Abstract We describe a case of chronic coronavirus disease 2019 (COVID-19) in a patient with lymphoma and associated B-cell immunodeficiency. Viral cultures and sequence analysis demonstrate ongoing replication of infectious severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) for at least 119 days. The patient had 3 admissions related to COVID-19 over a 4-month period and was treated twice with remdesivir and convalescent plasma with resolution of symptoms. The patient’s lack of seroconversion and prolonged course illustrate the importance of humoral immunity in resolving SARS-CoV-2 infection. This case highlights challenges in managing immunocompromised hosts, who may act as persistent shedders and sources of transmission.

Klebsiella pneumoniae is a pathogen of increasing concern because of multidrug resistance, especially due to K. pneumoniae carbapenemases (KPCs). K. pneumoniae must acquire iron to replicate, and it utilizes iron-scavenging siderophores, such as enterobactin (Ent). The innate immune protein lipocalin 2 (Lcn2) is able to specifically bind Ent and disrupt iron acquisition. To determine whether K. pneumoniae must produce Lcn2-resistant siderophores to cause disease, we examined siderophore production by clinical isolates (n = 129) from respiratory, urine, blood, and stool samples and by defined siderophore mutants through genotyping and liquid chromatography-mass spectrometry. Three categories of K. pneumoniae isolates were identified: enterobactin positive (Ent(+)) (81%), enterobactin and yersiniabactin positive (Ent(+) Ybt(+)) (17%), and enterobactin and salmochelin (glycosylated Ent) positive (Ent(+) gly-Ent(+)) with or without Ybt (2%). Ent(+) Ybt(+) strains were significantly overrepresented among respiratory tract isolates (P = 0.0068) and β-lactam-resistant isolates (P = 0.0019), including the epidemic KPC-producing clone multilocus sequence type 258 (ST258). In ex vivo growth assays, gly-Ent but not Ybt allowed evasion of Lcn2 in human serum, whereas siderophores were dispensable for growth in human urine. In a murine pneumonia model, an Ent(+) strain was an opportunistic pathogen that was completely inhibited by Lcn2 but caused severe, disseminated disease in Lcn2(-/-) mice. In contrast, an Ent(+) Ybt(+) strain was a frank respiratory pathogen, causing pneumonia despite Lcn2. However, Lcn2 retained partial protection against disseminated disease. In summary, Ybt is a virulence factor that is prevalent among KPC-producing K. pneumoniae isolates and promotes respiratory tract infections through evasion of Lcn2.

Klebsiella pneumoniae is among the most common causes of hospital-acquired infections and has emerged as an urgent threat to public health due to carbapenem antimicrobial resistance. K. pneumoniae commonly colonizes hospitalized patients and causes extraintestinal infections such as urinary tract infection, bloodstream infection (septicemia), and pneumonia. If colonization is an intermediate step before infection, then detection and characterization of colonizing isolates could enable strategies to prevent or empirically treat K. pneumoniae infections in hospitalized patients. However, the strength of the association between colonization and infection is unclear. To test the hypothesis that hospitalized patients become infected with their colonizing strain, 1,765 patients were screened for rectal colonization with K. pneumoniae, and extraintestinal isolates from these same patients were collected over a 3-month period in a cohort study design. The overall colonization prevalence was 23.0%. After adjustment for other patient factors, colonization was significantly associated with subsequent infection: 21 of 406 (5.2%) colonized patients later had extraintestinal infection, compared to 18 of 1,359 (1.3%) noncolonized patients (adjusted odds ratio [OR], 4.01; 95% confidence interval, 2.08 to 7.73; P < 0.001). Despite a high diversity of colonizing isolates, 7/7 respiratory, 4/4 urinary, and 2/5 bloodstream isolates from colonized patients matched the patient corresponding rectal swab isolates, based on wzi capsular typing, multilocus sequence typing (MLST), and whole-genome sequence analysis. These results suggest that K. pneumoniae colonization is directly associated with progression to extraintestinal infection. IMPORTANCE K. pneumoniae commonly infects hospitalized patients, and these infections are increasingly resistant to carbapenems, the antibiotics of last resort for life-threatening bacterial infections. To prevent and treat these infections, we must better understand how K. pneumoniae causes disease and discover new ways to predict and detect infections. This study demonstrates that colonization with K. pneumoniae in the intestinal tract is strongly linked to subsequent infection. This finding helps to identify a potential time frame and possible approach for intervention: the colonizing strain from a patient could be isolated as part of a risk assessment, and antibiotic susceptibility testing could guide empirical therapy if the patient becomes acutely ill.

