Summary

Background

 Diarrhoea is the second leading cause of mortality in children worldwide, but establishing the cause can be complicated by diverse diagnostic approaches and varying test characteristics. We used quantitative molecular diagnostic methods to reassess causes of diarrhoea in the Global Enteric Multicenter Study (GEMS). 

Methods

 GEMS was a study of moderate to severe diarrhoea in children younger than 5 years in Africa and Asia. We used quantitative real-time PCR (qPCR) to test for 32 enteropathogens in stool samples from cases and matched asymptomatic controls from GEMS, and compared pathogen-specific attributable incidences with those found with the original GEMS microbiological methods, including culture, EIA, and reverse-transcriptase PCR. We calculated revised pathogen-specific burdens of disease and assessed causes in individual children. 

Findings

 We analysed 5304 sample pairs. For most pathogens, incidence was greater with qPCR than with the original methods, particularly for adenovirus 40/41 (around five times), Shigella spp or enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) and Campylobactor jejuni o C coli (around two times), and heat-stable enterotoxin-producing E coli ([ST-ETEC] around 1·5 times). The six most attributable pathogens became, in descending order, Shigella spp, rotavirus, adenovirus 40/41, ST-ETEC, Cryptosporidium spp, and Campylobacter spp. Pathogen-attributable diarrhoeal burden was 89·3% (95% CI 83·2–96·0) at the population level, compared with 51·5% (48·0–55·0) in the original GEMS analysis. The top six pathogens accounted for 77·8% (74·6–80·9) of all attributable diarrhoea. With use of model-derived quantitative cutoffs to assess individual diarrhoeal cases, 2254 (42·5%) of 5304 cases had one diarrhoea-associated pathogen detected and 2063 (38·9%) had two or more, with Shigella spp and rotavirus being the pathogens most strongly associated with diarrhoea in children with mixed infections. 

Interpretation

 A quantitative molecular diagnostic approach improved population-level and case-level characterisation of the causes of diarrhoea and indicated a high burden of disease associated with six pathogens, for which targeted treatment should be prioritised. 

Funding

 Bill & Melinda Gates Foundation.

Abstract Non-typhoidal Salmonella associated with multidrug resistance cause invasive disease in sub-Saharan African. Specific lineages of serovars S . Typhimurium and S . Enteritidis are implicated. We characterised the genomic diversity of 100 clinical Non-typhoidal Salmonella collected from 93 patients in 2001 from the eastern and 2006 to 2018 in the western regions of The Gambia respectively. Phenotypic susceptibility applied Kirby Baur disk diffusion and whole genome sequencing utilized Illumina platforms. The predominant serovars were S. Typhimurium ST19 (31/100) and S. Enteritidis ST11 (18/100) restricted to invasive disease with the notable absence of S. Typhimurium ST313. Phylogenetic analysis performed in the context of 495 African strains from the European Nucleotide Archive confirmed the presence of the S . Enteritidis virulent epidemic invasive multidrug resistant West African clade. Multidrug resistance including chloramphenicol and azithromycin has emerged among the West African S. Enteritidis clade 7/9 (78%) with potential for spread, thus having important implications for patient management warranting systematic surveillance and epidemiologic investigations to inform control. Data summary Sequences are deposited in the NCBI sequence reads archive (SRA) under BioProject ID:PRJEB38968. The genomic assemblies are available for download from the European Nucleotide Archive (ENA): http://www.ebi.ac.uk/ena/data/view/ . Accession numbers SAMEA6991082 to SAME6991180

Abstract Streptococcus pneumoniae is a leading cause of pneumonia and meningitis worldwide. Many different serotypes co-circulate endemically in any one location 1,2 . The extent and mechanisms of spread and vaccine-driven changes in fitness and antimicrobial resistance remain largely unquantified. Here using geolocated genome sequences from South Africa ( n = 6,910, collected from 2000 to 2014), we developed models to reconstruct spread, pairing detailed human mobility data and genomic data. Separately, we estimated the population-level changes in fitness of strains that are included (vaccine type (VT)) and not included (non-vaccine type (NVT)) in pneumococcal conjugate vaccines, first implemented in South Africa in 2009. Differences in strain fitness between those that are and are not resistant to penicillin were also evaluated. We found that pneumococci only become homogenously mixed across South Africa after 50 years of transmission, with the slow spread driven by the focal nature of human mobility. Furthermore, in the years following vaccine implementation, the relative fitness of NVT compared with VT strains increased (relative risk of 1.68; 95% confidence interval of 1.59–1.77), with an increasing proportion of these NVT strains becoming resistant to penicillin. Our findings point to highly entrenched, slow transmission and indicate that initial vaccine-linked decreases in antimicrobial resistance may be transient.

