Escherichia coli: Zagrożenia mikrobiologiczne – Escherichia coli

Większość bakterii z gatunku Escherichia coli (E. coli) jest nieszkodliwa, a wręcz pożyteczna dla ludzkiego czy zwierzęcego organizmu, bowiem stanowią one integralną i naturalną część mikroflory zdrowego przewodu pokarmowego ludzi oraz zwierząt i odpowiadają m.in. za rozkład spożywanych pokarmów oraz syntezę wielu istotnych składników. Drobnoustroje te mogą występować także w wodzie i glebie. Tylko niektóre E. coli są patogenne, co oznacza, że mogą powodować choroby, biegunkę lub infekcję poza układem jelitowym. Istnieją przesłanki naukowe dowodzące, że patogenne szczepy E. coli nabyły te właściwości przez pozyskiwanie czynników wirulencji od innych bakterii (m.in. poprzez transfer genów kodujących produkcję toksyn).

Patogenne E. coli mogą być przenoszone przez skażoną odchodami wodę lub żywność lub przez kontakt z nosicielami – zwierzętami lub ludźmi. To dlatego obecność patogennych szczepów lub serotypów E. coli jest kluczowym wskaźnikiem zagrożenia zdrowia publicznego, a wykrycie ich w wodzie lub glebie może mieć poważne konsekwencje.

Gatunek Escherichia coli

Bakterie z gatunku E. coli są to krótkie i grube, ruchliwe lub nieruchliwe Gram-ujemne pałeczki, fakultatywnie beztlenowe, rosnące w temperaturze z zakresu 20-40°C. Po raz pierwszy opisane w 1885 r. przez Theodora Eschericha, austriackiego lekarza pediatrę. Są to bakterie nieprzetrwalnikujące, giną już w czasie ogrzewania w temperaturze 60°C przez 20 minut, zatem proces pasteryzacji, podstawowy zabieg termiczny stosowany w mleczarstwie, eliminuje te bakterie z mleka surowego. E. coli nie są wytrzymałe również na wszystkie znane chemiczne środki dezynfekcyjne. Wiadomo jednak, że wykazują bardzo dobrą przeżywalność w środowiskach wilgotnych o niskiej temperaturze (w 0°C nawet ponad rok). Ponadto, cechują się doskonałą opornością na niskie wartości pH (przez co zachowują wysoką żywotność w środowisku żołądka), jak również zdolnością do kolonizacji dalszych odcinków układu pokarmowego.

Zgodnie z informacjami publikowanymi przez amerykańską agencję Centers for Disease Control and Prevention (Centra Kontroli i Prewencji Chorób), wchodzącą w skład Departamentu Zdrowia i Opieki Społecznej, na gatunek E. coli składa się wiele szczepów i serotypów. Serotypy wyróżnia się na podstawie budowy antygenów: O – somatycznego (171 antygenów), K – powierzchniowego (80 antygenów), H – rzęskowego (ponad 50 antygenów). Wyróżnia się ponad 180 typów serologicznych E. coli. Chorobotwórcze E. coli (tzw. IPEC, intestinal pathogenic E. coli) są klasyfikowane na patotypy. Sześć patotypów związanych jest z chorobami wywoływanymi przez zanieczyszczoną żywność i łącznie określa się je jako biegunkowe E. coli:

• E. coli wytwarzające toksynę Shiga (STEC, Shiga toxin producing E. coli)
• Enteropatogenne E. coli (EPEC, enteropathogenic E. coli)
• Enterotoksyczne E. coli (ETEC, enterotoxigenic E. coli)
• Enteroagregacyjne E. coli (EAEC, enteroaggregative E. coli)
• Enteroinwazyjne E. coli (EIEC, enteroinvasive E. coli)
• Enteroadhezyjne E. coli (DAEC, diffusely adherent E. coli).

Obecne dane epidemiologiczne wskazują, że najgroźniejszymi szczepami są E. coli wytwarzające toksynę Shiga. Dotychczas wyizolowano ponad 400 serotypów STEC. E. coli wytwarzające toksynę Shiga (STEC) niekiedy są określane jako E. coli wytwarzające werotoksynę (VTEC, powodujące nieodwracalne działanie cytotoksyczne na linię komórkową Vero) lub E. coli jelitowo-krwotoczne (EHEC, wywołujące krwotoczne zapalenie jelita grubego i hemolityczne zespół mocznicowy określany w skrócie HUS). Należy zauważyć, że wyrażenia VTEC i STEC są synonimami. Szczepy wytwarzające toksyny, uaktywniają swoje zdolności w tym zakresie po dostaniu się do światła jelit, powodując objawy zatrucia pokarmowego. W przypadku szczepów hemolitycznych, produkowane toksyny mają właściwości hemolizyn (prowadząc do rozpadu erytrocytów, a nawet uszkodzenia tkanek), niekiedy neurotoksyn (wywołując objawy ze strony układu nerwowego), czym generują stany chorobowe. Takie E. coli charakteryzują się zdolnością do produkowania werotoksyn, z czego 62 serotypy są uznawane za niebezpieczne dla człowieka. Ten patotyp jest najczęściej wiązany z epidemiami przenoszonymi przez żywność, a te dotyczą mleka i produktów mlecznych (bowiem bydło jest uważane za najważniejszy rezerwuar STEC dla ludzi). U wielu chorych zakażenie tymi bakteriami ma bardzo ciężki przebieg.

