Examensarbete 15hp vt 2009
Institutionen för medicinsk biokemi och mikrobiologi Biomedicinska analytikerprogrammet
Occurrence of Verotoxin-encoding phages in mussels grown downstream the sewage treatment plant in Lysekil
Rebecka Dahlfors
Handledare: Jakob R Ottoson, PhD, Forskarassistent
Institutionen för biomedicin och veterinär folkhälsovetenskap
2 Abstract
The purpose of this study was to investigate the occurrence of Verotoxin-encoding bacteriophages in mussels, cultured downstream the sewage treatment plant in Lysekil.
Mussels were collected in three growing areas from April 2008 to March 2009. Real-time PCR was performed for detection of vtx1 and vtx2 genes and enrichment of bacteriophages on non Verotoxin- producing Escherichia coli O157: H7 was carried out. All samples in real-time PCR analysis were negative; no presence of Verotoxin-encoding phages was shown. No plaque was formed on blood agar base plates, indicating that no bacteriophages had been taken up by E. coli bacteria
The levels of Verotoxin-encoding phages and E.coli outside the sewage treatment plant in Lysekil were not high enough to be able to form VTEC in mussels, indicating that the faecal contamination was low.
This does not exclude the presence of other more common pathogens such as norovirus and campylobacter.
Keywords: VTEC, EHEC, HUS, Escherichia coli O157:H7, Verotoxin
1. Introduktion
Under senare år har sjukdomar orsakade av enterohemorragiska Escherichia coli (EHEC) fått ökad uppmärksamhet i Sverige då antal rapporterade fall ökat. Under 2005 var ökningen särskilt stor, dels på grund av ett stort utbrott på västkusten och dels på grund av ovanligt många utlandssmittade [1]. EHEC är smittskyddslagens benämning på sjukdom orsakad av
Verotoxinproducerande Escherichia coli
(VTEC). Namnet VTEC kommer från bakteriens cytotoxicitet för s.k. veroceller [2]. Verotoxin (Vtx) är ett gift som är identiskt med det gift som produceras av dysenteribakterien Shigella
dysenteriae [3], Shigatoxin, varför begreppet Shigatoxinproducerande Escherichia coli (STEC) också används [4]. Fler fall av andra bakterier än VTEC, som orsakar mag-tarm sjukdom hos människa rapporteras årligen men det besvärliga med VTEC är att smittdosen är så låg och att konsekvenserna blir så allvarliga.
Mindre än 100 bakterier kan räcka för att en person ska insjukna [2] och kan i värsta fall orsaka blodiga diarréer, hemolytisk uremiskt syndrom (HUS) och neurologiska
komplikationer. Inkubationstiden är 2-12 dagar innan diarréer uppträder. De första 1-3 dagarna efter insjuknandet är diarréerna vattniga.
Diarréerna övergår till att vara blodiga och magkramper uppkommer. Detta tillstånd varar i 2-10 dagar [5]. I de flesta fall avtar diarréerna men i 5-10% av fallen utvecklas HUS och trombocytopeni purpura (TTP) där små barn och äldre löper störst risk att drabbas [2]. HUS innebär njursvikt, trombocytopeni och
mikroangiopatisk hemolytisk anemi [2]. TTP är en variant av HUS och är vanligare hos vuxna och kan ge feber, neurologiska symptom [6] och leder i värsta till fall döden. Det finns inga medicinska behandlingar för att förhindra att enterohemorragisk colit utvecklas till HUS. Det råder tvivel vad gäller antibiotika mot VTEC då Vtx-kodande fager stimuleras av vissa
antibiotikum vilket kan leda till ökad produktion av Vtx [6-10]. Den behandling som ges är att ersätta salt- och vätskeförluster.
Den viktigaste reservoaren för VTEC är
isolerats från andra djurslag såsom svin, hästar, värphöns, duvor, måsar gäss m fl.
Den vanligaste smittkällan till VTEC är livsmedel såsom otillräckligt tillagat nötkött och opastöriserad mjölk. Men även opastöriserad juice, fermenterad korv, yoghurt, skaldjur och grönsaker har orsakat sjukdom . Förorenat dricksvatten och badvatten samt kontakt med djur som till exempel då barn gästar
besöksbondgårdar, hör också till smittkällorna för VTEC. Även person till personsmitta sker [1, 2, 12].
Det första VTEC-utbrottet som beskrevs var i USA 1982. Orsaken var hamburgare som inte var tillräckligt tillagade. Sjukdomstillståndet HUS beskrevs redan 1955 men då utan att vara förknippat med specifik orsak [5]. Det var först 1978 som man beskrev Shigella dysenteriae typ 1 och dess toxin som orsak till HUS.
