Frontiers in Microbiology

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Frontiers in Microbiology

Milliarden von Menschen in der Welt sind dem Risiko unsicherer Lebensmittel ausgesetzt. Viele Millionen werden krank und Hunderttausende sterben jährlich durch den Verzehr kontaminierter Lebensmittel (Fung et al., 2018). Ausbrüche und Prävalenz lebensmittelbedingter Krankheiten sind nicht nur eine große Belastung für die globalen Gesundheitssysteme, sondern haben auch enorme negative Auswirkungen auf das Wirtschaftswachstum und die soziale Stabilität. Zusammen mit der rasanten Entwicklung des webbasierten und mobilen elektronischen Handels stellt der rasante nationale und internationale Handel mit Lebensmitteln rund um den Globus neue Herausforderungen an die Lebensmittelsicherheitssysteme, insbesondere in Entwicklungsländern. Pathogene Bakterien kontaminieren Lebensmittel auf allen Stufen der gesamten Lebensmittelkette, vom Bauernhof bis zum Esstisch. Die bekanntesten bakteriellen Krankheitserreger, die weltweit mit lebensmittelbedingten Krankheiten in Verbindung gebracht werden, sind Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae und Vibrio parahaemolyticus. Dieses Forschungsthema berichtet über die jüngsten Entdeckungen zum Wiederauftreten, zur Pathogenese und zu den Bekämpfungsstrategien dieser lebensmittelbedingten Krankheitserreger.

Die kontinuierliche Überwachung von Lebensmittelkontaminanten und die Ermittlung von Risikofaktoren sind für die Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit von entscheidender Bedeutung. Viele der in diesem Forschungsthema enthaltenen Original-Forschungsartikel befassen sich mit Fragen der genetischen Vielfalt, Prävalenz, Resistenz und neuartigen Übertragungsvektoren von pathogenen Bakterien. So kann beispielsweise C. jejuni, eine der Hauptursachen für Gastroenteritis beim Menschen, in Lebensmitteltierreservoiren wie Hühnern, Schweinen und Rindern vorkommen. In einer Querschnittsstudie wurden die genetische Vielfalt und die Häufigkeit der Antibiotikaresistenz von C. jejuni aus 214 Rindern aus drei Herden in Michigan, USA, untersucht und bestimmt (Cha et al.). Cronobacter spp. können bei Neugeborenen und Säuglingen nekrotisierende Enterokolitis, Bakteriämie und Meningitis verursachen, mit einer Sterblichkeitsrate von 40-80 % (Holy und Forsythe, 2014). Säuglingsanfangsnahrung in Pulverform (PIF) ist die wichtigste Quelle für Cronobacter spp. und führt zu den Infektionen. Die antimikrobielle Resistenz und die Resistenz gegen Austrocknung von 70 Isolaten von Cronobacter sakazakii und Cronobacter malonaticus aus PIF und Verarbeitungsumgebungen in China wurden bestimmt (Fei et al.). Nicht-typhoide Salmonellen (NTS) können ein breites Spektrum von Wirten infizieren, darunter Menschen, Geflügel, Rinder und andere domestizierte und wilde Tiere weltweit. Es wird geschätzt, dass jährlich 93,8 Millionen Menschen an Salmonellose erkranken und fast 155.000 Menschen daran sterben (Majowicz et al., 2010). Das potenzielle Virulenzprofil, die genetische Verwandtschaft und die Wirtsanpassung von NTS-Isolaten von Vögeln und Säugetieren wurden anhand der bakteriellen Antigene FimA (Adhäsin) und IroN (Rezeptor) in einer großen Anzahl von NTS-Isolaten verschiedener Wirtsherkünfte untersucht (Alshalchi et al.). Die Autoren zeigten den möglichen Einfluss von nichtsynonymen Punktmutationen im FimA-Adhäsin der NTS-Isolate auf die Wirtsanpassung (Alshalchi et al.). Enteroaggregative Escherichia coli (EAEC) sind eine häufige Ursache für lebensmittelbedingte Krankheiten. EAEC-Stämme exprimieren ein heterogenes Spektrum an mutmaßlichen Virulenzfaktoren; daher bleibt die Erkennung spezifischer pathogener Faktoren eine Herausforderung. Jønsson et al. untersuchten eine Sammlung von 162 klinischen dänischen EAEC-Stämmen und identifizierten ein neuartiges pAA-Virulenzplasmid, das für Toxine kodiert, sowie zwei unterschiedliche Varianten der Fimbrien von EAEC. Enterococcus faecalis wird häufig in Mineral- und Quellwasser nachgewiesen und kann beim Menschen Harnwegsinfektionen, Endokarditis und neonatale Sepsis verursachen. Die Prävalenz, die potenziellen Virulenzgene, die antimikrobielle Resistenz und die genetische Vielfalt von E. faecalis-Isolaten aus 314 in China untersuchten Mineral- und Quellwasserproben wurden ebenfalls untersucht (Wei et al.). Insgesamt zeigten diese Studien eine hohe Prävalenz von antimikrobiellen oder austrocknungsresistenten pathogenen Bakterien in Verbindung mit verschiedenen Genotypen.

