Epidemiology, treatment options and outcome of invasive infections caused by Aspergillus section Usti

Abstract

Invasive aspergillosis (IA) is an important cause of mortality, primarily affecting patients with hematological malignancies and transplant recipients. Among the different Aspergillus species, A. fumigatus and A. flavus account for the majority of cases. Aspergilli belonging to section Usti (ustus group) are rare causes of IA that have recently been reported as emerging pathogens, particularly among transplant recipients receiving antifungal prophylaxis, especially posaconazole. In Switzerland, the latter is prescribed prophylactically to prevent the development of aspergillosis in bone marrow transplant recipients. The aim of this thesis was to describe the European epidemiology of IA caused by Aspergillus species of the ustus group, their clinical characteristics, the treatments administered, and patient outcomes. From a microbiological perspective, the objectives were to identify the species responsible for IA, characterize their antifungal susceptibility profiles, and investigate the synergistic activity of antifungal combinations. We identified cases in which an Aspergillus isolate belonging to the ustus group was recovered from a clinical specimen in Switzerland and other European countries (19 hospitals across 8 countries) over a 10-year period (2007–2018). Among the 90 cases identified, 27 met the criteria for probable or proven IA (EORTC/MSG criteria). An additional 45 cases were identified through a systematic literature review. Pooled analysis of these 72 cases of IA showed that most affected patients were bone marrow transplant recipients (47%) or solid organ transplant recipients (33%), while only 8% were neutropenic. Nearly half (47%) were receiving antifungal prophylaxis, predominantly posaconazole. The lung was the main organ involved; however, secondary dissemination, particularly to the skin and brain, occurred in approximately one-third of cases.Regarding therapeutic management, the main antifungal treatment administered (defined as the first antifungal agent administered for at least 10 days) was amphotericin B in 39% of cases and voriconazole in 36%. Overall mortality at 24 weeks was 58%. Mortality was significantly higher among bone marrow transplant recipients, in patients with proven infection, and among those receiving amphotericin B. However, patients treated with amphotericin B were more severely immunosuppressed (with a higher proportion of bone marrow transplant recipients) and had more severe infections (with higher proportions of proven and disseminated infections in this group), which may explain the excess mortality observed in this category. In parallel, whenever the clinical isolate was available, it was sent to the Institute of Microbiology at CHUV in Lausanne. Species-level identification of the isolates (by sequencing the β-tubulin and calmodulin genes) showed that A. calidoustus was by far the predominant species of the ustus group causing IA, followed by isolated cases of A. pseudodeflectus and A. ustus sensu stricto. Regarding antifungal susceptibility, assessed using the CLSI method, amphotericin B was the most active antifungal agent in vitro. Azoles exhibited lower activity, although isavuconazole showed the highest activity among the azoles, followed by voriconazole and posaconazole. For a subset of Aspergillus calidoustus isolates, in vitro synergistic activity between voriconazole and terbinafine was demonstrated using the checkerboard microdilution method and subsequently validated in vivo in a Galleria mellonella larval infection model. In conclusion, IA caused by Aspergillus species of the ustus group occurs predominantly in the post-transplant setting, generally in the absence of agranulocytosis and frequently in patients receiving posaconazole prophylaxis. Extrapulmonary dissemination is common. The predominant pathogen within this group is A. calidoustus. Among the available therapeutic options, amphotericin B demonstrates the greatest in vitro activity. However, the findings of this thesis suggest that azoles—particularly isavuconazole or voriconazole, either alone or in combination with terbinafine—remain therapeutic alternatives that should be considered in selected cases, such as probable IA, non-disseminated infection, and infection in less severely immunosuppressed hosts.

