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Facultad de Ciencias Veterinarias -UNCPBA- Evaluación de la capacidad de formación de biofilm por microorganismos patógenos causantes de enfermedades transmitidas por alimentos. Arbeleche Nicolás Agustín; Posada Izquierdo Guiomar Denisse; Etcheverría Analía. Marzo, 2019 Tandil Evaluación de la capacidad de formación de biofilm por microorganismos patógenos causantes de enfermedades transmitidas por alimentos. Tesina de la Orientación de Tecnología de los Alimentos presentada como parte de los requisitos para optar al grado de Veterinario del estudiante: Arbeleche Nicolás Agustín. Tutor: Posada Izquierdo Guiomar Denisse. Director: Etcheverría Analía. Evaluador: Tabera Anahí. RESUMEN La capacidad de los microorganismos para adherirse a las superficies y formar biofilms se ha convertido en una seria preocupación para la industria alimentaria. Principalmente porque dentro de estas comunidades las células son más resistentes a los procesos de limpieza y desinfección. Además pueden estar presentes patógenos alimentarios, lo que supone un riesgo para la salud pública. Por ello el objetivo de este trabajo fue evaluar y caracterizar la capacidad de formación de biofilm de Salmonella spp., Escherichia coli O157:H7, Listeria monocytogenes y Staphylococcus aureus subsp. aureus . En total ocho cepas fueron cultivadas a 30ºC durante 48 horas en placas micro-titer de poliestireno utilizando caldo infusión cerebro corazón y caldo tripticasa de soja como medios de cultivo. Se utilizó un espectrofotómetro Bioscreen C para medir la densidad óptica (DO) a 600nm. Posteriormente, se realizó una clasificación según la intensidad del biofilm producido. Los resultados obtenidos muestran que todas de las cepas fueron capaces de formar biofilm en alguna de las condiciones propuestas, exhibiendo en ciertos casos una fuerte producción. Esto propone un escenario en el cual habrá que trabajar activamente para asegurar la inocuidad de los alimentos y proteger al consumidor. PALABRAS CLAVE: Biofilm, Escherichia coli, Salmonella, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus. INDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1 CARACTERÍSTICAS DE LOS MICROORGANISMOS Y ENFERMEDADES CAUSADAS ........................................................................................................ 2 Escherichia coli verotoxigénico ....................................................................... 2 Síndrome urémico hemolítico ...................................................................... 3 Situación en Argentina ................................................................................. 4 Listeria monocytogenes .................................................................................. 4 Listeriosis ..................................................................................................... 5 Staphylococcus aureus ................................................................................... 6 Intoxicación estafilocócica ........................................................................... 7 Salmonella spp. .............................................................................................. 8 Salmonelosis ............................................................................................... 9 DEFINICIÓN DE BIOFILM ............................................................................... 10 FORMACIÓN DE BIOFILM .............................................................................. 10 Adhesión reversible ...................................................................................... 10 Adhesión irreversible .................................................................................... 11 Maduración ................................................................................................... 11 Dispersión ..................................................................................................... 12 HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DEL BIOFILM ..................................... 12 MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................ 14 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................... 17 CONCLUSIONES ............................................................................................. 22 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 23 1 INTRODUCCIÓN El acceso a alimentos inocuos y nutritivos en cantidad suficiente es fundamental para mantener la vida y fomentar la buena salud (OMS, 2017). Las enfermedades transmitidas por alimentos (ETA) son uno de los problemas de salud pública que se presentan con más frecuencia en la vida cotidiana de la población (OPS y FAO, 2016). Tal es así, que se estima que alrededor de 600 millones de personas enferman al año por ingerir alimentos contaminados, y se producen 420.000 muertes por la misma causa (OMS, 2017). Si bien los peligros que originan una ETA pueden ser de tipo físico, químico o biológico, en éste trabajo se profundizará sólo en el último; específicamente sobre ciertas bacterias y el biofilm (también llamado biopelícula) que son capaces de formar. Las biopelículas representan una seria preocupación para la industria alimentaria que pueden reducir la calidad y seguridad de los productos alimenticios debido al potencial contaminante que suponen (Somers et al., 2004), y son varios los factores que contribuyen a ello. Por un