Klebsiella pneumoniae is an urgent public health threat because of resistance to carbapenems, antibiotics of last resort against Gram-negative bacterial infections. Despite the fact that K. pneumoniae is a leading cause of pneumonia in hospitalized patients, the bacterial factors required to cause disease are poorly understood. Insertion site sequencing combines transposon mutagenesis with high-throughput sequencing to simultaneously screen thousands of insertion mutants for fitness defects during infection. Using the recently sequenced K. pneumoniae strain KPPR1 in a well-established mouse model of pneumonia, insertion site sequencing was performed on a pool of >25,000 transposon mutants. The relative fitness requirement of each gene was ranked based on the ratio of lung to inoculum read counts and concordance between insertions in the same gene. This analysis revealed over 300 mutants with at least a 2-fold fitness defect and 69 with defects ranging from 10- to >2,000-fold. Construction of 6 isogenic mutants for use in competitive infections with the wild type confirmed their requirement for lung fitness. Critical fitness genes included those for the synthesis of branched-chain and aromatic amino acids that are essential in mice and humans, the transcriptional elongation factor RfaH, and the copper efflux pump CopA. The majority of fitness genes were conserved among reference strains representative of diverse pathotypes. These results indicate that regulation of outer membrane components and synthesis of amino acids that are essential to its host are critical for K. pneumoniae fitness in the lung.Klebsiella pneumoniae is a bacterium that commonly causes pneumonia in patients after they are admitted to the hospital. K. pneumoniae is becoming resistant to all available antibiotics, and when these infections spread to the bloodstream, over half of patients die. Since currently available antibiotics are failing, we must discover new ways to treat these infections. In this study, we asked what genes the bacterium needs to cause an infection, since the proteins encoded by these genes could be targets for new antibiotics. We identified over 300 genes that K. pneumoniae requires to grow in a mouse model of pneumonia. Many of the genes that we identified are found in K. pneumoniae isolates from throughout the world, including antibiotic-resistant forms. If new antibiotics could be made against the proteins that these genes encode, they may be broadly effective against K. pneumoniae.

Abstract The advent of the COVID-19 pandemic in the United States created a unique situation where multiple molecular diagnostic assays with various indications for use in the detection of SARS-CoV-2 rapidly received Emergency Use Authorization by the FDA, were validated by laboratories and utilized clinically, all within a period of a few weeks. We compared the performance of four of these assays that were being evaluated for use at our institution: Abbott RealTime m2000 SARS-CoV-2 Assay, DiaSorin Simplexa COVID-19 Direct, Cepheid Xpert Xpress SARS-CoV-2 and Abbott ID NOW COVID-19. Nasopharyngeal and nasal specimens were collected from 88 ED and hospital-admitted patients and tested by the four methods in parallel to compare performance. ID NOW performance stood out as significantly worse than the other three assays despite demonstrating comparable analytic sensitivity. Further study determined that the use of a foam nasal swab compared to a nylon flocked nasopharyngeal swab, as well as use in a population chronically vs. acutely positive for SARS-CoV-2, were significant factors in the poor comparable performance.

ABSTRACT Klebsiella pneumoniae is a leading cause of Gram-negative bacteremia, which is a major source of morbidity and mortality worldwide. Gram-negative bacteremia requires three major steps: primary site infection, dissemination to the blood, and bloodstream survival. Since K. pneumoniae is a leading cause of healthcare-associated pneumonia, the lung is a common primary infection site leading to secondary bacteremia. K. pneumoniae factors essential for lung fitness have been characterized, but those required for subsequent bloodstream infection are unclear. To identify K. pneumoniae genes associated with dissemination and bloodstream survival, we performed insertion site sequencing (InSeq) using a pool of >25,000 transposon mutants in a murine model of bacteremic pneumonia. This analysis revealed the gene gmhB as important for either dissemination from the lung or bloodstream survival. In Escherichia coli , GmhB is a partially redundant enzyme in the synthesis of ADP-heptose for the lipopolysaccharide (LPS) core. To characterize its function in K. pneumoniae , an isogenic knockout strain (Δ gmhB ) and complemented mutant were generated. During pneumonia, GmhB did not contribute to lung fitness and did not alter normal immune responses. However, GmhB enhanced bloodstream survival in a manner independent of serum susceptibility, specifically conveying resistance to spleen-mediated killing. In a tail-vein injection of murine bacteremia, GmhB was also required by K. pneumoniae , E. coli and Citrobacter freundii for optimal bloodstream survival. Together, this study identifies GmhB as a conserved Gram-negative bacteremia fitness factor that acts through LPS-mediated mechanisms to enhance bloodstream survival. IMPORTANCE Klebsiella pneumoniae frequently causes healthcare-associated infections including pneumonia and bacteremia. This is particularly concerning due to emerging antimicrobial resistance and the propensity for bacteremia to initiate sepsis, which has high mortality and is the most expensive hospital-treated condition. Defining mechanisms of bloodstream survival is critical to understanding the pathology of bacteremia and identifying novel targets for future therapies. In this study, we identified the K. pneumoniae enzyme GmhB as a bloodstream-specific fitness factor that enables the bacteria to survive in the spleen but is dispensable in the lung. Furthermore, GmhB is also needed by the related bacterial pathogens Escherichia coli and Citrobacter freundii to cause bacteremia. Conserved bacteremia fitness factors such a GmhB could be the basis for future therapeutics that would alleviate significant disease caused by from multiple diverse pathogens.