Objective: We reported a novel tetracycline-resistant gene in Streptococcus pneumoniae and investigated its temporal spread in relation to nationwide clinical interventions. Methods: We whole genome sequenced 12,254 pneumococcal isolates from twenty-nine countries on an Illumina HiSeq Sequencer. Serotypes, sequence types and antibiotic resistance were inferred from genomes. Phylogeny was built based on single-nucleotide variants. Temporal changes of spread were reconstructed using a birth-death model. Results: We identified tet(S/M) in 131 pneumococcal isolates, 97 (74%) caused invasive pneumococcal diseases among young children (59% HIV-positive, where HIV status was available) in South Africa. A majority of tet(S/M)-positive isolates (129/131) belong to clonal complex (CC)230. A global phylogeny of CC230 (n=389) revealed that tet(S/M)-positive isolates formed a sub-lineage that exhibited multidrug-resistance. Using the genomic data and a birth-death model, we detected an unrecognised outbreak of this sub-lineage in South Africa between 2000 and 2004 with an expected secondary infections (R) of ~2.5. R declined to ~1.0 in 2005 and <1.0 in 2012. The declining epidemic coincided and could be related to the nationwide implementation of anti-retroviral treatment (ART) for HIV-infected individuals in 2004 and PCVs in late 2000s. Capsular switching from vaccine serotype 14 to non-vaccine serotype 23A was observed within the sub-lineage. Conclusions: The prevalence of tet(S/M) in pneumococci was low and its dissemination was due to an unrecognised outbreak of CC230 in South Africa prior to ART and PCVs. However, capsular switching in this multidrug-resistant sub-lineage highlighted its potential to continue to cause disease in the post-PCV13 era.

Abstract Since the introduction of the 13-valent pneumococcal conjugate vaccine (PCV13) in Malawi in 2011, there has been persistent carriage of vaccine serotype (VT) Streptococcus pneumoniae , despite high vaccine coverage. To determine if there has been a genetic change within the VT capsule polysaccharide (cps) loci since the vaccine’s introduction, we compared 1,022 whole-genome-sequenced VT isolates from 1998 to 2019. We identified the clonal expansion of a multidrug-resistant, penicillin non-susceptible serotype 23F GPSC14-ST2059 lineage, a serotype 14 GPSC9-ST782 lineage and a novel serotype 14 sequence type GPSC9-ST18728 lineage. Serotype 23F GPSC14-ST2059 had an I253T mutation within the capsule oligosaccharide repeat unit polymerase Wzy protein, which is predicted in silico to alter the protein pocket cavity. Moreover, serotype 23F GPSC14-ST2059 had SNPs in the DNA binding sites for the cps transcriptional repressors CspR and SpxR. Serotype 14 GPSC9-ST782 harbour a non-truncated version of the large repetitive protein (Lrp), containing a Cna protein B-type domain which is also present in proteins associated with infection and colonisation. These emergent lineages also harboured genes associated with antibiotic resistance, and the promotion of colonisation and infection which were absent in other lineages of the same serotype. Together these data suggest that in addition to serotype replacement, modifications of the capsule locus associated with changes in virulence factor expression and antibiotic resistance may promote vaccine escape. In summary, the study highlights that the persistence of vaccine serotype carriage despite high vaccine coverage in Malawi may be partly caused by expansion of VT lineages post PCV13 rollout. Impact Statement Our findings highlight the potential for clonal expansion of multidrug-resistant, penicillin-non-susceptible vaccine serotype lineages with capsule locus modifications, within a high carriage and disease burden population. This shift has occurred among young children where there has been high vaccine coverage, posing challenges for effective vaccine scheduling and design. Furthermore, this study emphasises the importance of ongoing Streptococcus pneumoniae genomic surveillance as new or modified pneumococcal vaccines are implemented. 2. Data summary Whole genome sequencing assemblies for the PCVPA survey have been deposited in the BioProject PRJNA1011974.

