Frontiers in Microbiology
Editorial on the Research Topic
Recent Discoveries in Human Serious Foodborne Pathogenic Bacteria: Resurgence, Pathogenesis, and Control Strategies
Miljardit ihmiset maailmassa ovat vaarassa vaarallisten elintarvikkeiden vuoksi. Monet miljoonat sairastuvat, kun taas sadattuhannet kuolevat vuosittain saastuneen ruoan nauttimisen vuoksi (Fung et al., 2018). Elintarvikevälitteisten tautien puhkeamiset ja esiintyvyys eivät ole ainoastaan suuri taakka maailmanlaajuisille terveydenhuoltojärjestelmille, vaan ne aiheuttavat myös valtavia kielteisiä vaikutuksia talouskasvuun ja yhteiskunnalliseen vakauteen. Verkkopohjaisen ja mobiilikäyttöön soveltuvan sähköisen kaupankäynnin nopean kehityksen ohella nopeatempoinen kansallinen ja kansainvälinen elintarvikekauppa eri puolilla maailmaa asettaa uusia haasteita elintarviketurvallisuusjärjestelmille erityisesti kehitysmaissa. Patogeeniset bakteerit saastuttavat elintarvikkeita koko elintarvikeketjun kaikissa vaiheissa maatilalta ruokapöytään. Yleisimmät tunnetut bakteeripatogeenit, jotka liittyvät elintarvikevälitteisiin sairauksiin maailmanlaajuisesti, ovat Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae ja Vibrio parahaemolyticus. Tässä tutkimusaiheessa raportoitiin viimeaikaisista havainnoista, jotka koskevat näiden elintarvikevälitteisten patogeenien uusiutumista, patogeneesiä ja torjuntastrategioita.
Elintarvikkeiden vierasaineiden jatkuva seuranta ja riskitekijöiden tunnistaminen ovat ratkaisevan tärkeitä elintarviketurvallisuuden takaamiseksi. Monissa tähän tutkimusaiheeseen sisältyvissä alkuperäisissä tutkimusartikkeleissa käsiteltiin kysymyksiä, jotka liittyvät patogeenisten bakteerien geneettiseen monimuotoisuuteen, esiintyvyyteen, resistenssiin ja uusiin siirtovektoreihin. Esimerkiksi C. jejuni, joka on johtava gastroenteriitin aiheuttaja ihmisillä, voi esiintyä elintarviketuotantoon tarkoitetuissa eläimissä, kuten kanoissa, sioissa ja naudoissa. Yhdysvalloissa kolmen Michiganin karjan 214 naudasta kerätyn C. jejuni -bakteerin geneettistä monimuotoisuutta ja mikrobilääkeresistenssin yleisyyttä tutkittiin ja määritettiin poikkileikkaustutkimuksessa (Cha ym.). Cronobacter spp. voi aiheuttaa nekrotisoivaa enterokoliittia, bakteremiaa ja aivokalvontulehdusta vastasyntyneille ja pikkulapsille, ja kuolleisuus on 40-80 prosenttia (Holy ja Forsythe, 2014). Jauhemainen äidinmaidonkorvike (PIF) on merkittävin infektioita aiheuttavan Cronobacter spp:n lähde. Kiinassa määritettiin PIF:stä ja prosessointiympäristöistä peräisin olevien 70 Cronobacter sakazakii- ja Cronobacter malonaticus -isolaatin mikrobilääkeresistenssi ja kuivumiskestävyys (Fei ym.). Ei-typhoidinen salmonella (NTS) voi tartuttaa monenlaisia isäntiä, kuten ihmisiä, siipikarjaa, nautoja ja muita kotieläimiä ja luonnonvaraisia eläimiä kaikkialla maailmassa. Arvioiden mukaan vuosittain 93,8 miljoonaa ihmistä sairastuu salmonelloosiin ja lähes 155 000 kuolee (Majowicz et al., 2010). Lintu- ja nisäkäsperäisten NTS-isolaattien potentiaalista virulenssiprofiilia, geneettistä sukulaisuutta ja isäntään sopeutumista bakteeriantigeenien FimA (adheesi) ja IroN (reseptori) perusteella tutkittiin suuressa määrässä NTS-isolaatteja, jotka olivat peräisin eri isännistä (Alshalchi ym.). Kirjoittajat paljastivat NTS-isolaattien FimA-adhesiineissa olevien ei-synonyymisten pistemutaatioiden mahdollisen vaikutuksen isäntään sopeutumiseen (Alshalchi ym.). Enteroaggregatiivinen Escherichia coli (EAEC) on yleinen elintarvikevälitteisten sairauksien aiheuttaja. EAEC-kannat ilmentävät heterogeenista joukkoa oletettuja virulenssitekijöitä, joten erityisten patogeenisten tekijöiden tunnistaminen on edelleen haastavaa. Jønsson et al. seurasivat 162:sta kliinisestä tanskalaisesta EAEC-kannasta koostuvaa kokoelmaa ja tunnistivat uuden pAA-virulenssiplasmidin, joka koodaa toksiineja, sekä kaksi erilaista EAEC:n fimbriae-varianttia. Enterococcus faecalis -bakteeria havaitaan usein kivennäis- ja lähdevesissä, ja se voi aiheuttaa ihmisille virtsatieinfektioita, endokardiittia ja vastasyntyneiden sepsistä. E. faecalis -isolaattien esiintyvyyttä, mahdollisia virulenssigeenejä, mikrobilääkeresistenssiä ja geneettistä monimuotoisuutta tutkittiin myös Kiinassa tutkituista 314 kivennäis- ja lähdevesinäytteestä (Wei ym.). Yhdessä nämä tutkimukset toivat esiin mikrobilääkkeille tai kuivumiselle vastustuskykyisten patogeenisten bakteerien suuren esiintyvyyden, joka liittyi erilaisiin genotyyppeihin.