lado, la estructura del biofilm actúa como elemento protector de los microorganismos alojados confiriéndoles mayor resistencia física, química y mecánica (Flemming et al., 2016). Además de facilitar la concentración de nutrientes, minimiza el contacto con sustancias biocidas y previene la desecación del entorno (Carton et al, 2011). Por el otro, las superficies de las maquinarias y utensilios utilizados en la industria alimentaria, junto con la materia orgánica remanente de procesos de limpieza y desinfección deficientes, proporcionarían el aporte de nutrientes y las condiciones necesarias para la proliferación y supervivencia de microorganismos (Srey et al., 2013). Un informe de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA y ECDC, 2017) indica que durante el año 2016 se reportaron 2536 casos confirmados de listeriosis, 94530 de salmonelosis y 6378 asociados a Eschericha coli productora de toxina Shiga (STEC). El objetivo de este trabajo es determinar si cepas de Salmonella spp., Escherichia coli O157:H7, Listeria monocytogenes y Staphylococcus aureus subsp. aureus son capaces de producir biofilm en diferentes medios nutritivos. 2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MICROORGANISMOS Y ENFERMEDADES CAUSADAS Escherichia coli verotoxigénico Escherichia coli es una bacteria Gram negativa, aerobia-anaerobia facultativa; que pertenece a la familia Enterobacteriaceae. Se la considera microflora comensal del intestino de animales y humanos. En cuanto a su metabolismo, es capaz de fermentar glucosa y lactosa produciendo gas cuando se cultiva a 35ºC; de producir indol a partir de triptófano, y de arrojar resultados positivos a la reacción de rojo de metilo. Por otro lado es incapaz de utilizar citrato como única fuente de carbono; y de producir acetoína, hecho que se manifiesta al conseguir resultados negativos en la reacción de Voges – Proskauer. Teniendo en cuenta una serie de antígenos celulares, Kauffman estableció un sistema para identificar las diferentes cepas: el antígeno “O” somático (polisacáridos de la membrana externa) determina el serogrupo; el antígeno “H” flagelar(proteínas de flagelo) en combinación con el antígeno “O” (O:H) indican el serotipo. En algunos casos, antígenos “K” capsulares también son utilizados en la identificación bacteriana. En base a su mecanismo de patogenicidad, las cepas de Escherichia coli productoras de cuadros gastrointestinales se clasifican en seis patotipos: EIEC (E. coli enteroinvasivo), EAEC (E. coli enteroagrativo), ETEC (E. coli enterotoxigénico), EPEC (E. coli enteropatógeno), DAEC (E. coli difusamente adherente) y EHEC (E. coli enterohemorrágico). El patotipo EHEC también se ha descrito como STEC (E. coli productora de toxina Shiga) y VTEC (E. coli verotoxigénico) (Farfán García et al., 2016). El presente trabajo se centra particularmente en VTEC. Las cepas VTEC fueron relacionadas con brotes alimentarios en los cuales se presentó diarrea acuosa y colitis hemorrágica, el causante de ello fue la ingestión de carne cruda o mal cocida (Riley et al., 1983). Karmali (1983) asoció estas mismas cepas con pacientes con síndrome urémico hemolítico (SUH), y describió la presencia en heces de una citotoxina con actividad sobre las células Vero. Esta toxina denominada “Verotoxina” (también conocida como SLT, por sus siglas en inglés) es el principal factor de 3 virulencia. En los casos mencionados también se aisló E. coli O157:H7, sin embargo se sabe que serotipos no-O157:H7 son capaces de producir SUH (Misselwitz et al., 2003). Las verotoxinas guardan relación con la toxina Shiga producida por Shigella dysenteriae tipo 1 siendo esta unas de las toxinas bacterianas más potentes conocidas, y si bien comparten el mecanismo de acción, antigénicamente son diferentes (Melton Celsa, 2014). Las verotoxinas se clasifican en dos grandes grupos (SLT-1 y SLT-2) y están conformadas por una subunidad A y cinco subunidades periféricas B. La subunidad B es la primera en adherirse a los receptores Gb3 de la superficie epitelial de los enterocitos, e induce el proceso de endocitosis que le permite a la subunidad A alcanzar el citoplasma celular. Finalmente genera una alteración letal al interferir con la síntesis proteica ribosomal, lo que culmina con la muerte celular por apoptosis. Posteriormente las verotoxinas alcanzan la corriente sanguínea y los neutrófilos colaboran en la diseminación hacia otros tejidos. Las consecuencias letales antes mencionadas tienen el mismo efecto en las células endoteliales del glomérulo renal, eritrocitos y células cerebrales. Es por esto que las verotoxinas juegan un papel fundamental en el daño fisiopatológico ocasionado en el SUH (Prado et al., 2008). Síndrome urémico hemolítico El SUH fue descrito por Gasser por primera vez en 1955. Es una enfermedad de curso agudo que se caracteriza por presentar anemia hemolítica, microangiopatía trombótica, trombocitopenia, insuficiencia renal aguda y diarrea sanguinolenta que puede o no, estar presente (Ibarra, 2008). También suele presentarse con fiebre, vómitos, dolor abdominal; y el compromiso neurológico es frecuente. En su presentación atípica se produce una desregulación de la vía alternativa del complemento que aumenta el daño endotelial y generaliza la microangiopatía, lo que provoca la muerte o necesidad de diálisis en más del 50% de los pacientes (Campistol et al., 2013). Aunque el SUH afecta principalmente a niños menores de 5 años se han confirmado casos donde los pacientes alcanzaban los 13 años de edad (Torres et al., 2018). Los ancianos también pueden ser susceptibles (Ibarra, 2008). 