Characterization of bacteria causing outbreaks by using molecular methods in a clinical microbiology laboratory

Outbreaks of bacteria causing hospital and community acquired infections have dramatically increased in number over the recent years. For example, travelers become colonized by resistant bacteria and may transmit the strains to other people and to medical care settings when they return home. The challenge is new and problematic for laboratories performing bacterial diagnostics. Fast and highly specific tools are needed to identify and characterize resistant bacterial strains in order to prevent outbreaks in local hospitals. This thesis studies the fast identification of virulence and resistance genes of the most important hospital acquired (HA) bacteria. In addition, the applicability of rapid outbreak analysis for HA-bacteria using molecular methods outside of the national reference laboratory was studied. The aim of the study was to establish a sensitive, reliable multiplex-PCR method suitable for daily use in a microbiological diagnostic laboratory and to speed up the reporting of bacteria causing outbreaks. Another aim was to study the usefulness and functionality of a commercial repetitive PCR (DiversiLab) and compare it with reference molecular typing methods. The thesis also gives an overall view of the occurrence of HA-bacteria witnessed in the district of Helsinki and Uusimaa over the recent years. The thesis consists of six studies on four different bacterial species/types causing outbreaks: MRSA (methicillin-resistant Staphylococcus aureus), ESBL (Extended Spectrum Beta-Lactamase)-producing Enterobacteriaceae, Acinetobacter baumannii and Clostridium difficile. Consecutive and retrospective bacterial isolates of the each bacteria were collected and examined. The methods used were conventional multiplex PCR and real-time multiplex PCR. The typing methods were repetitive PCR (DiversiLab), PFGE (pulsed field gel electrophoresis), PCR ribotyping, spa typing, and sequencing-based methods. During this thesis three usable in-house multiplex PCRs were established for the detection of MRSA, carbapenemase genes, and virulence genes in C. difficile. The repetitive PCR method, DiversiLab, was found to be a fast and proprietary typing method, very beneficial in the first-line identification of outbreaks. In addition, the Diversilab system may be used in the comparison of resistant bacterial isolates. The method produced better results with Gram-negatives (ESBL-producing Enterobacteriaceae and A. baumannii). However, the reference methods still serve their purpose in global isolate comparison. In the future, whole genome sequencing will, however, most likely replace contemporary typing methods.Sairaalainfektioita aiheuttavat sairaalabakteerit ovat lisääntyneet viime aikoina. Matkailijat tuovat mukanaan entistä resistentimpiä bakteerikantoja omiin sairaaloihimme sairaalasiirtojen yhteydessä. Tämä haaste on uusi ja ongelmallinen myös bakteereita tunnistaville laboratoriolle. Tarvitaan tarpeeksi spesifisiä ja nopeita työkaluja tunnistamaan ja kartoittamaan nämä mikrobilääkkeille resistentit bakteerikannat, jotta estetään näiden kantojen leviäminen omissa sairaaloissamme mahdollisimman tehokkaasti. Tämä väitöskirjatutkimus käsittelee tärkeimpien sairaalabakteerien entistä nopeampaa virulenssi- ja resistenssigeenien tunnistamista, sekä bakteerikantojen molekyylibiologista tyypittämistä keskussairaalatasolla. Tutkimuksen tarkoituksena oli pystyttää rutiinikäyttöön sairaalabakteerien tutkimiseen tarkoitettuja nopeampia virulenssi- ja resistenssigeenejä tunnistavia ns. multiplex-PCR-menetelmiä. Lisäksi tarkoituksena oli tutkia uusien ja nopeampien tyypittämismenetelmien toimivuutta ja käytettävyyttä vanhoihin standardimenetelmiin verrattuna. Samalla tutkimus antaa kuvan viime vuosien tilanteesta Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiirin alueella esiintyvistä sairaalabakteerikannoista. Tutkimus koostuu kuudesta osajulkaisusta, joissa käsitellään neljän eri bakteerilajin tai -tyypin aineistoja. Bakteerit ovat MRSA (metisilliinille resistentti Staphylococcus aureus), enterobakteerien kannat, jotka muodostavat ESBL-entsyymejä (Extended Spectrum Beta-Lactamase), Acinetobacter baumannii ja Clostridium difficile. Kustakin lajista ja tyypistä oli kerätty peräkkäisiä (konsekutiivisiä) sekä takautuvia sairaalabakteerikantoja. Tutkimuksessa käytettiin erilaisia PCR-menetelmiä, kuten konventionaalinen ja reaaliaikainen multiplex-PCR. Tyypitysmenetelminä käytettiin kaupallista DiversiLab-menetelmää (repetitiivinen PCR), PFGE (pulssikenttäelektroforeesi)-menetelmää, PCR-ribotyypitystä, spa-tyypitystä ja erilaisia sekvensointiin perustuvia tyypitysmenetelmiä. Väitöskirjatyön aikana pystytettiin kolme erilaista multiplex-PCR menetelmää, joiden avulla edelleen tunnistetaan MRSA, karbapenemaasien tuottogeenejä sekä C. difficilen virulenssigeenejä. Repetetiivisellä PCR menetelmällä tehdyissä tutkimuksissa havaintomme oli, että kaupallinen nopeampi bakteerien tyypitysmenetelmä, DiversiLab, voisi olla hyödyksi kantojen vertailussa. Näin voitaisiin saada lisäarvoa epidemioiden ja niitä aiheuttavien bakteerikloonien nopeaan ensilinjan tunnistamiseen, varsinkin gramnegatiivisten bakteerien, kuten ESBL:n ja A. baumanniin kohdalla. Perinteisemmillä menetelmillä, kuten PFGE, on vielä toistaiseksi paikkansa kansainvälisessä kantavertailussa. Tulevaisuudessa kantojen kokogenomisekvensointi tullee kuitenkin syrjäyttämään tämänhetkisiä tyypitysmenetelmiä