Vuosikymmeniä kestäneissä tutkimuksissa on tunnistettu useita patogeenisten bakteerien tuottamia ja erittämiä virulenssideterminantteja (Martinović ym., 2016). Voidakseen luoda infektioita ihmisiin patogeenien on aistittava vastikään kohdatut isäntäympäristöt ja reagoitava niihin, jotta ne voivat säädellä kriittisten virulenssitekijöiden ilmentymistä, jotka mahdollistavat niche-sopeutumisen ja menestyksekkään kolonisaation (Bäumler ja Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). Tässä tutkimusaiheessa Anderson ja Kendall tarkastelivat laajasti äskettäin kuvattuja molekyylimekanismeja, jotka ovat taustalla sille, että S. enterican ei-typhoidiset serovarit syrjäyttävät ruoansulatuskanavassa asuvan mikrobiston. Bakteeri, kuten serovar Typhimurium (S. Tm), eliminoi suoraan läheiset kilpailijat bakteerien solujen välisen kontaktin kautta sekä stimuloimalla isännän immuunivastetta, joka eliminoi tiettyjä mikrobiston jäseniä. Lisäksi S. Tm säätelee tiukasti sellaisten keskeisten virulenssitekijöiden ilmentymistä, joiden ansiosta S. Tm pystyy vastustamaan isännän immuunipuolustusta makrofageissa. Tässä yhteydessä kirjoittajat korostivat myös kemiallisia ja fysikaalisia signaaleja, joita S. Tm aistii vihjeinä sopeutuakseen kuhunkin näistä isäntäympäristöistä (Anderson ja Kendall).
Joissakin muissa tähän tutkimusaiheeseen sisältyvissä alkuperäisartikkeleissa raportoitiin myös uusia havaintoja bakteerien patogeneesistä. Esimerkiksi C. sakazakii -bakteerin selluloosan biosynteesiin liittyvän geenin (bcsR) yksityiskohtaisia toimintoja tutkittiin geenin tyrmäystekniikalla, ja tulokset osoittivat, että bcsR on selluloosan biosynteesin negatiivinen säätelijä, mutta se säätelee positiivisesti biofilmin muodostumista ja C. sakazakii -bakteerin adheesio-/invasiivisuuskykyä (Gao ym.). RpoS on keskeinen stressi-indusoituva sigmatekijä, joka säätelee E. colin stressiresistenssigeenejä. Kliinisessä Shiga-toksiinia tuottavassa E. coli -isolaatissa (STEC) tunnistettiin uusi missense-pistemutaatio RpoS:n jäännöksessä 128. Jäännös 128:n aminohapon hydrofobisuus on kriittinen RpoS:n aktiivisuuden kannalta, ja se on näin ollen tärkeä bakteerien selviytymiselle kylmässä lämpötilassa ja hapetusstressissä (Iwase ym.). STEC-kannat eroavat toisistaan myös haponkestävyyden suhteen. Kun STEC-kantaa B201 kasvatettiin minimaalisessa väliaineessa pH:ssa 3,3, se oli flokkulaatiota osoittava ja happoherkempi, kun taas STEC-kanta B241 oli planktoninen ja haponkestävä. Transkriptomiset ja kohdennetut geeniekspressiotiedot osoittivat, että curli- ja hapon indusoimien chaperonigeenien csg ja hde ilmentyminen korreloi positiivisesti fenotyyppisten erojen kanssa (Kay ym.). Bacillus cereus -bakteerin ilmoitetaan yhä useammin olevan ihmisen ruoansulatuskanavan sairauksien aiheuttaja. Jeßberger ym. tutkivat enterotoksiinin tuotantoa, eritystä ja sytotoksisuutta 19 enteropatogeenisen ja ei-patogeenisen B. cereus -kannan eri alkuperää käyttäen soluviljelyalustaa, joka oli esi-inkuboitu ihmisen paksusuolen epiteelisolulinjan CaCo-2 kanssa. Kirjoittajat ehdottivat, että B. cereus -diagnostiikassa nykyisin käytettyjä menetelmiä, jotka perustuvat standardiviljelyalustaan, olisi täydennettävä viljelymenetelmillä, jotka simuloivat suoliston isäntäolosuhteita (Jeßberger ym.).
