Frontiers in Microbiology
Editorial k výzkumnému tématu
Nejnovější objevy v oblasti závažných potravinových patogenních bakterií u lidí:
Biliony lidí na světě jsou ohroženy nebezpečnými potravinami. Mnoho milionů jich onemocní, zatímco stovky tisíc jich ročně zemřou v důsledku konzumace kontaminovaných potravin (Fung et al., 2018). Epidemie a výskyt onemocnění z potravin jsou nejen velkou zátěží pro globální systémy zdravotní péče, ale mají také za následek obrovský negativní dopad na hospodářský růst a sociální stabilitu. Spolu s rychlým rozvojem internetového a mobilního elektronického obchodu představují rychle se rozvíjející vnitrostátní a mezinárodní obchody s potravinami po celém světě nové výzvy pro systémy bezpečnosti potravin, zejména v rozvojových zemích. Patogenní bakterie kontaminují potraviny ve všech fázích celého potravinového řetězce od farmy až po jídelní stůl. Nejznámějšími bakteriálními patogeny spojovanými s onemocněními z potravin na celém světě jsou Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae a Vibrio parahaemolyticus. Toto výzkumné téma informovalo o nejnovějších objevech v oblasti opětovného výskytu, patogeneze a kontrolních strategií těchto potravinových patogenů.
Průběžné sledování kontaminantů potravin a identifikace rizikových faktorů mají zásadní význam pro zajištění bezpečnosti potravin. Mnoho původních výzkumných článků zařazených do tohoto tématu výzkumu se zabývalo otázkami souvisejícími s genetickou rozmanitostí, prevalencí, rezistencí a novými vektory přenosu patogenních bakterií. Například C. jejuni, hlavní příčina gastroenteritidy u lidí, se může nacházet v rezervoárech potravinových zvířat, jako jsou kuřata, prasata a skot. Genetická diverzita a frekvence antimikrobiální rezistence C. jejuni získané z 214 kusů skotu ve třech stádech v Michiganu v USA byly zkoumány a stanoveny v průřezové studii (Cha et al.). Cronobacter spp. může způsobit nekrotizující enterokolitidu, bakteriémii a meningitidu u novorozenců a kojenců s 40-80% úmrtností (Holy a Forsythe, 2014). Práškové kojenecké výživy (PIF) jsou nejvýznamnějším zdrojem Cronobacter spp. způsobujících infekce. Byla stanovena antimikrobiální a desikační rezistence 70 izolátů Cronobacter sakazakii a Cronobacter malonaticus z PIF a prostředí zpracování v Číně (Fei et al.). Netyfoidní salmonely (NTS) mohou infikovat širokou škálu hostitelů, včetně lidí, drůbeže, skotu a dalších domestikovaných i volně žijících zvířat po celém světě. Odhaduje se, že ročně se salmonelózou onemocní 93,8 milionu lidí a téměř 155 000 lidí zemře (Majowicz et al., 2010). Potenciální profil virulence, genetická příbuznost a hostitelská adaptace ptačích a savčích izolátů NTS na základě bakteriálních antigenů FimA (adhezin) a IroN (receptor) byly zkoumány u velkého počtu izolátů NTS různého hostitelského původu (Alshalchi et al.). Autoři odhalili možný vliv nesynonymních bodových mutací v rámci adhezinu FimA izolátů NTS na adaptaci hostitele (Alshalchi et al.). Enteroagregativní Escherichia coli (EAEC) je častou příčinou onemocnění z potravin. Kmeny EAEC exprimují heterogenní škálu předpokládaných faktorů virulence, proto je rozpoznání specifických patogenních faktorů stále náročné. Jønsson a kol. sledovali soubor 162 klinických dánských kmenů EAEC a identifikovali nový plazmid virulence pAA kódující toxiny a dvě odlišné varianty fimbrií EAEC. Enterococcus faecalis je často detekován v minerálních a pramenitých vodách a může způsobovat infekce močových cest u lidí, endokarditidu a novorozeneckou sepsi. Byla také zkoumána prevalence, potenciální geny virulence, antimikrobiální rezistence a genetická diverzita izolátů E. faecalis z 314 vzorků minerálních a pramenitých vod zkoumaných v Číně (Wei et al.). Souhrnně tyto studie poukázaly na vysokou prevalenci patogenních bakterií rezistentních vůči antimikrobiálním látkám nebo vysoušení spojenou s různorodými genotypy.