Die jahrzehntelange Forschung hat eine Reihe von Virulenzdeterminanten identifiziert, die von pathogenen Bakterien produziert und sezerniert werden (Martinović et al., 2016). Um Infektionen beim Menschen zu etablieren, müssen Pathogene die neu entdeckte Wirtsumgebung wahrnehmen und darauf reagieren, um die Expression kritischer Virulenzfaktoren zu regulieren, die eine Nischenanpassung und erfolgreiche Kolonisierung ermöglichen (Bäumler und Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). In diesem Forschungsthema wurden die kürzlich beschriebenen molekularen Mechanismen, die der Verdrängung der ansässigen Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt durch nicht-typhoide Serovare von S. enterica zugrunde liegen, von Anderson und Kendall ausführlich untersucht. Das Bakterium, wie z. B. Serovar Typhimurium (S. Tm), eliminiert enge Konkurrenten direkt durch bakteriellen Zell-zu-Zell-Kontakt sowie durch Stimulierung einer Immunreaktion des Wirts, um bestimmte Mitglieder der Mikrobiota zu eliminieren. Darüber hinaus reguliert S. Tm die Expression wichtiger Virulenzfaktoren, die es S. Tm ermöglichen, der Immunabwehr des Wirts in Makrophagen zu widerstehen. In diesem Zusammenhang wiesen die Autoren auch auf chemische und physikalische Signale hin, die S. Tm als Anhaltspunkte für die Anpassung an jede dieser Wirtsumgebungen wahrnimmt (Anderson und Kendall).

In einigen anderen Originalartikeln, die in diesem Forschungsthema enthalten sind, wurden ebenfalls neue Erkenntnisse zur bakteriellen Pathogenese berichtet. So wurden beispielsweise die detaillierten Funktionen eines mit der Zellulosebiosynthese verbundenen Gens (bcsR) von C. sakazakii mit Hilfe einer Gen-Knockout-Technik untersucht, und die Ergebnisse zeigten, dass bcsR ein negativer Regulator der Zellulosebiosynthese ist, aber die Biofilmbildung und die Adhäsions-/Invasionsfähigkeit von C. sakazakii positiv reguliert (Gao et al.). RpoS ist ein wichtiger Stress-induzierbarer Sigma-Faktor, der Stressresistenzgene in E. coli reguliert. In einem klinischen Shiga-Toxin-produzierenden E. coli-Isolat (STEC) wurde eine neue Missense-Punktmutation an RpoS-Rest 128 identifiziert. Die Hydrophobie der Aminosäure an Rest 128 ist entscheidend für die RpoS-Aktivität und somit wichtig für das bakterielle Überleben bei kalten Temperaturen und oxidativem Stress (Iwase et al.). STEC-Stämme unterscheiden sich auch in ihrer Säureresistenz. Beim Wachstum in Minimalmedium bei pH 3,3 war der STEC-Stamm B201, der eine Ausflockung zeigte, säureempfindlicher, während der STEC-Stamm B241 planktonisch und säureresistent war. Transkriptomische und gezielte Genexpressionsdaten zeigten, dass die Expression von curli und den säureinduzierten Chaperongenen csg und hde positiv mit den phänotypischen Unterschieden korrelierte (Kay et al.). Bacillus cereus wird zunehmend als Erreger von Magen-Darm-Erkrankungen beim Menschen beschrieben. Jeßberger et al. untersuchten die Enterotoxinproduktion, -sekretion und -zytotoxizität von 19 enteropathogenen und nicht-pathogenen B. cereus-Stämmen unterschiedlicher Herkunft unter Verwendung von Zellkulturmedium, das mit der menschlichen Kolonepithelzelllinie CaCo-2 vorinkubiert wurde. Die Autoren schlugen vor, dass die derzeit in der B. cereus-Diagnostik verwendeten Methoden, die auf Standardkulturmedium basieren, durch Kultivierungsverfahren ergänzt werden sollten, die die Bedingungen des Darmwirts simulieren (Jeßberger et al.).

