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, , - UTILIZACION DE Lj\ HUELLA GENOMICA, PCR Y RIBOTIPIFICACION-PCR PARA ESTUDIOS-DE CARACTERIZACIÓN GENÉTICA DE CEPAS DE- Salmonella enteritidis AISLADAS EN PLANTELES , AVICOLAS -f' Jesús E. Ruano B., Bact. *; MS; Fernando Ariza B., MV, MS; Francisco Bustos M., MVZ1 MS, MVSc. RESUMEN En el presente estudio, se evaluó fa utilidad de la huella genó~ica, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y fa ribotipificación, para fa caracterización de cepas de Si1/monellil especie,, aisladas en planteles avícolas. Treinta cepas de Sillmo- nellil especie fueron obtenidas a partir de muestras fe cales; saco vitelino, hígado y ciegos. Mediante pruebas bioquímicas y exámenes serológicos, veinticuatro cepas fueron clasificadas como S. enteritidi.s,; una como S. pl/inilrum, una como S. pullorum y cuatro como S.. typhimurium. El análisis del DNA cromosoma) después de fa digestión con enzimas de restricción PVu 11., SAL I o Hind III y electroforests, demóstró diferentes patrones entre las especies de Si1/monelli1. Un producto de 496 bp fue obtenido de todas fas cepas, utilizando la técnica de PCR para el gen operon transportador de la histidina. Cuando se utilizó el DNA de S. enteritidis para la prueba de ribotipificadón - PCR empleando cebadores para la región 1 6s y 23s del RNA ribosomal, fue posible evidenciar distinto~ perfiles electroforéticos, no observados por la huella genómicá del· DNA cromosoma(. Los resultados muestran el uso práctica de las ----Posgrado en Microbiología. Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, D.C.; Programas de Biología Molecular y Medicina Aviar. CORPOICA - CEISA, Av. Eldorado No. 42-42 Bogotá, D.C. 6 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 técnicas moleculares, para evaluar la difusión de S. enteritidis entre los planteles avícolas y para establecer la relación genética entre los aislamientos. Palabras claves adicionales: huella genómica, PCR, ribotipi ... ficación, Salmonel/a • .. ABSTRACT GENOMIC FINGERPRINT, PCR,. AND PCR- RIBOTYPING FOR THE GENETIC CHARACTERIZA- ' TION OF Salmonella enterlddls STRAINS ISOLATED FROM COMMERCIAL POULTRY FLOCKS In this study was assesed the usefulness of the genomic finger- print ,analysis, polimerase chain reaction (PCR) and polimerase chain reaction rlbotyping to the molecular characterlzation of Salmonella strains isolated from commercial -poultry opera- tions. Thirty Salmonella stralns were lsolated elther from fecal samples, yolk sac, livers and cecum. By biocheniical and sero- logical tests, 24 strains .were classified as S. enterltldls, oneHas s. ga/1/narum, one as S. pul/orum, and four as S. typ/J/murliim. Chromosomal DNA analysis after d.ig-estion with the restric- tion enzymes Pw 11, Sal I or Hind 111 ~nd electrophQresis, showed different patterns among the St1/monntl/la species. By PCR amplification of the histidlne transport operon-gen a 496 bp product was obtained from all the stralns. When DÑA from S. enteritidíswas used for polymerase chain reaction ribotyping using primers dlrected to the 165 and 23S ribosomal RNA coding region, it was posslble to diff erentiate distlnct electro- phoretic pattems not sñown by flnger prlnt of the chromo- somal DNA. These results show the practical use of these molec.,.lar technlques to monitor the spread of Salmonellt1 enterlddis strains between flocks and to establlsh the genetic relationship among isolates. Addltlonal lndex words: Salmonella, flngerprint, PCR, ribotyping. RUANO B., J.E. et al. Huella genómica de Sallllone/la 7 [I] a industria avícola es la más tecnificada dentro del sector agropecuario del país, y cuenta con una población superior a 400.000.000 de aves. Sin embargo, existen problemáticas de tipo infeccioso las cuales ocasionan pérdidas económicas a esta industria, como es el caso se la salmonellosis aviar. (Arroyo y Bustos, 1993). · .. ' En la ·;~t'uali1ad se habla de la salm.onellosis como un problemi de importancia mundial, debido a que es un tipo de infección .queilo reconoce barreras internacionales,·~a(e~ta a la mayqría de especies animales y es considerada como un importante agente zoonótico {Ariza et al., 1993). El desarrollo explosivo de la sociedad industrial durante los últimos treinta años ha dado -lugar a que productos de origen animal representen la principal fuente de proteína para la alimentación hu~,.JQ_ cual ha~ conducido a la industrialización del sector agropecuario y a una adecuada racionalización de la nutrición animal (Garlan, 1995}. ··---. Un seguimiento epidemiológico de la _Jalmonella spp. está basado principalmente en la sero y fago tipificación, para lo cual se requiere un grupo de .antisueros costosos y suspensiones de fagos que no están comercialmente disponibles y no son de fácil estandarización. { Olsen, 1992 ). Es así, como el uso de las técnicas de manipulación del AON y su aplicación a la taxonomía bacteria! y a la epidemiología de las mismas se han desarrollado en los últimos años , en particular el análisis de patrones de restricción del ADN cromosoma!, el uso de la reacción en cadena de la polimerasa {PCR) y sus aplicaciones adicionales a la ribotipificación. Resulta difícil implementar un plan para el control y erradicación de Salmonella enteritidis ya que, a diferenci_a de lo que ocurre ton Salmonella gallinarum o Salmonella p(!llorum, el microorganismo no es específico de ~uésped y puede ser transportado biológicamente por numerosas especies incluyendo al hombre; además, puede estar presente en algunas materias primas o en el alimento terminado (Christians et al., 1992 ). Uno de los principales objetivos del examen microbiológico ha siso~, d: ?emostrar la presencia de microorganismos patógenos en r:nuest~as chnicas y patológicas asociadas con enfermedades infecciosas. (E1sentE:in1 1986; Kapperud et al., 1989). En cambio, con el de~(lrfOflo de la ger:1étrca 8 