Evaluation of three molecular carbapenemase tests : Eazyplex SuperBug complete B, Novodiag CarbaR plus , and Amplidiag CarbaR plus MCR

Background: Carbapenemase-producing Gram-negative bacilli, i.e., Enterobacterales, Pseudomonas aeruginosa, and Acinetobacter, are of increased concern for the public health around the world. There is urgent need for rapid and accurate tests in order to provide correct treatment and to prevent bacterial spread in healthcare settings. Methods: The aim of this study was to evaluate three commercial multiplex carbapenemase tests with CE-IVD marking: Eazyplex SuperBug complete B (AmplexDiagnostics), Novodiag CarbaR+ (Mobidiag), and Amplidiag CarbaR+MCR (Mobidiag). All these tests recognize KPC, NDM, OXA-48/181 group, VIM, OXA-23 group, and OXA-24/40 group, and Novodiag CarbaR+ and Amplidiag CarbaR+MCR additionally recognize IMP, OXA-51 group (with promoter located within ISAbaI), OXA-58 group, and MCR, and Amplidiag CarbaR+MCR further recognizes GES (carbapenemase-type only). Results: The sensitivities and specificities of these tests with bacterial isolates were 100%. The sensitivity directly from clinical samples was 100%, but the specificity was lower, which is simply explained by the higher sensitivity of the molecular methods compared with culture method. Conclusions: Overall, these CE-IVD marked tests provide a good alternative in the detection of carbapenemase-producing organisms.Peer reviewe

Mikrobilääkkeille resistentit bakteerit yleistyvät

English summaryPeer reviewe

Assessing biodiversity impacts in life cycle assessment framework : Comparing approaches based on species richness and ecosystem indicators in the case of Finnish boreal forests

Impacts of bioeconomy on climate have been much discussed, but less attention has been given to biodiversity deterioration. One approach to assess biodiversity impacts is Life Cycle Assessment (LCA). Finland is a forested country with intensive forest industries, but only coarse biodiversity LCA methods are available. The aim of this study was to further develop and apply approaches to assess the biodiversity impacts of wood use in Finland. With the species richness approach (all taxons included), biodiversity impacts were higher in Southern than in Northern Finland but impacts in Southern and Northern Finland were lower when mammals, birds and molluscs were included. With the ecosystem indicators approach, if the reference situation were forest in its natural state, biodiversity impacts were higher than in the case where the initial state of forest before final felling was used to derive biodiversity loss. In both cases, the biodiversity impacts were higher in Northern Finland. These results were not coherent as the model applying species richness data assesses biodiversity loss based on all species, whereas the ecosystem indicators approach considers vulnerable species. One limitation of the species richness approach was that there were no reliable datasets available. In the ecosystem indicators approach, it was noticed that the biodiversity of managed Finnish forests is substantially lower than in natural forests. Biodiversity LCA approaches are highly sensitive to reference states, applied model and data. It is essential to develop approaches capable of comparing biodiversity impacts of forest management practices, or when looking at multiple environmental impacts simultaneously with the LCA framework

Elinkaariajattelu pk- ja startup-yritysten ympäristövaikutusten arvioinnissa ja tuotekehityksen tukena