Abstract Gram-negative bacteremia is a major cause of global morbidity involving three phases of pathogenesis: initial site infection, dissemination, and survival in the blood and filtering organs. Klebsiella pneumoniae is a leading cause of bacteremia and pneumonia is often the initial infection. In the lung, K. pneumoniae relies on many factors like capsular polysaccharide and branched chain amino acid biosynthesis for virulence and fitness. However, mechanisms directly enabling bloodstream fitness are unclear. Here, we performed transposon insertion sequencing (TnSeq) in a tail-vein injection model of bacteremia and identified 58 K. pneumoniae bloodstream fitness genes. These factors are diverse and represent a variety of cellular processes. In vivo validation revealed tissue-specific mechanisms by which distinct factors support bacteremia. ArnD, involved in Lipid A modification, was required across blood filtering organs and supported resistance to soluble splenic factors. The purine biosynthesis enzyme PurD largely enhanced liver fitness and was required for replication in serum. PdxA, a member of the endogenous vitamin B6 biosynthesis pathway, optimized replication in serum and lung fitness. The stringent response regulator SspA was required for splenic fitness yet was dispensable in the liver. In a bacteremic pneumonia model that incorporates initial site infection and dissemination, splenic fitness defects were enhanced, and DsbA, SspA, and PdxA increased fitness across bacteremia phases. SspA and PdxA enhanced K. pnuemoniae resistance to oxidative stress. SspA specifically resists oxidative stress produced by NADPH oxidase Nox2 in the lung, spleen, and liver, as it was a fitness factor in wild-type but not Nox2-deficient ( Cybb −/− ) mice. These results identify site-specific fitness factors that act during the progression of Gram-negative bacteremia. Defining K. pneumoniae fitness strategies across bacteremia phases could illuminate therapeutic targets that prevent infection and sepsis. Author Summary Gram-negative bacteremia is a deadly family of infections that initiate sepsis, a leading cause of global morbidity and mortality. Only a small number of Gram-negative species contribute to the majority of clinical bacteremia. Klebsiella pneumoniae is the second leading cause of Gram-negative bacteremia, and the third leading cause of overall bloodstream infection. K. pneumoniae is highly linked to hospital-associated infection with increasing antimicrobial resistance, endangering the most vulnerable patients. It is critical to understand the pathogenesis of K. pneumoniae bacteremia to better develop targets for future therapies that can prevent these deadly infections. Here, we define over 50 K. pneumoniae genes that support bloodstream fitness. These factors are diverse, support tissue-specific fitness, and increase bacterial resistance to oxidative stress. Our study is the first to systematically define K. pneumoniae factors enhancing bacteremia in a mammalian system. These results illuminate host-pathogen interactions during K. pneumoniae bacteremia that may be extended to additional Gram-negative species.

There is a critical gap in knowledge about how Gram-negative bacterial pathogens, using survival strategies developed for other niches, cause lethal bacteremia. Facultative anaerobic species of the Enterobacterales order are the most common cause of Gram-negative bacteremia, including Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Serratia marcescens , Citrobacter freundii , and Enterobacter hormaechei . Bacteremia often leads to sepsis, a life-threatening organ dysfunction resulting from unregulated immune responses to infection. Despite a lack of specialization for this host environment, Gram-negative pathogens cause nearly half of bacteremia cases annually. Based on our existing Tn-Seq fitness factor data from a murine model of bacteremia combined with comparative genomics of the five Enterobacterales species above, we prioritized 18 conserved fitness genes or operons for further characterization. Mutants were constructed for all genes in all five species. Each mutant was used to cochallenge C57BL/6 mice via tail vein injection along with each respective wild-type strain to determine competitive indices for each fitness gene. Five fitness factor genes, when mutated, attenuated mutants in four or five species in the spleen and liver ( tatC , ruvA , gmhB , wzxE , arcA ). Five additional fitness factor genes or operons were validated as outcompeted by wild-type in three, four, or five bacterial species in the spleen ( xerC , prc , apaGH , atpG , aroC ). Overall, 17 of 18 fitness factor mutants were attenuated in at least one species in the spleen or liver. Together, these findings allow for the development of a model of bacteremia pathogenesis that may include future targets of therapy against bloodstream infections.