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 molecular las nuevas tecnologias disponibles permiten realizar determinaciones de patógenos utilizando pruebas diagnósticas de una alta sensibilidad y especificidad y en periodos más cortos (Owen, 1989; Rivera et a/.,1991). ' u Por esta razón se propuso el presente estudio de evaluación de cepas nacionales, utilizando tecnologías más sensibles y específicas que puedan servir como base para futuros estudios epidemiológicos. ' MATERIALES Y MÉTODOS Muestras Se estudiaron en total 30 muestras: 24 de Salmonel/a enteritidis, cuatro de Salmonella typhimurium, una de Salmonella gallinarum y una de Sa/mo- nella pullorum, provenientes de planteles avícolas de los departamentos del Atlántico, Caldas, Cundinamarca Y Valle del Cauca. Después de su identificación, las cepas se conservaron a -20ºC en caldo infusión cerebro corazón (BHI) con 20% de glicerol. Sitio de estudio Las muestras fueron procesadas en el Laboratorio de Biofogía Molecu- lar de Bacterias en el Centro de Investigación en Salud y Producción-Ani- mal (CEISA} de la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria, CORPOICA. Análisis bacteriológico Las muestras recolectadas se sembraron en Agar Mac Conkey y se incubaron a 3 7ºC. por 24 "' '"as. Las cepas de Salmonel/a spp. fueron sometidas a pruebas bioquímicas r serológicas, Y posteriormente fueron subcultivadas en el medio líquido 1B -Luria Bertani. Obtención del ADN cromosomal Las cepas de Salmonella spp. se cultivaron en 30 mi de medio líquido Luria Bertani y se incubaron a 37ºC durante 18 horas en agitación constante. RUANO B., ]. E. ee al. Huella genómica de Salmonella 9 El cultivó se centrifugó por 1 O minutos a 5000 gen tubos falcon de SO mi; lueg~ se descartó -~I sobrenadante dejando el pellet lo más seco posible, el cual se -r~s_uspend10 con 5 mi de buffer PBS y se centrifugó a SflOO g durante 5 minutos; este procedimiento se realizó por 3 veces para obtener un pellet limpio de medio de cultivo. '- --............_______ \ ·El pellet se ~ometió a va(ips tratamientos con lisozima, proteinasa K, SOS y fenol cloroformo isoamil, según la técnica empleada por Sambrook et al., (1989). - Cuantificación del ADN Dos métodos fueron usados para medir la cantidad del ADN en una -- preparación: A. Por espectrofotometrí~: Este método se usa cuando la muestra es pura. Se preparó la muestra diluyendo 5 µI del ADN en 995 µI de agua ultrapura. Se mezcló muy bien y se hicieron lecturas con dos longitudes de onda, 260 y 280 nm. La lectura a 260 nm permite calcular la concentración del ADN en la muestra. La división entre la lectura de 260 nm sobre la de 280 nm permite estimar la pureza del ácido nucléico. La pureza del ADN comprende valores entre 1.8 y 2.0. B. Por fluorescencia con bromuro de etidio: Algunas veces no es suficiente la cantidad del ADN o éste puede estar contaminado con otras sustancias que absorben la radiación ultravioleta. Una vía rápida para estimar la cantidad del ADN en tales muestras consiste en usar la fluorescencia emitida por moléculas de bromuro de etidio intercaladas entre el ADN. Una serie de diluciones comprendidas entré 1 y 20 µg/ml fueron preparadas a partir de un patrón de concentración conocido. Se colocó una gota de cada dilución sobre un plástico transparente y un~ gota de cada una de las muestras por analizar. A cada gota se le adicionó otra de buffer TE pH 7.6 que contenía 2 µg/ml de bromuro de etidío y se vis-waHzó con luz UV para analizar las concentraciones del ADN, cortAp,ar:ar1<tlo la intensidad de la fluorescencia er-1 la muestra con fas dilud0roes del 'p>atrón (Figura 1 ). 1 O Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de t 997 FIGURA 1. Huella genómica del ADN de S. enteritidis de cepas de pollitos de 8 días de nacidos. ' Carril A: marcador de peso molecufar de 100 pb. Carriles 8-J: cepas de S. enteritidis dige- ridas con la enzima de restricción sal I, gel de agarosa al O.SS % teñido con bromuro de etidio fotografiado con rollo de Polaroid 667. Digestión del ADN con enzimas de restricción En este estudio se utilizaron cuatro clases de endonucleasas; cada enzima presenta un sitio de corte y un origen diferente. La digestión del ADN depende del tipo de gel utilizado (agarosa o poliacrilamida). Para el gel de agarosa, la digestión se realizó de la siguiente manera: En un tubo de eppendorf se colocaron 1 O µI del ADN disuelto (aproximadamente 1 O µ g), 3 µI de la enzim~ (Pvu 11, Sal I ó Hind 111), 3 µI de buffer de la enzima y 9 µI de agua destilada desmineralizada estéril; luego se llevaron a incubar a 37ºC por 3 horas. La reacción se detuvo con 5 µI del buffer de parada para un volumen final de 30 µl. Similar procedimiento se efectuó con el fago lambda (marcador de peso molecu- lar Promega), de la siguient, manera: 1 µI de enzima Pvu 11, 1 µI de buffer de la enzima, 1 µI del fago la,nbdu '/ 2 µI de agua destilada desmineralizada estéril ; la reacción de detuvo adicionándole 5 µ I del buffer de parada para un volumen final de 1 O µl. Para el gel de poliacrilamida la digestión se llevó a cabo así: En un tubo de eppendorf se colocaron 25 µI del ADN disuelto (aproximadamente 25 µ gr), 5 µI de la enzima Hind 11 1 (Gibco), 5 µI de buffer de la enzima (Gibco) y 1 O ~ti de agua desti lada desmineralizada RUANO B., J.E. et al Huella genómica de Salmonella 11 estéril; luego se llevaron a incubar a 37ºC por 4 horas y se paró la reaccion con 5 µI de buffer de parada, para un volumen final de 50 µl. Se utilizó un marcador de peso molecular de 1 Kb (Gibco). Electroforesis de0DN en gel de agarosa \ El ADN purificado fue digerido con las enzimas de restricción Pvu 11, Sal 1 y Hind 111 y luego sometido a electroforesis en una unidad horizontal de una sola dimensión en gel que contenía agarosa al O.SS% en buffer TBE 1 X. Las muestras del ADN digeridas se coloc~n- en una cámara de electroforesis que contenía 1 1 del buffer TBE 1 X, y se