Food safety and zoonotic enteric pathogens: sources, risk factors and transmission routes of human salmonellosis and campylobacteriosis

Salmonella and Campylobacter are common causes of human gastroenteritis. Their epidemiology is complex and a multi-tiered approach to control is needed, taking into account the different reservoirs, pathways and risk factors. In this thesis, trends in human gastroenteritis and food-borne outbreak notifications in Italy were explored. Moreover, the improved sensitivity of two recently-implemented regional surveillance systems in Lombardy and Piedmont was evidenced, providing a basis for improving notification at the national level. Trends in human Salmonella serovars were explored: serovars Enteritidis and Infantis decreased, Typhimurium remained stable and 4,[5],12:i:-, Derby and Napoli increased, suggesting that sources of infection have changed over time. Attribution analysis identified pigs as the main source of human salmonellosis in Italy, accounting for 43–60% of infections, followed by Gallus gallus (18–34%). Attributions to pigs and Gallus gallus showed increasing and decreasing trends, respectively. Potential bias and sampling issues related to the use of non-local/non-recent multilocus sequence typing (MLST) data in Campylobacter jejuni/coli source attribution using the Asymmetric Island (AI) model were investigated. As MLST data become increasingly dissimilar with increasing geographical/temporal distance, attributions to sources not sampled close to human cases can be underestimated. A combined case-control and source attribution analysis was developed to investigate risk factors for human Campylobacter jejuni/coli infection of chicken, ruminant, environmental, pet and exotic origin in The Netherlands. Most infections (~87%) were attributed to chicken and cattle. Individuals infected from different reservoirs had different associated risk factors: chicken consumption increased the risk for chicken-attributed infections; animal contact, barbecuing, tripe consumption, and never/seldom chicken consumption increased that for ruminant-attributed infections; game consumption and attending swimming pools increased that for environment-attributed infections; and dog ownership increased that for environment- and pet-attributed infections. Person-to-person contacts around holiday periods were risk factors for infections with exotic strains, putatively introduced by returning travellers.

Indagine sulla presenza di Helicobacter pullorum in allevamenti avicoli italiani

From September 2005 to December 2006, in order to define the prevalence of Helicobacter pullorum in broiler chickens, laying hens and turkey, a total of 365 caecum contents of animals reared in 76 different farms were collected at the slaughterhouse. A caecum content of a ostrich was also sampled. In addition, with the aim of investigating the occurrence of H. pullorum in humans, 151 faeces were collected at the Sant’Orsola-Malpighi University Hospital of Bologna from patients suffering of gastroenteritis. A modified Steele–McDermott membrane filter method was used. Gram-negative curved rod bacteria were preliminary identified as H. pullorum by a PCR assay based on 16S rRNA, then subjected to a RFLP-PCR assay to distinguish between H. pullorum and H. canadensis. One isolate from each farm was randomly selected for phenotypic characterization by biochemical methods and 1D SDSPAGE analysis of whole cell proteins profiles. Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for seven different antibiotics were also determined by agar dilution method. Moreover, to examine the intraspecific genomic variability, two strains isolated from 17 different farms were submitted to genotyping by Pulse-Field Gel Electrophoresis (PFGE). In order to assess the molecular basis of fluorquinolone resistance in H. pullorum, gyrA of H. pullorum CIP 104787T was sequenced and nucleotide sequences of the Quinolone Resistance Determining Region (QRDR) of a total of 18 poultry isolates, with different MIC values for ciprofloxacin and nalidixic acid, were compared. According to the PCR and PCR-RFLP results, 306 out of 366 animals examined were positive for H. pullorum (83,6%) and 96,1% of farms resulted infected. All positive samples showed a high number of colonies (>50) phenotipically consistent with H. pullorum on the first isolation media, which suggests that this microrganism, when present, colonizes the poultry caecum at an elevate load. No human sample resulted positive for H. pullorum. The 1D SDS-PAGE whole protein profile analysis showed high similarity among the 74 isolates tested and with the type strain H. pullorum CIP 104787T. Regarding the MIC values, a monomodal distribution was found for ampicillin, chloramphenicol, gentamicin and nalidixic acid, whereas a bimodal trend was noticed for erythromycin, ciprofloxacin and tetracycline (indicating an acquired resistance for these antibiotics). Applying the breakpoints indicated by the CSLI, we may assume that all the H. pullorum tested are sensitive only to gentamicin. The intraspecific genomic variability observed in this study confirm that this species don’t have a clonal population structure, as motioned by other autors. The 2490 bp gyrA gene of H. pullorum CIP104787T with an Open Reading Frame (ORF) encoding a polypeptide of 829 amino acids was for the first time sequenced and characterized. All ciprofloxacin resistant poultry isolates showed ACA®ATA (Thr®Ile) substitution at codon 84 of gyrA corresponding to codons of gyrA 86, 87 and 83 of the Campylobacter jejuni, H. pylori and Escherichia coli, respectively. This substitution was functionally confirmed to be associated with the ciprofloxacin resistant phenotype of poultry isolates. This is the first report of isolation of H. pullorum in turkey and in ostrich, indicating that poultry species are the reservoir of this potential zoonotic microorganisms. In order to understand the potential role as food-borne human pathogen of H. pullorum, further studies must be carried on.

