Isolation of Lytic Pseudomonas aeruginosa Phages and Investigation of Their Lytic Potency

Abstract

Pseudomanas aeruginosa is commonly found in the environment. It is an important opportunistic pathogen that causes difficult-to-treat infections in humans and animals due to its multiple antibiotic resistance and virulence factors. Treatment with phages has gained importance due to antibiotic resistance. In this study, it was aimed to isolate phage(s) with lytic effect for P. aeruginosa and to determine the lytic effects of these phages on different P. aeruginosa isolates. For this purpose, 3 different phages were isolated from sources where phages are likely to be found such as sewage samples, manure samples and the lytic effects of these phages on different P. aeruginosa isolates were investigated. For this purpose, 40 P. aeruginosa isolated from various clinical or environmental samples in the Culture Collection of Harran University, Faculty of Veterinary Medicine, Department of Microbiology were used. These host bacteria were considered to have multidrug resistance. The host bacteria were 100% resistant to penicillin, tylosin, oxytetracycline and erythromycin, 90% resistant to ampicillin, 87.5% resistant to streptomycin and amoxicillin/clavulonic acid, 85% resistant to cefquinom, 77.5% resistant to doxycycline, 1.5% resistant to azithromycin and 12.5% resistant to gentamicin, while all isolates were sensitive to enrofloxacin. Among the 3 phages isolated and coded in the study, PAFO phage caused lysis on 25 isolates (62.5%), PAFA phage caused lysis on 35 isolates (87.5%) and PAFS phage caused lysis on 30 isolates (75%), while 10 isolates (25%) in which all three phages showed lytic effect were determined. In conclusion, lytic bacteriophages against P. aeruginosa may be a specific and effective therapeutic option with the potential to tackle challenges such as antibiotic resistance and infection control. Therefore, it would be useful to further characterize the phages obtained in this study and determine their potential for commercialization for therapeutic or environmental contamination applications.

Keywords

• Pseudomonas aeruginosa
• Lytic bacteriophage
• Multidrug resistance
• One Health

Litik Pseudomonas aeruginosa Faj İzolasyonu ve Litik Etki Potansiyelinin Araştırılması

Abstract

Pseudomanas aeruginosa çevrede yaygın olarak bulunur. Genellikle çoklu antibiyotik direnci ve sahip olduğu virülans faktörleri nedeniyle insan ve hayvanlarda tedavisi zor enfeksiyonlara neden olan önemli bir fırsatçı patojendir. Çoklu antibiyotik direncine sahip bakterilerin neden olduğu enfeksiyonların tedavisinde fajlar önem kazanmıştır. Bu çalışmada, P. aeruginosa için litik etkiye sahip faj/fajların izolasyonu ve bu fajların farklı P. aeruginosa izolatları için litik etkilerinin belirlenmesi amaçlandı. Bu amaçla kanalizasyon örnekleri, gübre örnekleri gibi fajların bulunabileceği kaynaklardan 3 farklı faj izolasyonu yapıldı ve bunların farklı P. aeruginosa izolatlarına litik etkileri araştırıldı. Bunun için Harran Üniversitesi Veteriner Fakültesi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı Kültür Koleksiyonunda bulunan çeşitli klinik örneklerden ya da çevresel örneklerden izole edilmiş 40 P. aeruginosa izolatı kullanıldı. Bu konak bakterilerin çoklu antibiyotik direncine sahip oldukları belirlendi. Konak bakteriler penisilin, tylosin, oksitetrasiklin ve eritromisin için %100, ampilisin için %90, streptomisin ve amoksisilin/klavulonik asit için %87.5, sefkuinom için %85, doksisklin için %77.5, azithromisin için %1.5 ve gentamisin için %12.5 oranında dirençli olarak saptanırken, izolatların tamamı enrofloksasine duyarlı bulundu. Çalışmada izole edilerek kodlanan 3 fajdan PAFO fajı 25 (%62.5), PAFA fajı 35 (%87.5) ve PAFS fajı ise 30 izolat (%75) üzerinde lizis oluşturuken, her üç fajın da litik etki gösterdiği 10 izolat (%25) belirlendi. Sonuç olarak, P. aeruginosa'ya karşı litik bakteriyofajlar, özellikle antibiyotik direnci ve enfeksiyon kontrolü gibi zorluklarla başa çıkma potansiyeline sahip, spesifik ve etkili bir tedavi seçeneği olabilir. Bu nedenle çalışmada izole edilen fajların detaylı karakterizasyonlarının yapılması, tedavi ya da çevresel dekontaminasyon uygulamaları için ticari ürün haline dönüştürülme potansiyellerinin belirlenmesinin yararlı olacağı kanısına varıldı.