aplicó una corriente contínua de 30 voltios durante 17 horas. Tinción del gel de agarosa La tinción se llevó a cabo agregando una solución de bromuro de etidio (1 O mglml} en una proporción 5/100 (vol/vol) en buffer TBE por 45 minutos. Las bandas de ADN se visualizaron con una fuente de luz ultrav1oletc1 de 300 nm. (transiluminador Sigma Co USA) y luego se fotografió con una película 665 ó 667 empleando una cámara Polaroid. Electroforesis del ADN en gel de poliacrilamida Se utilizó un gel denaturante de poliacrifamida de 6 y 8% (concentrador y separador, respectivamente) con un contenido de úrea. Primero se prepararon 30 mi del gel separador de acrilamida y úrea al 8%, (colocado inmediatamente con pipeta o con j eringa) y se dejó polimerizar durante 45 minutos a 4ºC. Posteriormente, se prepararon 1 O mi del gel concentrador de acrilamida y úrea al 6% (servir inmediatamente el gel y el peine correspondiente) luego se dejó polimerizar durante 40 minutos a 4ºC. Por último se colocaron 30 µI de las muestras del ADN digeridas previamente con la enz ima de restricción HIND 111; se llevó al tanque de corrido conteniendo 4 lt del buffer TBE 1 X y se aplicó una corriente contínua de 280 voltios durante 20 horas. 12 Revista del CEISA, Vol. 4 No. t. Enero-Diciembre de t 997 Tinción del gel de poliacrilamida Posterior a la electroforesis, el gel fue íijado en á~id6 acético al 7.5% durante 30 minutos, después se lavó con agua destilada 3 ·veces durante 2 minutos cada lavado, luego se sumergió el gel en una solución de nitrato de plata (1.5 g/ll y formaldehido al 0.056% durante 1 hora. Después se colocó el gel en agua destilada (5 segundos) y luego en una solución reveladora entre 8 y 1 OºC (carbonato de sodio 30 g/I, formaldehido al 0.056% y 400 µg/I de tiosulfato de sodio), reemplazando esa solución por otra nueva tan pronto empezaron a observarse las bandas del marcador, luego la reacción se detuvo con ácido acético frío al 7.5% (8ºC), se lavó con agua destilada y se guardó en nevera a 4º C. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Todas las muestras del ADN de Sa /mone//a fueron diluidas a una concentración comprendida entre 1 O y 100 ng, en un volumen final de 16 µl. Los iniciadores de 25 bases están diseñados para amplificar un segmento de 496-pb, altamente conservado en el gen operón transportador de histidina de Sa/mone//a typhimurium. Las secuencias de los oligonucleótidos iniciadores 1 y 2 utilizados fueron: 1. 5'-ACT GGC GTT ATC CCT TTC TCT GGT G-3' 2. 3'-ATG TTG TCC TGC CCC TGG TAA GAG A-5' Una mezcla maestra para el PCR fue preparada tomando 1.0 µI de cada iniciador (100 ng/µI), 0.5µ1 de dNTP mix 2.5 mM (Perkin Elmer), 2.5 µI de buffer de amplif icacion 1 OX PCR (Gibco), 3.0 µI de cloruro de magnesio, 2.5 mM (Gibco) y 1 .O µI de la enzima Taq polimerasa a una concentración de 1 U/µI, para obtener así, un volumen final de la mezcla maestra de 9.0 µl. Al volumen final de la mezcla se le adicionaron 16 µI del ADN (10-100 ng por ·eacr ión) previamente diluido y hervido a 95º( durante 5 minutos y enfr1c.Jo e hielo a -20º( por 5 minutos; se adicionaron, además, 50 ~ti de aceite mineral para evitar la evaporación de la muestra y se llevó al termociclador. Las condiciones util izadas para la amplificación fueron las descri tas por Cohen et al. (1995). RUANO B., J.E. et al Huella genómica de Sa/monella 13 ,, Los productos de PCR fueron sometidos a electroforesis en un gel de agarosa al 2%, teñido con bromuro de etidio 0.5 µg/ml y visualizado mediante un transiluminador de luz ultravioleta (300 nm) después fueron fotografiados con una cámara Polaroid con un rollo 665 ó 667. Un resultado positivo fue interpretado por la presencia de una banda de 496-pb, la cual fue comparada con el marcador de peso molecular lambda digerido con Eco RV. --- Ribotipificación usando la reacción en cadena de la polimerasa Se trabajaron diluciones similares a las del ADN utilizado para PCR, es decir, a una concentración finalcomprendida entre 1O y 100 ng para 16 µI de volumen final de reacción; las amplificaciones fueron hechas en un volumen final de 25 µl. Los oligonucleótidos iniciadores fueron diseñados para servir de complemento a las regiones altamente conservadas de 16S y 23S del ARNr del genoma de la Salmonella. Las secuencias de los iniciadores 1 y 2 corresponden a las bases 1390-1408 de la región 16S del ARNr y a las bases 191-206 de la región 23S del ARN, respectivamente. Las secuencias fueron: 1. 5'-TTG TAC ACA CCG CCC GTC A-3' 2. 3'- GGT ACCTTA GAT GTT TCA GTT C-5' Se preparó una mezcla maestra que contenía 1.0 ~ti de cada iniciador (100 ngl~tl), 0.5 µI de dNTP mix 2.5 mM (Perkin Elmer), 2.5 µI de buffer de amplificacion 1 0X PCR (Gibco), 3.0 µI de cloruro de magnesio, 30 mM (Gibco) y 1.0 µI de la enzima Taq polimerasa a una concentración de 1 U/µI, para un volumen final de la mezcla de 9.0 µl. Al volumen final de la mezcla maestra se le adicionaron 16 µI del ADN diluido (10-100 ng por reacción) y previamente hervido a 95ºC durante 5 minutos y enfriado en hielo a -20ºC por 5 minutos; se adicionó, además, 50 ~ti de aceite mineral para evitar la evaporación de la muestra y se llevó al termociclador bajo las condiciones seguidas por Kostman el al. (1995). 