Expression of icaA and icaD genes in biofilm formation in Staphylococcus aureus isolates from bovine subclinical mastitis

ABSTRACT: Staphylococcus spp. plays a significant role in the etiology of bovine mastitis. Staphylococcus aureus is considered the most important species due to the high prevalence and the difficulty of in vivo treatment that is related to the expression of virulence factors and biofilm formation. This study aimed to detect the phenotypic expression of the biofilm formation in 20 S. aureus isolated from bovine mastitis and to evaluate the expression and regulation of genes involved in its production. MALDI-TOF and phenogenotypic identification assays were performed to characterize the isolates. The phenotypic biofilm production and the presence of icaA and icaD and bap genes were evaluated. The Agr system was typified (agr I, agr II, agr III and agr IV) and its regulator (agr RNAIII) was detected. Furtherly, Real-time PCR (qPCR) was performed at chosen times to quantify the expression of icaA, icaD and hld genes in three selected isolates. All 20 strains were biofilm producers and most presented icaA and icaD genes. Only one isolate presented the bap gene. The agr gene type II showed a prevalence of 70%. Transcriptional analysis revealed increased expression of ica genes at eight hours of growth. These results confirm that polysaccharides production mediated by the icaADBC operon genes is an essential mechanism to the biofilm formation and contributes to the early stages of bacterial growth.

RESUMO: Staphylococcus spp. desempenham um papel significativo na etiologia da mastite bovina. Staphylococcus aureus é considerada a espécie mais importante devido a alta prevalência e a dificuldade de tratamento in vivo que está relacionado à expressão dos fatores de virulência e formação de biofilme. Este estudo teve como objetivo detectar a expressão fenotípica da formação de biofilme em 20 cepas de S. aureus isoladas de mastite bovina e avaliar a expressão e regulação de genes envolvidos em sua produção. MALDI-TOF e ensaios de identificação fenogenotípica foram realizados para caracterizar os isolados. A produção fenotípica de biofilme e a presença dos genes icaA, icaD e bap foram avaliadas. O sistema Agr foi tipificado (agr I, agr II, agr III e agr IV) e seu regulador (agr RNAIII) foi detectado. Além disso, a PCR em tempo real (qPCR) foi realizada nos tempos determinados para quantificar a expressão dos genes icaA, icaD e hld em três isolados selecionados. Todas as 20 linhagens foram produtoras de biofilme e a maioria apresentava os genes icaA e icaD. Apenas um isolado apresentou o gene bap. O gene agr do tipo II mostrou uma prevalência de 70%. A análise transcricional revelou aumento da expressão de genes ica às oito horas de crescimento. Estes resultados confirmam que a produção de polissacarídeos mediada pelos genes do operon icaADBC é um mecanismo essencial para a formação do biofilme e contribui para os estágios iniciais do crescimento bacteriano.

Expression of icaA and icaD genes in biofilm formation in Staphylococcus aureus isolates from bovine subclinical mastitis / Expressão dos genes icaA e icaD na formação de biofilme em isolados de Staphylococcus aureus de mastite subclínica bovina

Staphylococcus spp. plays a significant role in the etiology of bovine mastitis. Staphylococcus aureus is considered the most important species due to the high prevalence and the difficulty of in vivo treatment that is related to the expression of virulence factors and biofilm formation. This study aimed to detect the phenotypic expression of the biofilm formation in 20 S. aureus isolated from bovine mastitis and to evaluate the expression and regulation of genes involved in its production. MALDI-TOF and phenogenotypic identification assays were performed to characterize the isolates. The phenotypic biofilm production and the presence of icaA and icaD and bap genes were evaluated. The Agr system was typified (agr I, agr II, agr III and agr IV) and its regulator (agr RNAIII) was detected. Furtherly, Real-time PCR (qPCR) was performed at chosen times to quantify the expression of icaA, icaD and hld genes in three selected isolates. All 20 strains were biofilm producers and most presented icaA and icaD genes. Only one isolate presented the bap gene. The agr gene type II showed a prevalence of 70%. Transcriptional analysis revealed increased expression of ica genes at eight hours of growth. These results confirm that polysaccharides production mediated by the icaADBC operon genes is an essential mechanism to the biofilm formation and contributes to the early stages of bacterial growth.(AU)