Biologische und nicht-biologische Innovationen im Bereich der Technologien haben zu einer besseren Kontrolle der durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserreger geführt. Die gegenwärtigen Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie haben nicht nur eine feinere Charakterisierung bakterieller Genome ermöglicht, sondern auch eine tiefere taxonomische Identifizierung komplexer Mikrobiome, die eine Umgebung bewohnen, wie z. B. eine bestimmte Körperökonomie (z. B. menschlicher Darminhalt) und eine Lebensmittelherstellungsanlage (z. B. Bodenabläufe) (Übersicht bei Cao et al.). In den letzten Jahren hat die Entdeckung der kleinen nichtkodierenden RNAs (sRNAs) eine neue Welt der posttranskriptionellen regulatorischen Netzwerke eröffnet, die mit Ribonukleasen (RNasen) bei der Kontrolle der Genexpression zusammenarbeiten. Mit der Entwicklung neuer Technologien wurden viele sRNA-Moleküle identifiziert und als wichtige Akteure bei der bakteriellen Virulenz nachgewiesen. Der RNA-Stoffwechsel wird seit kurzem für die Entwicklung neuer therapeutischer Anwendungen genutzt (Übersicht bei Matos et al.). Während der Lebensmittelverarbeitung und -konservierung können viele lebensmittelbedingte Krankheitserreger durch einschränkende Umweltbedingungen wie extreme Temperaturen, Trocknung, Bestrahlung, gepulste elektrische Felder und Hochdruckbelastungen sowie durch den Zusatz von Konservierungs- und Desinfektionsmitteln in einen lebensfähigen, aber nicht kultivierbaren Zustand (VBNC) versetzt werden. Nach dem Eintritt in den VBNC-Zustand können lebensmittelbedingte Krankheitserreger mit herkömmlichen Plattenzählverfahren nicht mehr nachgewiesen werden und stellen eine große Herausforderung für die Lebensmittelsicherheit dar. Die verschiedenen Merkmale des VBNC-Zustands wurden von Zhao et al. ausführlich untersucht, darunter biologische Merkmale, Induktions- und Wiederbelebungsfaktoren, Entstehungs- und Wiederbelebungsmechanismen, Nachweismethoden und der Zusammenhang mit der Lebensmittelsicherheit.

Neue Verbindungen und Behandlungsstrategien wurden für die Bekämpfung bakterieller Krankheitserreger erforscht. So untersuchten Shi et al. die Auswirkungen von Thymochinon, einem Hauptwirkstoff im ätherischen Öl von Nigella sativa-Samen, auf die Unterdrückung virulenzbezogener Merkmale von C. sakazakii ATCC 29544, und In-vitro-Tests zeigten, dass subinhibitorische Konzentrationen von Thymochinon die Motilität, das Quorum Sensing und die Endotoxinproduktion des Bakteriums deutlich verringerten. Darüber hinaus verringerte Thymochinon die Adhäsion und Invasion von C. sakazakii ATCC 29544 an die menschliche Kolonzelllinie HT-29 und die Anzahl der intrazellulären Bakterienzellen in den RAW264.7-Makrophagenzellen erheblich. V. cholerae kann Cholera verursachen, eine schwere Durchfallerkrankung, die unbehandelt schnell tödlich verlaufen kann und in der Regel über kontaminiertes Wasser und den Kontakt von Mensch zu Mensch übertragen wird (Baker-Austin et al., 2018). Ausbrüche von Cholera werden jedes Jahr in Entwicklungsländern gemeldet (Weltgesundheitsorganisation, http://www.who.int/). Die Auswirkungen der Nahrungsmineralien Zink, Selen und Mangan auf die Virulenzmerkmale von V. cholerae wurden untersucht (Bhattaram et al.), und In-vitro-Tests zeigten, dass alle drei Mineralien die Motilität von V. cholerae, die Adhäsion an intestinale Epithelzellen (Caco-2) und die Choleratoxinproduktion (ctxAB, fliA und toxR) in vitro signifikant verringerten und die Adhäsion und Toxinproduktion im Mausdarm ex vivo verringerten. Zur Validierung dieser Ergebnisse sind jedoch In-vivo-Studien in einem Tiermodell erforderlich.

