Frontiers in Microbiology
Editorial on the Research Topic
Recent Discoveries in Human Serious Foodborne Pathogenic Bacteria: Resurgence, Pathogenesis, and Control Strategies
Biliony ludzi na świecie są narażone na ryzyko niebezpiecznej żywności. Wiele milionów choruje, a setki tysięcy umiera rocznie z powodu spożycia skażonej żywności (Fung i in., 2018). Ogniska i powszechność występowania chorób przenoszonych drogą pokarmową są nie tylko dużym obciążeniem dla globalnych systemów opieki zdrowotnej, ale także skutkują ogromnym negatywnym wpływem na wzrost gospodarczy i stabilność społeczną. Wraz z szybkim rozwojem internetowego i mobilnego handlu elektronicznego, szybko rozwijający się krajowy i międzynarodowy handel środkami spożywczymi na całym świecie stawia nowe wyzwania przed systemami bezpieczeństwa żywności, szczególnie w krajach rozwijających się. Bakterie chorobotwórcze zanieczyszczają żywność na każdym etapie całego łańcucha żywnościowego, od gospodarstwa rolnego do stołu jadalnego. Najpowszechniej znane patogeny bakteryjne związane z chorobami przenoszonymi drogą pokarmową na całym świecie to Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae i Vibrio parahaemolyticus. W niniejszym temacie badawczym przedstawiono najnowsze odkrycia dotyczące odradzania się, patogenezy i strategii zwalczania tych patogenów przenoszonych drogą pokarmową.
Ciągły monitoring zanieczyszczeń żywności i identyfikacja czynników ryzyka są kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa żywności. Wiele oryginalnych artykułów naukowych zawartych w tym temacie badawczym dotyczyło zagadnień związanych z różnorodnością genetyczną, rozpowszechnieniem, opornością i nowymi wektorami przenoszenia bakterii chorobotwórczych. Na przykład, C. jejuni, główna przyczyna zapalenia żołądka i jelit u ludzi, może bytować w rezerwuarach zwierząt spożywczych, takich jak kurczaki, świnie i bydło. Różnorodność genetyczna i częstotliwość występowania oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe C. jejuni wyizolowanej z 214 sztuk bydła z trzech stad w Michigan w USA zostały zbadane i określone w badaniu przekrojowym (Cha et al.). Cronobacter spp. mogą powodować martwicze zapalenie jelit, bakteriemię i zapalenie opon mózgowych u noworodków i niemowląt, ze śmiertelnością 40-80% (Holy i Forsythe, 2014). Sproszkowane preparaty do początkowego żywienia niemowląt (PIF) są najbardziej znaczącym źródłem Cronobacter spp. powodujących zakażenia. Określono oporność przeciwdrobnoustrojową i desykacyjną 70 izolatów Cronobacter sakazakii i Cronobacter malonaticus pochodzących z PIF i środowisk przetwórczych w Chinach (Fei i wsp.). Nietyfoidalne pałeczki Salmonella (NTS) mogą zakażać szeroki zakres gospodarzy, w tym ludzi, drób, bydło oraz inne udomowione i dzikie zwierzęta na całym świecie. Szacuje się, że rocznie 93,8 milionów ludzi choruje na salmonellozę, a prawie 155 000 umiera (Majowicz i in., 2010). Na podstawie antygenów bakteryjnych FimA (adhezyna) i IroN (receptor) zbadano potencjalny profil wirulencji, pokrewieństwo genetyczne i adaptację do gospodarza ptasich i ssaczych izolatów NTS w dużej liczbie izolatów NTS pochodzących od różnych gospodarzy (Alshalchi i in.). Autorzy wykazali możliwy wpływ niesynonimicznych mutacji punktowych w obrębie adhezyny FimA izolatów NTS w adaptacji do gospodarza (Alshalchi i in.). Enteroagregacyjna Escherichia coli (EAEC) jest częstą przyczyną chorób przenoszonych drogą pokarmową. Szczepy EAEC wykazują ekspresję heterogennego zestawu czynników wirulencji, dlatego rozpoznanie specyficznych czynników patogennych pozostaje wyzwaniem. Jønsson i wsp. monitorowali kolekcję 162 klinicznych duńskich szczepów EAEC i zidentyfikowali nowy plazmid wirulencji pAA kodujący toksyny oraz dwa różne warianty fimbrii EAEC. Enterococcus faecalis jest często wykrywany w wodach mineralnych i źródlanych i może powodować zakażenia dróg moczowych u ludzi, zapalenie wsierdzia i sepsę noworodków. Zbadano również częstość występowania, potencjalne geny wirulencji, oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe oraz różnorodność genetyczną izolatów E. faecalis z 314 próbek wody mineralnej i źródlanej badanych w Chinach (Wei et al.). Łącznie, badania te podkreśliły wysoką częstość występowania bakterii patogennych opornych na środki przeciwdrobnoustrojowe lub desykację, związanych ze zróżnicowanymi genotypami.
