Development of molecular-based techniques for the detection, identification and quantification of food-borne pathogens

Abstract

La presencia de microorganismos patógenos en alimentos es uno de los problemas esenciales en salud pública, y las enfermedades producidas por los mismos es una de las causas más importantes de enfermedad. Por tanto, la aplicación de controles microbiológicos dentro de los programas de aseguramiento de la calidad es una premisa para minimizar el riesgo de infección de los consumidores. Los métodos microbiológicos clásicos requieren, en general, el uso de pre-enriquecimientos no-selectivos, enriquecimientos selectivos, aislamiento en medios selectivos y la confirmación posterior usando pruebas basadas en la morfología, bioquímica y serología propias de cada uno de los microorganismos objeto de estudio. Por lo tanto, estos métodos son laboriosos, requieren un largo proceso para obtener resultados definitivos y, además, no siempre pueden realizarse. Para solucionar estos inconvenientes se han desarrollado diversas metodologías alternativas para la detección identificación y cuantificación de microorganismos patógenos de origen alimentario, entre las que destacan los métodos inmunológicos y moleculares. En esta última categoría, la técnica basada en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) se ha convertido en la técnica diagnóstica más popular en microbiología, y recientemente, la introducción de una mejora de ésta, la PCR a tiempo real, ha producido una segunda revolución en la metodología diagnóstica molecular, como pude observarse por el número creciente de publicaciones científicas y la aparición continua de nuevos kits comerciales. La PCR a tiempo real es una técnica altamente sensible -detección de hasta una molécula- que permite la cuantificación exacta de secuencias de ADN específicas de microorganismos patógenos de origen alimentario. Además, otras ventajas que favorecen su implantación potencial en laboratorios de análisis de alimentos son su rapidez, sencillez y el formato en tubo cerrado que puede evitar contaminaciones post-PCR y favorece la automatización y un alto rendimiento. En este trabajo se han desarrollado técnicas moleculares (PCR y NASBA) sensibles y fiables para la detección, identificación y cuantificación de bacterias patogénicas de origen alimentario (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis y Salmonella spp.). En concreto, se han diseñado y optimizado métodos basados en la técnica de PCR a tiempo real para cada uno de estos agentes: L. monocytogenes, L. innocua, Listeria spp. M. avium subsp. paratuberculosis, y también se ha optimizado y evaluado en diferentes centros un método previamente desarrollado para Salmonella spp. Además, se ha diseñado y optimizado un método basado en la técnica NASBA para la detección específica de M. avium subsp. paratuberculosis. También se evaluó la aplicación potencial de la técnica NASBA para la detección específica de formas viables de este microorganismo. Todos los métodos presentaron una especificidad del 100 % con una sensibilidad adecuada para su aplicación potencial a muestras reales de alimentos. Además, se han desarrollado y evaluado procedimientos de preparación de las muestras en productos cárnicos, productos pesqueros, leche y agua. De esta manera se han desarrollado métodos basados en la PCR a tiempo real totalmente específicos y altamente sensibles para la determinación cuantitativa de L. monocytogenes en productos cárnicos y en salmón y productos derivados como el salmón ahumado y de M. avium subsp. paratuberculosis en muestras de agua y leche. Además este último método ha sido también aplicado para evaluar la presencia de este microorganismo en el intestino de pacientes con la enfermedad de Crohn's, a partir de biopsias obtenidas de colonoscopia de voluntarios afectados. En conclusión, este estudio presenta ensayos moleculares selectivos y sensibles para la detección de patógenos en alimentos (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis) y para una rápida e inambigua identificación de Salmonella spp. La exactitud relativa de los ensayos ha sido excelente, si se comparan con los métodos microbiológicos de referencia y pueden serusados para la cuantificación de tanto ADN genómico como de suspensiones celulares. Por otro lado, la combinación con tratamientos de preamplificación ha resultado ser de gran eficiencia para el análisis de las bacterias objeto de estudio. Por tanto, pueden constituir una estrategia útil para la detección rápida y sensible de patógenos en alimentos y deberían ser una herramienta adicional al rango de herramientas diagnósticas disponibles para el estudio de patógenos de origen alimentario.

The presence of pathogens in foods is among the most serious public health concerns, and the diseases produced by them are a major cause of morbidity. Consequently, the application of microbiological control within the quality assessment programs in the food industry is a premise to minimize the risk of infection for the consumer. Classical microbiological methods involve, in general, the use of a non-selective pre-enrichment, selective enrichment, isolation on selective media, and subsequent confirmation using morphological, biochemical and/or serological tests. Thus, they are laborious, time consuming and not always reliable (e.g. in viable but non-culturable VBNC forms). A number of alternative, rapid and sensitive methods for the detection, identification and quantification of foodborne pathogens have been developed to overcome these drawbacks. PCR has become the most popular microbiological diagnostic method, and recently, the introduction of a development of this technique, RTi-PCR, has produced a second revolution in the molecular diagnostic methodology in microbiology. RTi-PCR is highly sensitive and specific. Moreover, it allows accurate quantification of the bacterial target DNA. Main advantages of RTi-PCR for its application in diagnostic laboratories include quickness, simplicity, the closed-tube format that avoids risks of carryover contaminations and the possibility of high throughput and automation. In this work, specific, sensitive and reliable analytical methods based on molecular techniques (PCR and NASBA) were developed for the detection, identification and quantification of foodborne pathogens (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis and Salmonella spp.). Real-time PCR based methods were designed and optimised for each one of these target bacteria: L. monocytogenes, L. innocua, Listeria spp. M. avium subsp. paratuberculosis, and also a real-time PCR based method previously described for Salmonella spp. was optimised and multicenter evaluated. In addition, an NASBA-based method was designed and optimised for the specific detection of M. avium subsp. paratuberculosis. The potential application of the NASBA technique for specific detection of viable M. avium subsp. paratuberculosis cells was also evaluated. All the amplification-based methods were 100 % specific and the sensitivity achieved proved to be fully suitable for further application in real food samples. Furthermore, specific pre-amplification procedures were developed and evaluated on meat products, seafood products, milk and water samples. Thus, fully specific and highly sensitive real-time PCR-based methods were developed for quantitative detection of L. monocytogenes on meat and meat products and on salmon and cold smoked salmon products; and for quantitative detection of M. avium subsp. paratuberculosis on water and milk samples. The M. avium subsp. paratuberculosis-specific real-time PCR-based method was also applied to evaluate the presence of this bacterium in the bowel of Crohn's disease patients using colonic biopsy specimens form affected and unaffected volunteers. In addition, fully specific and highly sensitive real-time NASBA-based methods were developed for detection of M. avium subsp. paratuberculosis on water and milk samples. In conclusion, this study reports selective and sensitive amplification-based assays for the quantitative detection of foodborne pathogens (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis and) and for a quick and unambiguously identification of Salmonella spp. The assays had an excellent relative accuracy compared to microbiological reference methods and can be used for quantification of genomic DNA and also cell suspensions. Besides, in combination with sample pre-amplification treatments, they work with high efficiency for the quantitative analysis of the target bacteria. Thus, they could be a useful strategy for a quick and sensitive detection of foodborne pathogens in food products and which should be a useful addition to the range of diagnostic tools available for the study of these pathogens.