Keywords

• Pseudomonas aeruginosa
• Litik bakteriyofaj
• Çoklu antibiyotik direnci
• Tek Sağlık

References

1. Abbas R, Nawaz Z, Siddique AB et al. (2022). Molecular detection of biofilm production among multidrug resistant isolates of Pseudomonas aeruginosa from meat samples. Pak Vet J, 42 (4), 505-510.
2. Abdou MS, Salim AA, El-Dakroury MF (2021). Virulence of isolated Pseudomonas aeruginosa infecting duckling and antibiotic resistance with an experimental treatment trial. Assiut Vet Med J, 67 (169), 74-90.
3. Arda M, Aydın N, Ilgaz A ve ark. (1997). Özel mikrobiyoloji. 4. Baskı. Medisan Yayınevi, Ankara.
4. Aslantaş Ö, Türkyılmaz S, Keskin O, Yücetepe AG, Büyükaltay K (2022). Molecular characterization of Pseudomonas aeruginosa isolated from clinical bovine mastitis cases. Kafkas Üniv Vet Fak Derg, 28 (6), 747-759.
5. Berube BJ, Rangel SM, Hauser AR (2016). Pseudomonas aeruginosa: Breaking down barriers. Curr Genet, 62 (1), 109–113.
6. CLSI (2022): Performance standards for antimicrobial susceptibility testing. CLSI document: M100-32, Wayne, PA.
7. Çufalı D (2011). Klinik örneklerden izole edilen Pseudomonas aeruginosa suşlarının antimikrobiyal ajanlara direnci. Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Afyonkarahisar, Türkiye.
8. Deredjian A, Colinon C, Brothier E et al. (2011). Antibiotic and metal resistance among hospital and outdoor strains of Pseudomonas aeruginosa. Res Microbiol, 162, 689e700.

