病原性細菌の加速度進化モデルを用いた未来予測

• Project/Area Number: 22K19416
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 49:Pathology, infection/immunology, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 豊孝 北海道大学, 獣医学研究院, 准教授 (30756474)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横田 伸一 札幌医科大学, 医学部, 教授 (10325863)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 薬剤耐性 / 適応進化 / 肺炎桿菌 / 生体内適応 / 病原性 / 細菌 / 遺伝子変異 / 病原性細菌 / 進化予測

Outline of Research at the Start

細菌感染症は世界共通の問題である。医療現場で問題となっている細菌の病原性や薬剤耐性因子の詳細な解析は進んでいるが、『本病原性細菌は今後どのように進化し医療上の問題を引き起こす可能性があるのか？』といった未来予測に対する科学的検証は行われていない。本研究では遺伝子変異スピードを加速度的に増加させた病原性細菌の生体内適応進化モデルを構築し、通常数ヶ月から数百年レベルが必要な病原性細菌の病原性や多剤耐性化の進化様式を数日にて明らかにすることを目的とした病原性細菌の未来予測を行う。

Outline of Annual Research Achievements

細菌感染症は世界共通の問題である。医療現場で問題となっている細菌の病原性や薬剤耐性因子の詳細な解析は進んでいるが、『本病原性細菌は今後どのように進化し医療上の問題を引き起こす可能性があるのか？』といった未来予測に対する科学的検証は行われておらず、本評価系も存在しない。これらの学術的問いに応えるべき、本研究では遺伝子変異スピードを加速度的に増加させた病原性細菌の生体内適応進化モデルを構築し、病原性細菌の病原性や多剤耐性化の進化様式を明らかにすることを目的とする。
今年度は生体内(血清または抗菌薬存在下)を模擬した環境系を構築した。本環境下で肺炎桿菌親株および昨年度作製したmutS変異株の20日間の連続継代培養を行なった。本培養においては、親株では20日後も血清または抗菌薬(シプロフロキサシン、アミカシン、メロペネム)に耐性を獲得するような変異株は出現しなかった。一方で、mutS変異株では血清および各抗菌薬共に7日以内に耐性を獲得した変異株が出現した。これら変異株の全ゲノム解析を実施した。親株から派生した継代株は血清および各抗菌薬共に数個から数十の遺伝子変異を蓄積していた。一方で、mutS変異株から派生した継代株では、血清および各抗菌薬共に数十から数百の遺伝子変異が蓄積していた。変異した遺伝子は各生体内模擬環境下で異なっており、肺炎桿菌の進化速度とベクトルは各生体内環境で異なることが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は当初の計画通りの遂行を完了したため。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画通り、2023年度と同様に肺炎桿菌の遺伝子進化の評価を継続する。また、マウス感染モデルを構築する。マウス感染モデルにDNA修復遺伝子機能欠損株または遺伝子進化後の肺炎桿菌を感染させ、親株または遺伝子進化前の菌株とそれぞれ比較することにより、生体内での肺炎桿菌の病原性進化予測を行う。評価項目は各臓器(肺および血液)での生菌数、マウス生存率、血清耐性獲得率、薬剤耐性獲得率とする。