Streptococcus pneumoniae serotype 3 remains a significant cause of morbidity and mortality worldwide, despite inclusion in the 13-valent pneumococcal conjugate vaccine (PCV13). Serotype 3 increased in carriage since the implementation of PCV13 in the United States, while invasive disease rates remain unchanged. We investigated the persistence of serotype 3 in carriage and disease, through genomic analyses of a global sample of 301 serotype 3 isolates of the Netherlands3-31 (PMEN31) clone CC180, combined with associated patient data and PCV utilization among countries of isolate collection. We assessed phenotypic variation between dominant clades in capsule charge (zeta potential), capsular polysaccharide shedding, and susceptibility to opsonophagocytic killing, which have previously been associated with carriage duration, invasiveness, and vaccine escape. We identify a recent shift in the CC180 population attributed to a lineage termed Clade II, which was estimated by Bayesian coalescent analysis to have first appeared in 1968 [95% HPD: 1939-1989] and increased in prevalence and effective population size thereafter. Clade II isolates are divergent from the pre-PCV13 serotype 3 population in non-capsular antigenic composition, competence, and antibiotic susceptibility, the last resulting from the acquisition of a Tn916-like conjugative transposon. Differences in recombination rates among clades correlated with variations in the ATP-binding subunit of Clp protease as well as amino acid substitutions in the comCDE operon. Opsonophagocytic killing assays elucidated the low observed efficacy of PCV13 against serotype 3. Variation in PCV13 use among sampled countries was not independently correlated with the CC180 population shift; therefore, genotypic and phenotypic differences in protein antigens and, in particular, antibiotic resistance may have contributed to the increase of Clade II. Our analysis emphasizes the need for routine, representative sampling of isolates from disperse geographic regions, including historically under-sampled areas. We also highlight the value of genomics in resolving antigenic and epidemiological variations within a serotype, which may have implications for future vaccine development.

Abstract Chickens and guinea fowl are commonly reared in Gambian homes as affordable sources of protein. Using standard microbiological techniques, we obtained 68 caecal isolates of Escherichia coli from ten chickens and nine guinea fowl in rural Gambia. After Illumina whole-genome sequencing, 28 sequence types were detected in the isolates (four of them novel), of which ST155 was the most common (22/68, 32%). These strains span four of the eight main phylogroups of E. coli , with phylogroups B1 and A being most prevalent. Nearly a third of the isolates harboured at least one antimicrobial resistance gene, while most of the ST155 isolates (14/22, 64%) encoded resistance to ≥3 classes of clinically relevant antibiotics, as well as putative virulence factors, suggesting pathogenic potential in humans. Furthermore, hierarchical clustering revealed that several Gambian poultry strains were closely related to isolates from humans. Although the ST155 lineage is common in poultry from Africa and South America, the Gambian ST155 isolates belong to a unique cgMLST cluster comprised of closely related (38-39 alleles differences) isolates from poultry and livestock from sub-Saharan Africa—suggesting that strains can be exchanged between poultry and livestock in this setting. Continued surveillance of E. coli and other potential pathogens in rural backyard poultry from sub-Saharan Africa is warranted. Author notes All supporting data and protocols have been provided within the article or as supplementary data files. Eleven supplementary figures and eight supplementary files are available with the online version of this article. Data summary The genomic assemblies for the isolates reported here are available for download from EnteroBase ( http://enterobase.warwick.ac.uk/species/index/ecoli ) and the EnteroBase assembly barcodes are provided in File S2. Sequences have been deposited in the NCBI SRA, under the BioProject ID: PRJNA616250 and accession numbers SAMN14485281 to SAMN14485348 (File S2). Assemblies have been deposited in GenBank under the BioProject ID: PRJNA616250 and accession numbers CP053258 and CP053259 . Impact statement Domestic birds play a crucial role in human society, in particular contributing to food security in low-income countries. Many households in Sub-Saharan Africa rear free-range chickens and guinea fowl, which are often left to scavenge for feed in and around the family compound, where they are frequently exposed to humans, other animals and the environment. Such proximity between backyard poultry and humans is likely to facilitate transmission of pathogens such as Escherichia coli or antimicrobial resistance between the two host species. Little is known about the population structure of E. coli in rural chickens and guinea fowl, although this information is needed to contextualise the potential risks of transmission of bacterial strains between humans and rural backyard poultry. Thus, we sought to investigate the genomic diversity of E. coli in backyard poultry from rural Gambia.