9. Elgawish AM, Alkhoudher TK, Abu-Elsaoud AM, El Kazzaz WE (2023). Isolation and molecular characterization of Pseudomonas aeruginosa lytic bacteriophages as a potential therapeutic alternative to traditional antibiotics. J Adv Vet Res, 1 (4), 568-576.
10. Eliasi UL, Sebola D, Oguttu JW, Qekwana DN (2020). Antimicrobial resistance patterns of Pseudomonas aeruginosa isolated from canine clinical cases at a veterinary academic hospital in South Africa. JSAVA, 91 (0), a2052.
11. Fernández L, Gutiérrez D, García P, Rodríguez A (2019). The perfect bacteriophage for therapeutic applications a quick guide. Antibiotics, 8 (3), 126.
12. Ferriol-González C, Domingo-Calap P 2020). Phages for biofilm removal. Antibiotics, 9 (5), 268.
13. Fong SA, Drilling A, Morales S et al. (2017). Activity of bacteriophages in removing biofilms of Pseudomonas aeruginosa isolates from chronic rhinosinusitis patients. Front Cell Infect Microbiol, 7, 418.
14. Fujiki J, Furusawa T, Munby M (2020). Susceptibility of Pseudomonas aeruginosa veterinary isolates to Pbunavirus PB1 like phages. Microbiol Immunol, 64 (11), 778-782.
15. Furusawa T, Iwano H, Higuchi H et al. (2016). Bacteriophage can lyse antibiotic resistant Pseudomonas aeruginosa isolated from canine diseases. J Vet Med Sci, 78 (6), 1035–1038.
16. Ghaffar A, Salman M, Yameen M et al. (2023). Sustainable biomedical applications of cellulose. Shabbir M (Ed). Regenerated Cellulose and Composites: Morphology-Property Relationship (pp. 347-379). Springer Nature, Singapore.
17. Gomes MZR, Machado CR, Conceição MS et al (2011). Outbreaks, persistence, and high mortality rates of multiresistant Pseudomonas aeruginosa infections in a hospital with AIDS-Predominant admissions. Braz J Infect Dis, 15 (4), 312–322.
18. Grecu M, Henea ME, Rîmbu CM (2023). The bacteriophages therapy of interdigital pyoderma complicated by cellulitis with antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa in a dog case report. Vet Sci, 10 (11), 642.
19. Gül M, Şensoy A, Çetin B, Korkmaz F, Seber B (2004). Hastane infeksiyonu Pseudomonas aeruginosa suşlarında seftazidime duyarlılığının e-test ve disk diffüzyon yöntemleri ile araştırılması. Turk Mikrobiyol Cem Derg, 34, 33-36.
20. Harada K, Arima S, Niina A, Kataoka Y, Takahashi T (2012). Characterization of Pseudomonas aeruginosa isolates from dogs and cats in Japan: Current status of antimicrobial resistance and prevailing resistance mechanisms. Microbiol Immunol, 56 (2), 123–127.
21. Harada LK, Silva EC, Campos WF et al. (2018). Biotechnological applications of bacteriophages: State of the art. Microbiol Res, 212-213, 38-58.
22. Hawkins C, Harper D, Burch D, Anggård E, Soothill J (2010). Topical treatment of Pseudomonas aeruginosa otitis of dogs with a bacteriophage mixture: A before/after clinical trial. Vet Microbiol, 146 (3-4), 309–313.
23. Kerr KG, Snelling AM (2009). Pseudomonas aeruginosa: a formidable and everpresent adversary. J Hospital Infect, 73 (4), 338–344.
24. Keskin O, Tel OY, Arserim NB (2012). Bir sığırcılık işletmesinde çoklu antibiyotik dirençli Pseudomonas aeruginosa epidemisi. Dicle Üniv Vet Fak Derg, 1 (5), 30-33.
25. Khairnar K, Raut MP, Chandekar RH, Sanmukh SG, Paunikar WN (2013). Novel bacteriophage therapy for controlling metallo-beta-lactamase producing Pseudomonas aeruginosa infection in catfish. BMC Vet Res, 9, 264.
26. Kutter E (2009). Phage host range and efficiency of plating. Clokie MRJ, Kropinski AM (Eds). Bacteriophages, methods in molecular biology (pp.141-149). Humana Press, New York.
27. Litwin A, Rojek S, Gozdzik W, Duszynska W (2021). Pseudomonas aeruginosa device associated healthcare associated infections and its multidrug resistance at intensive care unit of university hospital: Polish, 8.5-year, prospective, single-centre study. BMC Infect Dis, 21 (1), 1–8.
28. Öner SZ, Kaleli İ, Demir M ve ark. (2022). Pseudomonas aeruginosa izolatlarının antibiyotik direnci ve yıllar içindeki değişimi. ANKEM Derg, 36 (1), 9-15.
29. Örüklü N (2011). Kistik fibrozis hastalarından izole edilen Pseudomonas aeruginosa izolatlarında hipermutasyonun saptanması ve antibiyotik direnci ile ilişkisi. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Sağlık Bilimlerri Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
30. Pires DP, Vilas Boas D, Sillankorva S, Azeredo J (2015). Phage therapy: a step forward in the treatment of Pseudomonas aeruginosa infections. J Virol, 89 (15), 7449–7456.
31. Santajit S, Indrawattana N (2016). Mechanisms of antimicrobial resistance in ESKAPE pathogens. BioMed Res Int, 2016, 2475067.
32. Santos AP, Watanabe E, Andrade D (2011). Biofilm on artificial pacemaker: Fiction or reality? Arq Bras Cardiol, 97 (5), e113-20.
33. Schauer B, Wald R, Urbantke V, Loncaric I, Baumgartner M (2021). Tracing mastitis pathogens-epidemiological investigations of a Pseudomonas aeruginosa mastitis outbreak in an Austrian dairy herd. Animals, 11 (2), 279.
34. Sharma S (2021). Isolation and characterization of a lytic bacteriophage against Pseudomonas aeruginosa. Sci Rep, 11, 19393.
35. Sievert DM, Ricks P, Edwards JR et al. (2013). Antimicrobial-resistant pathogens associated with healthcare-associated infections: Summary of data reported to the National Healthcare Safety Network at the Centers for Disease Control and Prevention, 2009-2010. Infect Control Hosp Epidemiol, 34 (1), 1-14.
36. Spilker T, Coenye T, Vandamme P, LiPuma JJ (2004). PCR-based assay for differentiation of Pseudomonas aeruginosa from other Pseudomonas species recovered from cystic fibrosis patients. JCM, 42 (5), 2074–2079.
37. Sulakvelidze A, Alavidze Z, Morris JG (2001). Bacteriophage therapy. Antimicrob Agents Chemother, 45 (3), 649-659.
38. Şahin C (2015). Sığıların klink mastitislerinden Pseudomonas aeruginosa’nın izolayonu ve antibiyotiklere duyarlılıkları. Yüksek Lisans Tezi, Adnan Menderes Üniveritesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Aydın, Türkiye.
39. UKHSA 2024. (UK Standards for Microbiology Investigations). Identification of Pseudomonas species and other nonglucose fermenters issued by the standards unit, specialised microbiology and laboratories, UK Health Security Agency. 17, 1-26.
40. Ünal B (2005). Değişik kaynaklardan izole edilen Pseudomonas aeruginosa suşlarının antibiyotik duyarlılıklarının tespiti ve biofilm oluşumunun araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Adnan Menderes Üniveritesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Aydın, Türkiye.
41. Wright A, Hawkins CH, Anggard EE, Harper DR (2009). A controlled clinical trial of a therapeutic acteriophage preparation in chronic otitis due to antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa; a preliminary report of efficacy. Clin Otolaryngol, 34 (4), 349–357.
42. Zeyrek S (2019). Köpeklerde burun boşluğundan Pseudomonas aeruginosa’nın izolasyonu ve antibiyotiklere duyarlılıkları. Yüksek Lisans Tezi, Adnan Menderes Üniveritesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Aydın, Türkiye.