Fronteras de la Microbiología
Editorial sobre el tema de investigación
Descubrimientos recientes en bacterias patógenas de transmisión alimentaria grave en humanos: Resurgimiento, patogénesis y estrategias de control
Millones de personas en el mundo corren el riesgo de padecer alimentos inseguros. Muchos millones enferman mientras que cientos de miles mueren anualmente debido al consumo de alimentos contaminados (Fung et al., 2018). Los brotes y la prevalencia de las enfermedades transmitidas por los alimentos no solo son una gran carga para los sistemas sanitarios mundiales, sino que también tienen un enorme impacto negativo en el crecimiento económico y la estabilidad social. Junto con el rápido desarrollo del comercio electrónico basado en la web y preparado para el móvil, el acelerado comercio nacional e internacional de productos alimenticios en todo el mundo presenta nuevos desafíos para los sistemas de seguridad alimentaria, especialmente en las naciones en desarrollo. Las bacterias patógenas contaminan los alimentos en cualquier etapa de la cadena alimentaria, desde la granja hasta la mesa. Los patógenos bacterianos más conocidos y asociados a las enfermedades de origen alimentario en todo el mundo son Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae y Vibrio parahaemolyticus. En este tema de investigación se han presentado los últimos descubrimientos sobre la reaparición, la patogénesis y las estrategias de control de estos patógenos transmitidos por los alimentos.
El seguimiento continuo de los contaminantes de los alimentos y la identificación de los factores de riesgo son cruciales para garantizar la seguridad alimentaria. Muchos artículos de investigación originales incluidos en este Tema de Investigación abordaron cuestiones relacionadas con la diversidad genética, la prevalencia, la resistencia y los nuevos vectores de transmisión de las bacterias patógenas. Por ejemplo, C. jejuni, una de las principales causas de gastroenteritis en los seres humanos, puede residir en reservorios de animales destinados a la alimentación, como los pollos, los cerdos y el ganado vacuno. En un estudio transversal se examinó y determinó la diversidad genética y la frecuencia de la resistencia a los antimicrobianos de C. jejuni recuperada en 214 bovinos de tres rebaños de Michigan (Estados Unidos) (Cha et al.). Cronobacter spp. puede causar enterocolitis necrotizante, bacteriemia y meningitis en neonatos y lactantes, con una tasa de mortalidad del 40-80% (Holy y Forsythe, 2014). Los preparados en polvo para lactantes (PIF) son la fuente más importante de Cronobacter spp. que provocan las infecciones. Se determinó la resistencia a los antimicrobianos y a la desecación de 70 aislados de Cronobacter sakazakii y Cronobacter malonaticus procedentes de FPI y entornos de procesamiento en China (Fei et al.). La Salmonella no tifoidea (SNT) puede infectar a una amplia gama de huéspedes, incluidos los seres humanos, las aves de corral, el ganado y otros animales domésticos y salvajes en todo el mundo. Se estima que 93,8 millones de personas experimentan salmonelosis anualmente, con casi 155.000 muertes (Majowicz et al., 2010). Se investigó el perfil de virulencia potencial, el parentesco genético y la adaptación al huésped de los aislados de STN de aves y mamíferos en función de los antígenos bacterianos FimA (adhesina) e IroN (receptor) en un gran número de aislados de STN de diferentes orígenes de huéspedes (Alshalchi et al.). Los autores revelaron la posible influencia de mutaciones puntuales no sinónimas dentro de la adhesina FimA de los aislados de NTS en la adaptación al hospedador (Alshalchi et al.). La Escherichia coli enteroagregante (EAEC) es una causa común de enfermedades transmitidas por los alimentos. Las cepas de EAEC expresan un conjunto heterogéneo de factores de virulencia putativos; por lo tanto, el reconocimiento de factores patógenos específicos sigue siendo un reto. Jønsson et al. controlaron una colección de 162 cepas clínicas danesas de EAEC e identificaron un nuevo plásmido de virulencia pAA que codifica toxinas y dos variantes distintas de las fimbrias de EAEC. Enterococcus faecalis se detecta con frecuencia en el agua mineral y de manantial y puede causar infecciones del tracto urinario humano, endocarditis y sepsis neonatal. También se investigó la prevalencia, los posibles genes de virulencia, la resistencia a los antimicrobianos y la diversidad genética de los aislados de E. faecalis procedentes de 314 muestras de agua mineral y de manantial estudiadas en China (Wei et al.). En conjunto, estos estudios pusieron de manifiesto una alta prevalencia de bacterias patógenas resistentes a los antimicrobianos o a la desecación, asociadas a diversos genotipos.