Survey on the spirilar flora of Lagomorphs

Members of the genera Campylobacter and Helicobacter have been in the spotlight in recent decades because of their status as animals and/or humans pathogens, both confirmed and emerging, and because of their association with food-borne and zoonotic diseases. First observations of spiral shaped bacteria or Campylobacter-like organisms (CLO) date back to the end of the 19th century, however the lack of adequate isolation methods hampered further research. With the introduction of methods such as selective media and a filtration procedure during the 1970s led to a renewed interest in Campylobacter, especially as this enabled elucidation of their role in human hosts. On the other hand the classification and identification of these bacteria was troublesome, mainly because of the biochemical inertness and fastidious growth requirements. In 1991, the taxonomy of Campylobacter and related organisms was thoroughly revised, since this revision several new Campylobacter and Helicobacter species have been described. Moreover, thanks to the introduction of a polyphasic taxonomic practice, the classification of these novel species is well-founded. Indeed, a polyphasic approach was here followed for characterizing eight isolates obtained from rabbits epidemiologically not correlated and as a result a new Campylobacter species was proposed: Campylobacter cuniculorum (Chapter 1). Furthermore, there is a paucity of data regarding the occurrence of spiral shaped enteric flora in leporids. In order to define the prevalence both of this new species and other CLO in leporids (chapter 2), a total of 85 whole intestinal tracts of rabbits reared in 32 farms and 29 capture hares, epidemiologically not correlated, were collected just after evisceration at the slaughterhouse or during necroscopy. Examination and isolation methods were varied in order to increase the sensibility level of detection, and 100% of rabbit farms resulted positive for C. cuniculorum in high concentrations. Moreover, in 3.53% of the total rabbits examined, a Helicobacter species was detected. Nevertheless, all hares resulted negative both for Campylobacter or Helicobacter species. High prevalence of C. cuniculorum were found in rabbits, and in order to understand if this new species could play a pathological role, a study on some virulence determinants of C. cuniculorum was conducted (Chapter 3). Although this new species were able to adhere and invade, exert cytolethal distending toxin-like effects although at a low titre, a cdtB was not detected. There was no clear relationship between source of isolation or disease manifestation and possession of statistically significantly levels of particular virulence-associated factors although, cell adhesion and invasion occurred. Furthermore, antibiotic susceptibility was studied (chapter 4) in Campylobacter and in Escherichia coli strains, isolated from rabbits. It was possible to find acquired resistance of C. cuniculorum to enrofloxacin, ciprofloxacin and erytromycin. C. coli isolate was susceptible to all antimicrobial tested and moreover it is considered as a wild-type strain. Moreover, E. coli was found at low caecal concentration in rabbits and 30 phenotypes of antibiotic resistance were founded as well as the high rate of resistances to at least one antibiotic (98.1%). The majority of resistances were found from strains belonging to intensive farming system. In conclusion, in the course of the present study a new species isolated from rabbits was described, C. cuniculorum, and its high prevalence was established. Nevertheless, in hare samples no Campylobacter and Helicobacter species were detected. Some virulence determinants were further analyzed, however further studied are needed to understand the potential pathogenicity of this new species. On the other hand, antimicrobial susceptibility was monitored both in C. cuniculorum and indicator bacteria and acquired resistance was observed towards some antibiotics, indicating a possible role of rabbitries in the diffusion of antibiotic resistance. Further studies are necessary to describe and evaluate the eventual zoonotic role of Campylobacter cuniculorum.