Η διηθητική ασπεργίλλωση αποτελεί σημαντική αιτία θνητότητας και προσβάλλει κυρίως ασθενείς με αιματολογικές κακοήθειες και μεταμοσχευμένους ασθενείς. Μεταξύ των διαφόρων ειδών Aspergillus, τα A. fumigatus και A. flavus ευθύνονται για την πλειονότητα των περιπτώσεων. Οι ασπέργιλλοι της ενότητας Usti (ομάδα ustus) αποτελούν σπάνια αίτια, τα οποία τα τελευταία χρόνια έχουν αναφερθεί ως αναδυόμενα παθογόνα, ιδιαίτερα μεταξύ μεταμοσχευμένων ασθενών που λαμβάνουν αντιμυκητιασική προφύλαξη, κυρίως με ποσακοναζόλη. Το τελευταίο αυτό φάρμακο χορηγείται στην Ελβετία προληπτικά για την αποτροπή της ανάπτυξης ασπεργίλλωσης σε ασθενείς που έχουν υποβληθεί σε μεταμόσχευση μυελού των οστών. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η περιγραφή της ευρωπαϊκής επιδημιολογίας της διηθητικής ασπεργίλλωσης από Aspergillus της ομάδας ustus, των κλινικών χαρακτηριστικών της, των θεραπευτικών σχημάτων που χορηγήθηκαν και της έκβασης των ασθενών. Σε μικροβιολογικό επίπεδο, στόχος ήταν η ταυτοποίηση των ειδών που ευθύνονται, η περιγραφή του προφίλ ευαισθησίας τους στα αντιμυκητιασικά και η διερεύνηση της συνεργιστικής δράσης συνδυασμών αντιμυκητιασικών φαρμάκων. Εντοπίσαμε περιπτώσεις στις οποίες Aspergillus της ομάδας ustus απομονώθηκε από κλινικό δείγμα στην Ελβετία και σε άλλες ευρωπαϊκές χώρες (19 νοσοκομεία, 8 χώρες) κατά τη διάρκεια της δεκαετίας 2007–2018. Από τις 90 περιπτώσεις που εντοπίστηκαν, οι 27 πληρούσαν τα κριτήρια πιθανής ή αποδεδειγμένης διηθητικής ασπεργίλλωσης (κριτήρια EORTC/MSG). Επιπλέον περιπτώσεις (n=45) εντοπίστηκαν μέσω συστηματικής ανασκόπησης της βιβλιογραφίας. Η συγκεντρωτική ανάλυση αυτών των 72 περιπτώσεων διηθητικής ασπεργίλλωσης έδειξε ότι, στην πλειονότητα των περιπτώσεων, οι ασθενείς ήταν λήπτες μεταμόσχευσης μυελού των οστών (47%) ή συμπαγών οργάνων (33%), ενώ μόνο το 8% παρουσίαζε ουδετεροπενία. Σχεδόν οι μισοί ασθενείς (47%) λάμβαναν αντιμυκητιασική προφύλαξη, κυρίως με ποσακοναζόλη. Ο πνεύμονας ήταν το κύριο προσβεβλημένο όργανο, ωστόσο δευτερογενής διασπορά, ιδίως στο δέρμα και στον εγκέφαλο, παρατηρήθηκε στο ένα τρίτο των περιπτώσεων. Όσον αφορά τη θεραπευτική αντιμετώπιση, το κύριο αντιμυκητιασικό που χορηγήθηκε (οριζόμενο ως το πρώτο αντιμυκητιασικό που χορηγήθηκε για τουλάχιστον 10 ημέρες) ήταν, στις περισσότερες περιπτώσεις, η αμφοτερικίνη Β (39%) ή η βορικοναζόλη (36%). Η συνολική θνητότητα στις 24 εβδομάδες ήταν 58%. Η θνητότητα ήταν σημαντικά υψηλότερη στους λήπτες μεταμόσχευσης μυελού των οστών, στις περιπτώσεις αποδεδειγμένης λοίμωξης και στους ασθενείς που έλαβαν αμφοτερικίνη Β. Ωστόσο, οι ασθενείς που έλαβαν αμφοτερικίνη Β ήταν περισσότερο ανοσοκατεσταλμένοι (με μεγαλύτερη αναλογία ληπτών μεταμόσχευσης μυελού των οστών) και παρουσίαζαν σοβαρότερες λοιμώξεις (περισσότερες αποδεδειγμένες και διασπαρμένες λοιμώξεις σε αυτή την ομάδα), γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει την αυξημένη θνητότητα στη συγκεκριμένη κατηγορία. Παράλληλα, στις περιπτώσεις για τις οποίες το στέλεχος ήταν διαθέσιμο, αυτό απεστάλη στο Ινστιτούτο Μικροβιολογίας του CHUV στη Λωζάνη. Η ταυτοποίηση των στελεχών σε επίπεδο είδους (μέσω αλληλούχησης των γονιδίων της β-τουμπουλίνης και της καλμοδουλίνης) έδειξε ότι το κυριότερο είδος της ομάδας ustus που προκαλούσε διηθητική ασπεργίλλωση ήταν, με μεγάλη διαφορά, το A. calidoustus, ακολουθούμενο από μεμονωμένες περιπτώσεις A. pseudodeflectus και A. ustus sensu stricto. Όσον αφορά την ευαισθησία στα αντιμυκητιασικά, η οποία ελέγχθηκε με τη μέθοδο CLSI, η αμφοτερικίνη Β ήταν το αντιμυκητιασικό φάρμακο με τη μεγαλύτερη δραστικότητα in vitro. Οι αζόλες παρουσίαζαν μικρότερη δραστικότητα, με την ισαβουκοναζόλη να εμφανίζει, ωστόσο, την καλύτερη δραστικότητα μεταξύ αυτών, ακολουθούμενη από τη βορικοναζόλη και την ποσακοναζόλη. Σε μέρος των στελεχών Aspergillus calidoustus αποδείχθηκε in vitro συνεργιστική δράση μεταξύ βορικοναζόλης και τερμπιναφίνης (μέθοδος μικροαραίωσης checkerboard), η οποία επιβεβαιώθηκε in vivo σε μοντέλο λοίμωξης με προνύμφες Galleria mellonella. Συμπερασματικά, οι περιπτώσεις διηθητικής ασπεργίλλωσης από Aspergillus της ομάδας ustus εμφανίζονται κυρίως σε μεταμοσχευμένους ασθενείς, γενικά εκτός πλαισίου ακοκκιοκυτταραιμίας και συχνά υπό προφύλαξη με ποσακοναζόλη. Η εξωπνευμονική διασπορά είναι συχνή. Το κυριότερο παθογόνο της ομάδας είναι το A. calidoustus. Μεταξύ των θεραπευτικών επιλογών, η αμφοτερικίνη Β παρουσιάζει την καλύτερη in vitro δραστικότητα. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι οι αζόλες —ιδίως η ισαβουκοναζόλη ή η βορικοναζόλη, είτε ως μονοθεραπεία είτε σε συνδυασμό με τερμπιναφίνη— εξακολουθούν να αποτελούν θεραπευτική εναλλακτική που πρέπει να εξετάζεται σε επιλεγμένες περιπτώσεις (πιθανή διηθητική ασπεργίλλωση, μη διασπαρμένη νόσος και ασθενείς με μικρότερο βαθμό ανοσοκαταστολής).