Dekady badań zidentyfikowały szereg determinantów wirulencji wytwarzanych i wydzielanych przez bakterie patogenne (Martinović et al., 2016). Aby ustanowić infekcje u ludzi, patogeny muszą wyczuć i odpowiedzieć na nowo napotkane środowisko gospodarza, aby regulować ekspresję krytycznych czynników wirulencji, które pozwalają na adaptację niszy i udaną kolonizację (Bäumler i Sperandio, 2016; Lustri i in., 2017). W tym temacie badawczym Anderson i Kendall dokonali obszernego przeglądu niedawno opisanych mechanizmów molekularnych leżących u podstaw konkurowania z mikrobiotą rezydentów w przewodzie pokarmowym przez nietyfoidalne serotypy S. enterica. Bakteria, taka jak serotyp Typhimurium (S. Tm) bezpośrednio eliminuje bliskich konkurentów poprzez kontakt bakteria-komórka, jak również poprzez stymulację odpowiedzi immunologicznej gospodarza do eliminacji specyficznych członków mikrobioty. Dodatkowo, S. Tm ściśle reguluje ekspresję kluczowych czynników wirulencji, które umożliwiają S. Tm przetrwanie obrony immunologicznej gospodarza w makrofagach. W tym kontekście autorzy zwrócili również uwagę na sygnały chemiczne i fizyczne, które S. Tm wyczuwa jako wskazówki do przystosowania się do każdego z tych środowisk gospodarza (Anderson i Kendall).
Kilka innych oryginalnych artykułów zawartych w tym temacie badawczym również donosi o nowych odkryciach w patogenezie bakterii. Na przykład, szczegółowe funkcje genu związanego z biosyntezą celulozy (bcsR) C. sakazakii zostały zbadane przy użyciu techniki nokautu genowego, a wyniki wykazały, że bcsR jest negatywnym regulatorem biosyntezy celulozy, ale pozytywnie reguluje tworzenie biofilmu i zdolność adhezji/inwazji C. sakazakii (Gao et al.). RpoS jest kluczowym, indukowanym stresem czynnikiem sigma, który reguluje geny oporności na stres u E. coli. Zidentyfikowano nową mutację punktową typu missense w reszcie 128 RpoS w klinicznym izolacie E. coli produkującym toksynę Shiga (STEC). Hydrofobowość aminokwasu przy reszcie 128 jest krytyczna dla aktywności RpoS i w konsekwencji jest ważna dla przeżycia bakterii w niskich temperaturach i stresach oksydacyjnych (Iwase i in.). Szczepy STEC różnią się również pod względem oporności na kwasy. Podczas hodowli w podłożu minimalnym o pH 3,3, szczep STEC B201 wykazujący flokulację był bardziej wrażliwy na działanie kwasu, podczas gdy szczep STEC B241 był planktoniczny i odporny na działanie kwasu. Dane transkryptomiczne i ukierunkowana ekspresja genów wykazały, że ekspresja curli i indukowanych kwasem genów chaperonów csg i hde dodatnio korelowała z różnicami fenotypowymi (Kay et al.). Bacillus cereus jest coraz częściej uznawany za czynnik wywołujący choroby przewodu pokarmowego u ludzi. Jeßberger i wsp. badali produkcję, wydzielanie i cytotoksyczność enterotoksyn w grupie 19 enteropatogennych i niepatogennych szczepów B. cereus różnego pochodzenia, stosując podłoże do hodowli komórkowych preinkubowane z ludzką linią komórek nabłonka jelita grubego CaCo-2. Autorzy zasugerowali, że obecnie stosowane metody w diagnostyce B. cereus oparte na standardowym podłożu hodowlanym powinny być uzupełnione o procedury hodowlane symulujące warunki gospodarza jelitowego (Jeßberger i wsp.).