Patogenność i epidemiologia STEC

Większość tego, co wiemy o STEC, pochodzi z badań nad zakażeniem serotypem E. coli O157, zaś co roku są przyczyną wielu przypadków zatruć pokarmowych i chorób. Ten serotyp bakterii E. coli ma co najmniej 62 podtypy. Śmiertelnym zagrożeniem dla człowieka jest serotyp O157:H7 (w skrócie ECO157), wyizolowany po raz pierwszy w USA w 1982 r. po dwóch epidemiach krwotocznego zapalenia jelita grubego (w stanach Oregon i Michigan), chociaż prawdopodobnie już w latach 50. i 70. ubiegłego stulecia notowano epidemie o objawach zbliżonych do zakażenia E. coli O157:H7. Badania wykazały, że serotyp E. coli O157:H7 mógł nabyć zjadliwość od nietoksycznego i mniej zjadliwego serotypu E. coli O55:H7, a być może nawet od bakterii z rodzaju Shigella na drodze koniugacji bakteryjnej. Serotyp O157:H7 niezwykle szybko rozprzestrzenił się na całym świecie.

Serotypy inne niż E. coli O157, takie jak m.in. O26:H11, O91:H21, O103, O104, O111:H8, O121 i O145 rzadziej powodują tak poważne zatrucia lub choroby, jak E. coli O157. Chociaż na przykład E. coli O26 wytwarza taki sam rodzaj toksyn, jak E. coli O157 i wywołuje podobną chorobę, chociaż zazwyczaj jest mniej prawdopodobne, aby prowadził do zagrażającego życiu zespołu HUS (śmiertelność HUS wynosi około 3-5%). Również E. coli O157:NM jest wiązany z chorobami ludzi.

W 2011 r. w Niemczech stwierdzono epidemię wywołaną przez E. coli O104:H4, wstępnie zaklasyfikowanego jako EHEC, a potem jako EAEC, gdy okazało się, że wyizolowany szczep E. coli, wykazujący właściwości enterohemolityczne, ma nabyte również pewne właściwości enteroagregacyjne („zapożyczone” od innej bakterii E. coli poprzez poziomy transfer genów). Szczep E. coli O104:H4 okazał się oporny m.in. na antybiotyki β-laktamowe (penicylinę i penicylopochodne), a także cefalosporyny trzeciej generacji i częściowo na kwas nalidyksowy, co utrudnia leczenie osób zarażonych (antybiotykoterapia może nawet sprzyjać rozwojowi HUS). Epidemia objęła ponad 3900 osób, w tym 800 osób cierpiało na zespół hemolityczno-mocznicowy, zaś 53 osoby zmarły. Badania wskazywały na surowe warzywa (szczególnie surowe kiełki) jako najprawdopodobniejsze źródło tego patogena w łańcuchu żywnościowym.

Dawka zakaźna serotypem E. coli O157:H7 jest bardzo niska, może wynosić zaledwie 10 żywych komórek patogena. Okres inkubacji wynosi od 1 do 8 dni. Przebieg kliniczny choroby może być zróżnicowany, od bezobjawowego do zagrażającego życiu chorego. Już po 12-72 godzinach od zakażenia mogą pojawić się nudności, wymioty, wodnista biegunka i bóle brzucha, przeważnie bez gorączki. Po kilku dniach biegunka staje się krwista. Dalszy rozwój infekcji prowadzi do powikłań w postaci zespołu hemolityczno-mocznicowego, ostrej niewydolności nerek, perforacji jelit, niedokrwistości i gwałtownego spadku liczby płytek krwi, posocznicy, zaburzeń neurologicznych, co w konsekwencji prowadzi do śmierci chorego (5-8% wszystkich przypadków HUS, głównie są to dzieci poniżej 5 r.ż. i osoby w podeszłym wieku).