L’aspergillose invasive (AI) est une importante cause de mortalité qui touche principalement les patients avec de cancers hématologiques et les transplantés. Parmi les différentes espèces d’Aspergillus, A. fumigatus et A. flavus causent la majorité des cas. Les Aspergilli de la section Usti (groupe ustus) sont des rares causes d’AI récemment rapportés comme émergents notamment parmi les transplantés recevant des prophylaxies antifongiques, surtout du posaconazole. Ce dernier médicament est prescrit en Suisse à titre préventif pour empêcher le développement d’aspergillose chez les transplantés de moelle. Le but de cette thèse était de décrire l’épidémiologie européenne des AI par Aspergillus gr. ustus, leurs caractéristiques cliniques, les traitements administrés et leur outcome. Au niveaumicrobiologique, l’objectif était de décrire les espèces responsables d’AI, leur profil de susceptibilité aux antifongiques et de tester le synergisme de combinaisons antifongiques. Nous avons identifié des cas où un Aspergillus groupe ustus a été retrouvé dans un prélèvement clinique en Suisse et dans d’autres pays européens (19 hôpitaux, 8 pays) sur 10 ans (2007‐2018). Parmi 90 cas identifiés, 27 remplissaient les critères d’une AI probable ou prouvée (critères EORTC/MSG). Des cas additionnels (n=45) ont été identifié après une recherche systématique de la littérature. L’analyse poolée de ces 72 cas d’AI a montré que, dans la majorité de cas, les patients atteints étaient des transplantés de moelle osseuse (47%) ou d’organe solide (33%) et seulement 8% étaient neutropéniques. Quasi la moitié (47%) recevait une prophylaxie antifongique, principalement du posaconazole. Le poumon était l’organe principal touché mais des disséminations secondaires notamment au niveau cutané et cérébral étaient présentes dans 1/3 de cas. En ce qui concerne la prise en charge thérapeutique, l’antifongique principal administré (premier antifongique administré pour minimum 10 jours) était pour la majorité de l’amphotéricine B (39%) et du voriconazole (36%). La mortalité globale à 24 semaines était 58%. La mortalité était significativement plus haute chez les transplantés de moelle, quand l’infection était prouvée, et chez les receveurs d’amphotéricine B. Néanmoins les patients traités par amphotéricine B étaient plus immunosupprimés (plus de transplantés de moelle) avec des infections plus sévères (plus de cas prouvés et disséminés dans ce groupe), ce qui pourrait expliquer l’excès de mortalité dans cette catégorie. Parallèlement, pour les cas pour lesquels la souche était disponible, celle‐ci a été envoyée à l’Institut de Microbiologie du CHUV à Lausanne. L’identification des souches au niveau de l’espèce (séquençage des gènes de la β‐tubuline et la calmoduline) a montré que la principale espèce du groupe ustus causant des IA était de loin A. calidoustus suivie par des cas isolés de A. pseudodflectus et A. ustus sensu stricto. Quant à la susceptibilité aux antifongiques testés par méthode CLSI, l’amphotéricine B était le médicament antifongique le plus actif in vitro. Les azoles étaient moins actifs, avec cependant une meilleure activité de l’isavuconazole, suivi par le voriconazole et le posaconazole. Pour une partie de souches d’Aspergillus calidoustus un synergisme a été démontré entre le voriconazole et le terbinafine in vitro (checkerboard microdilution method) validé in vivo dans un modèle d’infection de larves de Galleria mellonella. En conclusion, les AI par Aspergillus groupe ustus surviennent dans un contexte post‐transplantation, en général hors agranulocytose et souvent sous prophylaxie de posaconazole. La dissémination extra‐pulmonaire est fréquente. Le principal pathogène du groupe est A. calidoustus. Parmi les options thérapeutiques, l’amphotéricine B montre la meilleure activité in vitro mais les résultats issus de cette thèse montrent que les azoles (notamment l’isavuconazole ou le voriconazole seul ou en combinaison avec la terbinafine) restent une alternative thérapeutique à considérer pour des cas sélectionnés (AI probables, non‐disséminées, chez des hôtes moins immunosupprimés).