14 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 Veinte mkrolitros de la mezcla de PCR fueron anal izados por electroforesis en geles de agarosa al 2% y los productos obtenidos fueron visualizados después de la tinción con bromuro de etidio y fotografiados con una cámara Polaroid y con un rollo 665 ó ~67,'y comparados con el marcador de peso molecular lambda digerido con Eco RV. RESULTADOS Resultados de la huella genómica De las 30 cepas de Salmonella spp. aisladas de aves comerciales, 26 fueron clasificadas como Sa/monella enteritidis y 4 como Salmonella typhimurium por medio de pruebas bioquímicas. De las cepas de 5. enteritidis una fue clasificada como Salmonella enteritidis serovar gallinarum y otra como serovar pullorum. En la Figura 2, los carriles B al J muestran los perfiles electroforéticos de 9 ADN aislados de cepas de Salmonella y digeridos con la enzima de restricción Sal l. El carril A muestra el marcador de peso molecular digerido con la enzima de restricción Pvu 11. Todos los aislamientos fueron iguales al patrón de restricción del ADN. FIGURA 2. Huella genómica del ADN de S. enteritidis de cepas depollitos de 8 días de nacidos. Carril A: marcador de peso molecular A digerido con PVU 11 Carril es B-J: cepas de 5. enteritidis digeridas con la enzima de restricción PVU II gel de agarosa al O.SS% teñido con bromuro de etidio fotografiado con rollo de Polaroid 667. RUANO B., J.E. et .il Huella genómica de S,1/mone/1,1 · 15 La d igestión del ADN genómico de los aislamientos de Salmonella enteritidis mostró 9 bandas con un buen patrón de separación en geles de agarosa al O.SS% a lo largo del carril electroforético, cuando se sometió a 20 voltios durante 17 horas. En la Figura 3, los carriles B al J- comparan los perfiles electroforéticos de 9 ADN extraídos de cepas de Salm-Q!!_ella enteritidis, digeridos con la enzima de restricción Pvu 11 y corridos en·geles de agarosa al O.SS%, a 20 voltios durante 17 horas. FIGURA 3. Huella genómica del ADN de S. enteritidis de cepas de pollitos de 8 días de nacidos. CarrilE : marcador de peso molecular A digerido con Hind lll. Carri les A - D: cepas de 5. enteritidis digeridas con la enzima de restricción Hind III. gel de agarosa al O. SS% teñido con bromuro de etidio fotografiado con rollo de Polaroid 667. Todas las cepas mostraron un idéntico patrón de migración del ADN sin presentar cambios en ninguna de las bandas. Se util izó el marcador de peso molecular lambda d igerido con la endonucleasa de restricción Pvu 11. En la Figura 4 se observa el perfil electroforético de ADN de Salmo- nella enteritidis (carri les A al D) aislados de pollitos de 8 días de nacidos, d igeridos con la enzima de restricción H ind 111 . En el carril E se observa el control de peso molecular lambda digerido con la enzima Hind 111. También se puede observar en esta figura que la huella genómica de los 4 aislamientos, corridos en geles de agarosa al O.SS% a 20 voltios durante 1 7 horas, son idénticos. 16 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 FIGURA 4. Carriles A -D y F-G ': cepas de S. entiritidis digeridas con la enzima Hind III. Carril H: cepa de S. Typhimurium digerida con la enzima Hind III. Carril E: marcador de peso molecular de 1 kb. gel de poliacrilamida al 8% teñido con nitrato de plata (I) con bromuro de etidio (Il). llrl A"lºCº O'F,· O-N" En la Figura 4 (1) se observa el patrón electroforético de cepas de Sa/- monella enteritidis (carriles A,B,C,D,F y G) y una cepa de Salmonella tiphymurium (carril H) digeridas con la enzima de restricción Hind 111 y sometidas a un corrido electroforético en geles de poliacrilamida al 8% y teñidos con nitrato de plata. Las 6 cepas de Salmonella enteritidis m0straron idéntico patrón electroforético. El perfil electroforético de la cepa de Salmonella typhimurium (carril H) se diferencia de las cepas de 5. enteritidis, pues tiene 6 bandas extras cuyo peso se sitúa por debajo de 1.636 pb (~ ) y por la ausencia de, al menos, tres bandas (.) La Figura 4 (11) es un duplicado de la figura 4 (1), con la diferencia de que su t inción se realizó con bromuro de etidio (obsérvese la diferencia en cuanto a sensibilidad de una tinción con la otra). La Figura 5 muestra el patrón electroforético de los ADN de 6 aislamientos de Salmonella enteritidis, digeridos con la enzima de restricción Pvu 11.Los carriles By G corresponden a cepas de Salmonella tiphymurium. El carril C corresponde a una cepa de Salmonella gallinarum, el carri l F a Salmonella pullorum y los carriles D y E a cepas de Salmonella enteritidis. En el carril A se encuentra el control de la restricción y el peso molecular lambda digerido con la enz a P 1 11 . RUANO B., J.E. et al Huella genómica de Salmonel/a 17 FIGURA 5. Carril A: marcador de peso mo- lecular A digerido con PvuII. Carriles B y G: cepas de S. typhimurium digeridas con Pvu II. Carril C: cepa de S. gaflinarum digerida con Pvu II. Carril F: cepa de S. pullorum digerida con Pvu II. Carriles D y E: cepas de S. entiritidis digerida's--Eou.Jvu II. gel de agarosa al O.SS% teñido con bromuro de etidio y fotografiado con un ro llo Polaroid 667. Las muestras correspondientes a 5. enteritidis no presentaron diferencias en sus patrones electroforéticos, Por el contrario, cuando se comparó la cepa de Salmonella gallinarum con aquellas de Salmonella enteritidis, mostraron por lo menos 5 diferencias. De la misma manera, cuando se comparó el patrón de restricción de la Salmonella pullorum con las cepas de Salmonella enteritidis, se halló un patrón de restricción diferente entre el peso molecular 1708 y el peso molecular 63, con relación a la ausencia {.) o presencia(~) de bandas.(Figura 5). Por otro lado, se analizaron los patrones electroforéticos de los geles correspondientes a la Figura 4 y a la Figura 5 mediante el índice de Nei-Li . Es destacable que al analizar las bandas presentes de los aislamientos de Salmonella pullorum y gallinarum, se aprecia un patrón de bandas diferente entre las dos cepas, de acuerdo con las observaciones hechas anteriormente cuando se compararon con ceP-as de Salmonella enteritidis e incluso con las cepas de S. typhimurium. 