Desítky let výzkumu identifikovaly řadu determinant virulence produkovaných a vylučovaných patogenními bakteriemi (Martinović et al., 2016). Aby se patogeny mohly u člověka nakazit, musí vycítit nově vzniklé prostředí hostitele a reagovat na něj, aby regulovaly expresi kritických faktorů virulence, které umožňují adaptaci na niku a úspěšnou kolonizaci (Bäumler a Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). V tomto tématu výzkumu nedávno popsané molekulární mechanismy, které jsou základem překonávání rezidentní mikrobioty v gastrointestinálním traktu netyfoidními sérovary S. enterica, obsáhle rozebrali Anderson a Kendall. Bakterie, jako je sérovar Typhimurium (S. Tm), přímo eliminuje blízké konkurenty prostřednictvím kontaktu bakterie s buňkou a také stimulací imunitní odpovědi hostitele, která eliminuje specifické členy mikrobioty. Kromě toho S. Tm přísně reguluje expresi klíčových faktorů virulence, které umožňují S. Tm odolávat imunitní obraně hostitele v makrofázích. V této souvislosti autoři také zdůraznili chemické a fyzikální signály, které S. Tm vnímá jako signály pro přizpůsobení se každému z těchto hostitelských prostředí (Anderson a Kendall).
Některé další původní články zařazené do tohoto tématu výzkumu rovněž přinesly nové poznatky v oblasti bakteriální patogeneze. Například byly zkoumány podrobné funkce genu souvisejícího s biosyntézou celulózy (bcsR) C. sakazakii pomocí techniky genového knockoutu a výsledky ukázaly, že bcsR je negativním regulátorem biosyntézy celulózy, ale pozitivně reguluje tvorbu biofilmu a schopnost adheze/invaze C. sakazakii (Gao et al.). RpoS je klíčový stresem indukovaný sigma faktor, který reguluje geny odolnosti vůči stresu u E. coli. U klinického izolátu E. coli produkujícího Shiga toxin (STEC) byla identifikována nová bodová missense mutace na 128. zbytku RpoS. Hydrofobicita aminokyseliny na zbytku 128 je kritická pro aktivitu RpoS a v důsledku toho je důležitá pro přežití bakterií při nízkých teplotách a oxidačních stresech (Iwase et al.). Kmeny STEC se také liší v odolnosti vůči kyselinám. Při kultivaci v minimálním médiu při pH 3,3 byl kmen STEC B201 vykazující flokulaci citlivější na kyseliny, zatímco kmen STEC B241 byl planktonický a odolný vůči kyselinám. Transkriptomické údaje a údaje o cílené expresi genů ukázaly, že exprese curli a kyselinou indukovaných chaperonových genů csg a hde pozitivně korelovala s fenotypovými rozdíly (Kay et al.). Bacillus cereus je stále častěji uváděn jako původce gastrointestinálních onemocnění u lidí. Jeßberger a kol. zkoumali produkci enterotoxinu, sekreci a cytotoxicitu u souboru 19 enteropatogenních a nepatogenních kmenů B. cereus různého původu pomocí buněčného kultivačního média předem inkubovaného s lidskou epiteliální linií tlustého střeva CaCo-2. V roce 2006 se v rámci studie zabývali i otázkou, zda je možné, aby se kmen B. cereus stal enterotoxinem. Autoři navrhli, že v současnosti používané metody v diagnostice B. cereus založené na standardním kultivačním médiu by měly být doplněny o kultivační postupy simulující podmínky střevního hostitele (Jeßberger et al.).
V zájmu lepší kontroly patogenů přenášených potravinami se objevily biologické i nebiologické inovace technologií. Současný pokrok v technologiích sekvenování DNA umožnil nejen jemnější charakterizaci bakteriálních genomů, ale také hlubší taxonomickou identifikaci komplexních mikrobiomů obývajících prostředí, jako je konkrétní tělesná ekonoma (např. lidský střevní obsah) a ekonoma potravinářského výrobního zařízení (např. podlahová kanalizace) (přehled Cao et al.). V minulých letech objev malých nekódujících RNA (sRNA) odhalil nový svět posttranskripčních regulačních sítí, které spolupracují s ribonukleázami (RNázami) při řízení genové exprese. S rozvojem nových technologií bylo identifikováno mnoho molekul sRNA a ukázalo se, že jsou důležitými hráči v bakteriální virulenci. Metabolismus RNA byl nedávno využit pro vývoj nových terapeutických aplikací (přehled v Matos et al.). Během zpracování a konzervace potravin lze mnoho potravinových patogenů přivést do životaschopného, ale nekultivovatelného stavu (VBNC) omezujícími podmínkami prostředí, jako jsou extrémní teploty, sušení, ozařování, pulzní elektrické pole a vysokotlaký stres, jakož i přidáním konzervačních a dezinfekčních látek. Po přechodu do stavu VBNC nelze patogeny přenášené potravinami detekovat pomocí běžných technik počítání na destičkách a představují velký problém pro bezpečnost potravin. Různé vlastnosti stavu VBNC obsáhle rozebral Zhao a kol. včetně biologických charakteristik, faktorů indukce a resuscitace, mechanismů vzniku a resuscitace, metod detekce a vztahu k bezpečnosti potravin.
