Frontiers in Microbiology

admin 0 Comments Articles

Frontiers in Microbiology

Biljoner människor i världen riskerar att drabbas av osäkra livsmedel. Många miljoner blir sjuka medan hundratusentals dör årligen på grund av konsumtion av förorenade livsmedel (Fung et al., 2018). Utbrott och förekomst av livsmedelsburna sjukdomar är inte bara en stor börda för de globala hälso- och sjukvårdssystemen, utan resulterar också i enorma negativa konsekvenser för den ekonomiska tillväxten och den sociala stabiliteten. Tillsammans med den snabba utvecklingen av webbaserad och mobilanpassad elektronisk handel innebär den snabba nationella och internationella handeln med livsmedel runt om i världen nya utmaningar för livsmedelssäkerhetssystemen, särskilt i utvecklingsländer. Patogena bakterier kontaminerar livsmedel i alla led i hela livsmedelskedjan från gård till matbord. De mest kända bakteriella patogenerna i samband med livsmedelsburna sjukdomar i världen är Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae och Vibrio parahaemolyticus. I detta forskningstema rapporteras nya upptäckter om återkomst, patogenes och kontrollstrategier för dessa livsmedelsburna patogener.

Kontinuerlig övervakning av livsmedelsföroreningar och identifiering av riskfaktorer är avgörande för att garantera livsmedelssäkerheten. Många originalforskningsartiklar som ingår i detta forskningstema behandlar frågor som rör genetisk mångfald, prevalens, resistens och nya överföringsvektorer för patogena bakterier. C. jejuni, som är en av de främsta orsakerna till gastroenterit hos människor, kan t.ex. finnas i reservoarer hos djur som används som livsmedel, t.ex. kycklingar, grisar och nötkreatur. Den genetiska mångfalden och frekvensen av antimikrobiell resistens hos C. jejuni som återfanns från 214 nötkreatur i tre besättningar i Michigan i USA undersöktes och fastställdes i en tvärsnittsstudie (Cha et al.). Cronobacter spp. kan orsaka nekrotiserande enterokolit, bakteriemi och hjärnhinneinflammation hos nyfödda och spädbarn, med en dödlighet på 40-80 % (Holy och Forsythe, 2014). Pulveriserad modersmjölksersättning (PIF) är den viktigaste källan till Cronobacter spp. som leder till infektionerna. Den antimikrobiella resistensen och uttorkningsresistensen hos 70 isolat av Cronobacter sakazakii och Cronobacter malonaticus från PIF och bearbetningsmiljöer i Kina bestämdes (Fei et al.). Icke-typhoid Salmonella (NTS) kan infektera ett brett spektrum av värdar, inklusive människor, fjäderfä, nötkreatur och andra domesticerade och vilda djur över hela världen. Man uppskattar att 93,8 miljoner människor drabbas av salmonellos årligen, med nästan 155 000 dödsfall (Majowicz et al., 2010). Den potentiella virulensprofilen, den genetiska släktskapen och värdanpassningen hos fågel- och däggdjursisolat av NTS baserat på de bakteriella antigenerna FimA (adhesin) och IroN (receptor) undersöktes i ett stort antal NTS-isolat av olika värdursprung (Alshalchi et al.). Författarna avslöjade att icke-synonyma punktmutationer inom FimA-adhesinet hos NTS-isolaten kan ha en möjlig inverkan på värdanpassningen (Alshalchi et al.). Enteroaggregativa Escherichia coli (EAEC) är en vanlig orsak till livsmedelsburna sjukdomar. EAEC-stammar uttrycker ett heterogent utbud av förmodade virulensfaktorer, och därför är det fortfarande svårt att identifiera specifika patogena faktorer. Jønsson et al. övervakade en samling av 162 kliniska danska EAEC-stammar och identifierade en ny pAA-virulensplasmid som kodar för toxiner och två olika varianter av EAEC:s fimbriae. Enterococcus faecalis upptäcks ofta i mineral- och källvatten och kan orsaka urinvägsinfektioner, endokardit och neonatal sepsis hos människor. Prevalens, potentiella virulensgener, antimikrobiell resistens och genetisk mångfald hos E. faecalis-isolat från 314 mineral- och källvattenprover som undersöktes i Kina undersöktes också (Wei et al.). Sammantaget belyste dessa studier en hög prevalens av antimikrobiella eller uttorkningsresistenta patogena bakterier associerade med olika genotyper.

