Frontiers in Microbiology
Editoriale sul tema della ricerca
Recenti scoperte nei batteri patogeni umani di origine alimentare gravi: Resurgence, Pathogenesis, and Control Strategies
Miliardi di persone nel mondo sono a rischio di cibo non sicuro. Molti milioni si ammalano mentre centinaia di migliaia muoiono ogni anno a causa del consumo di cibo contaminato (Fung et al., 2018). Le epidemie e la prevalenza delle malattie di origine alimentare non sono solo un grande onere per i sistemi sanitari globali, ma comportano anche un enorme impatto negativo sulla crescita economica e sulla stabilità sociale. Insieme al rapido sviluppo del commercio elettronico basato sul web e mobile, i rapidi scambi nazionali e internazionali di prodotti alimentari in tutto il mondo presentano nuove sfide ai sistemi di sicurezza alimentare, in particolare nelle nazioni in via di sviluppo. I batteri patogeni contaminano il cibo in qualsiasi fase dell’intera catena alimentare, dalla fattoria alla tavola da pranzo. I patogeni batterici più comunemente noti associati alle malattie di origine alimentare in tutto il mondo sono Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae e Vibrio parahaemolyticus. Questo argomento di ricerca ha riportato le recenti scoperte sulla ricomparsa, la patogenesi e le strategie di controllo di questi patogeni di origine alimentare.
Il monitoraggio continuo dei contaminanti alimentari e l’identificazione dei fattori di rischio sono fondamentali per assicurare la sicurezza alimentare. Molti articoli di ricerca originali inclusi in questo argomento di ricerca hanno affrontato questioni relative alla diversità genetica, alla prevalenza, alla resistenza e ai nuovi vettori di trasmissione dei batteri patogeni. Per esempio, C. jejuni, una delle principali cause di gastroenterite negli esseri umani, può risiedere in serbatoi di animali da alimentazione come polli, maiali e bovini. La diversità genetica e la frequenza di resistenza antimicrobica di C. jejuni recuperato da 214 bovini in tre allevamenti del Michigan negli Stati Uniti sono stati esaminati e determinati in uno studio trasversale (Cha et al.). Cronobacter spp. può causare enterocolite necrotizzante, batteriemia e meningite nei neonati e nei bambini, con un tasso di mortalità del 40-80% (Holy e Forsythe, 2014). Il latte artificiale in polvere (PIF) è la fonte più significativa di Cronobacter spp. che provoca le infezioni. È stata determinata la resistenza antimicrobica e all’essiccazione di 70 isolati di Cronobacter sakazakii e Cronobacter malonaticus da PIF e ambienti di lavorazione in Cina (Fei et al.). La Salmonella non tifoidea (NTS) può infettare un’ampia gamma di ospiti, compresi gli esseri umani, il pollame, il bestiame e altri animali domestici e selvatici in tutto il mondo. Si stima che 93,8 milioni di persone soffrano di salmonellosi ogni anno, con quasi 155.000 morti (Majowicz et al., 2010). Il potenziale profilo di virulenza, la parentela genetica e l’adattamento all’ospite degli isolati di NTS aviari e mammiferi sulla base degli antigeni batterici FimA (adesina) e IroN (recettore) sono stati studiati in un gran numero di isolati di NTS di diverse origini dell’ospite (Alshalchi et al.). Gli autori hanno rivelato la possibile influenza di mutazioni puntiformi non sinonime all’interno dell’adesina FimA degli isolati NTS nell’adattamento dell’ospite (Alshalchi et al.). L’Escherichia coli enteroaggregativo (EAEC) è una causa comune di malattie di origine alimentare. I ceppi EAEC esprimono una serie eterogenea di fattori di virulenza putativi; pertanto, il riconoscimento di specifici fattori patogeni rimane una sfida. Jønsson et al. hanno monitorato una collezione di 162 ceppi EAEC clinici danesi e hanno identificato un nuovo plasmide di virulenza pAA che codifica le tossine e due varianti distinte delle fimbrie di EAEC. Enterococcus faecalis è frequentemente rilevato nell’acqua minerale e di sorgente e può causare infezioni del tratto urinario umano, endocardite e sepsi neonatale. Sono stati studiati anche la prevalenza, i potenziali geni di virulenza, la resistenza antimicrobica e la diversità genetica degli isolati di E. faecalis da 314 campioni di acqua minerale e di sorgente esaminati in Cina (Wei et al.). Collettivamente, questi studi hanno evidenziato un’alta prevalenza di batteri patogeni resistenti agli antimicrobici o all’essiccazione associati a genotipi diversi.
