Investigation of biofilm-associated antibiotic susceptibilities of methicillin-resistant staphylococci isolated from catheter-related nosocomial infections

Abstract

Risks for development of local and/or systemic infections are the most important complications of catheters that are widely used during hospitalization process. The aims of this study were to investigate and compare the antibiotic susceptibilities of methicillin-resistant staphylococci isolated from catheters, in planktonic and biofilm forms, and to evaluate the antimicrobial effects of antibiotics on those forms alone and in combinations. A total of 30 strains [15 methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and 15 methicillin-resistant coagulase-negative staphylococci (MR-CNS)] isolated from catheter cultures of patients hospitalized in different clinics and intensive care units in Baskent University Medical School Hospital between 2006-2009, were included in the study. The antibiotic sensitivities of MRSA and MR-CNS isolates were investigated in vitro in planktonic phase and on sessile cells after biofilm was formed. Vancomycin, ciprofloxacin, rifampicin, gentamicin, meropenem, tigecycline, linezolid, ceftazidime and cephazolin were used for antibiotic susceptibility testing. The sensitivity of planktonic cells to antibiotics was primarily investigated, so that minimal inhibitor concentration (MIC) and minimal bactericidal concentration (MBC) values were determined by broth microdilution method. Afterwards, each strain was transformed to sessile cell in a biofilm environment, and MIC and MBC values were also determined for sessile cells. Double and triple antibiotic combinations were prepared, the effectiveness of combinations were studied on both planktonic and biofilm cells with multiple-combination bactericidal testing (MCBT) method. The data set obtained from planktonic and biofilm cells for each antibiotic analyzed via two proportion z test. Statistically significant decreases were found in the sensitivities of sessile cells when compared to planktonic cells (p< 0.01). The tests performed with the use of double and triple antibiotic combinations also showed the susceptibility decrease between planktonic and biofilm forms to be significant in most of the combinations (p< 0.01). The comparison of double and triple antibiotic combinations against planktonic and sessile cells as determined by the inhibition of more than 90% of the strains, revealed no significant difference . Vancomycin and tigecycline were the most effective antibiotics for all isolates in planktonic and sessile cells. Combinations containing vancomycin and rifampicin showed the best activity both double and triple antibiotic combinations against biofilm. In conclusion, our data indicated that combination therapy, especially double combinations of antibiotics seem to be a rational approach for biofilm-related infections. / Hastanede yatış sürecinde yaygın olarak kullanılan kateterlerin en önemli komplikasyonu, hastalarda katetere bağlı lokal ve/veya sistemik enfeksiyonların gelişme riskidir. Bu çalışmada, kateterlerden izole edilen metisiline dirençli stafilokokların planktonik ve biyofilm sesil hücrelerinin antibiyotik duyarlılığının araştırılması, karşılaştırılması ve antibiyotiklerin tek başına ve kombinasyonlar halinde gösterdiği antimikrobiyal etkinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmaya, Başkent Üniversitesi Tıp Fakültesi Hastanesinde 2006-2009 yılları arasında çeşitli servis ve yoğun bakım ünitelerinde yatarak tedavi gören hastaların kateter kültürlerinden izole edilen 15 metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) ve 15 metisiline di- rençli koagülaz-negatif stafilokok (MRKNS) olmak üzere toplam 30 suş dahil edilmiştir. Tüm suşların, planktonik hücre aşamasında ve in vitro koşullarda biyofilm oluşturduktan sonra sesil hücrelerinde çeşitli antibiyotiklere (vankomisin, siprofloksasin, rifampisin, gentamisin, meropenem, tigesiklin, linezolid, seftazidim, sefazolin) karşı duyarlılıkları sıvı mikrodilüsyon yöntemiyle araştırılmış; minimum inhibitör konsantrasyonu (MİK) ve minimum bakterisidal konsantrasyon (MBK) değerleri belirlenmiştir. Tüm antibiyotiklerin hem planktonik hem de biyofilmdeki etkinlikleri önce tek başlarına, ardından ikili ve üçlü antibi- yotik kombinasyonları oluşturularak çoklu kombinasyonlu bakterisidal test (ÇKBT) yöntemiyle MİK ve MBK şeklinde saptanmıştır. Her bir antibiyotikle planktonik ve biyofilm hücrelerinde elde edilen veri seti istatistiksel olarak iki oran z testiyle analiz edilmiştir. Çalışmada, planktonik hücreler ve biyofilm arasında genel olarak duyarlılıklarda anlamlı azalmalar belirlenmiştir (p< 0.01). Hem ikili hem de üçlü kombinas- yonlarla yapılan çalışmaların sonucunda da planktonik form ile biyofilm arasında kombinasyonların çoğunda duyarlılıkta anlamlı azalma olduğu görülmüştür (p< 0.01). Kombinasyonlar arasında suşların %90’ından fazlasını inhibe edebilenler karşılaştırıldığında, ikili ve üçlü kombinasyonlar arasında anlamlı bir fark saptanmamıştır. Vankomisin ve tigesiklin, tüm izolatlar için planktonik hücreler ve biyofilm sesil hücrelerinde en etkin olan antibiyotikler olarak izlenmiş; gerek ikili gerekse üçlü kombinasyonlarda van- komisin ve rifampisin içerenler biyofilm ortamında en iyi aktiviteyi göstermişlerdir. Bu araştırmanın verileri, biyofilm ile ilişkili enfeksiyonlarda kombine antibiyotik tedavisi tercihinin, özellikle de ikili kombinasyonlarla tedavinin akılcı yaklaşım olacağını düşündürmektedir.