiotics

Słowa kluczowe

Escherichia coli, antygen K1, fagocytoza, stężenia subinhibicyjne, antybiotyki

References (28)

  1. Bonacorsi S, Houdouin V, Mariani-Kurkdjian P, Mahjoub-Messai F, Bingen E: Comparative prevalence of virulence factors in Escherichia coli causing urinary tract infection in male infants with and without bacteremia. J Clin Microbiol 2006, 44, 1156–1158.
  2. Korzeniowska-Kowal A, Witkowska D, Gamian A: Mimikra cząsteczkowa bakteryjnych antygenów polisacharydowych i jej rola w etiologii chorób infekcyjnych i autoimmunologicznych. Post Hig Med Dośw 2001, 55, 211– 232.
  3. Wilson JW, Schurr MJ, LeBlanc CL, Ramamurthy R, Buchanan KL, Nickerson CA: Mechanisms of bacterial pathogenicity. Postgrad Med J 2002, 78, 216–224.
  4. Wojnicz D, Jankowski S: Effect of subinhibitory concentrations of amikacin and ciprofloxacin on the hydrophobicity and adherence to epithelial cells of uropathogenic Escherichia coli strains. Int J Antimicrob Agents 2007, 29, 700–704.
  5. Wojnicz D, Kłak M, Adamski R, Jankowski S: Influence of subinhibitory concentrations of amikacin and ciprofloxacin on morphology and adherence ability of uropathogenic strains. Folia Microbiol 2007, 52, 429–436.
  6. Wojnicz D, Cisowska A: Composition of the outer membrane proteins of Escherichia coli strains in relation to serum susceptibility after exposure to subinhibitory concentrations of amikacin and ciprofloxacin. Int J Antimicrob Agents 2009, 33, 579–582.
  7. National Committee for Clinical Laboratory Standards 2003. Methods for dilution antimicrobial susceptibility tests for bacteria that grow aerobically, 5th ed. Approved standard M7–A6. National Committee for Clinical Laboratory Standards, Wayne, Pa.
  8. Devine DA, Roberts AP, Rowe B: Simple technique for detecting K1 antigen of Escherichia coli. J Clin Pathol 1990, 43, 76–78.
  9. Lukacova M, Barak I, Kazar J: Role of structural variations of polysaccharide antigens in the pathogenicity of Gram-negative bacteria. Clin Microbiol Infect 2008, 14, 200–206.
  10. O’Riordan K, Lee JC: Staphylococcus aureus capsular polysaccharides. Clin Microbiol Rev 2004, 17, 218–234.
  11. Johnson JR, Delavari P, Kuskowski M, Stell AL: Phylogenetic distribution of extraintestinal virulence-associated traits in Escherichia coli. J Infect Dis 2001, 183, 78–88.
  12. Jankowski S, Grzybek-Hryncewicz K, Żarczyńska H, Sarowska J, Franiczek R, Mróz E: Występowanie chorobotwórczych pałeczek Escherichia coli z antygenem powierzchniowym K1w zakażeniach układu moczowego. Diagn Lab 1992, 29, 31–34.
  13. Drulis-Kawa Z: Charakterystyka uropatogennych szczepów z rodziny Enterobacteriaceae izolowanych w latach 1996–1997 od dzieci z zakażeniami dróg moczowych. Praca doktorska. Uniwersytet Wrocławski 2000.
  14. Fünfstück R, Tschäpe H, Stein G, Vollandt R, Schneider S: Virulence of Escherichia coli strains in relation to their hemolysin formation, mannose-resistant hemagglutination, hydroxamate production, K 1-antigen and the plasmid profile in patients with chronic pyelonephritis. Clin Nephrol 1989, 32, 178–184.
  15. Evans DJ, Evans DG, Höhne C, Noble MA, Haldane EV, Lior H, Young LS: Hemolysin and K antigens in relation to serotype and hemagglutination type of Escherichia coli isolated from extraintestinal infections. J Clin Microbiol l981, 13, 171–178.
  16. Czirok E, Milch M, Csiszar K, Csik M: Virulence factors of Escherichia coli. III. Correlation with Escherichia coli pathogenicity of haemolysin production, haemagglutinating capacity, antigens K1, K5, and colicinogenicity. Acta Microbiol Hung 1986, 33, 69–83.
  17. Dal Sasso M, Bovio C, Culici M, Braga PC: Interference of sub-inhibitory concentrations of gatifloxacin on various determinants of bacterial virulence. J Chemother 2002, 14, 473–482.
  18. Raponi G, Keller N, Overbeek BP, Rozenberg-Arska M, van Kessel KP, Verhoef J: Enhanced phagocytosis of encapsulated Escherichia coli strains after exposure to sub-MICs of antibiotics is correlated to changes of the bacterial cell surface. Antimicrob Agents Chemother 1990, 34, 332–336.
  19. Suerbaum S, Leying H, Kroll HP, Gmeiner J, Opferkuch W: Influence of beta-lactam antibiotics and ciprofloxacin on cell envelope of Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother 1987, 31, 1106–1110.
  20. Taylor PW, Kroll HP, Tomlinson S: Effect of subinhibitory concentrations of mecillinam on expression of E. coli surface components associated with serum resistance. Drugs Exp Clin Res 1982, 8, 625–631.
  21. Kadurugamuwa JL, Anwar H, Brown MRW, Zak O: Protein antigens of encapsulated Klebsiella pneumoniae surface exposed after growth in the presence of subinhibitory concentrations of cephalosporins. Antimicrob Agents Chemother 1985, 28, 195–199.
  22. Brook I, Gober AE: In vitro effects of penicillin and clindamycin on the expression of Streptococcus pneumoniae capsule. J Med Microbiol 1996, 45, 505–506.
  23. Brook I, Hausfeld JN: In vitro effects of penicillin and telithromycin on the expression of Streptococcus pneumoniae capsule. J Antimicrob Chemother 2006, 58, 678–679.
  24. Hyams C, Camberlein E, Cohen JM, Bax K, Brown JS: The Streptococcus pneumoniae capsule inhibits complement activity and neutrophil phagocytosis by multiple mechanisms. Infect Immun 2010, 78, 704-715.
  25. Corbett D, Roberts IS: Capsular polysaccharides in Escherichia coli. Adv Appl Microbiol 2008, 65, 1–26.
  26. Taylor CM, Roberts IS: Capsular polysaccharides and their role in virulence. Contrib Microbiol 2005, 12, 55–66.
  27. Adinolfi LE, Bonventre PF: Enhanced phagocytosis, killing, and serum sensitivity of Escherichia coli and Staphylococcus aureus treated with sub-MICs of imipenem. Antimicrob Agents Chemother 1988, 32, 1012–1018.
  28. Braga PC, Dal Sasso M, Bovio C, Zavaroni E, Fonti E: Effects of gatifloxacin on phagocytosis, intracellular killing and oxidant radical production by human polymorphonuclear neutrophils. Int J Antimicrob Agents 2002, 19, 183–187.
© Wroclaw Medical University