Décadas de investigación han identificado una serie de determinantes de virulencia producidos y secretados por bacterias patógenas (Martinović et al., 2016). Para establecer infecciones en los seres humanos, los patógenos deben percibir y responder a los nuevos entornos del huésped para regular la expresión de factores de virulencia críticos que permiten la adaptación al nicho y la colonización exitosa (Bäumler y Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). En este Tema de Investigación, los mecanismos moleculares recientemente descritos que subyacen a la superación de la microbiota residente dentro del tracto gastrointestinal por parte de serovares no tifoideos de S. enterica fueron ampliamente revisados por Anderson y Kendall. La bacteria, como el serovar Typhimurium (S. Tm), elimina directamente a los competidores cercanos mediante el contacto bacteriano célula a célula, así como estimulando una respuesta inmunitaria del huésped para eliminar a miembros específicos de la microbiota. Además, S. Tm regula estrechamente la expresión de factores de virulencia clave que le permiten resistir las defensas inmunitarias del huésped dentro de los macrófagos. En este contexto, los autores también destacaron las señales químicas y físicas que S. Tm percibe como señales para adaptarse a cada uno de estos entornos del huésped (Anderson y Kendall).
Algunos otros artículos originales incluidos en este Tema de Investigación también informaron de nuevos hallazgos en la patogénesis bacteriana. Por ejemplo, se investigaron las funciones detalladas de un gen relacionado con la biosíntesis de la celulosa (bcsR) de C. sakazakii utilizando una técnica de eliminación de genes, y los resultados demostraron que el bcsR es un regulador negativo de la biosíntesis de la celulosa pero regula positivamente la formación de biopelículas y la capacidad de adhesión/invasión de C. sakazakii (Gao et al.). RpoS es un factor sigma clave inducible por estrés que regula los genes de resistencia al estrés en E. coli. Se identificó una nueva mutación puntual sin sentido en el residuo 128 de RpoS en un aislado clínico de E. coli productor de toxina Shiga (STEC). La hidrofobicidad del aminoácido en el residuo 128 es crítica para la actividad de RpoS y, por consiguiente, es importante para la supervivencia bacteriana a temperaturas frías y al estrés oxidativo (Iwase et al.). Las cepas de STEC también difieren en la resistencia al ácido. Cuando se cultivan en un medio mínimo a pH 3,3, la cepa STEC B201, que presenta floculación, es más sensible al ácido, mientras que la cepa STEC B241 es planctónica y resistente al ácido. Los datos transcriptómicos y de expresión génica dirigida mostraron que la expresión de curli y de los genes chaperones inducidos por el ácido csg y hde se correlacionaban positivamente con las diferencias fenotípicas (Kay et al.). Cada vez se informa más de que Bacillus cereus es un agente causante de enfermedades gastrointestinales humanas. Jeßberger et al. investigaron la producción, secreción y citotoxicidad de enterotoxinas en un conjunto de 19 cepas de B. cereus enteropatógenas y no patógenas de diversos orígenes, utilizando un medio de cultivo celular preincubado con la línea celular epitelial de colon humano CaCo-2. Los autores sugirieron que los métodos utilizados actualmente en el diagnóstico de B. cereus basados en un medio de cultivo estándar deberían complementarse con procedimientos de cultivo que simulen las condiciones del huésped intestinal (Jeßberger et al.).
La innovación biológica y no biológica en las tecnologías ha surgido para un mejor control de los patógenos transmitidos por los alimentos. Los avances contemporáneos en las tecnologías de secuenciación del ADN no sólo han permitido una caracterización más fina de los genomas bacterianos, sino que también han proporcionado una identificación taxonómica más profunda de los microbiomas complejos que habitan en un entorno, como un econicho corporal concreto (por ejemplo, el contenido intestinal humano) y un econicho de una instalación de fabricación de alimentos (por ejemplo, el desagüe del suelo) (revisado por Cao et al.). En los últimos años, el descubrimiento de pequeños ARN no codificantes (ARNs) desveló un nuevo mundo de redes reguladoras post-transcripcionales, que cooperan con las ribonucleasas (RNasas) en el control de la expresión génica. Con el desarrollo de nuevas tecnologías, se identificaron muchas moléculas de ARNs y se demostró que son actores importantes en la virulencia bacteriana. El metabolismo del ARN ha sido explotado recientemente para el desarrollo de nuevas aplicaciones terapéuticas (revisado por Matos et al.). Durante el procesamiento y la conservación de los alimentos, muchos patógenos transmitidos por los alimentos pueden ser inducidos a entrar en un estado viable pero no cultivable (VBNC) mediante la limitación de las condiciones ambientales, como las temperaturas extremas, el secado, la irradiación, el campo eléctrico pulsado y las tensiones de alta presión, así como la adición de conservantes y desinfectantes. Una vez que entran en el estado VBNC, los patógenos transmitidos por los alimentos no pueden detectarse mediante las técnicas convencionales de recuento en placa e introducen grandes retos para la seguridad alimentaria. Zhao et al. revisaron extensamente varias características del estado VBNC, incluyendo las características biológicas, los factores de inducción y reanimación, los mecanismos de formación y reanimación, los métodos de detección y la relación con la seguridad alimentaria.