4 Las vías de transmisión incluyen el contacto directo con animales, contaminación fecal-oral y la contaminación cruzada de alimentos. Los alimentos involucrados de mayor importancia son la carne y productos cárnicos (principalmente hamburguesas y carne molida poco cocida), leche y productos lácteos, y vegetales como los brotes de soja (Rivas, 2006). Situación en Argentina Argentina encabeza el ranking mundial con una tasa de incidencia anual de 15 casos/ 100.000 niños menores de 5 años. Todos los años se registran entre 300 y 500 casos nuevos de enfermedad (Antman et al., 2014). Además de ser la primera causa de insuficiencia renal aguda y la segunda de insuficiencia renal crónica (Betancor, 2016), es también causante del 29% de los trasplantes renales en niños y adolescentes (Exeni, 2001). Durante la fase aguda la mortalidad ronda entre 2 y 4%. Cerca del 60% de los pacientes logra superar esta etapa sin secuelas. Sin embargo, alrededor del 5% de los niños desarrolla insuficiencia renal crónica, que requerirá el trasplante renal o hemodiálisis permanente. Se calcula que 30% presenta grados variables de microhematuria y proteinuria que pueden persistir durante décadas (Ibarra, 2008). Listeria monocytogenes Listeria monocytogenes es un patógeno intracelular Gram positivo, aerobio anaerobio facultativo, móvil cuando se encuentra a menos de 30ºC, e incluso capaz de crecer a temperaturas de refrigeración y con bajos valores de actividad de agua. A esto mencionado, se le suma la tolerancia a elevadas concentraciones de sal y amplio rango de pH, que le confiere una resistencia extra a las condiciones ambientales y al efecto de las operaciones tecnológicas. Puede ser encontrada en el suelo, agua, heces y materia vegetal en descomposición. El principal reservorio lo constituye el ganado bovino, porcino y ovino. Los animales y el hombre pueden ser portadores asintomáticos (Cisternas, 2002). 5 En cuanto a su metabolismo, reacciona positivamente a la prueba de catalasa y negativamente a la de oxidasa; hidroliza la esculina, y es capaz de fermentar glucosa y maltosa (Benadof, 2008). En base a los antígenos somáticos y flagelares se describen 13 serotipos, de los cuales sólo 3 (1/2a, 1/2b, 4b) provocan la mayor parte de casos registrados de listeriosis en el hombre (Vera et al., 2013). El proceso de infección consta de varias fases: adhesión a la célula hospedadora, ruptura y escape desde el fagosoma hacia el citosol, y replicación dentro de este. Luego de la multiplicación intracelular se produce la proliferación extracelular (Vera et al., 2013). En todos estos pasos son necesarios una serie de factores de virulencia: factor regulador positivo A (PrfA): interviene en la expresión de los factores de virulencia (Lemon et al., 2010). listeriolisina O (LLO), fosfatidilinositol fosfolipasa C (PI-PLC), fosfatidilcolina fosfolipasa C (PC-PLC): colaboran en la lisis del fagosoma (Camejo et al., 2011). internalinas A, B, C y J (InlA, InlB, InlC, InlJ): participan en la adhesión e invasión celular (Bonazzi et al., 2009). Listeriosis La listeriosis es una enfermedad zoonótica que suele presentarse como casos esporádicos, y eventualmente, como brotes alimentarios. Afecta tanto a personas sanas como a inmunocomprometidas, ancianas, embarazadas, o niños recién nacidos (Sedano et al., 2013). El primer brote de listeriosis asociado a alimentos se registró en 1983 en Nueva Escocia. Este episodio fue originado por repollos contaminados con deposiciones de ovejas infectadas y dejó un saldo de 18 muertos (Schlech et al., 1983). Típicamente se presentan dos cuadros clínicos: uno gastrointestinal, y otro invasivo. El primero se presenta unas 20 h después de haber sido consumido el alimento contaminado y prevalecen las náuseas, fiebre, vómitos y diarrea. El cuadro invasivo tarda entre 20 y 30 días (hasta 70 días) en manifestarse, y los signos varían de acuerdo al asiento de la lesión; puede 6 producir septicemia, abortos, endocarditis e infecciones localizadas, y en ocasiones la muerte. Con frecuencia logra afectar al sistema nervioso central, donde produce meningitis o meningoencefalitis. La sintomatología nerviosa se expresa con cambios conductuales, cefaleas, compromiso de la consciencia, mareos e inestabilidad (Castañeda Ruelaset al., 2014). Aunque la tasa de incidencia es muy baja comparada con otras ETA, la importancia de esta enfermedad radica en la mortalidad, que puede alcanzar hasta el 30% de los casos (Martínez Macias et al., 2012). La listeriosis puede ser transmitida por contacto directo con animales infectados, de madre a hijo durante el parto o dentro del útero, y principalmente mediante la ingestión de alimentos contaminados (Rossi et al., 2008). Los alimentos de mayor riesgo involucrados son aquellos que se encuentran mínimamente procesados, o productos RTE (en inglés ready to eat, listo para comer). Dentro de estos se puede mencionar embutidos, productos cárnicos (incluyendo los curados), quesos y productos lácteos fabricados a partir de leche cruda, pescado, mariscos, y vegetales congelados (Cordoba et al., 2018). Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus subsp. aureus es un microorganismo Gram positivo, inmóvil, aerobio-anaerobio facultativo, que se dispone en agrupaciones similares a racimos de uva. Dentro de este género se describen 17 subespecies que se diferencian entre sí, entre otras cosas, debido a la capacidad de producir coagulasa (Hennekinne et al., 2012). La cepa estudiada en este trabajo es capaz de producirla, por lo que se la denomina “coagulasa positiva”. Además, este microorganismo es productor de catalasa, pero no de oxidasa (INSHT, 2012). Staphylococcus aureus habita en la piel y mucosas de aves y mamíferos, entre ellos los humanos. En estos últimos es considerado flora normal de la región nasal, y se estima que entre 25 y 50% de la población sana es portadora (Cervantes García et al., 2014). Las condiciones ambientales para que S. aureus se multiplique incluyen un rango de temperatura que puede ir desde 7 a 48ºC, con pH de 4 a 10, 7 actividad de agua de 0.83 a 0.99, ClNa de hasta 20% y un potencial redox de - 200 mV a +200 mV. Las condiciones ideales para la producción de enterotoxinas se encuentran en una zona más estrecha de los márgenes antes mencionados (FSAI, 2011). Cuando ocurre una intoxicación estafilocócica las enterotoxinas son las responsables de provocar la sintomatología asociada. Las enterotoxinas estafilocócicas son potentes exotoxinas gastrointestinales que se clasifican en 9 serotipos (SEA, SEB, SEC, SED, SEE, SEG, SEH, SEI y SEJ), y debido a que producen inmunosupresión y proliferación masiva e inespecífica de células T son considerados superantígenos (Kadariya et al, 2014). La cepa CECT-4466 incluida en este trabajo es productora de enterotoxina tipo D (SED). Hay que tener en cuenta que las enterotoxinas producidas por S. aureus son resistentes a las altas temperaturas, bajo pH y enzimas digestivas; lo que dificulta su inactivación (Fisher et al., 2018). El mecanismo por el que las enterotoxinas presentan actividad superantigénica es bien conocido; al contrario, el modo de acción involucrado en la actividad emética todavía sigue sin caracterizarse. Algunos estudios sugieren que la 5-hidroxitriptamina (5-HT) o la vía de serotonina podrían estar implicadas (Pinchuk et al., 2010). Intoxicación estafilocócica La intoxicación estafilocócica es una ETA que se origina a partir del consumo de alimentos que contienen toxinas preformadas. Los síntomas suelen aparecer entre 2 h y 8 h después de la ingesta; e incluyen hipersalivación, vómitos violentos, náuseas y calambres abdominales, con o sin diarrea. Aunque los niños y ancianos pueden presentar cuadros severos que requieren hospitalización, ésta es una enfermedad autolimitante que suele resolverse en 24 a 48 h (Argudin et al., 2010). La principal fuente de contaminación son los manipuladores de alimentos portadores de S. aureus, a través del contacto directo y prácticas inadecuadas. Debido a que S. aureus compite pobremente con la microflora de los alimentos crudos, las contaminaciones se asocian principalmente a los alimentos 8 previamente cocidos, y que luego fueron almacenados en condiciones que permiten la proliferación y producción de toxinas (Argudin et al., 2010). Los alimentos involucrados en este tipo de intoxicaciones son generalmente sándwiches, tortas, productos hechos en base a huevo y productos de pastelería (particularmente aquellos rellenos con crema y productos lácteos). S. aureus es un microorganismo halófilo por lo que los productos salados no quedan excluidos (Kadariya et al., 2014). Salmonella spp. El género Salmonella está conformado por más de 2500 serovares, entre ellos S. Typhimurium y S. Enteritidis son los notificados con mayor frecuencia a nivel mundial (Marcelo et al., 2017). Salmonella Enteritidis es una enterobacteria Gram negativa, aerobia- anaerobia facultativa, no esporulada, que presenta movilidad por medio de pili. Este microorganismo es oxidasa negativo, no fermenta lactosa, y da resultados negativos a las pruebas de Voges- Proskauer, indol y ureasa; pero arroja resultados positivos a la prueba de catalasa, citrato, rojo de metilo, fermentación de glucosa, y descarboxilación de lisina y ornitina. Además es capaz de producir gas y ácido sulfhídrico (Stanchi, 2007). Estas bacterias crecen en temperaturas de entre 5 y 45ºC, y son destruidas a más de 70ºC. Son incapaces de crecer en medios con Aw inferior a 0,94 (Villagomez Estrada, 2015), pero toleran la acidez estomacal y la alta osmolaridad intestinal (Barreto et al., 2016). El género Salmonella habita en el tracto gastrointestinal de humanos y otros seres vivos que actúan como reservorios. Entre estos se puede mencionar aves de corral, ganado vacuno, cerdos, mascotas, e incluso reptiles; pero también puede ser hallado en el ambiente. Los animales infectados, a través de sus heces, contaminan el suelo, plantas, y fuentes de agua (Wiedemann et al., 2015; WHO, 2018). El mecanismo por el que este patógeno infecta al huésped depende de la producción de una serie de factores de virulencia. Dentro de estos se incluyen: fimbrias (SEF21, Curli, Pef, Lpf), adhesinas (BapA, SiiE, ShdA, MisL), flagelos, 9 lipopolisacáridos, invasinas (Rck, PagN), Sistema de secreción tipo 3 (T3SS-1). La regulación y expresión de estas herramientas son un proceso complejo que se encuentra codificado en Islas de Patogenicidad (SPI-1 a SPI-5) (Wiedemann et al., 2015). Salmonelosis La salmonelosis es una enfermedad zoonótica, mundialmente distribuida, causada por enterobacterias del género Salmonella (principalmente S. Typhimurium y S. Enteritidis) que anualmente provoca cuadros gastroentéricos en más de 93 millones de personas, de los cuales 80 millones son transmitidos por alimentos y 155.000 mueren (Majowicz et al., 2010). Esta enfermedad se caracteriza clínicamente por presentar de forma brusca diarrea acuosa o sanguinolenta, fiebre, cefalea, dolor abdominal, náuseas y ocasionalmente vómitos. Los signos aparecen entre 6 h y 72 h después de haber ingerido el alimento contaminado, y persisten por hasta 7 días (Parra et al., 2002). El estado de los pacientes puede complicarse dando lugar a deshidratación, artritis, o septicemia; y sobrevenir la muerte cuando los afectados son niños o personas inmunocomprometidas (ANMAT y RENAPRA, 2015). La salmonelosis se transmite directamente al tomar contacto con animales portadores asintomáticos, por vía fecal-oral, o indirectamente a través de los alimentos contaminados (Barreto et al., 2016). Los alimentos implicados son huevos y productos derivados; carne aviar (pollo y pavo), de cerdo, vacuna y productos derivados; productos de las pesca; leche y productos lácteos; y en menor medida vegetales (EFSA y ECDC, 2017). 10 DEFINICIÓN DE BIOFILM El biofilm se define como una comunidad microbiana sésil, conformada por células que están adheridas irreversiblemente a un sustrato o interfase, o unas con otras; encerradas en unamatriz de sustancias poliméricas extracelulares producidas por ellas mismas; y que exhiben un fenotipo alterado en relación con la tasa de crecimiento y trascripción génica (Donlan, 2002). FORMACIÓN DE BIOFILM La formación de biofilm es un proceso complejo regulado por diversos factores que todavía no están del todo comprendidos (Stepanovic et al. 2004). A continuación se resumen (Figura 1) una serie de eventos en el que algunos autores logran coincidir: Figura 1. Etapas de la formación de biofilm (Fuente: Jacques, 2013). Adhesión reversible El proceso de formación del biofilm inicia con la adherencia de las células bacterianas a la superficie. Esta adhesión es inicialmente reversible, y puede darse de forma pasiva o activa, es decir que si bien estructuras como los flagelos, fimbrias y pili pueden contribuir a la adherencia primaria, no son esenciales para ello. Se refuerza esta idea al observar que muchas bacterias inmóviles tienen capacidad de formar biopelículas (Farinati, 2017). Se sabe que en esta unión reversible intervienen fuerzas electroestáticas, de van der Waals e interacciones hidrofóbicas. Estas fuerzas son afectadas por diversos factores, entre ellos 11 presión, temperatura, nutrientes y energía disponibles en el medio. Es necesario que las fuerzas de atracción venzan a las de repulsión durante el tiempo suficiente para que las bacterias se fijen unas a otras y a la superficie. La unión entre bacterias por medio de apéndices promueve reacciones de hidratación y oxidación que facilitan la formación de enlaces con la superficie (Navia et al., 2010). Adhesión irreversible La etapa irreversible del proceso comienza cuando las uniones débiles se tornan permanentes, y la presencia de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) colaboran en ello (Stoodley et al., 2002). Para que esto ocurra son necesarios una serie de cambios fisiológicos, y la expresión de los genes involucrados se ve afectada por las características de la superficie, entre ellas rugosidad, carga, hidrofobicidad, presencia de un medio acuoso y sus propiedades (Donlan, 2002; Stoodley et al., 2002). Otros estímulos externos como la densidad poblacional y el stress nutricional pueden influir sobre la expresión génica (Chmielewski y Frank, 2003). La producción de EPS junto al continuo crecimiento y agregación de nuevos microorganismos da lugar a la formación de microcolonias. Está demostrado que durante estos procesos de agregación, bacterias planctónicas del ambiente circundante son reclutadas mediante la comunicación célula a célula (quorum sensing) (Chmielewski y Frank, 2003). Los mensajeros que intervienen en la comunicación célula a célula deben llegar a las concentraciones requeridas para activar los genes involucrados en la diferenciación del biofilm hacia la madurez (Donlan, 2002). Maduración Se dice que el biofilm ha madurado cuando desarrolla una estructura organizada, que se describe como un grupo de microcolonias que se disponen en una capa simple o múltiple, contenidas dentro de una matriz de EPS que forma poros y espacios intersticiales por el que discurren canales de agua (Chmielewski y Frank, 2003). 12 Dispersión La dispersión es la última fase de la formación del biofilm, y se explica como un proceso activo en el que las células se desprenden de la comunidad hacia el medio, lo que les permite alcanzar nuevos nichos que les sean favorables. Una vez liberadas, las células retoman sus caracteres planctónicos (Stoodley et al., 2002). HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DEL BIOFILM En la actualidad hay gran variedad de herramientas que permiten cuantificar y observar distintos aspectos relativos a los biofilms. Según las distintas clasificaciones pueden ser físicas, químicas, microbiológicas, moleculares, de microscopia; in situ y ex situ; directas e indirectas; y estar orientadas a la evaluación de formación de biofilm, adhesión celular y cuantificación de células adheridas, identificación y localización de microorganismos dentro del biofilm, composición de EPS, además de medición de biomasa y viabilidad. En cuanto a las técnicas microbiológicas-moleculares la determinación de unidades formadoras de colonias (UFC) es la más utilizada para determinar la viabilidad celular (Azeredo et al., 2017). También se dispone de