Frontiers in Microbiology
Editorial on the Research Topic
Recent Discoveries in Human Serious Foodborne Pathogenic Bacteria: Resurgence, Pathogenesis, and Control Strategies
Miljarden mensen in de wereld lopen risico’s door onveilig voedsel. Vele miljoenen worden ziek terwijl er jaarlijks honderdduizenden overlijden als gevolg van consumptie van besmet voedsel (Fung et al., 2018). Uitbraken en prevalentie van door voedsel overgedragen ziekten vormen niet alleen een grote belasting voor de wereldwijde gezondheidszorgsystemen, maar resulteren ook in enorme negatieve gevolgen voor de economische groei en sociale stabiliteit. Samen met de snelle ontwikkeling van webgebaseerde en mobiel-ready elektronische handel, stelt de snelle nationale en internationale handel in voedingsmiddelen over de hele wereld nieuwe uitdagingen aan voedselveiligheidssystemen, met name in ontwikkelingslanden. Pathogene bacteriën besmetten voedsel in alle stadia van de hele voedselketen, van boerderij tot eettafel. De meest bekende bacteriële pathogenen die wereldwijd in verband worden gebracht met door voedsel overgedragen ziekten zijn Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Cronobacter sakazakii, Vibrio cholerae, en Vibrio parahaemolyticus. In dit onderzoeksthema wordt verslag gedaan van recente ontdekkingen over het opnieuw optreden, de pathogenese en de bestrijdingsstrategieën van deze via voedsel overgedragen ziekteverwekkers.
Continue bewaking van voedselcontaminanten en identificatie van risicofactoren zijn van cruciaal belang voor het waarborgen van de voedselveiligheid. Veel originele onderzoeksartikelen die in dit onderzoeksthema zijn opgenomen, hadden betrekking op kwesties in verband met de genetische diversiteit, prevalentie, resistentie en nieuwe transmissievectoren van pathogene bacteriën. C. jejuni bijvoorbeeld, een belangrijke oorzaak van gastro-enteritis bij de mens, kan zich ophouden in reservoirs van voedseldieren zoals kippen, varkens en runderen. De genetische diversiteit en de frequentie van antimicrobiële resistentie van C. jejuni die werd aangetroffen bij 214 runderen in drie kuddes in Michigan in de VS werden onderzocht en bepaald in een dwarsdoorsnede-onderzoek (Cha et al.). Cronobacter spp. kan necrotiserende enterocolitis, bacteriëmie en meningitis veroorzaken bij neonaten en zuigelingen, met een sterftecijfer van 40-80% (Holy en Forsythe, 2014). Poedervormige zuigelingenvoeding (PIF) is de belangrijkste bron van Cronobacter spp. die tot de infecties leidt. De antimicrobiële en desiccatie resistentie van 70 Cronobacter sakazakii en Cronobacter malonaticus isolaten uit PIF en verwerkingsomgevingen in China werden bepaald (Fei et al.). Niet-typhoïdale Salmonella (NTS) kan een groot aantal gastheren besmetten, waaronder mensen, pluimvee, vee, en andere gedomesticeerde en wilde dieren wereldwijd. Geschat wordt dat 93,8 miljoen mensen jaarlijks salmonellose oplopen, met bijna 155.000 sterfgevallen (Majowicz et al., 2010). Het potentiële virulentieprofiel, de genetische verwantschap en de gastheeradaptatie van aviaire en zoogdier-NTS-isolaten op basis van de bacteriële antigenen FimA (adhesine) en IroN (receptor) werden onderzocht in een groot aantal NTS-isolaten van verschillende gastheeroorsprong (Alshalchi et al.). De auteurs onthulden de mogelijke invloed van niet-synonieme puntmutaties binnen het FimA adhesine van de NTS-isolaten in de gastheeraanpassing (Alshalchi et al.). Enteroaggregatieve Escherichia coli (EAEC) is een veel voorkomende oorzaak van door voedsel overgedragen ziekten. EAEC-stammen brengen een heterogene reeks van vermoedelijke virulentiefactoren tot expressie; daarom blijft de herkenning van specifieke pathogene factoren een uitdaging. Jønsson et al. controleerden een collectie van 162 klinische Deense EAEC-stammen en identificeerden een nieuw pAA virulentieplasmide dat codeert voor toxines en twee verschillende varianten van de fimbriae van EAEC. Enterococcus faecalis wordt vaak aangetroffen in mineraal- en bronwater en kan bij de mens urineweginfecties, endocarditis en neonatale sepsis veroorzaken. De prevalentie, potentiële virulentiegenen, antimicrobiële resistentie en genetische diversiteit van E. faecalis isolaten uit 314 in China onderzochte mineraal- en bronwatermonsters werden eveneens onderzocht (Wei et al.). Collectief wezen deze studies op een hoge prevalentie van antimicrobiële of uitdroging resistente pathogene bacteriën geassocieerd met diverse genotypen.
