Microarray technologies for analysis of genetic determinants of Neisseria gonorrhoeae antimicrobial resistance

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Neisseria gonorrhoeae exhibits a remarkable capacity for rapid antimicrobial resistance development. Globally, the prevalence of antimicrobial-resistant N. gonorrhoeae isolates continues to rise steadily, raising concerns about the potential emergence of untreatable infections.

Aims. This work updates the distribution patterns of genetic resistance determinants in contemporary Russian clinical N. gonorrhoeae isolates to key antimicrobial agents, utilizing hydrogel microarray technology.

Methods. The study included 360 N. gonorrhoeae isolates collected at the Federal State Research Center of Dermatovenereology and Cosmetology between 2019 and 2023. The susceptibility of N. gonorrhoeae to penicillin, ceftriaxone, tetracycline, azithromycin, and ciprofloxacin was determined through serial dilution in agar, with the minimum inhibitory concentration (MIC) subsequently calculated. Genetic determinants of antimicrobial resistance in N. gonorrhoeae were identified using hydrogel microarray technology.

Results. The current data on the distribution of genetic determinants associated with antimicrobial resistance in N. gonorrhoeae are presented in this study. In the Russian population of gonococcus dynamic shifts are underway, leading to a redistribution of the proportion of isolates resistant or susceptible to various antimicrobial agents. Since 2020, a marked increase has been observed in the proportion of N. gonorrhoeae isolates resistant to azithromycin and ciprofloxacin. Concurrently, susceptibility to penicillin has rebounded, while the entire gonococcal population remains fully susceptible to ceftriaxone. The validated microarray-based NG-TEST diagnostic kit enables rapid detection of ceftriaxone resistance in N. gonorrhoeae by simultaneously identifying resistance-associated genetic markers in the penA, ponA, and porB genes, combined with MIC calculation.

Conclusion. Microarray technologies for detecting antimicrobial resistance genetic determinants in N. gonorrhoeae serve as a complementary tool for identifying resistant strains. Microarray-based analysis informs tailored treatment strategies for patients and enables population-level surveillance of antimicrobial resistance trends in N. gonorrhoeae.

Full Text

##article.viewOnOriginalSite##

About the authors

Boris L. Shaskolskiy

Center for Precision Genome Editing and Genetic Technologies for Biomedicine, Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: bls@shaskolskiy.ru
ORCID iD: 0000-0002-0316-2262

Cand. Sci. (Chem.)

Russian Federation, 32 Vavilova street, 119991 Moscow

Dmitry V. Kravtsov

Center for Precision Genome Editing and Genetic Technologies for Biomedicine, Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: solo13.37@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4180-6898
SPIN-code: 5381-7087
Russian Federation, 32 Vavilova street, 119991 Moscow

Ilya D. Kandinov

Center for Precision Genome Editing and Genetic Technologies for Biomedicine, Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: ilya9622@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9416-875X
SPIN-code: 8118-6614
32 Vavilova street, 119991 Moscow

Dmitry A. Gryadunov

Center for Precision Genome Editing and Genetic Technologies for Biomedicine, Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: grad@biochip.ru
ORCID iD: 0000-0003-3183-318X
SPIN-code: 6341-2455

Dr. Sci. (Biol.)

Russian Federation, 32 Vavilova street, 119991 Moscow

Marina V. Shpilevaya

State Research Center of Dermatovenereology and Cosmetology

Email: aniram1970@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-9957-4009
SPIN-code: 6600-3311

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, 3/6, Korolenko street,107076 Moscow

Julia Z. Shagabieva

State Research Center of Dermatovenereology and Cosmetology

Email: shagabieva1412@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7595-0276
SPIN-code: 7270-5113

Cand. Sci. (Chem.)