Se han explorado nuevos compuestos y estrategias de tratamiento para el control de patógenos bacterianos. Por ejemplo, Shi et al. analizaron los efectos de la timoquinona, un ingrediente activo principal del aceite volátil de las semillas de Nigella sativa, en la supresión de los rasgos relacionados con la virulencia de C. sakazakii ATCC 29544, y las pruebas in vitro mostraron que las concentraciones subinhibitorias de timoquinona disminuían significativamente la motilidad, la detección de quórum y la producción de endotoxinas de la bacteria. Además, la timoquinona redujo sustancialmente la adhesión e invasión de C. sakazakii ATCC 29544 a las células de la línea celular colónica humana HT-29 y disminuyó el número de células bacterianas intracelulares dentro de las células de macrófagos RAW264.7. V. cholerae puede causar el cólera, una enfermedad diarreica grave que puede ser rápidamente mortal si no se trata y que suele transmitirse a través del agua contaminada y el contacto de persona a persona (Baker-Austin et al., 2018). Cada año se registran brotes de cólera en las naciones en desarrollo (Organización Mundial de la Salud, http://www.who.int/). Se estudiaron los efectos de los minerales dietéticos zinc, selenio y manganeso en los atributos de virulencia de V. cholerae (Bhattaram et al.), y las pruebas in vitro indicaron que los tres minerales redujeron significativamente la motilidad de V. cholerae, la adhesión a las células epiteliales intestinales (Caco-2) y la producción de toxinas del cólera (ctxAB, fliA y toxR) in vitro, y disminuyeron la adhesión y la producción de toxinas en el intestino del ratón ex vivo. Sin embargo, son necesarios estudios in vivo en un modelo animal para validar estos resultados.
Los patógenos bacterianos persisten en las instalaciones de procesamiento de alimentos al crecer predominantemente como biofilms en lugar de en modo planctónico (Bae et al., 2012). Las biopelículas son comunidades microbianas complejas incrustadas en las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) protectoras. Se evaluó la eficacia del agua electrolizada ácida (AEW) para eliminar las biopelículas de los patógenos bacterianos transmitidos por los alimentos, como E. coli, V. parahaemolyticus y L. monocytogenes. Las infecciones por V. parahaemolyticus (es decir, vibriosis) se adquieren normalmente a través de la exposición al agua de mar o mediante el consumo de marisco contaminado crudo o poco cocinado (Baker-Austin et al., 2018), mientras que las infecciones por L. monocytogenes (un patógeno que puede crecer a temperaturas de refrigeración) (es decir, listeriosis) se asocian con frecuencia a productos lácteos no pasteurizados y a diversos alimentos listos para el consumo (Fung et al., 2018). Los experimentos in vitro mostraron que el AEW desencadenaba la alteración del EPS mediante la deformación del enlace C-O-C de los carbohidratos y los anillos aromáticos de los aminoácidos tirosina y fenilalanina. Los autores sugirieron que el AEW podría ser una alternativa ecológica a los desinfectantes utilizados tradicionalmente en la industria alimentaria. Además, también se estudió la supervivencia diferencial del C. jejuni hiper-aerotolerante bajo diferentes condiciones de gas, y los datos resultantes sugirieron que el envasado en atmósfera modificada utilizando CO2 puede ayudar a controlar la contaminación de las aves de corral con C. jejuni hiper-aerotolerante (Oh et al.).
En resumen, este tema de investigación de Fronteras incluye 21 artículos y 146 autores de Austria, Canadá, China, Dinamarca, Alemania, Irlanda, Japón, Portugal, Corea del Sur, Reino Unido y Estados Unidos. Ofrece una visión general de los recientes descubrimientos sobre la reaparición, la patogénesis y las estrategias de control de las bacterias patógenas graves transmitidas por los alimentos en el ser humano, y apoya la necesidad urgente de mejorar la seguridad alimentaria y la salud pública, especialmente en el contexto de la globalización. La información presentada en los artículos no sólo subraya las futuras áreas de investigación y las necesidades de los científicos, sino que también beneficia a los gobiernos, los productores de alimentos, los proveedores de alimentos y los consumidores de alimentos para trabajar juntos hacia la eliminación y el control de la persistencia de patógenos en los alimentos y las infecciones resistentes en los seres humanos.
Contribuciones de los autores
LC redactó el editorial. WA contribuyó a la revisión editorial. Todos los autores aprobaron el artículo final para su publicación.
Declaración de conflicto de intereses
Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.
Agradecimientos
LC y WA agradecen a todos los autores que contribuyeron a este Tema de Investigación. LC cuenta con el apoyo de subvenciones de la Comisión Municipal de Ciencia y Tecnología de Shanghái (nº 17050502200) y de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (nº 31671946).