Decennia van onderzoek heeft een aantal virulentiedeterminanten geïdentificeerd die worden geproduceerd en uitgescheiden door pathogene bacteriën (Martinović et al., 2016). Om infecties bij de mens te vestigen, moeten pathogenen nieuwe gastheeromgevingen aanvoelen en erop reageren om de expressie van kritieke virulentiefactoren te reguleren die nicheadaptatie en succesvolle kolonisatie mogelijk maken (Bäumler en Sperandio, 2016; Lustri et al., 2017). In deze Research Topic werden de recent beschreven moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan het overconcurreren van residente microbiota binnen het maagdarmkanaal door niet-typhoïdale serovars van S. enterica uitvoerig besproken door Anderson en Kendall. De bacterie, zoals serovar Typhimurium (S. Tm) elimineert directe concurrenten via bacterieel cel-tot-cel contact alsook door het stimuleren van een gastheer immuunrespons om specifieke leden van de microbiota te elimineren. Bovendien reguleert S. Tm nauwgezet de expressie van belangrijke virulentiefactoren die S. Tm in staat stellen om de immuunafweer van de gastheer binnen macrofagen te weerstaan. In dit verband wezen de auteurs ook op chemische en fysische signalen die S. Tm waarneemt als signalen om zich aan te passen aan elk van deze gastheeromgevingen (Anderson en Kendall).
Enkele andere originele artikelen die in deze Research Topic zijn opgenomen, meldden ook nieuwe bevindingen in bacteriële pathogenese. Zo werden de gedetailleerde functies van een aan cellulosebiosynthese gerelateerd gen (bcsR) van C. sakazakii onderzocht met behulp van een gen-knockouttechniek, en de resultaten toonden aan dat bcsR een negatieve regulator van cellulosebiosynthese is, maar de biofilmvorming en het adhesie/invasievermogen van C. sakazakii positief reguleert (Gao et al.). RpoS is een belangrijke stress-induceerbare sigmafactor die genen voor stressresistentie in E. coli reguleert. Een nieuwe missense puntmutatie op RpoS residu 128 in een klinisch Shiga toxine-producerend E. coli (STEC) isolaat werd geïdentificeerd. De hydrofobiciteit van het aminozuur op residu 128 is kritisch voor de activiteit van RpoS en is bijgevolg belangrijk voor de overleving van de bacterie bij koude temperatuur en oxidatieve stress (Iwase et al.). STEC-stammen verschillen ook in zuurresistentie. Wanneer gekweekt in minimaal medium bij pH 3,3, was STEC-stam B201 met flocculatie zuurgevoeliger, terwijl STEC-stam B241 planktonvormig en zuurresistent was. Transcriptomische en gerichte genexpressiegegevens toonden aan dat de expressie van curli en zuurgeïnduceerde chaperongenen csg en hde positief correleerden met de fenotypische verschillen (Kay et al.). Bacillus cereus wordt steeds vaker gerapporteerd als veroorzaker van gastro-intestinale aandoeningen bij de mens. Jeßberger et al. onderzochten de productie, secretie en cytotoxiciteit van enterotoxine in een reeks van 19 enteropathogene en niet-pathogene B. cereus-stammen van diverse oorsprong met behulp van celkweekmedium dat vooraf geïncubeerd werd met de menselijke darmepitheelcellijn CaCo-2. De auteurs suggereerden dat de momenteel gebruikte methoden in de diagnostiek van B. cereus op basis van standaard kweekmedium zouden moeten worden aangevuld met kweekprocedures die de omstandigheden van de intestinale gastheer simuleren (Jeßberger et al.).