otras metodologías como la citometría de flujo y qPCR pero su complejidad aumenta. La espectroscopía de impedancia electroquímica (ECIS) es una técnica física que permite de manera indirecta evaluar la biomasa de un biofilm. Otros procedimientos como la tomografía computada por rayos X y resonancia magnética nuclear (NMR) pueden ser usadas para el estudio de las estructuras del biofilm. La microscopía es un pilar fundamental en el estudio de la microbiología, y elementos como el microscopio de laser confocal (CLSM) constituyen una de las herramientas ópticas más poderosa y versátil al momento de observar el desarrollo espacial de los biofilms y los procesos asociados. Ésta tecnología elimina señales fluorescentes fuera de foco a la vez que recoge imágenes en un 13 plano focal a resolución unicelular. La superposición de tales planos sumado a un análisis de imágenes, permite construir modelos 3-D con referencias cuantitativas de parámetros como grosor, rugosidad, biovolumen, y la muerte celular dentro de él. Su principal limitación es que la autofluorescencia de la muestra puede ocultar las señales de interés (Azeredo et al., 2017). En cuanto a las tinciones, se han descrito protocolos utilizando rojo congo, trypan blue y safranina, pero sin dudas el colorante más frecuénteme utilizado es el cristal violeta (Stepanovic et al., 2007). La metodología propuesta por Chritensens et al. (1982) emplea cristal violeta para evaluar la adherencia celular de forma cualitativa, incluyendo tubos como plataforma de cultivo celular. En este protocolo se realizan una serie de lavados, fijación, y tinción para revelar el biofilm adherido a la pared interna. El punto negativo de éste método radica en la subjetividad de la determinación puesto que está sujeta a la percepción del observador. Los ensayos en microplacas siguen el mismo concepto, pero al reemplazar al observador por un espectrofotómetro, se anula el componente subjetivo. El estudio de la formación de biofilms por el método de microplacas es con toda certeza el más difundido (Stepanovic et al., 2007). Esta técnica fue desarrollada por Fletcher para investigar la adherencia bacteriana y más tarde se comprobó su aplicación para el estudio de comunidades bacterianas sésiles. Entre las ventajas se puede destacar su versatilidad, al poder ser utilizado con gran número de microorganismos; y el alto rendimiento, que permite la combinación de muchas condiciones diferentes en simultáneo. Dentro de sus limitaciones hay que remarcar que debido a la naturaleza inespecífica del cristal violeta, esta prueba es incapaz de diferenciar entre microorganismos cuando las comunidades son polimicrobianas. Además por un lado puede subestimar la capacidad de desarrollo sésil debido al barrido de los microorganismos débilmente adheridos durante las maniobras de lavado, pero por el otro puede sobreestimarlo a causa del efecto de la gravedad sobre las células planctónicas, que pueden sedimentar y adherirse al fondo de los pocillos. Otro inconveniente es la falta de reproducibilidad, y a pesar de tener un uso generalizado, hay una amplia variedad de protocolos de tinción que dificulta la comparación de resultados entre los distintos estudios (Azeredo et al., 2017). 14 MATERIALES Y MÉTODOS Se utilizaron tres cepas de Salmonella spp. (CECT-556, GFP-690, GFP- 687), dos cepas de Escherichia coli O157:H7 (GFP-686, CECT-4782), dos cepas de Listeria monocytogenes (CECT-4032, CECT-935) y una cepa de Staphylococcusaureus subsp. aureus (CECT-4466). Todos los microorganismos pertenecen al Grupo de Investigación Higiene Bromatológica (HIBRO, PAIDI AGR-170) perteneciente al Departamento de Bromatología y Tecnología de los Alimentos de la Universidad de Córdoba, España. Se utilizaron como medios de cultivo caldo infusión cerebro corazón (BHI) y caldo tripticasa de soja (TSB). Ambos medios se utilizaron puros, y en el caso de TSB también se incluyó la dilución 1:10000. Las cepas GFP-690 y GFP-687 (Figura 2) fueron, además, cultivadas en medios a los que se le adicionó 15 μg/ml de gentamicina, con el fin de promover la expresión de genes fluorescentes y así facilitar su identificación. Figura 2. En la placa de la derecha se observa la fluorescencia de la cepa GFP-687 expuesta a luz UV. La técnica empleada fue una modificación de la descrita por Patel et al., 2010. Los microorganismos, que se encontraban congelados en criobolas dentro de crioviales a -20ºC, fueron reactivados cultivándolos en caldos nutritivos TSB y BHI durante 24 h a 37ºC. Una sola criobola fue utilizada como inóculo 15 inicial. Posteriormente, mediante asas de inoculación estériles de 10 μl, se realizaron un total de 4 subcultivos. Del último subcultivo se tomaron inóculos con 16 h de incubación. En el caso del TSB también se utilizó una dilución 1:10000. Luego 200 μl de los inóculos puros y diluidos, y 200 μl de medio fueron depositados en cada pocillo de una placa de microtitulación de poliestireno estéril. Las placas de microtitulación fueron incubadas en condiciones estáticas durante 48 h a 30°C (Figura 3). Figura 3. Placa con BHI cultivada durante 48 h. En cada réplica del experimento se utilizaron 8 pocillos por cada cepa y condición establecida, y 2 pocillos como control negativo. Como control negativo se usó medio de cultivo carente de inóculo bacteriano. Después de incubar las microplacas por 48 h, se eliminaron los 400 μl contenidos por volcado, y cada pocillo fue lavado tres veces con agua destilada