18 Revista del CEISA1 Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 Resultados de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Todas las cepas uti lizadas en este estudio fueron sometidas a la técn ica de la reacción en cadena de la polimerasa, visua lizándose un producto de amplificación de 496 pb. Una cepa de ADN de Pasteurella multocida fue usada como control negativo. - Se analizó un par de oligonucleótidos complementarios a un segmentoaltamente conservado del gen operón encargado del transporte de la histidina del genoma de la Salmonella spp, para ser util izados como iniciadores en la reacción en cadena de la polimerasa, usando las condiciones descritas en materiales y métodos. El set de iniciadores amplificó efectivamente un segmento de 496 pb del gen operón encargado del transporte de la histidina. Se util izó, además, un control positivo de la reaccIon, el cua l corresponde a un producto de amplificación de 218 pb perteneciente al cromosoma femenino, frente a un par de iniciadores específicos para cromosoma humano (Figura 6). FIGURA 6. Productos de amplificación del ADN de 5. typhimurium, carriles J, Q, R y S. Carr i les B-L: control positivo de la reacción(cromosoma X humano) Carril M: control negativo de la reacción. Carriles A y K: marcador de peso molecu- lar A digerido con Eco Rv. RUANO B.1 J.E. et al Huella genómica ·de Salmonella 19 De la misma forma (Figura 7), este set de iniciadores amplificó un ----producto de 496 pb de una co lecció n de productos prev iamente amplificados, de donde se tomaron 100 ng y se sometiero n a una nueva amplificación (reamplificación). _ - FIGURA 7. Carr iles B, E - J, M - S: productos de ampli ficación del segmento p r e v i--a.[!l e n t e a m p I i f i c a d o (reamplificacioñ) de cepas de S. enteritidis . Carriles A y K: marcador de peso molecu- lar de 1 kb. gel de agarosa agarosa al 2% teñid o con bromuro de etidi o y fotografiado con rollo Polaroid 667. De un total de 18 muestras sometidas a reamplificación, tres resultaron negativas. No se obtuvo amplificación a partir de los ADN genórnicos usados como controles de especificidad (Pasteurella multocida). Resultados de la ribotipificación-PCR O ligonucleótidos iniciadores complementarios de regiones ampliamente conservadas de los genes del ARN ribosomal fueron usados para amplificar el espacio 16S y 23S de 30 cepas de Salmonel/a aisladas de aves comerciales. Se identificaron seis aislamiéntos de Salmonella spp. por el polimorfismo obtenido después de amplificar las regiones del 16S y 23S (Figura 8). Varias bandas fueron ident ificadas en los aislamientos de los carriles C,E,F.G y H, que representan regiones del espacio ribosomal de d iferentes longitudes entre los operones cistrón del ARN ribosomal de Salmonella typhimurium (F,G y H) y de Salmonella enteritidis (C y E). Una banda simple en el carril D (S. enteritidis) corresponde a una región uniforme del espacio en los genes 20 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 del ARN ribosomal de ese aislamiento. Los pesos moleculares de las bandas oscilan entre 3 .054 y 618 pb. FIGURA B. Ribotipificación PCR del ADN ¡,enómirn dr crpas ele 5. entcnd1!1s (carriles C - E) y 5 typhimunum (carriles F, G, Hl aisladas de polli tos de 8 días de nacidos. Carril A: marcador de peso mclecular A digerido con Eco Rv. Carril 1: marcador ele peso molecular de 1 kb. gel de agarosa al 2% teñido con hromuro de ctidio y fotografiado con un rollci Polaroid 667. Para investigar la estabilidad y reproducibilidad de los patrones • • O H de bandas observados después de la ampl ificación con PCR, se amplificaron 11 aislamientos de ADN cromosoma! de Sa/mone//a en te ritidis y se obtuvieron patrones idénticos de amplificación en todas las muestras (Figura 9). La d iferencia de la intensidad de bandas de las muestras G, H , 1 y J, se debió posiblemente a la variación en la concentración del ADN de la muestra y a las concentraciones de magnesio (Mg). FIGURA 9. Ribotipificación-PCR del ADN genómico de < epas de S. entend,tis aislados de pollitos de 8 días de nacidos. ramles e - M. C,11ril A. m.irc .,dor ele• ¡wso mulccul,1r A d1gemlo ron [ e o Rv g<'I ch ,1g.irr,•,.1 al 2'¼, teñido con bromuro df' et1din y lotogrdhddCJ con un rollo Polaro1d 667. . . RUANO B., ']. E. et al Huella genómica de Salmonella 2 f En la Figura 1 O se observan 4 productos de ampl ificación de AON de Salmonelfa enteritidis (carriles B,C, D y E) y uno de ADN de Pasteurella multocida (carril F) extraido de cerdos (la línea F presen1a un patrón de bandas, similar a las Sa/mone/las). Todas estas amplificaciones fueron rralizadas por triplicado con el fin de demostrar su repraducibi\icldcl estabilidad. FIGURA 1 O. Productos de amplificación del ADN de cepas de 7 aisladas de pollitos de 8 días de nacidos, carriles B - E. C 1rri / F: ontro/ de la re.1c ión. 5<-• usó el AON genómico de una cepa de Pasteurella m ultocida. Carril A: marcador de peso mo lecular A digerido con Eco Rv. Los mismos oligonucleótidos inic iado res usados en la ribotipificación PCR original fueron uti l izados para amplificar 100 nanogramos (ng) de los produ tos inic i a l es d e la rib o tip i fi cdción ( r e ampli f ica c i ó n ), p e ro posib lemente deb ido a la concent ración del AON y del magnesio, no se observaron \o produ tos con la intensidad esperada (Figura 11). FIGURA 11. Carriles C y E: productos de ampli ficación del segm ento del ADN genó mic-o p reviam ente amplificado (rcampl i ficación). C;m i/ 13 : c o 111ro/ pos,livo de la r(•acncín (cromo,0111,1 X humano). arril A. 111d1 c.1dor de p eso 1110/f'cular Á digerido con Eco Rv. gel de agarosa al 2% teñido co n bro muro de e ti dio y fotogr¡fiado con rollo Polaroid 66 7 . Los p10d11ctos pm debajo de 212. pb conesponden a los iniriadmes. 