Dekennier av forskning har identifierat ett antal virulensdeterminanter som produceras och utsöndras av patogena bakterier (Martinović et al., 2016). För att etablera infektioner hos människor måste patogener känna av och reagera på nya värdmiljöer för att reglera uttrycket av kritiska virulensfaktorer som möjliggör nischanpassning och framgångsrik kolonisering (Bäumler och Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). I detta forskningstema har de nyligen beskrivna molekylära mekanismerna som ligger till grund för att icke-typhoida serovarer av S. enterica utkonkurrerar den residenta mikrobiotan i mag-tarmkanalen genom att utkonkurreras av icke-typhoida serovarer av S. enterica granskats utförligt av Anderson och Kendall. Bakterien, såsom serovar Typhimurium (S. Tm), eliminerar direkt nära konkurrenter via bakteriell cell-till-cellkontakt samt genom att stimulera ett immunsvar hos värden för att eliminera specifika medlemmar av mikrobiota. Dessutom reglerar S. Tm noggrant uttrycket av viktiga virulensfaktorer som gör det möjligt för S. Tm att motstå värdens immunförsvar i makrofager. I detta sammanhang framhöll författarna också kemiska och fysiska signaler som S. Tm känner av som signaler för att anpassa sig till var och en av dessa värdmiljöer (Anderson och Kendall).

Några andra originalartiklar som ingår i detta forskningstema rapporterade också nya rön inom bakteriell patogenes. Till exempel undersöktes de detaljerade funktionerna hos en cellulosebiosyntesrelaterad gen (bcsR) hos C. sakazakii med hjälp av en gen knockout-teknik, och resultaten visade att bcsR är en negativ regulator av cellulosebiosyntesen men reglerar positivt biofilmsbildningen och vidhäftnings-/invasionsförmågan hos C. sakazakii (Gao et al.). RpoS är en viktig stressinducerbar sigmafaktor som reglerar stressresistensgener i E. coli. En ny missense punktmutation vid RpoS rest 128 i ett kliniskt Shiga toxinproducerande E. coli-isolat (STEC) identifierades. Den hydrofoba aminosyran vid rest 128 är kritisk för RpoS-aktiviteten och är följaktligen viktig för bakteriernas överlevnad vid kall temperatur och oxidativ stress (Iwase et al.). STEC-stammarna skiljer sig också åt när det gäller syreresistens. Vid odling i minimalt medium vid pH 3,3 var STEC-stam B201 som uppvisade flockbildning mer syrekänslig, medan STEC-stam B241 var planktonisk och syrebeständig. Transkriptomiska och riktade genuttrycksdata visade att uttrycket av curli och de syrainducerade chaperongenerna csg och hde korrelerade positivt med de fenotypiska skillnaderna (Kay et al.). Bacillus cereus rapporteras allt oftare som en orsak till gastrointestinala sjukdomar hos människor. Jeßberger et al. undersökte enterotoxinproduktion, sekretion och cytotoxicitet i en uppsättning av 19 enteropatogena och icke-patogena B. cereus-stammar av olika ursprung genom att använda cellodlingsmedium som förinkuberats med den humana kolonepitelcelllinjen CaCo-2. Författarna föreslog att de metoder som för närvarande används för diagnostik av B. cereus och som är baserade på standardkulturmedium bör kompletteras med odlingsförfaranden som simulerar värdförhållanden i tarmen (Jeßberger et al.).

Biologiska och icke-biologiska innovationer inom tekniken har uppstått för bättre kontroll av livsmedelsburna patogener. De samtida framstegen inom tekniken för DNA-sekvensering har inte bara möjliggjort en finare karakterisering av bakteriegenom, utan har också gett en djupare taxonomisk identifiering av komplexa mikrobiom som bebor en miljö, t.ex. en viss kroppsekoniche (t.ex. människans tarminnehåll) och en livsmedelstillverkningsanläggningsekoniche (t.ex. golvavlopp) (granskad av Cao et al.). Under de senaste åren har upptäckten av små icke-kodande RNA (sRNA) avslöjat en ny värld av posttranskriptionella regleringsnätverk, som samarbetar med ribonukleaser (RNaser) vid kontrollen av genuttryck. I och med utvecklingen av ny teknik har många sRNA-molekyler identifierats och visat sig vara viktiga aktörer vid bakteriell virulens. RNA-metabolismen har nyligen utnyttjats för att utveckla nya terapeutiska tillämpningar (se Matos et al.). Under bearbetning och konservering av livsmedel kan många livsmedelsburna patogener fås att gå in i ett livskraftigt men icke-kulturerbart tillstånd (VBNC) genom att begränsa miljöförhållandena, t.ex. extrema temperaturer, torkning, bestrålning, pulserande elektriska fält och högtrycksstress, samt genom tillsats av konserverings- och desinfektionsmedel. Efter att ha gått in i VBNC-tillstånd kan livsmedelsburna patogener inte upptäckas med hjälp av konventionella platträkningstekniker, vilket innebär stora utmaningar för livsmedelssäkerheten. Olika egenskaper hos VBNC-tillståndet granskades ingående av Zhao et al. inklusive biologiska egenskaper, induktions- och återupplivningsfaktorer, bildnings- och återupplivningsmekanismer, detektionsmetoder och förhållandet till livsmedelssäkerhet.