estéril. Las microplacas se dejaron secar al aire durante 5 minutos. Posteriormente se adicionaron 400 μl de cristal violeta (solución al 0.41%) en cada pocillo y se dejó actuar durante 20 minutos. Transcurrido ese tiempo la solución de cristal violeta fue removida por volcado, y siguiendo el procedimiento 16 antes explicado se hicieron otros tres lavados con agua destilada estéril. Nuevamente las placas fueron secadas al aire durante 5 minutos. A continuación se le adicionó a cada pocillo 400 μl de etanol 96% (Figura 4) y se procedió a medir la densidad óptica (DO). Para medir la DO se empleó un espectrofotómetro Bioscreen C a 600nm. Figura 4. Placa con etanol previa a la medición de DO. El valor de corte por DO (DOc) se definió como el valor de la media de los controles negativos más tres desviaciones estándar por encima de los mismos. De esta manera las cepas fueron clasificadas como no productoras de biofilm (DO ≤DOc); débiles productoras de biofilm (DOc< DO ≤ 2x DOc); productoras moderadas de biofilm (2x DOc< DO ≤ 4X DOc); fuerte productora de biofilm (4X DOc< DO) (Stepanovic et al. 2004). 17 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Si bien hay numerosos estudios que prueban que los géneros bacterianos estudiados son capaces de formar biopelículas, el objetivo de este trabajo fue obtener resultados para estas cepas pertenecientes a la colección del laboratorio. Por otra parte no se hicieron pruebas adicionales, por lo que la falta de información acerca de las características fenotípicas y genotípicas de los microorganismos empleados podría ser una limitación. Tabla 1. Resultados. (*)Las cepas GFP-687 y GFP-690 fueron cultivadas en medios a los cuales se agregó 15 μg/ml de gentamicina. Microorganismos BHI TSB TSB (1:10000) Listeria monocytogenes CECT- 4032 No productor No productor Débil Listeria monocytogenes CECT-935 No productor No productor Moderado Salmonella spp. GFP-687 Débil No productor Débil Salmonella spp. GFP-687 + GEN* Moderado Moderado Moderado Salmonella spp. GFP-690 Fuerte No productor Moderado Salmonella spp. GFP-690 + GEN* Moderado No productor Débil Salmonella spp. CECT-556 Débil Débil No productor Escherichia coli O157:H7 GFP-686 No productor Débil No productor Escherichia coli O157:H7 CECT- 4782 Moderado Fuerte Fuerte Staphylococcus aureus subsp. aureus CECT-4466 Débil Débil Fuerte 18 Los ensayos realizados revelan que la totalidad de las cepas fueron capaces de formar biofilm en alguno de los medios propuestos (ver Tabla 1). En cuanto a la intensidad para producir biofilm, de las 30 condiciones evaluadas (sin diferenciar entre medios de cultivo), las cepas fueron capaces de producirlo fuertemente en el 13,3% (4/30); en el 23,3% (7/30) lo produjeron de forma moderada; y en el 27% (9/30) de forma débil. En el 33,3% (10/30) de las situaciones no se observó formación de biofilm. Ambas cepas de L. monocytogenes fueron incapaces de formar biofilm en los medios de cultivos puros, por el contrario pudieron formarlo en el medio TSB diluido. Mientras que las investigaciones de Zhou et al. (2012), Combrouse et al. (2013) y Kadam et al. (2013) concluyen que la formación de biofilm se ve favorecida por medios pobres en nutrientes, los trabajos de Stepanovic et al. (2004), Harvey et al. (2007) y Guilbaud et al. (2015) muestran que medios más enriquecidos promueven que L. monocytogenes forme mejores biofilms. Adetunji y Odetokun (2012) compararon un medio enriquecido con sangre de oveja a diferentes concentraciones; y aunque los resultados muestran que el medio menos enriquecido dio lugar a una formación de biofilm superior, no pudieron encontrar explicación a tal observación. Por otro lado hay que tener en cuenta la temperatura a la que estas bacterias fueron cultivadas. L. monocytogenes es móvil y expresa flagelos cuando se encuentra a 30ºC o menos; por encima de esta temperatura peligra la transcripción de genes flagelares debido a la represion que MogR ejerce sobre ellos. Lemon et al. (2007) demuestra la importancia de la motilidad en las primeras etapas de la formación de biopelículas a través de su estudio, en el cual las cepas inmóviles exhibieron deficiencias para lograr la adhesión inicial y la subsecuente formación de biofilm. Norwood y Gilmour (2001) concluyen que la temperatura óptima a la que L. monocytogenes forma biopelículas es 18ºC. Sin embargo los resultados obtenidos por Pan et al. (2010) indican que la formación a 37ºC es mayor que a 30ºC. Según Di Bonaventura et al. (2008) a esta temperatura aumentaría la hidrofobicidad. https://scialert.net/fulltext/?doi=ajft.2012.517.531#943083_ja https://scialert.net/fulltext/?doi=ajft.2012.517.531#958745_ja https://scialert.net/fulltext/?doi=ajft.2012.517.531#942929_ja 19 Tanto la temperatura como los nutrientes son factores críticos en la producción de biofilm, por lo que deben ser estudiados más en profundidad. Los resultados obtenidos en este trabajo concuerdan con estudios previos en los que se evidencia que Salmonella es capaz de formar biofilm sobre superficies plásticas (Joseph et al., 2001; Mireles et al., 2001; Stepanovic et al., 2004). La cepa GFP-687 formó biofilms débiles en los medios que no contenían antibiótico; y originó biopelículas moderadas en todos aquellos medios que contenían gentamicina, por lo que parece que podría tener cierta regularidad en la producción de biofilm. Algo opuesto sucede con la cepa GFP-690, que produjo biofilm moderado en TSB diluido sin gentamicina, pero lo formó