Evaluation of the apportionment of genetic diversity of human bacterial commensals within and between human populations is an important step in the characterization of their evolutionary potential. Recent studies showed a correlation between the genomic diversity of human commensal strains and that of their host, but the strength of this correlation and of the geographic structure among human populations is a matter of debate. Here, we studied the genomic diversity and evolution of the phylogenetically related oro-nasopharyngeal healthy-carriage Streptococcus mitis and Streptococcus pneumoniae , whose lifestyles range from stricter commensalism to high pathogenic potential. A total of 119 S . mitis genomes showed higher within- and among-host variation than 810 S . pneumoniae genomes in European, East Asian and African populations. Summary statistics of the site-frequency spectrum for synonymous and non-synonymous variation and ABC modelling showed this difference to be due to higher ancestral bacterial population effective size ( N e ) in S . mitis , whose genomic variation has been maintained close to mutation-drift equilibrium across (at least many) generations, whereas S . pneumoniae has been expanding from a smaller ancestral bacterial population. Strikingly, both species show limited differentiation among human populations. As genetic differentiation is inversely proportional to the product of effective population size and migration rate ( N e m) , we argue that large N e have led to similar differentiation patterns, even if m is very low for S . mitis . We conclude that more diversity within than among human populations and limited population differentiation must be common features of the human microbiome due to large N e .

ABSTRACT Detection of multiple pneumococcal serotype carriage can enhance monitoring of pneumococcal vaccine impact, particularly among high-burden childhood populations. We assessed methods for identifying co-carriage of pneumococcal serotypes from whole-genome sequences. Twenty-four nasopharyngeal samples were collected during community carriage surveillance from healthy children in Blantyre, Malawi, which were then serotyped by microarray. Pneumococcal DNA from culture plate sweeps were sequenced using Illumina MiSeq, and genomic serotyping was carried out using SeroCall and PneumoKITy. Their sensitivity was calculated in reference to the microarray data. Local maxima in the single-nucleotide polymorphism (SNP) density distributions were assessed for their correspondence to the relative abundance of serotypes. Across the 24 individuals, the microarray detected 77 non-unique serotypes, of which 42 occurred at high relative abundance (>10%) (per individual, median, 3; range, 1–6 serotypes). The average sequencing depth was 57X (range: 21X–88X). The sensitivity of SeroCall for identifying high-abundance serotypes was 98% (95% CI, 0.87–1.00), 20% (0.08–0.36) for low abundance (<10%), and 62% (0.50–0.72) overall. PneumoKITy’s sensitivity was 86% (0.72–0.95), 20% (0.06–0.32), and 56% (0.42–0.65), respectively. Local maxima in the SNP frequency distribution were highly correlated with the relative abundance of high-abundance serotypes. Six samples were resequenced, and the pooled runs had an average fourfold increase in sequencing depth. This allowed genomic serotyping of two of the previously undetectable seven low-abundance serotypes. Genomic serotyping is highly sensitive for the detection of high-abundance serotypes in samples with co-carriage. Serotype-associated reads may be identified through SNP frequency, and increased read depth can increase sensitivity for low-abundance serotype detection. IMPORTANCE Pneumococcal carriage is a prerequisite for invasive pneumococcal disease, which is a leading cause of childhood pneumonia. Multiple carriage of unique pneumococcal serotypes at a single time point is prevalent among high-burden childhood populations. This study assessed the sensitivity of different genomic serotyping methods for identifying pneumococcal serotypes during co-carriage. These methods were evaluated against the current gold standard for co-carriage detection. The results showed that genomic serotyping methods have high sensitivity for detecting high-abundance serotypes in samples with co-carriage, and increasing sequencing depth can increase sensitivity for low-abundance serotypes. These results are important for monitoring vaccine impact, which aims to reduce the prevalence of specific pneumococcal serotypes. By accurately detecting and identifying multiple pneumococcal serotypes in carrier populations, we can better evaluate the effectiveness of vaccination programs.