W celu lepszej kontroli patogenów przenoszonych drogą pokarmową pojawiły się biologiczne i niebiologiczne innowacje technologiczne. Współczesne postępy w technologii sekwencjonowania DNA nie tylko umożliwiły dokładniejszą charakterystykę genomów bakteryjnych, ale także zapewniły głębszą identyfikację taksonomiczną złożonych mikrobiomów zasiedlających dane środowisko, takie jak określony organizm (np. treść jelitowa człowieka) i zakład produkcji żywności (np. odpływ podłogowy) (przegląd: Cao i in.). W ostatnich latach odkrycie małych niekodujących RNA (sRNA) odsłoniło nowy świat posttranskrypcyjnych sieci regulacyjnych, które współpracują z rybonukleazami (RNases) w kontroli ekspresji genów. Wraz z rozwojem nowych technologii, zidentyfikowano wiele cząsteczek sRNA i wykazano, że odgrywają one ważną rolę w wirulencji bakterii. Metabolizm RNA jest ostatnio wykorzystywany do opracowywania nowych zastosowań terapeutycznych (patrz Matos i in.). Podczas przetwarzania i konserwowania żywności, wiele patogenów przenoszonych przez żywność może być indukowanych do wejścia w stan żywotności, ale niekulturowalny (VBNC) poprzez ograniczenie warunków środowiskowych, takich jak ekstremalne temperatury, suszenie, napromieniowanie, impulsowe pole elektryczne i wysokie ciśnienie, jak również dodanie środków konserwujących i dezynfekujących. Po wejściu w stan VBNC, patogeny przenoszone przez żywność nie mogą być wykryte przy użyciu konwencjonalnych technik liczenia płytek i stanowią duże wyzwanie dla bezpieczeństwa żywności. Różne cechy stanu VBNC zostały obszernie omówione przez Zhao i wsp. w tym cechy biologiczne, czynniki indukujące i reanimujące, mechanizmy powstawania i reanimacji, metody wykrywania i związek z bezpieczeństwem żywności.
Nowe związki i strategie leczenia zostały zbadane w celu kontroli patogenów bakteryjnych. Na przykład, Shi i wsp. analizowali wpływ tymochinonu, głównego składnika aktywnego w olejku lotnym nasion Nigella sativa, na tłumienie cech związanych z wirulencją C. sakazakii ATCC 29544, a testy in vitro wykazały, że sub-inhibicyjne stężenia tymochinonu znacząco zmniejszyły ruchliwość, wyczuwanie kworum i produkcję endotoksyn przez bakterię. Ponadto, tymochinon znacząco zmniejszał adhezję i inwazję C. sakazakii ATCC 29544 do komórek ludzkiej linii komórkowej okrężnicy HT-29 oraz zmniejszał liczbę wewnątrzkomórkowych komórek bakteryjnych w komórkach makrofagów RAW264.7. V. cholerae może powodować cholerę, ciężką chorobę biegunkową, która może być szybko śmiertelna, jeśli nie jest leczona i jest zwykle przenoszona przez skażoną wodę i kontakt między osobami (Baker-Austin i in., 2018). Ogniska cholery są zgłaszane każdego roku w krajach rozwijających się (Światowa Organizacja Zdrowia, http://www.who.int/). Zbadano wpływ minerałów diety: cynku, selenu i manganu na atrybuty wirulencji V. cholerae (Bhattaram i wsp.), a badania in vitro wskazały, że wszystkie trzy minerały znacznie zmniejszyły ruchliwość V. cholerae, adhezję do komórek nabłonka jelitowego (Caco-2) i produkcję toksyny cholery (ctxAB, fliA i toxR) in vitro, a także zmniejszyły adhezję i produkcję toksyny w jelicie myszy ex vivo. Aby potwierdzić te wyniki, konieczne są jednak badania in vivo na modelu zwierzęcym.