Decenni di ricerca hanno identificato una serie di determinanti di virulenza prodotti e secreti da batteri patogeni (Martinović et al., 2016). Per stabilire le infezioni nell’uomo, i patogeni devono percepire e rispondere agli ambienti ospiti appena incontrati per regolare l’espressione di fattori critici di virulenza che consentono l’adattamento alla nicchia e la colonizzazione di successo (Bäumler e Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). In questo argomento di ricerca, i meccanismi molecolari recentemente descritti alla base del superamento del microbiota residente all’interno del tratto gastrointestinale da parte di serovar non tifoidei di S. enterica sono stati ampiamente rivisti da Anderson e Kendall. Il batterio, come la serovar Typhimurium (S. Tm) elimina direttamente gli stretti concorrenti attraverso il contatto cellula-cellula batterica e stimolando una risposta immunitaria dell’ospite per eliminare membri specifici del microbiota. Inoltre, S. Tm regola strettamente l’espressione di fattori chiave di virulenza che permettono a S. Tm di resistere alle difese immunitarie dell’ospite nei macrofagi. In questo contesto, gli autori hanno anche evidenziato i segnali chimici e fisici che S. Tm percepisce come spunti per adattarsi a ciascuno di questi ambienti dell’ospite (Anderson e Kendall).
Alcuni altri articoli originali inclusi in questo argomento di ricerca hanno anche riportato nuovi risultati nella patogenesi batterica. Per esempio, le funzioni dettagliate di un gene legato alla biosintesi della cellulosa (bcsR) di C. sakazakii sono state studiate usando una tecnica di knockout genico, e i risultati hanno dimostrato che il bcsR è un regolatore negativo della biosintesi della cellulosa ma regola positivamente la formazione di biofilm e la capacità di adesione/invasione di C. sakazakii (Gao et al.). RpoS è un fattore sigma chiave che regola i geni di resistenza allo stress in E. coli. È stata identificata una nuova mutazione puntiforme missense al residuo 128 di RpoS in un isolato clinico di E. coli produttore di tossina Shiga (STEC). L’idrofobicità dell’amminoacido al residuo 128 è critica per l’attività di RpoS ed è di conseguenza importante per la sopravvivenza batterica alla temperatura fredda e agli stress ossidativi (Iwase et al.). I ceppi STEC differiscono anche nella resistenza agli acidi. Quando è cresciuto in un terreno minimo a pH 3.3, il ceppo STEC B201 che mostrava flocculazione era più sensibile all’acido, mentre il ceppo STEC B241 era planctonico e resistente all’acido. I dati trascrittomici e di espressione genica mirata hanno mostrato che l’espressione di curli e dei geni chaperone indotti dall’acido csg e hde erano positivamente correlati alle differenze fenotipiche (Kay et al.). Bacillus cereus è sempre più segnalato come agente causale di malattie gastrointestinali umane. Jeßberger et al. hanno studiato la produzione di enterotossine, la secrezione e la citotossicità in una serie di 19 ceppi di B. cereus enteropatogeni e non patogeni di diversa origine, utilizzando un terreno di coltura cellulare pre-incubato con la linea cellulare epiteliale del colon umano CaCo-2. Gli autori hanno suggerito che i metodi attualmente utilizzati nella diagnostica di B. cereus basati su terreni di coltura standard dovrebbero essere integrati da procedure di coltivazione che simulano le condizioni dell’ospite intestinale (Jeßberger et al.).
L’innovazione biologica e non biologica nelle tecnologie è emersa per un migliore controllo dei patogeni di origine alimentare. I progressi contemporanei nelle tecnologie di sequenziamento del DNA non solo hanno permesso una caratterizzazione più fine dei genomi batterici, ma hanno anche fornito un’identificazione tassonomica più profonda dei microbiomi complessi che abitano un ambiente, come un particolare corpo econiche (ad esempio, il contenuto intestinale umano) e un impianto di produzione alimentare econiche (ad esempio, lo scarico del pavimento) (recensione di Cao et al.). Negli ultimi anni, la scoperta di piccoli RNA non codificanti (sRNA) ha svelato un nuovo mondo di reti di regolazione post-trascrizionale, che cooperano con le ribonucleasi (RNasi) nel controllo dell’espressione genica. Con lo sviluppo di nuove tecnologie, molte molecole sRNA sono state identificate e hanno dimostrato di essere attori importanti nella virulenza batterica. Il metabolismo dell’RNA è stato recentemente sfruttato per lo sviluppo di nuove applicazioni terapeutiche (rivisto da Matos et al.). Durante la lavorazione e la conservazione degli alimenti, molti patogeni di origine alimentare possono essere indotti ad entrare in uno stato vitale ma non coltivabile (VBNC) limitando le condizioni ambientali come temperature estreme, essiccazione, irradiazione, campo elettrico pulsato e stress da alta pressione, così come l’aggiunta di conservanti e disinfettanti. Dopo essere entrati nello stato VBNC, gli agenti patogeni di origine alimentare non possono essere rilevati utilizzando le tecniche convenzionali di conteggio delle piastre e introducono grandi sfide alla sicurezza alimentare. Varie caratteristiche dello stato VBNC sono state ampiamente riviste da Zhao et al. tra cui caratteristiche biologiche, fattori di induzione e rianimazione, meccanismi di formazione e rianimazione, metodi di rilevamento e relazione con la sicurezza alimentare.