Nya föreningar och behandlingsstrategier har utforskats för kontroll av bakteriella patogener. Till exempel analyserade Shi et al. effekterna av tymokinon, en huvudsaklig aktiv ingrediens i flyktig olja från Nigella sativa-frön, på undertryckandet av virulensrelaterade egenskaper hos C. sakazakii ATCC 29544, och in vitro-tester visade att subinhibitoriska koncentrationer av tymokinon signifikant minskade motilitet, quorum sensing och endotoxinproduktion hos bakterien. Dessutom minskade tymokinon avsevärt vidhäftningen och invasionen av C. sakazakii ATCC 29544 till den humana koloncellinjen HT-29-cellerna och minskade antalet intracellulära bakterieceller i RAW264.7-makrofagcellerna. V. cholerae kan orsaka kolera, en allvarlig diarrésjukdom som snabbt kan leda till döden om den inte behandlas och som vanligtvis överförs via förorenat vatten och kontakt mellan människor (Baker-Austin et al., 2018). Utbrott av kolera rapporteras varje år i utvecklingsländer (Världshälsoorganisationen, http://www.who.int/). Effekterna av kostmineralerna zink, selen och mangan på virulensattribut hos V. cholerae undersöktes (Bhattaram et al.), och in vitro-tester visade att alla tre mineralerna signifikant minskade V. choleraes motilitet, vidhäftning till tarmepitelceller (Caco-2) och produktion av koleratoxin (ctxAB, fliA och toxR) in vitro, och minskade vidhäftning och toxinproduktion i musentarm ex vivo. Det krävs dock in vivo-studier i en djurmodell för att validera dessa resultat.

Bakteriella patogener kvarstår i anläggningar för livsmedelsbearbetning genom att de huvudsakligen växer som biofilmer snarare än i planktonisk form (Bae et al., 2012). Biofilmer är komplexa mikrobiella samhällen inbäddade i skyddande extracellulära polymera substanser (EPS). Effektiviteten hos surt elektrolyserat vatten (AEW) för att avlägsna biofilmer utvärderades för livsmedelsburna bakteriella patogener, inklusive E. coli, V. parahaemolyticus och L. monocytogenes. V. parahaemolyticus-infektioner (dvs. vibrios) förvärvas normalt genom exponering för havsvatten eller genom konsumtion av råa eller otillräckligt kokta kontaminerade fisk- och skaldjursprodukter (Baker-Austin et al., 2018), medan L. monocytogenes-infektioner (en patogen som kan växa vid kyltemperaturer) (dvs. listerios) ofta förknippas med opastöriserade mejeriprodukter och olika ätfärdiga livsmedel (Fung et al., 2018). In vitro-experiment visade att AEW utlöste EPS-störning genom deformation av kolhydraternas C-O-C-bindning och aromatiska ringar i aminosyrorna tyrosin och fenylalanin. Författarna föreslog att AEW skulle kunna vara ett miljövänligt alternativ till saneringsmedel som traditionellt används inom livsmedelsindustrin. Dessutom studerades också den differentiella överlevnaden av hyper-aerotolerant C. jejuni under olika gasförhållanden, och de data som framkom tyder på att förpackning i modifierad atmosfär med CO2 kan bidra till att kontrollera kontaminering av fjäderfä med hyper-aerotolerant C. jejuni (Oh et al.).

Sammanfattningsvis omfattar detta Frontiers Research Topic 21 artiklar och 146 författare från Österrike, Kanada, Kina, Danmark, Tyskland, Irland, Japan, Portugal, Sydkorea, Storbritannien, Tyskland och Förenta staterna. Det ger en översikt över de senaste upptäckterna inom återkomst, patogenes och kontrollstrategier för de för människan allvarliga livsmedelsburna patogena bakterierna, och stöder det akuta behovet av att förbättra livsmedelssäkerheten och folkhälsan, särskilt i en globaliseringsbakgrund. Den information som presenteras i artiklarna understryker inte bara framtida forskningsområden och behov för forskare, utan gynnar också regeringar, livsmedelsproducenter, livsmedelsleverantörer och livsmedelskonsumenter att arbeta tillsammans för att eliminera och kontrollera patogenpersistens i livsmedel och resistenta infektioner hos människor.

Författarbidrag

LC har utarbetat redaktionen. WA bidrog till den redaktionella översynen. Alla författare godkände den slutliga artikeln för publicering.

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

LC och WA tackar alla författare som bidragit till detta forskningsämne. LC stöds av bidrag från Shanghai Municipal Science and Technology Commission (nr 1705050502200) och National Nature Science Foundation of China (nr 31671946).