22 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 DISCUSIÓN Huella genómica En este estudio se analizaron 30 ADN cromosomales extraidos de cepas de Sa/monella spp. aisladas de aves comerciales de d iferentes granjas avícolas del país, sometidas a digestión con las endonucleasas de restricción Hind 111 , Pvu 11 y Sal I corridas en geles de agarosa y poliacrilamida ·{Hind 11 1). Los resu ltados de este trabajo demostraron que la huella genómica puede ser aplicada como un método eficaz para distinguir aislamientos individuales de Salmonella enteritidis. Esta técnica t iene la particularidad d_e revelar información sobre la epidemiología de las infecciones causadas por dicha bacteria, ya que permite reconocer diferencias entre cepas de un mismo serotipo, lo que faci lita el análisis de la transmisión y origen de la infección dentro de una población. En la presente investigación la huella genómica de todos los serotipos de Salmonella enteri tidis mostraron patrones similares de restricción, sugiriendo esto una estrecha relación filogenética, mientras que los perfiles de Salmonella gallinarum y pullorum demostraron tener algunas diferencias en los patrones de bandeo, cuando fueron corridas en geles de agarosa, considerándose que poseen una relación más.distante. Otros autores (Boyd, 1996; Crosa, 1973; -Rivera, 1991) reportan la ex istencia de algunas diferencias entre los patrones de restricción de aislamientos de una misma granja, lo cual indicaría una d iferencia evolutiva originada a partir de una misma cepa y además podría sugerir la posibilidad de un parentesco epidemiológico entre cepas. Se requiere un estudio epidemiológico más detallado para veri ficar esta hipótesis. Los datos presentados respaldan esta hipótesis, ya que los patrones de restricción de Salmonella enteritidis se asemejan uno a otro. El análisis de los perfiles del ADN genómico proporciona un medio altamente seguro para evaluar la diseminación de las infecciones bacterianas, ya que es posible investigar cómo una cepa se mueve a través del tiempo entre diferentes regiones o dentro de un mismo brote. Adicionalmente, se dPrriostró que el perfil electroforético de cepas de Salmonella typhimurium _suli muy simi lar cuando fueron sometidas a digestión con la enzima de restricción Pvu 11 y corridas en geles de agarosa. RUANO B., J.E. et al. Huella genómica de Salmonel/a 2 1 Para este estudio, las cepas se utilizaron únicamente como patrones de comparación cuando fueron corridas en las mismas condicionesfrente a cepas ele Salmonella enteritidis en un gel de poliacrilamida, el cual demostró una alta resolución y sensibilidad cuando se empleó una- tinción de plata para su visualización. Por otro lado, se observó que las cepas de Salmonella enteritidis aisladas ele tocios los lotes mostraron el mismo patrón de restricción cuando fueron sometidas a digestión con las enzimas de restricción Hind 111, Pvu II y Sal 1, y corridas en geles de agarosa al 0.55%, lo que significa que estas cepas tienen un patrón común de restricción. --........._ Igualmente, quedaron demostradas las bondades de la tinción con nitrato ele plata, al compararse con la ele bromuro de etidio,- ya que la tinción con plata detecta hasta 0.1 picogramos (pg) por m ilímetro cuadrado del gel, mientras que en los geles de agarosa teñidos con bromuro de etid io so lamente se detectan canlidades mayores a 1 O ng. Hoy, estos estudios están limitados por las d ificultades para comparar los geles, debido al error del ojo humano y a las variaciones de la movilidad de los fragmentos en el gel. Mejorando los métodos de lectura de patrones de restricción pueden eliminarse los problemas anteriormente mencionados y establecerse un banco de datos, para lo cual las cepas desconocidas podrían ser fácilmente comparadas frente a patrones, con el fin de encontrar sus relaciones epidemiológicas y etiológicas. Por medio del análisis de la matriz de similaridad (coeficiente de Nei- Li) se pueden hallar diferencias ínfimas entre cepas de S. enteritidis y diferencias mucho más marcadas entre éstas y cepas de S. pullorum, gallinarum y typhimurium. Estos hallazgos confi rman que las 24 cepas colombianas estudiadas de Salmonella enteritidis poseen un solo patrón común de restriccción. Este factor es bastante importante, debido a que en el caso de entrar a formular un plan de vacunación con miras a controlar y erradicar la enfermedad de las granjas avícolas, se debe conocer el tipo de huella genómica de los serotipos presentes en la región, para que sea invo lucrado dentro de la vacuna el serotipo prevalente en el brote, y no corno en otras ocas iones en que se utilizan serotipos foráneos que pueden producir una protección 24 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 deficiente, con el riesgo también de estar introduciendo un serotipo no existente en la región. La utilidad de cualquier esquema de tipificación es una afi rmación sobre el poder discriminatorio del mismo, el cual, a su vez, depende de las características que pueden ser medidas. Por tal razón la comparación de la huella genómica promete ser una alternativa superior a otros métodos taxonómicos. Se espera que cepas con un origen común tengan idénticos o por lo menos muy similares fenotipos e iguales marcadorés genotípicos. La huella genómica revela un número de marcadores o diferentes sitios de restricción que reflejan la organización completa del genoma de un microorganismo; por lo tanto, esta aproximación es un medio ideal de establecer la relación clona! de las bacterias aisladas de diferentes regiones en distintas épocas del año. El sitio de digestión producido por una enzima de restricción en el ADN ha demostrado ser un indicador específico de las relaciones entre cepas (Threlfall y Chart, 1993). En este estudio se asumió que el cromosoma es una estructura relativamente estable; ello sugiere que patrones de restricción generados por el PACE y agarosa pueden ser muy estables, por lo menos dentro de un período corto en términos de evolución. Esto es respaldado por la reproducibilidad de nuestros estudios con bacterias conservadas hasta por dos años, los cuales han mostrado un patrón consistente de estabilidad para el mismo microorganismo, aun después de varios pasajes in vitro. Esta técnica ha demostrado ser una herramienta confiable en estudios sobre: El origen tanto endógeno como exógeno de las cepas. Los vectores causantes de la diseminación de las epidemias. Los nuevos episodios por persistencia del