Russian Federation, 3/6, Korolenko street,107076 Moscow

Nikita Y. Nosov

State Research Center of Dermatovenereology and Cosmetology

Email: nosovnj@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3967-8359
SPIN-code: 8806-8539

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, 3/6, Korolenko street,107076 Moscow

References

  1. Global health sector strategies on, respectively, HIV, viral hepatitis and sexually transmitted infections for the period 2022–2030. Geneva, Switzerland: World Health Organization; 2022. URL: https://www.who.int/publications/i/item/9789240053779
  2. Shaskolskiy B, Kandinov I, Demetieva E, Gryadunov D. Antibiotic Resistance in Neisseria gonorrhoeae: Challenges in Research and Treatment. Microorganisms. 2022;10(9):1699. doi: 10.3390/microorganisms10091699
  3. Maubaret C, Caméléna F, Mrimèche M, Braille A, Liberge M, Mainardis M, et al. Two cases of extensively drug-resistant (XDR) Neisseria gonorrhoeae infection combining ceftriaxone-resistance and high-level azithromycin resistance, France, November 2022 and May 2023. Euro Surveill. 2023;28(37):2300456. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2023.28.37.2300456
  4. Pleininger S, Indra A, Golparian D, Heger F, Schindler S, Jacobsson S, et al. Extensively drug-resistant (XDR) Neisseria gonorrhoeae causing possible gonorrhoea treatment failure with ceftriaxone plus azithromycin in Austria, April 2022. Euro Surveill. 2022;27(24):2200455. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2022.27.24.2200455
  5. Красносельских Т.В., Соколовский Е.В., Рахматулина М.Р., Новоселова Е.Ю., Мелехина Л.Е. Заболеваемость сифилисом и некоторыми другими ИППП в Российской Федерации: прошлое, настоящее и пути достижения контроля эпидемиологической ситуации в будущем. Вестник дерматологии и венерологии. 2023;99(4):41–59. [Krasnoselskikh TV, Sokolovskiy EV, Rakhmatulina MR, Novoselova EYu, Melekhina LE. Syphilis and some other STIs in the Russian Federation: past, present and ways to control of the epidemiological situation in the future. Vestnik Dermatologii i Venerologii. 2023;99(4):41–59. (In Russ.)] doi: 10.25208/vdv13726
  6. Шагабиева Ю.З., Носов Н.Ю., Шпилевая М.В., Дерябин Д.Г., Образцова О.А., Никонорова Е.Р., и др. Анализ динамики устойчивости Neisseria gonorrhоeaе к антимикробным препаратам в РФ за период 2005–2021 гг. Вестник дерматологии и венерологии. 2023;99(3):53–62. [Shagabieva JZ, Nosov NYu, Shpilevaya MV, Deryabin DG, Obraztsova OA, Nikonorova ER, et al. Analysis of the dynamics of Neisseria gonorrhоeaе resistance to antimicrobial drugs in the Russian Federation for the period 2005–2021. Vestnik Dermatologii i Venerologii. 2023;99(3):53–62. (In Russ.)] doi: 10.25208/vdv1410
  7. Xiaoyu Z, Yue Xi, Xiangdong G, Shaochun C. Ceftriaxone-Resistant Gonorrhea — China,2022. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 2024;73(12):255–259. doi: 10.15585/mmwr.mm7312a2
  8. Reimche JL, Pham CD, Joseph SJ, Hutton S, Cartee JC, Ruan Y, et al. Novel strain of multidrug non-susceptible Neisseria gonorrhoeae in the USA. Lancet Infect Dis. 2024;24(3):e149–e151. doi: 10.1016/S1473-3099(23)00785-5
  9. Day M, Pitt R, Mody N, Saunders J, Rai R, Nori A, et al. Detection of 10 cases of ceftriaxone-resistant Neisseria gonorrhoeae in the United Kingdom, December 2021 to June 2022. Euro Surveill. 2022;27(46):2200803. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2022.27.46.2200803
  10. Crucitti T, Belinga S, Fonkoua M, Abanda M, Mbanzouen W, Sokeng E, et al. Sharp increase in ciprofloxacin resistance of Neisseria gonorrhoeae in Yaounde, Cameroon: analyses of a laboratory database period 2012–2018. Int J STD AIDS. 2020;31(6):579–586. doi: 10.1177/0956462419897227
  11. Caméléna F, Mérimèche M, Brousseau J, Mainardis M, Verger P, Le Risbé C, et al. Emergence of Extensively Drug-Resistant Neisseria gonorrhoeae France,2023. Emerg Infect Dis. 2024;30(9):1903–1906. doi: 10.3201/eid3009.240557
  12. Kandinov I, Dementieva E, Filippova M, Vinokurova A, Gorshkova S, Kubanov A, et al. Emergence of Azithromycin-Resistant Neisseria gonorrhoeae Isolates Belonging to the NG-MAST Genogroup 12302 in Russia. Microorganisms. 2023;11(5):1226. doi: 10.3390/microorganisms11051226