Pienet ja keskisuuret (pk) yritykset ovat avainasemassa vähähiilisen, kestävästi luonnonvaroja hyödyntävän ja resurssiviisaan yhteiskunnan saavuttamisessa. Erityisesti startup-yrityksillä on hyvät mahdollisuudet vaikuttaa ympäristövaikutuksiinsa jo toimintansa alkuvaiheessa. Pk-yritysten osaaminen, työkalut sekä ajalliset ja rahalliset resurssit toimintansa ympäristövaikutusten arvioimiseen ovat kuitenkin hyvin rajalliset. Toimintamalli yritysten elinkaaristen ympäristövaikutusten kehittämiseksi (MALLI-Y) -hankkeen aikana testattiin ja edistettiin Suomen ympäristökeskuksessa (SYKE) kehitettyä elinkaariklinikka-toimintamallia. Elinkaariklinikka perustuu elinkaariarviointiin (Life Cycle Assessment, LCA) ja se toteutetaan asiantuntijatyönä tiiviissä yhteistyössä yrittäjän kanssa hyödyntäen elinkaariarviointiohjelmistoa ja elinkaaritietokantoja. Elinkaariklinikka koostuu neljästä vaiheesta. Valmistautumisvaiheessa elinkaariarvioinnista ja -klinikasta tarjotaan pohjatietoa yrittäjälle ja lisäksi kerätään arvioinnin kohteena olevan tuotteen tai palvelun tuotantoprosessin esi- ja materiaalitiedot. Elinkaariklinikkaistunnon aikana arvioitavan tuotteen tai palvelun tuotantoon liittyvät materiaalitiedot tarkistetaan yhdessä yrittäjän kanssa. Tämän jälkeen tuotteen tai palvelun ympäristövaikutukset mallinnetaan elinkaariohjelmiston avulla. Tulokset dokumentoidaan ja niiden pohjalta yrittäjälle laaditaan ehdotuksia toiminnan kehittämiseksi ja ympäristövaikutusten vähentämiseksi. Elinkaariklinikasta laaditaan raportti yrityksen sisäiseen käyttöön ja tuotekehityksen tueksi. Toimintamallin kehitystyön aikana toteutettiin elinkaariklinikka 30:lle Pohjois-Karjalan alueella toimivalle pk-yritykselle. Arvioinneissa keskityttiin ilmastovaikutuksiin ja tulokset ilmoitettiin yhteismitallistettuna hiilidioksidiekvivalenttina (CO2-ekv.) sekä suhteutettuna henkilöauton päästöihin kilometriä kohden. Elinkaariklinikan avulla voidaan arvioida tuotantoprosessien ympäristövaikutuksia ja löytää keinoja edistää yritysten resurssitehokkuutta vähentäen samalla toiminnan aiheuttamaa ympäristökuormitusta. Elinkaariklinikka toimii hyvin etenkin suoraviivaisille, perusraaka-aineisiin perustuville tuotantoprosesseille. Joissakin tapauksissa elinkaaritietokantojen puutteet tai sopivien raaka-ainetietojen valinta useista eri vaihtoehdoista aiheuttaa haasteita arvioinnille vaatien elinkaariklinikan toteuttajalta materiaaliosaamista ja eri vaihtoehtojen herkkyystarkasteluja. Yrittäjät kokivat elinkaariklinikan mielenkiintoisena ja hyödyllisenä lähestymistapana, ja osa yrittäjistä sai elinkaariajattelusta aivan uuden näkökulman liiketoimintansa arvioinnille ja kehittämiselle. Tulosten esittämisen suhteutettuna henkilöautolla ajamisen päästöihin koettiin antavan konkreettisen käsityksen tulosten suuruusluokasta. Elinkaariklinikka-arviointiin toivottiin vertailuarvoja muihin toimijoihin nähden, jotta yrittäjät ymmärtäisivät paremmin oman tuotteensa tai toimintansa tilannetta kilpailijoihin verrattuna. Vertailu- ja markkinointitarkoituksia varten tulee kuitenkin teettää laajempi, ISO-standardeja 14040:2006 ja 144040:2006 noudattava elinkaariarviointi. Elinkaariklinikoita voidaan edelleen kehittää liittämällä arviointiin myös raaka-aineiden ja prosessivaihtoehtojen kustannusten laskentaa tai sisällyttämällä elinkaariklinikkaan usean eri ympäristövaikutusluokan arviointia. Riittävän alhainen hinta, erilaiset rahoitustukimuodot ja yhdistäminen muuhun selvitystyöhön voisivat kannustaa yrittäjiä hyödyntämään arviointia tuotekehityksessään