Patogeni e zecche vettrici: studio epidemiologico in parchi pubblici dell'Emilia Romagna

Le malattie trasmesse da zecche sono un importante problema sia per la salute animale che per quella umana e negli ultimi decenni hanno aumentato notevolmente la loro diffusione, in seguito ai cambiamenti climatici, che hanno permesso la distribuzione delle zecche in aree prima non interessate. Per tale motivo si è deciso di effettuare un’indagine sulla diffusione delle zecche e sui patogeni da loro trasmessi, mediante campionamenti sia a livello ambientale, sia su animali e umani infestati in quattro siti di tre parchi dell’Emilia Romagna, dove non risultavano precedenti segnalazioni, nelle province di Bologna e Ravenna, da Aprile a Ottobre 2010. In totale sono state raccolte 8212 zecche. Dall’ambiente sono state campionate 6734 larve, 1344 ninfe, 61 adulti; dagli animali e da persone sono stati raccolti 68 adulti e 5 ninfe appartenenti a diverse specie di Ixodidae. Sono state condotte analisi sull’abbondanza delle zecche nelle diverse aree di raccolta, in funzione del periodo di campionamento, della temperatura e dell’umidità relativa misurata a 5 cm dal suolo al momento del campionamento e della vegetazione. Su tutti gli individui adulti e su pool di ninfe e di larve, per un totale di 393 campioni, sono state condotte analisi di tipo molecolare per la ricerca di piroplasmi, Anaplasma phagocytophilum e Borrelia burgdorferi s.l. Attraverso la PCR e il sequenziamento, è emerso che il 7,6% dei campioni era positivo per piroplasmi, tra i quali è stata riscontrata anche la presenza delle specie zoonosiche Babesia EU1 e B. divergens. La real-time PCR eseguita solo sui campioni costituiti da ninfe e adulti ha evidenziato una prevalenza del 9,2% per A. phagocytophilum e del 21,6% per B. burgdorferi s.l. Su questi patogeni sono state quindi condotte analisi di tipo filogenetico. In alcuni campioni sono state riscontrate coinfezioni con combinazioni di due patogeni contemporaneamente.

Stato sanitario di Spigole (Dicentrarchus Labrax) ed Orate (Sparus Aurata) allevate in Grecia e in Italia in relazione alla presenza di agenti di Zoonosi ed Ectoparassiti patogeni

Le attività di ricerca della presente tesi di dottorato si sono focalizzata principalmente sulla parassitofauna dei pesci marini allevati in Grecia ed in Italia con particolare attenzione allo studio degli ectoparassiti di maggior rilievo sanitario in maricoltura ed alla ricerca di endoparassiti di potenziale interesse zoonosico, in particolare larve di nematodi Anisakidae del genere Anisakis. Nel corso del triennio sono stati sottoposti ad esami parassitologici 916 spigole (Dicentrarchus labrax) e 462 orate (Sparus aurata) prelevate presso diverse tipologie di allevamenti greci ed italiani. Per quanto concerne le spigole, la presenza di ectoparassiti è stata riscontrata nel 29,2% e nel 61,9% dei soggetti provenienti rispettivamente da impianti siti in Grecia ed in Italia, mentre le orate hanno presentato percentuali di positività rispettivamente del 87,5% e del 26,7%. Gli ectoparassiti dominanti sono risultati essere il monogeneo Diplectanum aequans nelle spigole ed il ciliato Cryptocaryon irritans e il monogeneo Furnestinia echeneis nelle orate, sebbene sia stato possibile studiare anche il coinvolgimento di altri ectoparassiti, quali il monogeneo Sparicotyle chrysophrii ed il dinoflagellato Amyloodinium ocellatum, nel determinismo di alcuni episodi morbosi. Le osservazioni istopatologiche hanno permesso di caratterizzare le lesioni causate dagli ectoparassiti a diverse intensità d’infestazione. Per quanto concerne la ricerca di parassiti zoonosici, con particolare riferimento agli stadi larvali di nematodi Anisakidae del genere Anisakis, si sono condotti esami parassitologici a livello di cavità viscerale e di muscolo laterale in tutti i soggetti provenienti da allevamenti in gabbia (626 soggetti, di cui 441 spigole e 185 orate). Tutti i soggetti esaminati sono risultati negativi, indicando come il rischio di infestazione da larve di nematodi anisakidi possa essere considerato trascurabile in spigole ed orate allevate in gabbia, come già dimostrato per il salmone atlantico (EFSA, 2010).