Biologisia ja ei-biologisia teknologiainnovaatioita on kehitetty elintarvikkeiden välityksellä tarttuvien patogeenien paremman valvonnan varmistamiseksi. Nykyaikaiset edistysaskeleet DNA-sekvensointitekniikoissa eivät ole ainoastaan mahdollistaneet bakteerien genomien hienompaa karakterisointia, vaan ne ovat myös mahdollistaneet syvemmän taksonomisen tunnistamisen monimutkaisista mikrobiomeista, jotka asuttavat ympäristöä, kuten tiettyä elimistön ekonomiikkaa (esim. ihmisen suolen sisältö) ja elintarviketuotantolaitoksen ekonomiikkaa (esim. lattian viemäröinti) (katsaus Cao ym.). Viime vuosina pienten ei-koodaavien RNA:iden (sRNA:iden) löytäminen paljasti uuden maailman transkription jälkeisiä säätelyverkostoja, jotka tekevät yhteistyötä ribonukleaasien (RNaasien) kanssa geeniekspression valvonnassa. Uusien teknologioiden kehittymisen myötä monet sRNA-molekyylit tunnistettiin ja osoitettiin tärkeiksi bakteerien virulenssia lisääviksi tekijöiksi. RNA-aineenvaihduntaa on viime aikoina hyödynnetty uusien terapeuttisten sovellusten kehittämisessä (katsaus Matos et al.). Elintarvikkeiden käsittelyn ja säilönnän aikana monet elintarvikepatogeenit voidaan saada elinkelpoiseen, mutta ei-kulttuuroituvaan (VBNC) tilaan rajoittamalla ympäristöolosuhteita, kuten äärimmäisiä lämpötiloja, kuivausta, säteilytystä, pulssitettua sähkökenttää ja korkeaa painetta, sekä lisäämällä säilöntä- ja desinfiointiaineita. VBNC-tilaan siirtymisen jälkeen elintarvikepatogeeneja ei voida havaita tavanomaisilla lautaslaskentamenetelmillä, ja ne aiheuttavat suuria haasteita elintarviketurvallisuudelle. Zhao et al. tarkastelivat laajasti VBNC-tilan eri piirteitä, mukaan lukien biologiset ominaisuudet, induktio- ja elvytystekijät, muodostumis- ja elvytysmekanismit, havaitsemismenetelmät ja suhde elintarviketurvallisuuteen.
Uusia yhdisteitä ja hoitostrategioita on tutkittu bakteeripatogeenien torjumiseksi. Esimerkiksi Shi et al. analysoivat Nigella sativan siementen haihtuvan öljyn pääasiallisena vaikuttavana aineena olevan tymokinonin vaikutuksia C. sakazakii ATCC 29544 -bakteerin virulenssiin liittyvien ominaisuuksien tukahduttamiseen, ja in vitro -kokeet osoittivat, että tymokinonin sub-inhibitoriset pitoisuudet vähensivät merkittävästi bakteerin motiliteettia, kvorum-tunnistusta ja endotoksiinin tuotantoa. Lisäksi tymokinoni vähensi merkittävästi C. sakazakii ATCC 29544:n tarttumista ja invaasiota ihmisen paksusuolen solulinjan HT-29-soluihin ja vähensi solunsisäisten bakteerisolujen määrää RAW264.7-makrofagosoluissa. V. cholerae voi aiheuttaa koleraa, vakavaa ripulitautia, joka voi hoitamattomana johtaa nopeasti kuolemaan, ja se tarttuu tyypillisesti saastuneen veden ja ihmisten välisten kontaktien kautta (Baker-Austin ym., 2018). Koleraepidemioita raportoidaan vuosittain kehitysmaissa (World Health Organization, http://www.who.int/). Ravinnon kivennäisaineiden sinkin, seleenin ja mangaanin vaikutuksia V. cholerae -bakteerin virulenssiominaisuuksiin tutkittiin (Bhattaram ym.), ja in vitro -kokeet osoittivat, että kaikki kolme kivennäisainetta vähensivät merkittävästi V. cholerae -bakteerin motiliteettia, adheesiota suoliston epiteelisoluihin (Caco-2) ja koleratoksiinin tuotantoa (ctxAB, fliA ja toxR) in vitro sekä vähensivät adheesiota ja toksiinin tuotantoa hiiren suolistossa ex vivo. In vivo -tutkimukset eläinmallissa ovat kuitenkin tarpeen näiden tulosten validoimiseksi.