Research Products

• [Journal Article] Human pathogenic bacteria on high-touch dry surfaces can be controlled by warming to human-skin temperature under moderate humidity (2023)
  • Author(s): Konno Ayano、Okubo Torahiko、Enoeda Yoshiaki、Uno Tomoko、Sato Toyotaka、Yokota Shin-ichi、Yano Rika、Yamaguchi Hiroyuki
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 9 Pages: 0291765-0291765
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0291765
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Serotype replacement and an increase in non-encapsulated isolates among community-acquired infections of Streptococcus pneumoniae during post-vaccine era in Japan (2023)
  • Author(s): Yokota Shin-ichi、Tsukamoto Naoyuki、Sato Toyotaka、Ohkoshi Yasuo、Yamamoto Soh、Ogasawara Noriko
  • Journal Title: IJID Regions Volume: 8 Pages: 105-110
  • DOI: 10.1016/j.ijregi.2023.07.002
• [Journal Article] High prevalence of colistin heteroresistance in specific species and lineages of Enterobacter cloacae complex derived from human clinical specimens (2023)
  • Author(s): Fukuzawa Shota、Sato Toyotaka、Aoki Kotaro、Yamamoto Soh、Ogasawara Noriko、Nakajima Chie、Suzuki Yasuhiko、Horiuchi Motohiro、Takahashi Satoshi、Yokota Shin-ichi
  • Journal Title: Annals of Clinical Microbiology and Antimicrobials Volume: 22 Issue: 1 Pages: 60-60
  • DOI: 10.1186/s12941-023-00610-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pseudo-outbreak of Mycobacterium lentiflavum at a general hospital in Japan (2023)
  • Author(s): Nagano Yutaro、Kuronuma Koji、Kitamura Yasuo、Nagano Kanami、Yabe Hayato、Kudo Sayaka、Sato Toyotaka、Nirasawa Shinya、Nakae Mami、Horiuchi Motohiro、Yokota Shin-ichi、Fujiya Yoshihiro、Saito Atsushi、Takahashi Satoshi、Chiba Hirofumi
  • Journal Title: Infection Control & Hospital Epidemiology Volume: 44 Issue: 11 Pages: 1809-1815
  • DOI: 10.1017/ice.2023.68
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Corrigendum to 'Clonal/subclonal changes and accumulation of CTX-M-type β-lactamase genes in fluoroquinolone-resistant Escherichia coli ST131 and ST1193 strains isolated during the past 12 years, Japan (2023)
  • Author(s): Fukushima Y, Sato T, Tsukamoto N, Nakajima C, Suzuki Y, Takahashi S, Yokota SI
  • Journal Title: J Glob Antimicrob Resist Volume: 32 Pages: 195-195
  • DOI: 10.1016/j.jgar.2022.12.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of Biologically Optimized Polymyxin Derivatives Facilitated by Peptide Scanning and In Situ Screening Chemistry (2023)
  • Author(s): Kaguchi R, Katsuyama A, Sato T, Takahashi S, Horiuchi M, Yokota SI, Ichikawa S
  • Journal Title: J Am Chem Soc Volume: 145 Issue: 6 Pages: 3665-3681
  • DOI: 10.1021/jacs.2c12971
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of macrocyclic nucleoside antibacterials and their interactions with MraY (2022)
  • Author(s): Nakaya T, Yabe M, Mashalidis EH, Sato T, Yamamoto K, Hikiji Y, Katsuyama A, Shinohara M, Minato Y, Takahashi S, Horiuchi M, Yokota SI, Lee SY, Ichikawa S
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7575-7575
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35227-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chromosomal coharboring of blaIMP-60 and mcr-9 in Enterobacter asburiae isolated from a Japanese woman with empyema (2022)
  • Author(s): Miyazato Y, Iwamoto N, Usui M, Sato T, Miyoshi-Akiyama T, Nagashima M, Mezaki K, Hayakawa K, Ohmagari N
  • Journal Title: BMC Infect Dis Volume: 22 Issue: 1 Pages: 762-762
  • DOI: 10.1186/s12879-022-07730-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Colistin Susceptibility in Companion Animal-Derived Escherichia coli, Klebsiella spp., and Enterobacter spp. in Japan: Frequent Isolation of Colistin-Resistant Enterobacter cloacae Complex (2022)
  • Author(s): Sato T, Harada K, Usui M, Yokota SI, Horiuchi M
  • Journal Title: Front Cell Infect Microbiol Volume: 12 Pages: 946841-946841
  • DOI: 10.3389/fcimb.2022.946841
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A hydroxypropyl methylcellulose plaque assay for human respiratory syncytial virus (2022)