Epidemiologia e caratterizzazione molecolare di virus emergenti responsabili di Zoonosi: Calcivirus e Virus dell'Epatite E

Il virus dell’Epatite E (HEV) e i calicivirus (norovirus e sapovirus) causano rispettivamente epatite acuta e gastroenterite. Questi virus sono considerati agenti eziologici emergenti rappresentando un problema di sanità pubblica e di sicurezza alimentare. Per HEV, è ormai confermata la trasmissione zoonotica, e il suino è considerato il principale serbatoio asintomatico. Norovirus e sapovirus infettano sia i bambini che gli adulti. Sebbene questi virus siano stati identificati anche negli animali, la possibile trasmissione zoonotica non è stata dimostrata in modo conclusivo. Il lavoro sperimentale condotto durante il Dottorato di Ricerca è stato focalizzato sullo studio degli aspetti biologici ed epidemiologici dell’infezioni causate da HEV e da calicivirus. Per la prima volta in Italia, i risultati ottenuti hanno dimostrato la presenza del virus HEV nei fegati di suini in fase di macellazione ed hanno confermato, attraverso la ricerca di anticorpi, un’elevata esposizione degli animali al virus. Inoltre, mediante la produzione di antigeni e reattivi immunologici, sono stati messi a punto test diagnostici per la ricerca di anticorpi contro HEV nel suino e nei cinghiali. Il lavoro svolto per la ricerca di calicivirus nel suino e nel bovino ha dimostrato la circolazione dei sapovirus in popolazioni di suini asintomatici e la presenza di norovirus nei vitelli affetti da diarrea acuta.Sono stati inoltre sviluppati reattivi immunologici, utilizzando proteine del capside di norovirus umano e bovino espresse con il sistema ricombinante baculovirus. Questi hanno permesso di evidenziare la presenza di anticorpi contro norovirus umano e bovino, in sieri di veterinari professionalmente esposti. Inoltre, sono stati utilizzati per sviluppare metodi per la concentrazione dei virus da matrici a bassa concentrazione.Infine, le VLP sono state utilizzate per valutare l’attivazione del sistema immunitario umano ex vivo. I risultati hanno dimostrato che le VLP di NoV stimolano il sistema immunitario attivando risposte di tipo Th1 e Th2 .

Sorveglianza dell’infezione da virus dell’epatite E (HEV) in Italia: from farm to table

L'epatite E è una malattia umana con caratteristiche di epatite acuta, causata da un ssRNA virus (HEV). Nel 1997, HEV è stato identificato per la prima volta nei suini (SwHEV). In seguito, diverse evidenze, tra cui la vicinanza genetica tra ceppi umani e suini, suggerirono la trasmissione zoonotica del virus. Nella presente tesi, l’identificazione di SwHEV è stata condotta mediante ricerca di porzioni di genoma virale attraverso RT-PCR. Dal 2011 al 2013, sono stati analizzati 343 campioni fecali (da 19 allevamenti) e 70 bili (da 2 macelli) prelevati da altrettanti suini, in diverse Regioni italiane. E’ stato inoltre condotto uno studio retrospettivo su 78 feci (da 3 allevamenti) raccolte nel 2000. Il virus è stato identificato nel 24,5% e 19,2% delle feci raccolte rispettivamente nel 2011-2013 e nel 2000. Nessuna bile è risultata positiva. Mediante sequenziamento del genoma intero di uno dei virus identificati, è stata condotta l’analisi filogenetica per valutarne il grado di correlazione con alti ceppi suini e umani. La presenza di HEV è stata valutata lungo la filiera di produzione suina, dal macello al punto vendita. Trentaquattro campioni di feci, fegato e muscolo sono stati raccolti in un macello da altrettanti suini sani (età:6-7 mesi). Quattordici feci e 2 fegati, sono risultati positivi per HEV. Sono state prelevate 129 salsicce sia allo stabilimento di trasformazione sia alla vendita, ma nessuna è risultata positiva. La presenza di HEV è stata valutata anche nelle salsicce di fegato, fresche e secche, acquistate presso una macelleria. Il genoma virale è stato rilevato nel 22,2% delle salsicce fresche e nel 4,3 % di quelle secche ma la vitalità del virus non è stata dimostrata. In conclusione, lo studio condotto ha confermato l’ampia circolazione di HEV nei suini e la possibile contaminazione dei prodotti carnei derivati, confermando la necessità di una continua sorveglianza.