Nuovi composti e strategie di trattamento sono stati esplorati per il controllo dei patogeni batterici. Per esempio, Shi et al. hanno analizzato gli effetti del timochinone, un ingrediente attivo principale nell’olio volatile dei semi di Nigella sativa, sulla soppressione dei tratti legati alla virulenza di C. sakazakii ATCC 29544, e i test in vitro hanno mostrato che le concentrazioni sub-inibitorie del timochinone hanno diminuito significativamente la motilità, il quorum sensing e la produzione di endotossina del batterio. Inoltre, il timochinone ha sostanzialmente ridotto l’adesione e l’invasione di C. sakazakii ATCC 29544 alla linea cellulare del colon umano HT-29 e ha diminuito il numero di cellule batteriche intracellulari nelle cellule macrofagiche RAW264.7. V. cholerae può causare il colera, una grave malattia diarroica che può essere rapidamente fatale se non trattata ed è tipicamente trasmessa tramite acqua contaminata e contatto da persona a persona (Baker-Austin et al., 2018). Focolai di colera sono segnalati ogni anno nelle nazioni in via di sviluppo (Organizzazione Mondiale della Sanità, http://www.who.int/). Gli effetti dei minerali alimentari zinco, selenio e manganese sugli attributi di virulenza di V. cholerae sono stati studiati (Bhattaram et al.), e i test in vitro hanno indicato che tutti e tre i minerali hanno ridotto significativamente la motilità di V. cholerae, l’adesione alle cellule epiteliali intestinali (Caco-2) e la produzione di tossine del colera (ctxAB, fliA e toxR) in vitro, e hanno diminuito l’adesione e la produzione di tossine nell’intestino del topo ex vivo. Tuttavia, sono necessari studi in vivo in un modello animale per convalidare questi risultati.
Gli agenti patogeni batterici persistono negli impianti di trasformazione alimentare attraverso la crescita prevalentemente come biofilm piuttosto che in modalità planctonica (Bae et al., 2012). I biofilm sono comunità microbiche complesse incorporate nelle sostanze polimeriche extracellulari protettive (EPS). L’efficienza dell’acqua elettrolizzata acida (AEW) per rimuovere i biofilm è stata valutata per i patogeni batterici di origine alimentare tra cui E. coli, V. parahaemolyticus e L. monocytogenes. Le infezioni da V. parahaemolyticus (cioè la vibriosi) vengono normalmente acquisite attraverso l’esposizione all’acqua di mare o attraverso il consumo di frutti di mare contaminati crudi o poco cotti (Baker-Austin et al., 2018), mentre le infezioni da L. monocytogenes (un patogeno che può crescere a temperature di refrigerazione) (cioè la listeriosi) sono frequentemente associate a latticini non pastorizzati e vari alimenti pronti al consumo (Fung et al., 2018). Esperimenti in vitro hanno dimostrato che l’AEW ha innescato la distruzione dell’EPS attraverso la deformazione del legame C-O-C dei carboidrati e degli anelli aromatici negli aminoacidi tirosina e fenilalanina. Gli autori hanno suggerito che AEW potrebbe essere un’alternativa ecologica ai disinfettanti tradizionalmente utilizzati nell’industria alimentare. Inoltre, è stata anche studiata la sopravvivenza differenziale di C. jejuni iper-aerotollerante in diverse condizioni di gas, e i dati risultanti hanno suggerito che il confezionamento in atmosfera modificata con CO2 può aiutare a controllare la contaminazione del pollame con C. jejuni iper-aerotollerante (Oh et al.).
In sintesi, questo Frontiers Research Topic include 21 articoli e 146 autori da Austria, Canada, Cina, Danimarca, Germania, Irlanda, Giappone, Portogallo, Corea del Sud, Regno Unito e Stati Uniti. Fornisce una panoramica delle recenti scoperte in risorgenza, patogenesi e strategie di controllo dei batteri patogeni umani gravi di origine alimentare e sostiene l’urgente necessità di migliorare la sicurezza alimentare e la salute pubblica, in particolare nello sfondo della globalizzazione. Le informazioni presentate negli articoli non solo sottolineano le future aree di ricerca e le necessità degli scienziati, ma anche i governi, i produttori di alimenti, i fornitori di alimenti e i consumatori di alimenti per lavorare insieme verso l’eliminazione e il controllo della persistenza dei patogeni negli alimenti e delle infezioni resistenti negli esseri umani.
Contributi degli autori
LC ha redatto l’editoriale. WA ha contribuito alla revisione editoriale. Tutti gli autori hanno approvato l’articolo finale per la pubblicazione.
Conflict of Interest Statement
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.
Acknowledgments
LC e WA ringraziano tutti gli autori che hanno contribuito a questo argomento di ricerca. LC è supportato da sovvenzioni della Shanghai Municipal Science and Technology Commission (No. 17050502200) e la National Nature Science Foundation of China (No. 31671946).