Kokeilujen kautta kestäviin ja kehittyviin kyliin

Julkaisu on ostettavissa painettuna SYKEn verkkokaupasta: syke.juvenesprint.fi Julkaisuun on tehty korjauksia 8.8.2019 sivuille: 1, 2, 33, 35, 61, 62 ja 65.Tämä raportti perustuu vuosina 2016–2019 toteutettuun ”Kohti vähähiilisiä kyliä” (KVK) -hankkeeseen, jossa käynnistettiin paikallisia kokeiluja ja kannustettiin kyliä ottamaan käyttöön hiiliviisaita eli hiilipäästöjä vähentäviä tai hiiltä varastoivia ratkaisuja. Hanketta toteutettiin 19 pohjoiskarjalaisella kylällä ja sitä rahoitti Manner-Suomen maaseutuohjelma. Raportissa esitellään Kohti vähähiilisiä kyliä hankkeessa ja jo aikaisemmin Pohjois-Karjalan maakunnan kylissä toteutettuja kokeiluja ja arvioidaan millaisia vaikutuksia niillä on ollut hiilipäästöjen vähenemisen kannalta. Lisäksi arvioidaan kokeilujen yhteisöllisiä vaikutuksia, sekä vaikutuksia sosiaaliseen ja taloudelliseen kehitykseen kylällä. Kokeilut liittyvät uusiutuvan energian käyttöön, energiatehokkuuden edistämiseen, kimppakyyteihin, jätteiden lajitteluun ja kierrätykseen, lähiruokaan ja ruokahävikin välttämiseen sekä hiilensidontaan tähtääviin toimiin. Kokeilujen valinta tapahtui kyläsuunnitteluprosessin kautta. Kokeilujen ilmastovaikutukset arvioitiin elinkaariarviointimenetelmällä. Muiden yhteisöllisten vaikutusten arvioinnissa hyödynnettiin yhteisöjen toimintakykyä ja pääomia tarkastelevia arviointikehikkoja, joiden pohjalta arvioitiin lisäksi kokeilun positiiviset ja negatiiviset vaikutukset kyläyhteisön sosiaaliseen, inhimilliseen, kulttuuriseen, rakennettuun ja luonnon ympäristöön sekä poliittiseen pääomaan. Kehikkoa voidaan hyödyntää jatkossa yhteisö- ja kyläkohtaisten kokeilujen kokonaisvaltaiseen arviointiin ja suunnitteluun. Päästövähennyksiä saatiin aikaan erityisesti energiaratkaisuihin liittyvissä kokeiluissa. Uusiutuvilla aurinko- ja tuulienergialla voidaan korvata muuta energiantuotantoa, jonka kasvihuonekaasupäästöt ovat suuremmat. Vastaavasti liikkumiseen ja jätteiden lajitteluun ja kierrätykseen liittyvissä kokeiluissa positiiviset ympäristövaikutukset syntyvät vähentyneinä henkilö- tai jäteauton ajokilometreinä, kun erilaisia matkasuoritteita yhdistetään tai ihmiset käyttävät kimppakyytejä. Usean kokeilun osalta suorat ilmastopäästövähennykset jäivät vaatimattomiksi, mutta kun huomioidaan kokeilujen vaikutukset yhteisön toimintakykyyn, voivat vaatimattomammatkin kokeilut saada aikaan merkittäviä vaikutuksia ja positiivisen kehityskierteen. Yhteiset kokeilut tuovat konkretiaa abstraktiin ilmastokysymykseen ja keinoja, joiden kautta kaikki voivat osaltaan vaikuttaa. Parhaimmillaan pilottikohteet ja kokeilut voivat tarjota oppia myös muille ja innostaa kokeilemaan ja kehittämään toimia eteenpäin. Ympäristötoimilla voidaan edistää myös muita kyläyhteisölle tärkeitä asioita ja tukea kylän toimintakykyä. Erilaiset kimpparatkaisut toivat kustannussäästöjä esimerkiksi jätemaksuihin ja autoilun aiheuttamiin kuluihin. Suuremmissa energiainvestoinneissa kylälle saattoi koitua kokeilusta ylimääräisiä kuluja. Mikäli kokeilujen vaikutuksia arvioidaan laajemmin paikallistalouden näkökulmasta ja yhteisön taloudellisen pääoman näkökulmasta, on monen kokeilun saama Leader-tuki tarkoittanut suoraa tulonsiirtoa paikallistalouteen. Erilaisilla maisemanhoidollisilla sekä kylän yhteisiin rakennuksiin ja infrastruktuuriin liittyvillä toimenpiteillä voi olla positiivinen vaikutus rakennettuun ympäristöön kytkeytyvään pääomaan. Monissa kokeiluissa yhteisön kyky hyödyntää sosiaalista ja inhimillistä pääomaa olivat ratkaisevassa roolissa kokeilujen käynnistämiseen, mutta kokeilut myös paransivat yhteisön verkostoitumista ja osaamista