Toxoplasma gondii in animals and the environment

Toxoplasma gondii is an obligate intracellular parasite capable of infecting virtually all warm-blooded species, including humans, but cats are the only definitive hosts. Humans or animals acquire T. gondii infection by ingesting food or water contaminated with sporulated oocysts or by ingesting tissue cysts containing bradyzoites. Toxoplasmosis has the highest human incidence among zoonotic parasitic diseases, but it is still considered an underreported zoonosis. The importance of T. gondii primary infection in livestock is related to the ability of the parasite to produce tissue cysts in infected animals, which may represent important sources of infection for humans. Consumption of undercooked mutton and pork are considered important sources of human Toxoplasma gondii. The first aim of this thesis was to develop a rapid and sensitive in- house indirect ELISA for the detection of antibodies against T. gondii in sheep sera. ROC-curve analysis showed high discriminatory power (AUC=0.999) and high sensitivity (99.4%) and specificity (99.8%) of the method. The ELISA was used to test a batch of sheep sera (375) collected in the Forli-Cesena district. The overall prevalence was estimated at 41.9% demonstrating that T. gondii infection is widely distributed in sheep reared in Forli-Cesena district. Since the epidemiological impact of waterborne transmission route of T.gondii to humans is now thought to be more significant than previously believed, the second aim of the thesis was to evaluate PCR based methods for detecting T. gondii DNA in raw and finished drinking water samples collected in Scotland. Samples were tested using a quantitative PCR on 529 bp repetitive elements. Only one raw water sample (0.3%), out of the 358 examined, tested T. gondii positive demonstrating that there is no evidence that tap water is a source of Toxoplasma infection in Scotland.

Variabilita' ed evoluzione dei prioni: Mutabilita' in vitro

I prioni, privi di acidi nucleici, esistono come ceppi e possono mutare, in particolare quando attraversano una barriera di specie. Numerosi studi convergono sulla conclusione che le caratteristiche ceppo-specifiche siano inscritte nella conformazione della PrPSc, con la variabilità di ceppo associata a varianti conformazionali della PrPSc. In questo studio ci siamo avvalsi del PMCA, tecnica che riproduce in vitro molti aspetti della biologia dei prioni, per mettere a punto condizioni sperimentali di replicazione che permettessero di osservare fenomeni di mutazione e selezione, onde investigare i meccanismi molecolari e di popolazione alla base della mutabilità dei prioni. In condizioni di replicazione eterologa, che mima la trasmissione tra diverse specie, è stato inizialmente possibile identificare un mutante difettivo della scrapie, caratterizzato da una diversa conformazione della PrPSc e capace di replicare in vitro ma non più in vivo. Le condizioni in cui tale mutante è emerso hanno permesso di sviluppare ulteriori ipotesi di lavoro, basate sul concetto della quasi-specie. Impartendo diversi regimi di replicazione e seguendo l’evoluzione di due ceppi, è stato possibile evidenziare fenomeni di mutazione anche in condizioni di replicazione omologa, in assenza di forti pressioni selettive. In entrambi i ceppi sono emerse varianti conformazionali di PrPSc durante passaggi replicativi ad ampia popolazione, mentre le popolazioni sottoposte a ripetuti colli di bottiglia hanno mostrato un rapido declino del tasso di replicazione. Sono stati infine investigati l’efficacia e il potenziale mutageno di molecole anti-prioniche, ottenendo importanti risultati preliminari sull’efficacia di molecole che legano la PrPC. Questi risultati evidenziano come la mutabilità sia una caratteristica intrinseca dei prioni e supportano l’idea che i prioni siano molto variabili, similmente alle quasi-specie virali, e perciò adattabili e proni a fenomeni di mutazione e selezione. Tali conclusioni hanno impatto su problematiche sanitarie quali lo studio del potenziale zoonotico e i fenomeni di farmaco-resistenza dei prioni.