Biologische en niet-biologische innovatie in technologieën is ontstaan voor een betere controle van door voedsel overgedragen pathogenen. De hedendaagse vooruitgang in DNA-sequencingtechnologieën heeft niet alleen een fijnere karakterisering van bacteriële genomen mogelijk gemaakt, maar ook een diepere taxonomische identificatie mogelijk gemaakt van complexe microbiomen die een omgeving bewonen, zoals een bepaalde lichaamseconomie (bijv. de menselijke darminhoud) en een voedselproductiefaciliteitseconomie (bijv. vloerafvoer) (herzien door Cao et al.). In de afgelopen jaren heeft de ontdekking van kleine niet-coderende RNA’s (sRNA’s) een nieuwe wereld ontsluierd van post-transcriptionele regulatorische netwerken, die samenwerken met Ribonucleasen (RNasen) bij de controle van genexpressie. Met de ontwikkeling van nieuwe technologieën werden vele sRNA-moleculen geïdentificeerd en werd aangetoond dat zij een belangrijke rol spelen bij bacteriële virulentie. Het RNA-metabolisme is onlangs geëxploiteerd voor de ontwikkeling van nieuwe therapeutische toepassingen (besproken door Matos et al.). Tijdens het verwerken en conserveren van voedsel kunnen veel ziekteverwekkers in een levensvatbare maar niet kweekbare (VBNC) toestand worden gebracht door het beperken van omgevingsfactoren zoals extreme temperaturen, drogen, bestraling, gepulseerde elektrische velden en hoge druk, en door het toevoegen van conserveringsmiddelen en desinfecteermiddelen. Na het bereiken van de VBNC-status kunnen ziekteverwekkers in levensmiddelen niet meer worden gedetecteerd met conventionele plaattellingstechnieken en vormen ze een grote uitdaging voor de voedselveiligheid. Verschillende kenmerken van de VBNC-toestand werden uitgebreid besproken door Zhao et al. inclusief biologische kenmerken, inductie- en reanimatiefactoren, vormings- en reanimatiemechanismen, detectiemethoden, en relatie tot voedselveiligheid.
Nieuwe verbindingen en behandelingsstrategieën zijn onderzocht voor de bestrijding van bacteriële pathogenen. Zo analyseerden Shi et al. de effecten van thymoquinone, een hoofdbestanddeel van de vluchtige olie van Nigella sativa zaden, op de onderdrukking van virulentie-gerelateerde eigenschappen van C. sakazakii ATCC 29544, en in vitro tests toonden aan dat sub-inhibitoire concentraties van thymoquinone de motiliteit, quorum sensing, en endotoxine productie van de bacterie significant verminderden. Bovendien verminderde thymochinon aanzienlijk de adhesie en invasie van C. sakazakii ATCC 29544 aan menselijke coloncellijn HT-29-cellen en verminderde het aantal intracellulaire bacteriecellen binnen de RAW264.7-macrofaagcellen. V. cholerae kan cholera veroorzaken, een ernstige diarreeziekte die snel fataal kan zijn indien onbehandeld, en wordt meestal overgedragen via besmet water en contact van persoon tot persoon (Baker-Austin et al., 2018). Uitbraken van cholera worden elk jaar gemeld in ontwikkelingslanden (Wereldgezondheidsorganisatie, http://www.who.int/). De effecten van de voedingsmineralen zink, selenium en mangaan op virulentieattributen van V. cholerae werd bestudeerd (Bhattaram et al.), en in vitro tests gaven aan dat alle drie de mineralen de motiliteit van V. cholerae, de adhesie aan intestinale epitheelcellen (Caco-2), en de productie van choleratoxine (ctxAB, fliA, en toxR) in vitro significant verminderden, en de adhesie en toxineproductie in de darm van muizen ex vivo verminderden. In vivo studies in een diermodel zijn echter nodig om deze resultaten te valideren.