Przeniesienie na ludzi

Przeniesienie STEC na ludzi odbywa się różnymi drogami, ale dane epidemiologiczne wskazują, że najczęściej poprzez spożywanie niedogotowanego mięsa (głównie wołowiny lub drobiu, najczęściej mielonego), surowe mleko lub przetwory, surowe warzywa i owoce skażone wodą zanieczyszczoną odchodami nosicieli (surówki i sałatki, kiełki, mąka, orzechy), kontakt między ludźmi, kontakt ze zwierzętami i skażone bakteriami środowisko (co prowadzi do wtórnego skażenia żywności, w tym także żywności magazynowanej w bardzo niskiej temperaturze takiej jak mrożonki – E. coli O157:H7 posiadają zdolność do przeżywania w zamrożonej żywności nawet przez kilka miesięcy). Już na poziomie gospodarstw wiejskich może dojść do zakażenia ludzi przez STEC.

STEC są stwierdzane w przewodzie pokarmowym różnych gatunków zwierząt, nawet zdrowych (nosicielstwo bezobjawowe), głównie zwierząt przeżuwających (krowy, kozy i owce, oraz dzikie przeżuwacze). Wprawdzie poziom skażenia jest na poziomie paru-parunastu procent, ale należy podkreślić że bakterie te są wydalane z organizmu zwierzęcia wraz z kałem i jest możliwość ich rozprzestrzenienia się w środowisku gospodarstwa, to ten poziom już może być znaczący (a w niektórych gospodarstwach poziom skażenia wynosi nawet kilkadziesiąt procent). Do zakażenia ludzi może dojść poprzez zanieczyszczenie środowiska bytowania zwierząt hodowlanych odchodami tych zwierząt lub poprzez spożywanie surowego mleka lub produktów mlecznych otrzymanych z surowego mleka, skażonego mięsa lub warzyw.

Występowanie w żywności

Większość szczepów STEC przenosi się wraz z zanieczyszczoną wodą lub żywnością. Surowe mleko jest dobrze znanym nośnikiem drobnoustrojów patogennych dla człowieka, a liczne badania wskazują na częste występowanie E. coli w takim mleku. Literatura w wielu krajach na całym świecie opisuje przypadki ognisk biegunkowych wywołanych przez E. coli i spowodowanych spożyciem niepasteryzowanego mleka lub produktów mlecznych otrzymanych z mleka surowego (np. serów z mleka surowego). Mikroorganizmy takie mogą dostać się do surowego mleka bezpośrednio od krów mlecznych, z ich kału lub otoczenia gospodarstwa, a przede wszystkim z brudnej wody i instalacji stosowanej do doju lub magazynowania mleka surowego w gospodarstwie lub w czasie transportu.

Obecność szczepów biegunkowych E. coli stwierdza się w niektórych źródłach wody, na przykład wodach powierzchniowych lub wodach stojących (np. jeziorach), wodzie, stosowanej do nawadniania upraw, zanieczyszczonej kałem lub obornikiem, a także ściekach miejskich lub odzwierzęcych. Źródłem zakażenia może być także bezpośredni kontakt ze zwierzętami hodowlanymi, zwłaszcza bydłem. Ponadto, wyniki badań dotyczące występowania i nosicielstwa E. coli w gospodarstwach rolnych wskazują jednoznacznie na człowieka jako źródło przenoszenia tych bakterii.

Na początku lat 80. XX w. szczep E. coli O157:H7 został zidentyfikowany jako czynnik zakaźny, który może być obecny w mleku krowim. Dlatego najważniejszymi bezpośrednimi źródłami zanieczyszczenia mleka tymi serotypami E. coli są: powierzchnia wymienia i strzyków, skóra i sierść krowy oraz urządzenia i naczynia używane do doju. Jeśli nie są zachowane odpowiednie warunki sanitarne podczas udoju, to bakterie te mogą przedostać się do mleka surowego. Występowanie EHEC, w tym E. coli O157 i E. coli O157:H7, w mleku surowym nie jest częste. Badania w krajach europejskich wskazują na obecność tych patogenów na poziomie odpowiednio 2-5% i 

Z mleczarskiego punktu widzenia niezwykle ważne są zdolności szczepów E. coli do przeżywania w środowisku o niskim pH. Badacze wykazali już przeżywalność E. coli O157:H7 nawet w środowisku o pH wynoszącym 3, co może wskazywać na możliwość przetrwania tych bakterii w procesie produkcji serów z mleka surowego, w tym serów długodojrzewających. Już teraz niektórzy badacze dowodzą, że 60-dniowy okres dojrzewania serów podpuszczkowych nie jest wystarczający do eliminacji E. coli O157:H7. Być może dlatego w danych epidemiologicznych można znaleźć wiele przypadków zachorowania ludzi po spożyciu serów zanieczyszczonych chorobotwórczymi szczepami E. coli. Ponadto, niektórzy badacze zwracają uwagę, że komórki E. coli O157 mogą nie być równomiernie rozmieszczone w produkcie, co w konsekwencji może utrudniać ich wykrycie.