Rädisgroddar under en skollunch i Japan 1996 orsakade det största utbrottet hitintills. Då visade fler än 12 000 patienter upp symptom varav 121 fick HUS [7, 13]. I Sverige, på västkusten hade man ett stort utbrott 2005, då 135 fall
rapporterades. Orsaken var sallat som bevattnats med förorenat vatten [1]. I USA, 2006,
smittades183 personer av färsk spenat. Den gången fick 29 personer HUS och en patient dog [1].
Flera olika serotyper av VTEC orsakar EHEC hos människa men den vanligaste av dem är O157: H7 [1]. O står för de somatiska antigen som sitter i bakteriens cellvägg. Siffran efter talar om vilket specifikt antigen av denna typ det är. H står för flagell-antigen som sitter på
bakteriens rörelseorgan dvs. flagellerna [2].
VTEC har flera viktiga virulensfaktorer,
egenskaper som påverkar bakteriens möjligheter att orsaka sjukdom. Dessa virulensfaktorer är kodade på rörliga element hos bakterien så som patogenicitetsöar, plasmider och bakteriofager [2, 6, 14].
Den viktigaste virulensfaktorn är förmågan att
producera Vtx [15]. Två huvudtyper av toxinet
finns, Vtx1 och Vtx2. Bakterien kan producera
en eller båda typerna. Genen för toxinet bärs av
temperata bakteriofager, vilket är bakterievirus
som kan inkorporeras i bakteriens genom. Vtx
4 av HUS. Giftet kan inducera syntes av cytokiner och apoptos vilket ger skador på endotelceller i tarmen och kan leda till hemorragisk colit [2].
Vtx-kodande fager är virus som infekterar framför allt E.coli-bakterier. De bär på
information för att styra sin egen reproduktion hos värden. Fagerna finns över hela världen i hav, jord, avlopp, mat och dricksvatten. Vtx- kodande fager är dubbelsträngade DNA-fager [16]. Bakteriofagerna överlever utan värd länge (från månader till år). De är mer resistenta mot kemikalier än bakterier. Eftersom fagerna överlever längre i miljön än sina värdbakterier [17] utgör de en reservoar för Vtx och kan vid rätt förutsättningar infektera nya bakterier som därigenom ökar sin virulens. För att det ska kunna ske krävs troligen höga halter av såväl fager som värdbakterier, ~10
3/ml [18, 19].
Ökad tillförsel av växtnäringsämnen, främst kväve och fosfor har orsakat övergödning av våra vatten. En ny alternativ miljöåtgärd för att få bukt med övergödningen är att odla musslor som filtrerar vatten och tar upp
växtnäringsämnen. En 5–6 cm lång mussla kan som bäst filtrera fem liter vatten per timme och kan filtrera partiklar från c:a 0,001 mm-0,5 mm storlek, i princip alla partiklar större än bakterier.
När musslorna skördas avlägsnar man stora mängder kväve och fosfor ur vattnet. Vid skörd av ett ton blåmusslor avlägsnas ungefär 8 kg kväve och 0,5 kg fosfor. På en yta motsvarande en fotbollsplan (0,4 hektar) kan ungefär 120 ton musslor skördas efter ca 1 år. Merparten av de skördade musslorna säljs för human konsumtion, resten används som foder och gödning inom lantbruket. Odlingen av musslor är både effektivare och billigare än traditionell teknik.
Reningsverket i Lysekil släpper ut 39 ton kväve varje år i Saltöfjorden. I stället för att bygga ut kvävereningen har Lysekils kommun avtalat med ett företag för att det ska skörda 3 900 ton odlade musslor varje år.
Musselodlingarna ligger som närmast någon kilometer från utsläppspunkten, som är belägen på 20 m djup. Det föreligger dock en viss risk att musslorna, utöver näringsämnen även
koncentrerar mikroorganismer såsom bakteriofager som kan spridas vidare och
infektera nya E. coli-stammar och bilda VTEC.
Syftet med studien var att undersöka
förekomsten av Vtx-kodande bakteriofager, som kan överföra toxinproducerande egenskaper mellan olika E.coli stammar, i musslor odlade nedströms avloppsreningsverket i Lysekil.
Metoder som användes var realtids-PCR för detektion av vtx1- och vtx2-gener samt anrikning av fager på icke Vtx-producerande E.coli O157:
H7.