débilmente cuando se la expuso al antibiótico. El mismo comportamiento se presentó en el medio BHI; cuando no hubo gentamicina la biopelícula se formó fuertemente, pero la adición del antibióticopermitió que un biofilm moderado tenga lugar. Curiosamente, se observa que la presencia de gentamicina no afectaría la tendencia de las cepas al formar biofilm, pero sí la intensidad con que lo hacen. Aunque ambas cepas son resistentes a dicho antibiótico, la cepa GFP- 690 parece verse perjudicada formando biopelículas más débiles; por el contrario, la gentamicina promovería a la cepa GFP-687 a formar biofilms más fuertes. Son necesarios más estudios para poder explicar esta situación. A diferencia de las cepas antes mencionadas, Salmonella CECT-556 fue capaz de producir biofilms sólo en los medios sin diluir, y lo hizo débilmente. Trabajos previos (Agarwal et al., 2011; Lianou y Koutsoumanis, 2012) asumen que la variabilidad dentro de un mismo serotipo es lo que dificulta en mayor medida la comparación de la capacidad de formación de biofilm en las diferentes cepas. Para Agarwal et al. (2011) las características intrínsecas de cada cepa, como la presencia de apéndices celulares (fimbrias, flagelos, proteínas de membrana, exopolisacáridos); y las características de la superficie de contacto, podrían ser incluso más importantes que las condiciones ambientales para la producción de biopelículas. La influencia de los serotipos en la capacidad de producción de biopelículas por las cepas de Salmonella aún no se ha aclarado completamente, 20 y pocos estudios han comparado sus diferencias (Borges et al., 2018); es por esto que futuras investigaciones son necesarias para determinar si existe alguna correlación. Los resultados muestran que en todos los casos estudiados E. coli O157:H7 CECT-4782 produce biofilm más fuertemente que la cepa GFP-686. La cepa CECT-4782 produjo biofilms fuertes en los medios TSB puro y diluido, pero lo hizo moderadamente en BHI. Por otro lado, E. coli O157:H7 GFP- 686 solo formó una biopelícula débil en el medio TSB puro. Estas diferencias entre cepas han sido reportadas previamente en las investigaciones de Dourou et al. (2008), Biscola et al. (2011) y Wang et al. (2012). En ellas concluyen que bajo condiciones controladas de crecimiento, la capacidad de formación de biofilm es un fenómeno cepa-dependiente y que no se restringe a ningún serotipo en particular. Posiblemente, esto se deba al rol que cumplen elementos de adhesión como fimbrias, curli, celulosa (exopolisacarido) y proteínas autotransportadoras. Algunos autores sugieren que profagos y factores sigma (RpoS, RpoD) modifican la actividad de genes (mlrA, csgD) que regulan la expresión de los factores de virulencia antes mencionados, de manera que constituyen un elemento clave para la formación de biofilm (Ogasawara et al., 2010; Uhlich et al., 2013). Se asume que la expresión de componentes de la matriz extracelular, temperatura, hidrofobicidad bacteriana, estructura y carga de la superficie, propiedades de los materiales involucrados, entre otros factores ambientales y fisiológicos; interactúan de formas complejas en los procesos dinámicos de formación de biofilm lo que dificulta su total comprensión (Puttamreddy et al., 2010; Lajhar et al., 2018). Estudios anteriores indican que S. aureus forma biopelículas sobre superficies de poliestireno (Di Ciccio et al., 2015; Gowrishankar et al., 2016; Kim et al. 2016) y los resultados de este trabajo coinciden con ello. La cepa CECT-4466 fue capaz de formar biofilm débil en los medios BHI y TSB regulares, pero lo hizo fuertemente en el medio TSB diluido. 21 Rode et al. (2007) describe al menos dos mecanismos por el que S. aureus puede formar biofilms, uno ica-dependiente y otro ica-independiente. En el primero intervienen dos polisacáridos estrechamente relacionados, poli-N-acetilglucosamina (PNAG) y polisacárido de adherencia intercelular (PIA). El mecanismo ica-independiente está mediado por proteínas asociadas a biofilms (Bap) y proteínas relacionadas a Bap. Estas proteínas que se caracterizan por un alto peso molecular se encuentran en la superficie celular; y actúan facilitando la agregación celular (Archer et al., 2011). En los trabajos realizados por Gutierrez et al. (2012), Vázquez Sanchez et al. (2012), Szczuka et al. (2013), Tang et al. (2013), Gowrishankar et al. (2016) y Ávila Novoa et al. (2018), la mayoría de la cepas eran portadoras de genes ica, en algunos casos hasta 100%. Aunque en este trabajo no se hicieron pruebas para determinar la presencia de tales genes, es una posibilidad que no puede ser descartada. 22 CONCLUSIONES El presente trabajo demostró que hay cepas de Salmonella spp., E. coli O157:H7 L. monocytogenes y S. aureus que pueden formar biopelículas, lo que podría permitir que estos patógenos persistan en los establecimientos elaboradores de alimentos, constituyendo un gran peligro para la seguridad de los consumidores. Y aunque puede que las condiciones de cultivo propuestas no sean idénticas a las encontradas en la industria, hay un sinnúmero de factores que modifican el comportamiento de los microorganismos y que deben ser estudiados en profundidad si quieren resolverse los interrogantes de la cuestión. 23 BIBLIOGRAFÍA Adetunji, V. O.; Odetokun, I. A. (2012). Biofilm formation in human and tropical foodborne isolates of Listeria strains. American Journal of Food Technology. 7: 517-531. 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