  13. Updated recommendations for the treatment of Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis, and Treponema pallidum (syphilis)and new recommendations on syphilis testing and partner services. World Health Organization; 2024. URL: https://www.who.int/publications/i/item/9789240090767
  14. Gryadunov DA, Shaskolskiy BL, Nasedkina TV, Rubina AY, Zasedatelev AS. The EIMB Hydrogel Microarray Technology: Thirty Years Later. Acta Naturae. 2018;10(4):4–18. doi: 10.32607/20758251-2018-10-4-4-18
  15. Shaskolskiy B, Kandinov I, Kravtsov D, Vinokurova A, Gorshkova S, Filippova M, et al. Hydrogel Droplet Microarray for Genotyping Antimicrobial Resistance Determinants in Neisseria gonorrhoeae Isolates. Polymers (Basel). 2021;13(22):3889. doi: 10.3390/polym13223889
  16. Shaskolskiy B, Kandinov I, Kravtsov D, Filippova M, Chestkov A, Solomka V, et al. Prediction of ceftriaxone MIC in Neisseria gonorrhoeae using DNA microarray technology and regression analysis. J Antimicrob Chemother. 2021;76(12):3151–3158. doi: 10.1093/jac/dkab308
  17. Стандартные операционные процедуры по забору клинического материала у пациентов с подозрением на гонококковую инфекцию СОП № ГОН 002/04. М.: ДЭКС-ПРЕСС; 2008. 20 с. [Standartnye operacionnye procedury po zaboru klinicheskogo materiala u pacientov s podozreniem na gonokokkovuju infekciju (SOP No. GON 002/04). Moscow: DEKS-PRESS; 2008. (In Russ.)]
  18. Кубанова А.А., Фриго Н.В., Кубанов А.А., и др. Стандартные операционные процедуры по транспортировке и доставке клинического материала и выделенных культур возбудителя гонореи СОП № ГОН 001/03. М.: ДЭКС-ПРЕСС; 2008. 17 с. [Kubanova AA, Frigo NV, Kubanov AA, et al. Standartnye operacionnye procedury po transportirovke i dostavke klinicheskogo materiala i vydelennyh kul’tur vozbuditelja gonorei (SOP No. GON 001/03). Moscow: DEKS-PRESS; 2008. (In Russ.)]
  19. Кубанова А.А., Кубанов А.А., Фриго Н.В., и др. Стандартные операционные процедуры по проведению видовой идентификации возбудителя гонореи СОП № ГОН 003/04, СОП № ГОН 004/04, СОП № 005/04. М.: ДЭКС-ПРЕСС; 2008. 29 с. [Kubanova AA, Kubanov AA, Frigo NV, et al. Standartnye operacionnye procedury po provedeniju vidovoj identifikacii vozbuditelja gonorei (SOP No. GON 003/04; SOP No. GON 004/04; SOP No. GON 005/04). Moscow: DEKS-PRESS; 2008. (In Russ.)]
  20. Кубанова А.А., Фриго Н.В., Кубанов А.А. и др. Стандартные операционные процедуры по методам определения чувствительности гонококкa к антибактериальным препаратам. М.: ДЭКС-ПРЕСС; 2008. 16 с. [Kubanova AA, Frigo NV, Kubanov AA, et al. Standartnye operacionnye procedury po metodam opredelenija chuvstvitel’nosti gonokokka k antibakterial’nym preparatam (SOP No. GON 006/03). Moscow: DEKS-PRESS; 2008. 16 s. (In Russ.)]
  21. Kandinov I, Shaskolskiy B, Kravtsov D, Vinokurova A, Gorshkova S, Kubanov A, et al. Azithromycin Susceptibility Testing and Molecular Investigation of Neisseria gonorrhoeae Isolates Collected in Russia,2020–2021. Antibiotics (Basel). 2023;12(1):170. doi: 10.3390/antibiotics12010170
  22. Kubanov A, Solomka V, Plakhova X, Chestkov A, Petrova N, Shaskolskiy B, et al. Summary and Trends of the Russian Gonococcal Antimicrobial Surveillance Programme,2005 to 2016. J Clin Microbiol. 2019;57(6):e02024-18. doi: 10.1128/JCM.02024-18
  23. Roberts MC, Knapp JS. Transfer of beta-lactamase plasmids from Neisseria gonorrhoeae to Neisseria meningitidis and commensal Neisseria species by the 25.2-megadalton conjugative plasmid. Antimicrob Agents Chemother. 1988;32(9):1430–1432. doi: 10.1128/AAC.32.9.1430
  24. Shaskolskiy B, Dementieva E, Kandinov I, Filippova M, Petrova N, Plakhova X, et al. Resistance of Neisseria gonorrhoeae isolates to beta-lactam antibiotics (benzylpenicillin and ceftriaxone) in Russia,2015–2017. PLoS One. 2019;14(7):e0220339. doi: 10.1371/journal.pone.0220339
  25. Sánchez-Busó L, Yeats CA, Taylor B, Goater RJ, Underwood A, Abudahab K, et al. A community-driven resource for genomic epidemiology and antimicrobial resistance prediction of Neisseria gonorrhoeae at Pathogenwatch. Genome Med. 2021;13(1):61. doi: 10.1186/s13073-021-00858-2