ABSTRACT Bacteremia, a systemic infection associated with severe clinical outcomes, is often caused by Gram-negative facultative anaerobes. ArcAB, a two-component regulatory system that represses aerobic respiration, is a key mediator of metabolic adaptation for such bacteria. Using targeted mutational analysis informed by global genetic screens, we identified the arcA gene as promoting fitness of Klebsiella pneumoniae , Citrobacter freundii , and Serratia marcescens but not Escherichia coli in a murine model of bacteremia. Engineered mutants lacking arcA exhibit a dysregulated response to changes in oxygen availability, iron limitation, and membrane perturbations, all of which bacterial cells experience during infection. The genetic response of the arcA mutants relative to wild-type strains to the cationic antimicrobial peptide polymyxin B demonstrates an expanded role for ArcA as an activator in response to membrane damage in addition to metabolic adaptation. ArcA function is furthermore linked to electron transport chain activity based on its response to uncoupling of proton motive force by carbonyl cyanide- m -chlorophenylhydrazone (CCCP). Differences in lactate and acetate levels as well as lactate dehydrogenase activity between arcA mutant and wild-type cells following CCCP treatment establish an ArcA-mediated shift to fermentation independent of oxygen availability. This study highlights the semi-conserved role of ArcA during bacteremia and consolidates infection phenotypes into a comprehensive model based on respiratory activity. AUTHOR SUMMARY Infections of the bloodstream are life-threatening and can result in sepsis, an overreaction of the host immune system that ultimately damages the body. Gram-negative bacteria are responsible for causing many cases of bloodstream infections, also referred to as bacteremia. The long-term goal of our work is to understand how these bacteria establish and maintain infection during bacteremia. We have previously identified the transcription factor ArcA, which promotes fermentation in bacteria, as a likely contributor to the growth and survival of bacteria in this environment. Here, we study ArcA in the Gram-negative species Citrobacter freundii , Klebsiella pneumoniae, and Serratia marcescens. Our findings aid in determining how these bacteria sense their environment, utilize nutrients, and generate energy while also countering attacks from the host immune system. This information is critical for developing better models of infection to inform future therapeutic development.

ABSTRACT The primary risk factor for infection with members of the Klebsiella pneumoniae species complex is prior gut colonization, and infection is often caused by the colonizing strain. Despite the importance of the gut as a reservoir for infectious K. pneumoniae , little is known about the association between the gut microbiome and infection. To explore this relationship, we undertook a case-control study comparing the gut community structure of K. pneumoniae -colonized intensive care and hematology/oncology patients. Cases were K. pneumoniae -colonized patients infected by their colonizing strain ( N = 83). Controls were K. pneumoniae -colonized patients who remained asymptomatic ( N = 149). First, we characterized the gut community structure of K. pneumoniae -colonized patients agnostic to case status. Next, we determined that gut community data is useful for classifying cases and controls using machine learning models and that the gut community structure differed between cases and controls. K. pneumoniae relative abundance, a known risk factor for infection, had the greatest feature importance, but other gut microbes were also informative. Finally, we show that integration of gut community structure with bacterial genotype data enhanced the ability of machine learning models to discriminate cases and controls. Interestingly, inclusion of patient clinical variables failed to improve the ability of machine learning models to discriminate cases and controls. This study demonstrates that including gut community data with K. pneumoniae -derived biomarkers improves our ability to classify infection in K. pneumoniae -colonized patients. IMPORTANCE Colonization is generally the first step in pathogenesis for bacteria with pathogenic potential. This step provides a unique window for intervention since a given potential pathogen has yet to cause damage to its host. Moreover, intervention during the colonization stage may help alleviate the burden of therapy failure as antimicrobial resistance rises. Yet, to understand the therapeutic potential of interventions that target colonization, we must first understand the biology of colonization and if biomarkers at the colonization stage can be used to stratify infection risk. The bacterial genus Klebsiella includes many species with varying degrees of pathogenic potential. Members of the K. pneumoniae species complex have the highest pathogenic potential. Patients colonized in their gut by these bacteria are at higher risk of subsequent infection with their colonizing strain. However, we do not understand if other members of the gut microbiota can be used as a biomarker to predict infection risk. In this study, we show that the gut microbiota differs between colonized patients who develop an infection versus those who do not. Additionally, we show that integrating gut microbiota data with bacterial factors improves the ability to classify infections. Surprisingly, patient clinical factors were not useful for classifying infections alone or when added to microbiota-based models. This indicates that the bacterial genotype and the microbial community in which it exists may determine the progression to infection. As we continue to explore colonization as an intervention point to prevent infections in individuals colonized by potential pathogens, we must develop effective means for predicting and stratifying infection risk.