Next-generation sequencing of drug resistant Mycobacterium tuberculosis clinical isolates in low-incidence countries

• Published in: Russian Journal of Infection and Immunity
• Main Authors: E. Sodja, N. Toplak, S. Koren, M. Kovač, S. Truden, M. Žolni-Dovč, Э. Содья, Н. Топлак, С. Корен, М. Ковач, С. Труден, М. Жолнир-Довч
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: Publishing house of Saint Petersburg Pasteur Institute 2020
• Subjects: tuberculosis; Mycobacterium tuberculosis; drug resistant tuberculosis; multidrug resistant tuberculosis; next-generation sequencing; Ion Torrent; phenotypic drug susceptibility testing; туберкулез; лекарственноустойчивый туберкулез; туберкулез с множественной лекарственной устойчивостью; секвенирование следующего поколения; фенотипическое определение лекарственной чувствительности; Крайн*
• Online Access: https://www.iimmun.ru/iimm/article/view/851; https://doi.org/10.15789/2220-7619-2019-5-6-773-778

Drug resistant tuberculosis (TB), especially multidrug (MDR) and extensively drug-resistant (XDR) TB, is still a serious problem in global TB control. Slovenia and North Macedonia are low-incidence countries with TB incidence rates of 5.4 and 10.4 in 2017, respectively. In both countries, the percentage of drug resistant TB is very low with sporadic cases of MDR-TB. However, global burden of drug-resistant TB continues to increase imposing huge impact on public health systems and strongly stimulating the detection of gene variants related with drug resistance in TB. Next-generation sequencing (NGS) can provide comprehensive analysis of gene variants linked to drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Therefore, the aim of our study was to examine the feasibility of a full-length gene analysis for the drug resistance related genes (inhA, katG, rpoB, embB) using Ion Torrent technology and to compare the NGS results with those obtained from conventional phenotypic drug susceptibility testing (DST) in TB isolates. Between 1996 and 2017, we retrospectively selected 56 TB strains from our National mycobacterial culture collection. Of those, 33 TB isolates from Slovenian patients were isolated from various clinical samples and subjected to phenotypic DST testing in Laboratory for Mycobacteria (University Clinic Golnik, Slovenia). The remaining 23 TB isolates were isolated from Macedonian patients and sent to our laboratory for assistance in phenotypic DST testing. TB strains included were either mono-, poly- or multidrug resistant. For control purposes, we also randomly selected five TB strains susceptible to first-line anti-TB drugs. High concordance between genetic (Ion Torrent technology) and standard phenotypic DST testing for isoniazid, rifampicin and ethambutol was observed, with percent of agreement of 77%, 93.4% and 93.3%, sensitivities of 68.2%, 100% and 100%, and specificities of 100%, 80% and 88.2%, respectively. In conclusion, the genotypic DST using Ion Torrent semiconductor NGS successfully predicted drug resistance with significant shortening of time needed to obtain the resistance profiles from several weeks to just a few days. Лекарственноустойчивый туберкулез (ЛУ-ТБ), особенно ТБ с множественной лекарственной устойчивостью (МЛУ-ТБ) и ТБ с широкой лекарственной устойчивостью (ШЛУ-ТБ), до сих пор представляет серьезную проблему глобального контроля ЛУ-ТБ. Словения и Северная Македония являются странами с низким низким уровнем заболеваемости ЛУ-ТБ, которые в 2017 г. составили 5,4 и 10,4 на 100 тыс. населения, соответственно. В обеих странах доля ЛУ-ТБ крайне низка, выявляются лишь спорадические случаи МЛУ-ТБ. Однако глобальный уровень ЛУ-ТБ продолжает расти, оказывая существенное влияние на систему здравоохранения, а также способствуя обнаружению генетических вариантов, связанных с ЛУ-ТБ. Секвенирование следующего поколения (next generation sequencing [NGS]) может предоставить возможность глубокого анализа генетических вариаций, ассоциированных с лекарственной устойчивостью Mycobacterium tuberculosis. Целью настоящего исследования была оценка применимости анализа таких генов (inhA, katG, rpoB, embB) с использованием технологии Ion Torrent и сравнения данных NGS и стандартного фенотипического определения лекарственной чувствительности (drug susceptibility testing [DST]) изолятов ЛУ-ТБ. Было проведено ретроспективное исследование 56 ЛУ-ТБ штаммов, полученных в течение 1996–2017 гг. из Национальной коллекции культур микобактерий (Голник, Словения). Из них, 33 изолята было получено от пациентов из Словении из различных клинических образцов, подвергнутых фенотипическому тестированию DST в Лаборатории микобактерий (University Clinic Golnik, Slovenia). Остальные 23 изолята были выделены от пациентов из Северной Македонии, и переданы в нашу лабораторию для помощи в проведении тестирования DST. ЛУТБ штаммы обладали моно-, полиили множественной лекарственной устойчивостью. В качестве контрольных образцов были использованы случайным образом отобранные пять штаммов, чувствительных к противотуберкулезным препаратам первого ряда. В результате, показана высокая степень соответствия между генетическими (Ion Torrent) данными и результатами стандартного фенотипического DST для изониазида, рифампицина и этамбутола, с показателем согласия 77, 93,4 и 93,3%, чувствительностью — 68,2, 100 и 100%, специфичностью — 100, 80 и 88,2% соответственно. Таким образом, генотипическое тестирование лекарственной устойчивости с применением NGS в формате полупроводниковой технологии Ion Torrent успешно выявило лекарственную устойчивость с резким сокращением времени, необходимого для получения профиля резистентности — с нескольких недель до двух дней.