  • Author(s): Takumi-Tanimukai Y, Yamamoto S, Ogasawara N, Nakabayashi S, Mizuta K, Yamamoto K, Miyata R, Kakuki T, Jitsukawa S, Sato T, Tsutsumi H, Kojima T, Takano K, Yokota SI
  • Journal Title: J Virol Methods Volume: - Pages: 114528-114528
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-Phase Total Synthesis of Plusbacin A 3 (2022)
  • Author(s): Kazuki Takashina, Akira Katsuyama, Rintaro Kaguchi, Kazuki Yamamoto, Toyotaka Sato, Satoshi Takahashi, Motohiro Horiuchi, Shin-ichi Yokota, Satoshi Ichikawa.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 24 Issue: 11 Pages: 2253-2257
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c00667
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Corrigendum to “Design, synthesis and biological evaluation of simplified analogues of MraY inhibitory natural product with rigid scaffold” Bioorganic & Medicinal Chemistry 55 (2021) 116556 (2022)
  • Author(s): Okamoto Kazuhiro、Ishikawa Aoi、Okawa Ryotaro、Yamamoto Kazuki、Sato Toyotaka、Yokota Shin-ichi、Chiba Kazuhiro、Ichikawa Satoshi
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Volume: － Pages: 116689-116689
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2022.116689
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 2 Establishment of a reference panel of Helicobacter pylori strains for antimicrobial susceptibility testing. (2022)
  • Author(s): Kenji Yokota, Takako Osaki, Shunji Hayashi, Shin-Ichi Yokota, Hiroaki Takeuchi, Emiko Rimbara, Hinako Ojima, Toyotaka Sato, Hideo Yonezawa, Keigo Shibayama, Kengo Tokunaga, Shigeru Kamiya, Kazunari Murakami, Mototsugu Kato, Toshiro Sugiyama
  • Journal Title: Helicobacter Volume: Jun;27(3) Issue: 3 Pages: 12874-12874
  • DOI: 10.1111/hel.12874
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 伴侶動物由来の薬剤耐性菌について (2024)
  • Author(s): 佐藤 豊孝
  • Organizer: 第35回日本臨床微生物学会総会・学術集会
• [Presentation] DNA修復機構欠損変異株を用いた Klebsiella pneumoniaeの薬剤耐性および病原性進化予測 (2023)
  • Author(s): 佐藤 豊孝, 上村 幸二朗, 小笠原 徳子, 山本 聡, 齋藤 充, 黒沼 幸治, 堀内 基広, 髙橋 聡, 千葉 弘文, 横田 伸一
  • Organizer: 第52回 薬剤耐性菌研究会
• [Presentation] 病原性細菌の加速度進化モデルを用いた未来予測 (2023)
  • Author(s): 佐藤 豊孝, 上村 幸二朗, 小笠原 徳子, 山本 聡, 齋藤 充史, 黒沼 幸治, 堀内 基広, 髙橋 聡, 千葉 弘文, 横田 伸一
  • Organizer: 第 88 回 日本細菌学会北海道支部学術総会
• [Presentation] One Health Approachに基づく人と伴侶動物由来薬剤耐性菌の解析とその対策 (2023)
  • Author(s): 佐藤 豊孝
  • Organizer: 第10回One World One Health 研究会
• [Presentation] 薬剤耐性菌の 国際的なトレンドを把握する (2023)
  • Author(s): 佐藤 豊孝、上村幸二郎、髙橋 聡、横田 伸一
  • Organizer: 札幌医科大学附属病院 感染症医療教育・支援センター 主催 WEBセミナー
• [Presentation] 伴侶動物由来フルオロキノロン耐性大腸菌の特徴とヒトとの伝播の可能性の評価 (2023)
  • Author(s): 佐藤 豊孝, 上村幸二郎, 髙橋 聡, 横田 伸一
  • Organizer: 第97回日本感染症学会総会・学術講演会 第71回日本化学療法学会学術集会 合同学会
• [Presentation] Virulent attenuation mechanism by acquisition of mcr-1-harboring plasmid into Escherichia coli ST131 (2023)
  • Author(s): 佐藤豊孝、 山本聡、小笠原徳子、臼井優、長野則之、土井洋平、堀内基広 、 髙橋聡、横田伸一、田村豊
  • Organizer: 第96回日本細菌学会総会
• [Presentation] 薬剤耐性菌の克服に向けた感染部位特異的治療薬の開発 (2022)
  • Author(s): 佐藤 豊孝
  • Organizer: 第18回 霊長類医科学フォーラム
  • Invited
• [Presentation] mcr-1保有プラスミドの付与が及ぼす大腸菌の病原性減弱メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 佐藤豊孝, 山本聡, 小笠原徳子, 臼井優, 鈴木仁人, 林 航, 長野則之, 土井洋平, 田村豊, 髙橋聡, 横田伸一, 堀内基広
  • Organizer: 第51回薬剤耐性菌研究会
• [Presentation] 多剤耐性菌の克服に向けた新たなアプローチ 感染部位特異的細菌感染症治療法の開発 (2022)
  • Author(s): 佐藤 豊孝
  • Organizer: 北海道大学 第8回部局横断シンポジウム 「新たな学際領域を生み出す異分野融合研究」
  • Invited
• [Presentation] One Health Approachに基づいた フルオロキノロン耐性大腸菌の市中内拡散・定着様式の解明 (2022)
  • Author(s): 佐藤 豊孝, 立花 徹, 玉井 聡, 星野 祐治, 鳥越 慎吾, 榊原 啓一郎, 前谷 茂樹, 福田 昭, 大久保 寅彦, 臼井 優, 髙橋 聡, 横田 伸 一, 田村 豊, 堀内 基広
  • Organizer: 第165回日本獣医学会学術集会
• [Presentation] 臨床検体由来フルオロキノロン耐性大腸菌の分子疫学解析 および伴侶動物由来株との比較 (2022)
  • Author(s): 佐藤 豊孝、上村幸二郎、髙橋 聡、横田 伸一
  • Organizer: 第71回日本感染症学会東日本地方会学術集会
• [Presentation] Klebsiella pneumoniaeにおける遺伝子変異頻度と病原性の関連性評価 (2022)
  • Author(s): 上村 幸二朗、佐藤 豊孝、髙橋 聡、横田 伸一
  • Organizer: 第71回日本感染症学会東日本地方会学術集会
• [Presentation] 遺伝子修復機構欠損株を用いた Klebsiella pneumoniaeのheterogeneityが与える 病原性と宿主内適応進化への影響評価 (2022)
  • Author(s): 上村 幸二朗, 佐藤 豊孝, 小笠原 徳子, 山本 聡, 白石 宗,齋藤 充史, 黒沼 幸治, 堀内 基広,髙橋 聡, 千葉 弘文, 横田 伸一
  • Organizer: 第87回細菌北海道支部学術総会