Analyse vorherrschender Pertussis-Stämme aus verschiedenen Regionen Chinas nach der Einführung azellulärer Impfstoffe

Die Wiederzunahme von Pertussis in China nach der Einführung azellulärer Pertussis-Impfstoffe (ACVs) wirft kritische Fragen zur bakteriellen Evolution und Impfstoffwirksamkeit auf. Diese Studie bietet eine umfassende genomische und epidemiologische Analyse von Bordetella pertussis-Stämmen aus drei geografisch unterschiedlichen Regionen Chinas – Tianjin, Xi’an und Shenzhen – um Stammvielfalt, Antibiotikaresistenzmuster und phylogenetische Beziehungen im post-ACV-Zeitalter aufzuklären.

Einleitung

Pertussis bleibt trotz flächendeckender Impfungen ein bedeutendes Problem der öffentlichen Gesundheit. Obwohl ACVs die Morbidität und Mortalität global reduziert haben, wurde die späte Einführung dieser Impfstoffe in China von einem verzögerten Wiederanstieg der Fälle begleitet. Frühere Studien deuten darauf hin, dass chinesische B. pertussis-Stämme einzigartige evolutionäre Linien entwickelt haben, die sich von globalen Mustern unterscheiden, wahrscheinlich bedingt durch Impfdruck und lokale epidemiologische Faktoren. Diese Untersuchung erweitert diese Erkenntnisse durch die Analyse von 199 klinischen Isolaten (2018–2019), kombiniert mit Multilocus-Sequenztypisierung (MLST), Makrolid-Resistenzprofilen und phylogenomischer Auswertung, um regionale Stammdynamiken zu charakterisieren.

Methodik

Stammisolierung und Identifizierung

Insgesamt wurden 375 Verdachtsfälle aus dem Tianjin Second People’s Hospital gescreent, wobei 100 kulturell bestätigte B. pertussis-Isolate von Patienten gewonnen wurden, die keine oder maximal zweitägige Makrolid-Therapie erhielten. Nasopharyngeale Abstriche/Aspirate wurden auf Cephalexin-haltigem Kohleblutagar bei 37°C über 72 Stunden kultiviert. Die Bestätigung erfolgte via MALDI-TOF-Massenspektrometrie. Ergänzend wurden 49 Isolate aus Xi’an (BioProject PRJNA489102) und 50 aus Shenzhen (CNGB CNP0001528) vergleichend analysiert.

Genomsequenzierung und Bioinformatik

Genomische DNA wurde mittels Promega Wizard®-Kit extrahiert und auf einer Illumina HiSeqX-Plattform sequenziert. Chromosomale Assemblies wurden mit Chromosomer v0.1.3 unter Verwendung des chinesischen Impfstamms CS (GCF_000212975.1) als Referenz erstellt. Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) und Strukturvariationen wurden mit NucDiff v2.0.2 identifiziert. Die phylogenetische Rekonstruktion erfolgte mit RAxML v8.2.12 unter Verwendung von 862 hochkonfidenten SNPs, visualisiert via EvolView. B. parapertussis und CS dienten als Outgroup bzw. Referenz.

Ergebnisse

Epidemiologisches Profil der Tianjin-Kohorte

Die Tianjin-Kohorte (n=100) umfasste vorwiegend Säuglinge und Kleinkinder: 22 % im Alter von 3–6 Monaten und 39 % im Alter von 7–24 Monaten. Erwachsene (≥18 Jahre) stellten 12 % der Fälle. Die Impfstatusanalyse zeigte drei Gruppen: vollständig geimpft (vier ACV-Dosen; 12 %), teilweise geimpft (45 %) und ungeimpft (43 %). Geschlechtsspezifische Unterschiede waren nicht signifikant (männlich: 54 %; weiblich: 46 %).

MLST-Diversität und regionale Variationen

In Tianjin wurden 13 MLST-Profile identifiziert, mehr als in früheren chinesischen Studien. Dominante Typen umfassten:

1. fhaB3/fim2-1/fim3-1/prn1/ptxA1/ptxP1 (48 %)
2. fhaB3/fim2-1/fim3-2/prn1/ptxA1/ptxP1 (20 %)
3. fhaB3/fim2-1/fim3-4/prn1/ptxA1/ptxP1 (15 %)
4. fhaB3/fim2-1/fim3-2/prn4/ptxA1/ptxP3 (6 %)
5. fhaB3/fim2-1/fim3-4/prn4/ptxA1/ptxP3 (2 %)
   Seltene Typen (<2 %) enthielten prn2, prn11 und prn15. ptxP1 dominierte (83 %), während ptxP3 in 15 % der Stämme auftrat. Cramers-V-Tests zeigten keine signifikanten Assoziationen zwischen MLST-Typen und Geschlecht (V=0,36) oder Impfstatus (V=0,30).