microorganismo o por una reinfección con el mismo. Reacción en cadena de la polimerasa Métodos altamente sensibles para la amplificación de ácidos nucleícos han sido diseñados para la detección específica de pequeños fragmentos o secuencias de ADN. Una aplicación de estos incluye el PCR y otras RUANO 8,1 J.E. et al. Huella genómica de Sa/monef/,1 25 técn icas de amplificación en la detección del ADN genómico o plasmídico de Sa lmon e lla spp. y otras bacter ias involucradas en procesos infectocontagiosos (Cohen et al., 1995). Las técn icas de amplificación de ácidos nucleícos, il.demás de ser aplicadas al diagnóstico de las enfermedades infecciosas, son utilizadas para los estudios epidemiológicos, especialmente sobre la transmisión y persistencia de la enfermedad. A mediados de los años 70, los brotes de intoxicación alimenticia debido a Salmonella enteritidis en humanos se incrementaron de acuerdo con lo reportado por Bich ler (1996). Estud ios ep1CJeru_io lógicos sobre este incremento han indicado que las cáscaras de los huevos de tipo A son una importante fuente para la bacteria. (Louis et al., 1988). De acu_erdo con Bichler (1996), desde 1994 han ocurrido 97 brotes de 5. enterilidis en humanos, en los cuales los huevos contaminados con el microorganismo han resultado implicados. De otra parte, se ha sugerido que la colonización por Salmonella es el resultado de la infección transovárica que resulta de la contaminación de los huevos prepostura y el microorganismo se ha aislado tanto de la albúmina como de la yema y de los ovarios de las aves. Por el contrario, autores como Gast et al. , (1990) reportan que posiblemente la transmisión no es transovárica, sino que se debe a la presencia de la bacteria en otros órganos como el oviducto, el hígado, el bazo, la unión cecal y la cavidad perito- neal; por esta razón los organismos contaminan el exterior de la cáscara y penetran a través de ella. Lo anterior se ha demostrado por el mayor número de aislamientos realizados de albúmina que del óvulo o yema (Shivaprasad et al. , 1990). En esta investigación se implementó una metodología mucho más sen- sible y específica que la anteriormente uti lizada en el diagnóstico: se trata de la prueba de ELISA, considerada hasta el momento, como una prueba sensible, pero que al compararla con el PCR su uso es limitado, debido al costo y a su sensibilidad relativamente baja. Debido al comportamiento de la bacteria dentro del hospedero, la técnica del PCR ha demostrado ser una valiosa herramienta de identificación de este patógeno cuando se encuentra en baja concentración o cuando al ser extraida, se encuentra en forma no viable o requiere condiciones 26 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 exigentes de aislamiento (preenriquecimiento y enriquecimiento). Otras técnicas moleculares 11ecesitan un manejo cuidadoso de las muestras para proporcionar un ADN de alta calidad. El PCR sólo reguiere una muestra de ácidos nucleícos de mediana calidad o aun degradada; ad~más, es una técnica simple y rápida que incrementa la especificidad, la cantidad del producto y la sensibilidad de la prueba. Haciendo uso de los oligonucleótidos iniciadores, el PCR utilizado en este estudio demostró ser altamente específico y sensible para la detección de miembros del género Salmonella en muestras de cultivos bacteriológicos aislados de aves, ya que estos oligonucleótidos amplifican un fragmento altamente conservado entre las Salmonel/as, d_e una longitud de 496 pb, correspondiente al gen operón del transporte de la histidina en Sa/mone//a typhimurium; otros serotipos, como Salmonella enteritidis, Salmone/Ja pullorum y Salmonella gallinarum, fueron también identificados, demostrándose así, su alta especificidad de género. No se observó ninguna amplificación cuando se utilizó una cepa de Pasteurel/a multocida como control negativo. En esta investigación se evidencióla rapidez para detectar miembros del género Salmonella entre 1 O y 12 horas después de cultivar la bacteria. Esto, comparado favorablemente con el tiempo requerido (días) para la identificación por cultivos bacterianos y caracterización bioquímica. La tecnología del PCR tiene un enorme potencial en el diagnóstico clínico microbiológico, ya que ofrece la posibilidad de identificar Salmonel/as spp. en una forma rápida y económica, incluyendo la detección de cepas que portan factores de virulencia conocidos que confieren la resistencia a los antibióticos o producen enterotoxinas. Además, ofrece la ventaja de realizar una detección directa del microorganismo aislado de órganos, materia fecal, tejidos y alimentos contaminados, sin necesidad de someter las muestras a procesos de extracción y purificación del ADN total. Ribotipificación usando reacción en cadena de la polimerasa (Ribotipificación-PCR). Diferentes fragmentos d0 ADN cromosoma! son originados por la digestión con enzimas de rest1 -ció,., tal como se demostró en este trabajo (ver resultados de huella genómica) donde se observa que muchas veces la comparación entre un gran número de bandas, es difícil de analizar. Dichos RUANO B., J.E. et al. Huella genómica de Salmoae.1111 27 fragmentos de alto peso molecular han sido claramente separados por electroforesis decampo invertido, más no por electroforesis convencionales en geles de agarosa. Además, se requiere un equipo mucho más sofisticado, extensos tiempos de electroforesis y una considerable estandarización para comparar los patrones del ADN bacterial. Las sondas genómicas diseñadas a partir del ARNr~ministrail-un sistema altamente aplicable para investigar la epidemiología molecular de diferentes agentes infecciosos, mientras que·otras sondas genómicas son más liJT1itadas con su uso para identificar agentes especie-específicos o solamente específicos de cepas dentro de una especie en particular. El fundamento del uso de genes de ARNr hibridizados a ADN genómicos se basa en el