Staphylococcus spp. desempenham um papel significativo na etiologia da mastite bovina. Staphylococcus aureus é considerada a espécie mais importante devido a alta prevalência e a dificuldade de tratamento in vivo que está relacionado à expressão dos fatores de virulência e formação de biofilme. Este estudo teve como objetivo detectar a expressão fenotípica da formação de biofilme em 20 cepas de S. aureus isoladas de mastite bovina e avaliar a expressão e regulação de genes envolvidos em sua produção. MALDI-TOF e ensaios de identificação fenogenotípica foram realizados para caracterizar os isolados. A produção fenotípica de biofilme e a presença dos genes icaA, icaD e bap foram avaliadas. O sistema Agr foi tipificado (agr I, agr II, agr III e agr IV) e seu regulador (agr RNAIII) foi detectado. Além disso, a PCR em tempo real (qPCR) foi realizada nos tempos determinados para quantificar a expressão dos genes icaA, icaD e hld em três isolados selecionados. Todas as 20 linhagens foram produtoras de biofilme e a maioria apresentava os genes icaA e icaD. Apenas um isolado apresentou o gene bap. O gene agr do tipo II mostrou uma prevalência de 70%. A análise transcricional revelou aumento da expressão de genes ica às oito horas de crescimento. Estes resultados confirmam que a produção de polissacarídeos mediada pelos genes do operon icaADBC é um mecanismo essencial para a formação do biofilme e contribui para os estágios iniciais do crescimento bacteriano.(AU)

Análise fenotípica e molecular da produção de biofilmes por estirpes de Staphylococcus aureus isoladas de casos de mastite subclínica bovina / Phenotypic and molecular analysis of biofilm production by strains of Staphylococcus aureus isolated from cases of bovine subclinical mastitis

A formação de biofilmes é considerada uma vantagem que alguns Staphylococcus aureus isolados de mastite bovina possuem, facilitando a permanência dos mesmos no úbere. Isto requer a adesão das bactérias no epitélio mamário com proliferação e formação de multicamadas de células envolvidas por uma matriz polimérica conhecida como exopolissacarídeo. O objetivo deste estudo foi avaliar a produção de biofilmes das estirpes de S. aureus isoladas de casos mastite subclínica bovina. Estudou-se 94 estirpes de S. aureus obtidas do leite de vacas com mastite subclínica oriundas de duas propriedades rurais no estado de São Paulo. Essas estirpes foram caracterizadas quanto a produção de biofilmes pelos testes de aderência em microplacas e pela presença dos genes icaA e icaD responsáveis pela produção do polissacarídeo de adesão intercelular. Os resultados obtidos revelaram que no teste de aderência em placas, 98,9% das estirpes produziram biofilme e a presença dos genes icaA e icaD foi encontrada em 95,7% das estirpes de S. aureus. Bactérias produtoras de biofilmes no epitélio mamário diminuem a efetividade dos antimicrobianos, por isso a detecção de S. aureus produtoras de biofilmes têm importância no entendimento da patogenia desse agente, além de permitir uma melhor adoção de medidas de prevenção e controle.

Biofilm formation is considered an advantage for Staphylococcus aureus mastitis isolates, facilitating bacterial persistence in the udder. It requires attachment to mammary epithelium, proliferation and accumulation of cells in multilayers and enclosing in a polymeric matrix known as exopolysaccharide. The objective of this study was to evaluate the ability of Staphylococcus aureus isolated from bovine subclinical mastitis for formation of biofilms. A total of 94 Staphylococcus aureus strains obtained from milk samples of cows suffering from subclinical mastitis in dairy herds on two properties in the state of São Paulo were evaluated. These strains were characterized by in vitro biofilm formation, and by the presence of icaA and icaD genes which are responsible for intercellular adhesion. The results revealed that 98.9% of the isolates produced biofilm in vitro by adherence in sterile 96-well "U" bottom polystyrene tissue culture plates; 95.7% of the isolates possessed the icaA and icaD genes. These bacterial isolates biofilm producers may impair eradication of chronic mastitis, rendering antibiotherapy less effective. The detection of biofilm forming ability in mastitis isolates may provide useful information for more adequate therapeutic regimen and for preventive actions in the control of those bacterial isolates in bovine herds.