Makrolid-Resistenzmechanismen

84 % (84/100) der Tianjin-Stämme wiesen die 23S-rRNA-A2047G-Mutation auf, die Makrolid-Resistenz vermittelt. Resistenzassoziierte SNPs fanden sich an drei Loci:

• 2361/BPTD_RS11675 (81 %)
• 3130/BPTD_RS15455 (1 %)
• 2071/BPTD_RS1025 (2 %)
  A2047G-Mutationen traten sowohl in ptxP1– (75/85) als auch ptxP3-Linien (6/15) auf, was auf parallele Resistenzevolution hindeutet.

Phylogenetische Dynamik und regionale Clusterbildung

Die SNP-basierte Phylogenie offenbarte regionale Unterschiede:

• Tianjin: Breite Verteilung der Stämme ohne enge Cluster, was auf diverse Übertragungsnetzwerke schließen lässt.
• Xi’an: Fünf Cluster, darunter eine große Gruppe nahe dem ancestralen CS-Stamm, was langsamere Divergenz anzeigt.
• Shenzhen: Drei Cluster, einschließlich eines dominanten, homogenen Klades (n=32), der eine tief verzweigte Linie bildete.

Die Mutationslast relativ zu CS war in Xi’an am höchsten (2.831 SNPs), gefolgt von Tianjin (1.857) und Shenzhen (1.754). Tianjin wies jedoch die wenigsten regionsspezifischen Mutationen auf (123 vs. 283 in Xi’an und 228 in Shenzhen), was auf stärkeren Genfluss hindeutet.

Diskussion

ACV-bedingte Stammdivergenz

Die Verdrängung von Impfantigen-Allelen (prn1, ptxP1) durch zirkulierende Stämme unterstreicht anhaltende Immunescape-Mechanismen. Das Persistieren von ptxP3 – einem Haplotyp mit erhöhter Pertussis-Toxin-Produktion – in 15 % der Tianjin-Stämme spiegelt globale Trends virulenter Linien nach ACV-Einführung wider. Regionale Clusterunterschiede (z. B. homogene Shenzhen-Stämme vs. disperse Tianjin-Stämme) könnten auf Unterschiede in Impfquoten oder Antibiotikaeinsatz zurückgehen.

Implikationen für die Impfstoffwirksamkeit

Die Diskrepanz zwischen CS-Impfstamm und prävalenten prn4/ptxP3-Genotypen legt abnehmende Impfeffektivität nahe, was Anpassungen der Impfstoffzusammensetzung erfordert. Die Koexistenz von A2047G-Resistenz in beiden Hauptlinien (ptxP1 und ptxP3) erschwert die Therapie und unterstreicht die Notwendigkeit alternativer Antibiotika wie β-Laktame.

Limitationen und zukünftige Forschung

Die Studie konzentriert sich auf urbane Zentren; ländliche Regionen mit potenziell unterschiedlicher ACV-Abdeckung wurden nicht erfasst. Die funktionelle Bedeutung beobachteter SNPs auf Virulenz bedarf weiterer Untersuchungen. Langzeitüberwachung wird klären, ob ptxP3 landesweit dominant wird oder regionale Diversifikation anhält.

Schlussfolgerung

Chinas heterogene B. pertussis-Population zeigt ausgeprägte regionale Adaptation post-ACV, charakterisiert durch expandierende Makrolid-Resistenzen, antigene Abweichung vom Impfstamm und distinkte phylogenetische Pfade. Die Koexistenz resistenter Linien unterstreicht die Dringlichkeit, Impfstoffe an prävalente Genotypen anzupassen und Antibiotika-Stewardship zu intensivieren. Kontinuierliche genomische Surveillance in urbanen und ländlichen Gebieten wird entscheidend sein, um die Pertussis-Renaissance in China einzudämmen.

doi.org/10.1097/CM9.0000000000002244