Bakteeripatogeenit säilyvät elintarvikehuoneistoissa kasvattamalla pääasiassa biofilmeinä pikemminkin kuin planktonisesti (Bae et al., 2012). Biofilmit ovat monimutkaisia mikrobiyhteisöjä, jotka on upotettu suojaaviin solunulkoisiin polymeerisiin aineisiin (EPS). Happaman elektrolyysiveden (AEW) tehokkuutta biofilmien poistamisessa arvioitiin elintarvikeperäisten bakteeripatogeenien, kuten E. coli, V. parahaemolyticus ja L. monocytogenes, osalta. V. parahaemolyticus -infektiot (eli vibrioosi) saadaan tavallisesti altistumalla merivedelle tai nauttimalla raakoja tai alikypsiä saastuneita mereneläviä (Baker-Austin et al., 2018), kun taas L. monocytogenes -infektiot (patogeeni, joka voi kasvaa jäähdytyslämpötiloissa) (eli listerioosi) liittyvät usein pastöroimattomiin maitotuotteisiin ja erilaisiin valmiisiin ruokiin (Fung et al., 2018). In vitro -kokeet osoittivat, että AEW laukaisi EPS:n hajoamisen hiilihydraattien C-O-C-sidoksen ja aminohappojen tyrosiinin ja fenyylialaniinin aromaattisten renkaiden deformaation kautta. Kirjoittajat ehdottivat, että AEW voisi olla ympäristöystävällinen vaihtoehto elintarviketeollisuudessa perinteisesti käytetyille desinfiointiaineille. Lisäksi tutkittiin hyperaerotolerantin C. jejuni -bakteerin erilaista selviytymistä erilaisissa kaasuolosuhteissa, ja saadut tiedot viittasivat siihen, että hiilidioksidia käyttävä suojakaasupakkaus voi auttaa hallitsemaan siipikarjan saastumista hyperaerotolerantilla C. jejuni -bakteerilla (Oh ym.).
Yhteenvetona voidaan todeta, että tähän Frontiers Research Topic -aihealueeseen kuuluu 21 artikkelia ja 146 artikkelin kirjoittajaa Itävallasta, Kanadasta, Kanadasta, Kiinasta, Tanskasta, Saksasta, Tanskalta, Saksasta, Irlannista, Japanista, Portugalista, Etelä-Koreasta, Yhdistyneestä Kuningaskunnasta ja Yhdysvalloista. Se tarjoaa yleiskatsauksen viimeaikaisista löydöksistä ihmisten vakavien elintarvikevälitteisten patogeenisten bakteerien uudelleennoususta, patogeneesistä ja torjuntastrategioista, ja tukee kiireellistä tarvetta parantaa elintarviketurvallisuutta ja kansanterveyttä erityisesti globalisaation taustalla. Artikkeleissa esitetyt tiedot paitsi korostavat tutkijoiden tulevia tutkimusalueita ja -tarpeita myös hyödyttävät hallituksia, elintarviketuottajia, elintarviketoimittajia ja elintarvikekuluttajia, jotta he voivat työskennellä yhdessä patogeenien pysyvyyden poistamiseksi ja valvomiseksi elintarvikkeissa ja resistenttien infektioiden torjumiseksi ihmisillä.
Author Contributions
LC laati pääkirjoituksen. WA osallistui toimitukselliseen tarkistukseen. Kaikki kirjoittajat hyväksyivät lopullisen artikkelin julkaistavaksi.
Conflict of Interest Statement
Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.
Kiitokset
LC ja WA ilmaisevat kiitoksensa kaikille kirjoittajille, jotka ovat osallistuneet tämän tutkimusaiheen tekemiseen. LC:tä ovat tukeneet Shanghain kunnallisen tiede- ja teknologiakomission (nro 17050502200) ja Kiinan kansallisen luonnontieteellisen säätiön (nro 31671946) avustukset.