Pro kontrolu bakteriálních patogenů byly zkoumány nové sloučeniny a strategie ošetření. Například Shi et al. analyzovali účinky thymochinonu, hlavní účinné látky v těkavém oleji ze semen Nigella sativa, na potlačení vlastností souvisejících s virulencí C. sakazakii ATCC 29544 a testy in vitro ukázaly, že subinhibiční koncentrace thymochinonu významně snížily motilitu, quorum sensing a produkci endotoxinu bakterie. Kromě toho thymochinon podstatně snížil adhezi a invazi C. sakazakii ATCC 29544 k buňkám lidské buněčné linie tlustého střeva HT-29 a snížil počet intracelulárních bakteriálních buněk v buňkách makrofágů RAW264.7. V. cholerae může způsobovat choleru, závažné průjmové onemocnění, které může být v případě neléčení rychle smrtelné a které se obvykle přenáší kontaminovanou vodou a kontaktem mezi lidmi (Baker-Austin et al., 2018). V rozvojových zemích jsou každoročně hlášeny epidemie cholery (Světová zdravotnická organizace, http://www.who.int/). Byl zkoumán vliv dietních minerálů zinku, selenu a manganu na atributy virulence V. cholerae (Bhattaram et al.) a testy in vitro ukázaly, že všechny tři minerály významně snižují pohyblivost V. cholerae, adhezi ke střevním epiteliálním buňkám (Caco-2) a produkci cholerového toxinu (ctxAB, fliA a toxR) in vitro a snižují adhezi a produkci toxinu ve střevě myší ex vivo. K potvrzení těchto výsledků je však nutné provést studie in vivo na zvířecím modelu.
Bakteriální patogeny přetrvávají v potravinářských zařízeních prostřednictvím růstu převážně ve formě biofilmů, nikoli v planktonním režimu (Bae et al., 2012). Biofilmy jsou komplexní mikrobiální společenstva usazená v ochranných extracelulárních polymerních látkách (EPS). Účinnost kyselé elektrolyzované vody (AEW) při odstraňování biofilmů byla hodnocena pro bakteriální patogeny přenášené potravinami, včetně E. coli, V. parahaemolyticus a L. monocytogenes. Infekce vyvolané bakterií V. parahaemolyticus (tj. vibrióza) se obvykle získávají působením mořské vody nebo konzumací syrových nebo nedostatečně tepelně upravených kontaminovaných mořských plodů (Baker-Austin et al., 2018), zatímco infekce vyvolané bakterií L. monocytogenes (patogen, který může růst při chladírenských teplotách) (tj. listerióza) jsou často spojovány s nepasterizovanými mléčnými výrobky a různými potravinami určenými k přímé spotřebě (Fung et al., 2018). Experimenty in vitro ukázaly, že AEW vyvolává narušení EPS deformací sacharidové vazby C-O-C a aromatických kruhů v aminokyselinách tyrosinu a fenylalaninu. Autoři naznačili, že AEW by mohl být ekologickou alternativou k dezinfekčním prostředkům tradičně používaným v potravinářském průmyslu. Kromě toho bylo také studováno rozdílné přežívání hyper-aerotolerantní C. jejuni za různých plynových podmínek a výsledné údaje naznačují, že balení v modifikované atmosféře s použitím CO2 může pomoci kontrolovat kontaminaci drůbeže hyper-aerotolerantní C. jejuni (Oh et al.).
Shrnutí: Toto téma výzkumu Frontiers zahrnuje 21 článků a 146 autorů z Rakouska, Kanady, Číny, Dánska, Německa, Irska, Japonska, Portugalska, Jižní Koreje, Spojeného království a Spojených států. Poskytuje přehled nejnovějších objevů v oblasti obnovy, patogeneze a kontrolních strategií závažných potravinových patogenních bakterií přenášených lidmi a podporuje naléhavou potřebu zlepšení bezpečnosti potravin a veřejného zdraví, zejména na pozadí globalizace. Informace uvedené v článcích nejen zdůrazňují budoucí oblasti výzkumu a potřeby vědců, ale jsou také přínosem pro vlády, výrobce potravin, dodavatele potravin a spotřebitele potravin, aby společně usilovali o eliminaci a kontrolu perzistence patogenů v potravinách a rezistentních infekcí u lidí.
Příspěvky autorů
LC vypracoval úvodník. WA se podílel na redakční revizi. Všichni autoři schválili finální verzi článku určenou k publikaci.
Prohlášení o střetu zájmů
Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.
Poděkování
LC a WA děkují všem autorům, kteří se podíleli na tomto výzkumném tématu. LC je podporován granty Šanghajské městské komise pro vědu a technologie (č. 17050502200) a Čínské národní nadace pro přírodní vědy (č. 31671946).