2. Material och metod
2.1. Preparation av musselprov för analys av Vtx-kodande bakteriofager
Musselprov, hämtade en gång i månaden från 3 olika odlingar (A, B och C) runt reningsverk i Lysekil (tabell 1) under perioden april 2008 till och med mars 2009, preparerades av
livsmedelsverket för virusanalys enligt följande:
Temperaturen av musslorna mättes vid ankomst med IR-termometer. Hepatopankreas (ett organ som fungerar som både bukspottkörtel och lever) togs ur musslorna, dissekerades och vägdes. Av hepatopankreas togs 500 mg och blandades med 500 µl PBS med proteinase K (100µg/ml). Av supernatanten användes 200 µl för att extraheras för nukleinsyra. DNA extraherades med
QIAamp
®MinElute
®Virus Spin Kit, (Qiagen, Hilden, Germany) enligt tillverkarens
instruktioner. Nukleinsyrorna eluerades i 50 µl, vilket motsvarade DNA från 100 mg
hepatopankreas. I PCR-analysen användes 2 µl DNA-mall vilket innebär att 4 mg
hepatopankreas analyserades i varje PCR.
2.2. Realtids-PCR för detektion av vtx1 och vtx2 För detektion av genen för Vtx utfördes en realtids-PCR där principen för analysen var att bestämma mängden nukleinsyra i proven med hjälp av en fluorescensinmärkt probe som gav en ljussignal proportionellt mot mängd amplikon som bildats.
Till detektion av vtx-gener användes primers
och prober beskrivet av Perelle et al. [20] som
köptes från Thermo Scientific Biopolymers
Webshop (Waltham, MA, USA). Primers och
prober finns listade i tabell 2. Proberna var
inmärkta med fluorescerande reporter, FAM samt quencher, BHQ1.
Detektion av vtx1-, vtx2- gener utfördes med en 25 µl reaktionsvolym av 12,8µl vatten, DNas och RNas fritt, 2,5 µl
GeneAmp 10x PCR Buffer II (KCl 500 mM, Tris-HCl 100 mM, pH 8,3), 3 µl MgCl
225 mM, 2 µl GeneAmp® dNTP blandning 10 mM (dATP, dCTP, dGTP och dTTP 2,5 mM av vardera, Art. No N808-0260) från Applied Biosystems (Foster City, CA, USA), 1µl primer f 10 µM, 1 µl primer r 10 µM, 0,5 µl probe FAM 10 µM, 0,2 µl AmpliTaq Gold™ DNA
Polymerase (5 units/µl, Art. No N808-0241) från Applied Biosystems (Foster City, CA, USA)
samt 2 µl mall. Följande stammar ingick i varje PCR-analys som positiv och negativ kontroll:
CCUG 42744 (E.coli O157 vtx1
+vtx2
+eaeA
+EHEC-hlyA
+fliC
+) och CCUG 42901 (E. coli O157 vtx1
-, vtx2
-, eaeA
-, EHEC-hlyA
-, och fliC
-), CCUG-Culture Collection, University of
Gothenburg (Göteborg, Sverige).
Amplifieringen utfördes med 7500 FAST realtime PCR system från Applied Biosystems (Foster City, CA, USA) som beskrivet av Perelle et al. [20] men med små förändringar enligt följande program: Initial denaturering vid 95°C i 6 min följt av 40 cykler denaturering vid 95°C i 15 s och primer annealing och elongering vid 60°C i 60 s.
Tabell 1. Odlingsplatser för musslor, runt reningsverket i Lysekil.
Odlingsplats
A Kristineberg, Gullmarsfjorden Före reningsverk
B N. Grundsund, Saltö fjord c:a 1 km nedströms reningsverket C Slävik, Åbyfjorden c:a 1 mil nedströms reningsverket
Tabell 2. Degenererade primers och TaqMan-prober använda för amplifiering av vtx1-, vtx2-gener i 5’ nukleas- PCR analys
Målgen Forward primer-, reverse primer- och probesekvenser (5’ – 3’)
aPlats i sekvensen
Amplikon storlek (bp)
GenBanks- nummer
vtx1 TTTGTYACTGTSACAGCWGAAGCYTTACG
CCCCAGTTCARWGTRAGRTCMACRTC FAM-
CTGGATGATCTCAGTGGGCGTTCTTATGTAA- BHQ1
878–906 983–1008 941–971
131 M16625
vtx2 TTTGTYACTGTSACAGCWGAAGCYTTACG
CCCCAGTTCARWGTRAGRTCMACRTC FAM-
TCGTCAGGCACTGTCTGAAACTGCTCC-BHQ1
785–813 887–912 838–864
128 X07865
a I sekvensen är Y (C, T), S är (C, G), W är (A, T), R är (A, G), M är (A, C).