Bakterielle Krankheitserreger persistieren in lebensmittelverarbeitenden Anlagen, indem sie überwiegend als Biofilme und nicht im planktonischen Modus wachsen (Bae et al., 2012). Biofilme sind komplexe mikrobielle Gemeinschaften, die in schützende extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) eingebettet sind. Die Wirksamkeit von saurem Elektrolysewasser (AEW) zur Entfernung von Biofilmen wurde für bakterielle Krankheitserreger aus Lebensmitteln wie E. coli, V. parahaemolyticus und L. monocytogenes untersucht. V. parahaemolyticus-Infektionen (d. h. Vibriose) werden in der Regel durch den Kontakt mit Meerwasser oder durch den Verzehr von rohen oder ungenügend gekochten kontaminierten Meeresfrüchten erworben (Baker-Austin et al., 2018), während L. monocytogenes (ein Erreger, der bei Kühltemperaturen wachsen kann) Infektionen (d. h. Listeriose) häufig mit nicht pasteurisierten Milchprodukten und verschiedenen verzehrfertigen Lebensmitteln in Verbindung gebracht werden (Fung et al., 2018). In-vitro-Experimente zeigten, dass AEW durch die Deformation der C-O-C-Bindung von Kohlenhydraten und der aromatischen Ringe in den Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin eine Störung der EPS auslöst. Die Autoren schlugen vor, dass AEW eine umweltfreundliche Alternative zu Desinfektionsmitteln sein könnte, die traditionell in der Lebensmittelindustrie verwendet werden. Darüber hinaus wurde das unterschiedliche Überleben von hyperaerotoleranten C. jejuni unter verschiedenen Gasbedingungen untersucht, und die daraus resultierenden Daten deuten darauf hin, dass die Verpackung unter modifizierter Atmosphäre mit CO2 dazu beitragen kann, die Kontamination von Geflügel mit hyperaerotoleranten C. jejuni zu kontrollieren (Oh et al.).

Zusammenfassend umfasst dieses Frontiers Research Topic 21 Artikel und 146 Autoren aus Österreich, Kanada, China, Dänemark, Deutschland, Irland, Japan, Portugal, Südkorea, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten. Es bietet einen Überblick über die jüngsten Entdeckungen im Bereich des Wiederauftretens, der Pathogenese und der Bekämpfungsstrategien von ernsten lebensmittelbedingten pathogenen Bakterien und unterstreicht die dringende Notwendigkeit, die Lebensmittelsicherheit und die öffentliche Gesundheit zu verbessern, insbesondere vor dem Hintergrund der Globalisierung. Die in den Artikeln vorgestellten Informationen unterstreichen nicht nur künftige Forschungsbereiche und den Bedarf der Wissenschaftler, sondern sind auch für Regierungen, Lebensmittelhersteller, Lebensmittellieferanten und -verbraucher von Nutzen, um gemeinsam auf die Beseitigung und Kontrolle der Persistenz von Krankheitserregern in Lebensmitteln und resistenten Infektionen beim Menschen hinzuarbeiten.

Beiträge der Autoren

LC hat den Leitartikel verfasst. WA trug zur redaktionellen Überarbeitung bei. Alle Autoren haben die endgültige Fassung zur Veröffentlichung freigegeben.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Dankesworte

LC und WA danken allen Autoren, die zu diesem Forschungsthema beigetragen haben. LC wird durch Zuschüsse der Shanghai Municipal Science and Technology Commission (Nr. 17050502200) und der National Nature Science Foundation of China (Nr. 31671946) unterstützt.