Detection of methicillin resistance and slime factor production of Staphylococcus aureus in bovine mastitis / Detecção de resistência a meticilina e produção do fator slime por Staphylococcus aureus em mastite bovina

This study aimed to detect methicillin resistant and slime producing Staphylococcus aureus in cases of bovine mastitis. A triplex PCR was optimized targetting 16S rRNA, nuc and mecA genes for detection of Staphylococcus species, S. aureus and methicillin resistance, respectively. Furthermore, for detection of slime producing strains, a PCR assay targetting icaA and icaD genes was performed. In this study, 59 strains were detected as S. aureus by both conventional tests and PCR, and 13 of them were found to be methicillinresistant and 4 (30.7%) were positive for mecA gene. Although 22 of 59 (37.2%) S. aureus isolates were slimeproducing in Congo Red Agar, in PCR analysis only 15 were positive for both icaA and icaD genes. Sixteen and 38 out of 59 strains were positive for icaA and icaD gene, respectively. Only 2 of 59 strains were positive for both methicillin resistance and slime producing, phenotypically, suggesting lack of correlation between methicillin resistance and slime production in these isolates. In conclusion, the optimized triplex PCR in this study was useful for rapid and reliable detection of methicillin resistant S. aureus. Furthermore, only PCR targetting icaA and icaD may not sufficient to detect slime production and further studies targetting other ica genes should be conducted for accurate evaluation of slime production characters of S. aureus strains.

Este estudo objetivou a detecção de Staphylococcus aureus resistente a meticilina e produtor do fator slime em casos de mastite bovina. Um PCR triplex foi otimizado, com alvo no genes 16SrRNA, nuc e mecA para detecção de Staphylococcus spp, S. aureus e resistencia a meticilina, respectivamente. Para detecção das cepas produtoras do fator slime, empregou-se um PCR com alvo nos genes icaA e icaD. No estudo, 59 cepas foram identificadas como S. aureus por testes convencionais e PCR, sendo 13 resistentes a meticilina e quatro positivas para o gene mecA. Embora 22 das 59 cepas tenham sido produtoras do fator slime em Agar Vermelho Congo, no teste PCR somente 15 foram positivas para os genes icaA e icaD. Dezesseis e 38 das 59 cepas foram positivas para os genes icaA e icaD, respectivamente. Somente duas das 59 cepas foram positivas simultaneamente para resistência a meticilina e produção do fator slime, sugerindo falta de correlação entre estas características. Em conclusão, o PCR triplex otimizado neste trabalho mostrou-se ser um método rápido e confiável para detecção de S.aureus meticilina resistente. Por outro lado, somente PCR para os genes icaA e icaD pode não ser suficiente para detectar produção de fator slime e outros estudos com alvo em outros genes ica são necessários para um avaliação correta da produção do fator slime por S. aureus.

Coagulase-negative Staphylococci and ica Operon Examination:A Clinical Study / 中华医院感染学杂志

OBJECTIVE To investigate the significance of CNS in clinical infections.METHODS A total of 114 CNS strains isolated from our hospital were identified by conventional procedures and the icaD gene was amplified by PCR.RESULTS Of all CNS strains,the highest isolated rate was S.epidermidis(41.2%).CNS isolated from deep venous catheters,wound secretions and blood had a higher rate of carrying ica operon,accounted for 44.4%,42.1% and 36.8%,respectively,whereas 24.0% in respiratory secretions and 14.1% in urine.Among the ica operon positive CNS strains,the percentages of S.epidermidis and S.haemolyticus were 42.6% and 19.0%.CONCLUSIONS There is a wide range of CNS species carrying ica operon,especially in S.epidermidis.CNS isolated from different specimens might have different significances.It should be cautious to assess the results of isolated CNS from respiratory and urine specimens.The CNS isolates from blood specimens might be contaminated.The PCR method for the ica operon is simple and easy.