Bacteriële pathogenen persisteren in voedselverwerkingsfaciliteiten door voornamelijk te groeien als biofilms in plaats van in planktonische modus (Bae et al., 2012). Biofilms zijn complexe microbiële gemeenschappen ingebed in de beschermende extracellulaire polymere stoffen (EPS). De efficiëntie van zuur geëlektrolyseerd water (AEW) om biofilms te verwijderen werd geëvalueerd voor door voedsel overgedragen bacteriële pathogenen waaronder E. coli, V. parahaemolyticus, en L. monocytogenes. V. parahaemolyticus-infecties (d.w.z. vibriosis) worden normaal gesproken opgelopen door blootstelling aan zeewater of door consumptie van rauwe of ondergekookte besmette zeevruchten (Baker-Austin et al., 2018), terwijl L. monocytogenes (een ziekteverwekker die kan groeien bij koeltemperaturen)-infecties (d.w.z. listeriosis) vaak worden geassocieerd met ongepasteuriseerde zuivelproducten en diverse kant-en-klare voedingsmiddelen (Fung et al., 2018). In-vitro-experimenten toonden aan dat AEW EPS-verstoring teweegbracht door de vervorming van koolhydraat-C-O-C-binding en aromatische ringen in aminozuren tyrosine en fenylalanine. De auteurs suggereerden dat AEW een milieuvriendelijk alternatief zou kunnen zijn voor ontsmettingsmiddelen die traditioneel in de voedingsindustrie worden gebruikt. Bovendien werd ook de differentiële overleving van hyper-aerotolerante C. jejuni onder verschillende gasomstandigheden bestudeerd, en de resulterende gegevens suggereerden dat verpakking onder gemodificeerde atmosfeer met gebruikmaking van CO2 kan helpen bij de bestrijding van pluimveeverontreiniging met hyper-aerotolerante C. jejuni (Oh et al.).
Samengevat omvat dit Frontiers Research Topic 21 artikelen en 146 auteurs uit Oostenrijk, Canada, China, Denemarken, Duitsland, Ierland, Japan, Portugal, Zuid-Korea, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten. Het geeft een overzicht van recente ontdekkingen in de heropleving, pathogenese, en controle strategieën van de mens ernstige voedselpathogene bacteriën, en ondersteunt de dringende noodzaak van verbetering van de voedselveiligheid en de volksgezondheid, met name in de globalisering achtergrond. De informatie die in de artikelen wordt gepresenteerd, onderstreept niet alleen toekomstige onderzoeksgebieden en -behoeften voor wetenschappers, maar komt ook ten goede aan regeringen, voedselproducenten, voedselleveranciers en voedselconsumenten om samen te werken in de richting van het elimineren en beheersen van de persistentie van ziekteverwekkers in voedsel en resistente infecties bij mensen.
Author Contributions
LC heeft het redactioneel geredigeerd. WA heeft bijgedragen aan de redactionele revisie. Alle auteurs keurden de definitieve paper goed voor publicatie.
Conflict of Interest Statement
De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.
Acknowledgments
LC en WA erkennen alle auteurs die hebben bijgedragen aan dit onderzoeksthema. LC wordt ondersteund door subsidies van de Shanghai Municipal Science and Technology Commission (No. 17050502200) en de National Nature Science Foundation of China (No. 31671946).