UriSed 3 PRO automated microscope in screening bacteriuria at region-wide laboratory organization

Background and aims: We assessed the possibility to rule out negative urine cultures by counting with UriSed 3 PRO (77 Elektmnika, Hungary) at Helsinki and Uusimaa Hospital District. Materials and methods: Bacteria counting of the UriSed 3 PRO automated microscope was verified with reference phase contrast microscopy against growth in culture. After acceptance into routine, results of bacteria and leukocyte counting from 56 426 specimens with eight UriSed 3 PRO instruments were compared against results from parallel samples cultured on chromogenic agar. Laboratory data including preanalytical details were accessed through the regional database of the Helsinki and Uusimaa Hospital District. Results: A combined sensitivity of 87-92% and a negative predictive value of 90-96% with a specificity of 54-50% was reached, depending on criteria. Preanalytical data (incubation time in bladder) combined with the way of urine collection would improve these figures if reliable. Conclusions: Complex patient populations, regional logistics and data interfases, and economics related to increased costs of additional particle counts against costs of screening cultures of all samples, did not support adaptation of a screening process of urine cultures. This conclusion was made locally, and may not be valid elsewhere.Peer reviewe

Benefits and challenges of streamlined life-cycle assessment for SMEs : findings from case studies on climate change impacts

Small and medium-sized enterprises (SMEs) have a substantial role in the economy and job creation, but they are a remarkable source of environmental impacts. SMEs often lack skills and resources to compile environmental impact assessments; Streamlined Life Cycle Analysis (LCA) can provide efficient tools for this. An application of streamlined LCA relying heavily on database data, LCA clinic, was developed and tested on 23 SMEs in Finland. The climate change impacts were mainly caused by the production of raw materials, electricity and heating, whereas packaging and transportation were not influential. A significant amount of emissions were indirect, i.e. caused by production of raw materials. Thus, decreasing emissions from raw material production or selecting raw materials with a smaller environmental load could be a more efficient way to decrease emissions than reducing direct emissions such as those from electricity use. Lack of data in the LCA-databases was considered a challenge. An access to regionally customised datasets is important for the implementation of LCA clinics. Company feedback indicated that LCA clinics were useful in climate-friendly product design and increased environmental awareness, but did not lead to immediate actions to reduce emissions because of inadequate investment capabilities. Company managers had limited possibilities to use the results in marketing as comparative assessments would require a full LCA. Many company managers were willing to pay a fee sufficient to cover the costs of an LCA clinic, but some considered that the costs should be covered by external funding sources

Verification of UriSed 3 PRO automated urine microscope in regional laboratory environment

Background and aims: Ten UriSed 3 PRO automated microscopes (77 Elektronika, Hungary) were verified for nine HUSLAB laboratories with 160 000 annual urine samples. Materials and methods: Particle counting of the primary UriSed 3 PRO instrument (77 Elektronika, Hungary) was verified against reference visual microscopy with 463 urine specimens, and against urine culture on chromogenic agar plates with parallel 396 specimens. Nine secondary instruments were compared pairwise with the primary instrument. Results: Relative imprecisions compared to Poisson distribution, R(CV), were estimated to be 1.0 for white blood cell (WBC) and 1.5 for red blood cell (RBC) counts, respectively. Spearman's correlations against visual microscopy were rS = 0.94 for WBC, rS = 0.87 for RBC, and rS = 0.82 for squamous epithelial cell (SEC) counts. Agreement with visual microscopy (Cohen's weighted kappa) was 0.94 for WBC, 0.89 for RBC, 0.88 for SEC, 0.59 for combined casts, and 0.49 for non-squamous epithelial cells (NEC). Bacteria were detected with a sensitivity of 90% and specificity of 39 against culture at 107 CFB/L (104 CFU/mL). Created flagging limits allowed automated reporting for 70-75% of patient results. Conclusions: UriSed 3 PRO instruments were adopted into routine use after acceptance of the verification.Peer reviewe