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the microarray integrated into the NG-TEST kit, featuring 113 immobilized oligonucleotide probes for targeted genetic analysis

Download (860KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Fluorescent hybridization patterns and interpretation of genetic profiling results for antimicrobial resistance determinants in N. gonorrhoeae isolates analyzed using the NG-TEST kit

Download (510KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distribution of amino acid substitutions in the penA, ponA, and porB genes in N. gonorrhoeae isolates stratified by ceftriaxone susceptibility: reduced (MICcef > 0.03 mg/L) vs. retained (MICcef ≤ 0.03 mg/L)

Download (196KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Distribution of resistance-associated genetic profiles in the mtrR, mtrD, and 23S rRNA loci among azithromycin-resistant versus azithromycin-susceptible N. gonorrhoeae isolates within the study sample

Download (239KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Distribution of resistance-associated genetic profiles in the gyrA and parC loci among ciprofloxacin-resistant versus ciprofloxacin-susceptible N. gonorrhoeae isolates within the study sample

Download (239KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of resistance-associated genetic profiles in the penA, ponA, porB and blaTEM loci among penicillin-resistant versus penicillin-susceptible N. gonorrhoeae isolates within the study sample

Download (246KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Distribution of resistance-associated genetic profiles in the rpsJ, mtrR, porB and tetM loci among tetracyclin-resistant versus tetracyclin-susceptible N. gonorrhoeae isolates within the study sample

Download (281KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Temporal trends (2019–2023) in N. gonorrhoeae isolates resistant to penicillin, tetracycline, ciprofloxacin, and azithromycin, with genetic determinants driving elevated MICs. Bar plots illustrate the annual proportion of isolates exhibiting phenotypic resistance to each corresponding antimicrobial agent

Download (442KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Shaskolskiy B.L., Kravtsov D.V., Kandinov I.D., Gryadunov D.A., Shpilevaya M.V., Shagabieva J.Z., Nosov N.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».