desarrollo evolutivo de la bacteria, debido a que tales secuencias son altamente conservadas entre ellas. Muchas de las secuencias cistrón del ARNr en los microorganismos parece que han cambiado muy poco durante la evolución, y así, fas sondas de ADN específicas para estas secuencias pueden detectar un amplio rango de agentes que poseen secuencias similares. Las sondas utilizadas para la ribotipificación de bacterias pueden ser generadas por diferentes métodos. La sonda más comúnmente usada es un ARNr heterólogo u homólogo que ha sido marcado con un isótopo radiactivo, P32 • Una ventaja de estas sondas radica en que pocos pasos se requieren para la hibridización y los lavados. Además, la polaridad de la cadena de la sonda es tal que la hibridización con ARNr contaminante es minimizada. Sin embargo, las limitaciones del marcaje radiactivo de tales sondas para su uso en laboratorios clínicos y epidemiológicos requieren personal especialmente entrenado, y como existe el riesgo a la exposición, es necesario contar con un sitio especial para el almacenamiento de basuras radiactivas, lo cual implica costos y tiempos prolongados para el análisis de dichas muestras. Recientemente algunos investigadores como (Kostman et al., 1995) han utilizado el ARNr extraído de Escherichia coli como una sonda para detectar polimorfismos en el cromosoma bacterial de cepas de Pseudomona cepacia. Este método de ribotipificación demostró, además, la relación clonal entre los aislamientos del microorganismo en lotes de cría y levante de pavos y 28 Revista del CEISA, Vol. 4 No. 1. Enero-Diciembre de 1997 animales silvestres, cuando no pudo ser determinado por la serotipificación. Con el fin de evitar los anteriores inconvenientes o desventajas, se desarrolló para esta investigación la técnica del PCR en unión con_ la ribotipificación. Se analizó la aplicabilidad de la técnica para demostrar. polimorfismos de las "regiones espacio" comprendidos entre 16S Y 23S del ARNr de cistrones del ADN de cepas de Sa/mone//a enteritidis. Los polimorfismos representan variaciones en el tamaño de estas «regiones espacio» en los operones múltiples de ARNr, los cuales son reproducibles y estables a través del tiempo. Los patrones de bandeo producidos por la amplificación de estas regiones pueden ser comparados y utilizados en investigaciones de epidemiología molecular. Como se ilustró en la Figura 8, las muestras de los carriles C, D y E pertenecen a cepas de Sa/mone//a enteritidis, pero cada una posee un patrón electroforético diferente, que si .se comparara con los hallazgos de la huella genómica (Figura 1 ), en donde las cepas aparentemente son similares, se podría presumir que en realidad sí existe una diferencia genética más significativa, y que la diferencia o la relación clonal entre cepas debe ir acompañada por un análisis de este tipo (ribotipificación-PCR), teniendo en cuenta la región geográfica en la cual se llevó a cabo el aislamiento, además de otros factores de comportamiento de estas cepas en la naturaleza. Por el contrario, cepas de Sa/mone//a typhimurium mostraron un· patrón muy similar, resultados que concuerdan con los encontrados en la huella genómica. (Figura 5). · Por otro lado, un grupo de 11 aislamientos fue sometido a la ribotipificación con PCR y se demostró que no existen diferencias entre los patrones resultantes en la ribotipificación, lo cual concuerda con los resultados obtenidos en la huella genómica donde aparentemente no se observaron diferencias entre cepas. (Figura 2). Dos cepas que habían sido identificadas como Sa/mone//a enteritidis y que no pudieron ser serotipificadas completamente, de acuerdo con los hallazgos de la huella genómica, se presume que deben pertenecer a un serotipo diferente., Así, entonr- 'S, rr necesario llevar a cabo una investigación más detallada utiliza, ,do lt.1 secuenciación de los segmentos adicionales o diferentes, para comparar la similitud de estos fragmentos con aquellos de las cepas actuantes en el brote. ......_____ RUANO B., J.E. et al. Huella genómica de Salmonella 29 Una ventaja final de la ribotipificación-PCR es su capacidad_potencial para ser incluido en el diagnóstico molecular, ya que los oligonucleótidos iniciadores usados ,~on complementarios a las regioñes de los genes altamente conservados. Un simple par,de oligonucleótidos puede ser usado para tipificar un amplio espectro de especies. Los productos amplificados pueden, entonces, ser analizados con sondas genómicas especie específicas para identificar los productos específicos. Otra modificación podría incluir el uso de oligon~eéti.dos iniciadores complementarios a diferentes regiones de los genes del ARNr para producir diferentes productos de amplificación que pueden contener ..Jos polimorfismos. Por último, en ciertas especies puede haber bandas de igual tamaño presentes en diferentes radios y en distintos aislamientos. En esta situación, la densitomet~ía podría ser usada para determinar los radios de bandas producidos por PCR, representando fos radios de diferentes regiones espaciales en genes de ARNr. La futura aplicación de estas estrategias promete el uso intensivo de la ribotipificacion, usando la PCR para un gran número de especies bacterianas. Las ventajas de la ribotipificación utilizando la PCR incluyen la rapidez, la seguridad de detección, un set de iniciadores universales y el uso de pequeñas cantidades de extracto de ADN como materia iniciat;- demostrando su potencial como una herramienta muy útil en la epidemiología molecular. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Alvarado, J.C.; Linero, C.I. 1994. Caracterización del Streptococo suis tipo 2 por huella genómica en dos áreas porcinas del país. Tesis M. Se. Microbiología. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá, D. C. pp. 1-80 2. Ariza, F.; Ariza, L.V.; Bustos, F.; Peña, N.E. 1983. 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