Bakteryjne patogeny utrzymują się w zakładach przetwórstwa spożywczego dzięki wzrostowi głównie jako biofilmy, a nie w trybie planktonicznym (Bae et al., 2012). Biofilmy są złożonymi zbiorowiskami mikroorganizmów osadzonymi w ochronnych zewnątrzkomórkowych substancjach polimerowych (EPS). Skuteczność kwaśnej wody elektrolizowanej (AEW) w usuwaniu biofilmów została oceniona dla patogenów bakteryjnych przenoszonych przez żywność, w tym E. coli, V. parahaemolyticus i L. monocytogenes. Zakażenia V. parahaemolyticus (tj. wibrioza) są zwykle nabywane przez ekspozycję na wodę morską lub przez spożycie surowych lub niedogotowanych zanieczyszczonych owoców morza (Baker-Austin i in., 2018), podczas gdy zakażenia L. monocytogenes (patogen, który może rosnąć w temperaturach chłodniczych) (tj. listerioza) są często związane z niepasteryzowanymi produktami mlecznymi i różnymi gotowymi do spożycia produktami spożywczymi (Fung i in., 2018). Eksperymenty in vitro wykazały, że AEW wyzwalał zaburzenia EPS poprzez deformację wiązania C-O-C węglowodanów i pierścieni aromatycznych w aminokwasach tyrozyny i fenyloalaniny. Autorzy zasugerowali, że AEW może być przyjazną środowisku alternatywą dla środków sanityzujących tradycyjnie stosowanych w przemyśle spożywczym. Dodatkowo, badano również przeżywalność hiper-aerotolerancyjnego C. jejuni w różnych warunkach gazowych, a uzyskane dane sugerowały, że pakowanie w atmosferze modyfikowanej z użyciem CO2 może pomóc w kontroli skażenia drobiu hiper-aerotolerancyjnym C. jejuni (Oh et al.).
Podsumowując, ten Frontiers Research Topic zawiera 21 artykułów i 146 autorów z Austrii, Kanady, Chin, Danii, Niemiec, Irlandii, Japonii, Portugalii, Korei Południowej, Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych. Zawiera on przegląd najnowszych odkryć w zakresie odradzania się, patogenezy i strategii kontroli poważnych bakterii chorobotwórczych przenoszonych przez żywność i wspiera pilną potrzebę poprawy bezpieczeństwa żywności i zdrowia publicznego, szczególnie w kontekście globalizacji. Informacje przedstawione w artykułach nie tylko podkreślają przyszłe obszary badań i potrzeby naukowców, ale także przynoszą korzyści rządom, producentom żywności, dostawcom żywności i konsumentom żywności, aby współpracować w celu wyeliminowania i kontrolowania trwałości patogenów w żywności i opornych infekcji u ludzi.
Author Contributions
LC przygotował redakcję. WA przyczynił się do redakcyjnej korekty. Wszyscy autorzy zatwierdzili ostateczną wersję pracy do publikacji.
Oświadczenie o konflikcie interesów
Autorzy oświadczają, że badania były prowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
Podziękowania
LC i WA dziękują wszystkim autorom, którzy przyczynili się do powstania tego tematu badawczego. LC jest wspierany przez granty z Shanghai Municipal Science and Technology Commission (nr 17050502200) i National Nature Science Foundation of China (nr 31671946).