STEC

Le infezioni da STEC costituiscono una grave minaccia per la salute pubblica, in quanto sono in grado di causare malattie gravi come la colite emorragica e la sindrome emolitico uremica, soprattutto tra i bambini e gli anziani. Gli STEC sono agenti patogeni di origine zoonotica e i ruminanti sono considerati il principale serbatoio naturale. L’alto numero di focolai segnalati in tutto il mondo sottolinea l'importanza di questi agenti patogeni e evidenzia la necessità di segnalare i casi di malattia nell’uomo e l’importanza della cooperazione tra laboratori all'interno e al di fuori dei confini nazionali. A livello mondiale, la maggior parte dei casi gravi di infezione da STEC è causati da ceppi appartenenti ai sierogruppi O157, O26, O111, O103 e O145. Il miglioramento delle metodiche diagnostiche e di tipizzazione ha permesso di evidenziare l’importanza di altri sierogruppi che vengono costantemente segnalati. Tuttavia, la valutazione della patogenicità degli STEC si basa sempre più sulla determinazione e caratterizzazione dei geni di virulenza anziché dei marcatori fenotipici come il sierogruppo [1]. Recenti evidenze sulla patogenesi delle infezioni da STEC e su alcune modalità di trasmissione degli STEC considerate emergenti sono di seguito riportate.

Riguardo gli STEC
L’Escherichia coli fa parte della normale microflora del tratto gastrointestinale di mammiferi e uccelli, ma alcuni ceppi sono stati associati a malattie gastrointestinali sia nell'uomo che negli animali. Questi ceppi di E. coli sono stati classificati in gruppi patogenetici (patogruppi), in base ai loro fattori di virulenza [2]. Uno di questi gruppi è caratterizzato dalla produzione di potenti citotossine capaci di inibire la sintesi delle proteine all'interno delle celle eucariotiche. Queste tossine, precedentemente chiamate verocitotossine (VT) a causa della loro attività sulle cellule Vero, sono ora denominate Shiga tossine (Stx), a causa della loro somiglianza con la tossina prodotta da Shigella dysenteriae [3]. Di conseguenza, questi ceppi sono definiti E. coli produttori di Stx (STEC).

Alcuni STEC sono stati associati a diarrea emorragica e sindrome emolitico uremica (SEU) nei Paesi industrializzati [4, 2]. La maggior parte dei casi di malattia grave è causata da ceppi del sierotipo O157:H7, sebbene sono segnalate sempre più frequentemente infezioni sostenute da ceppi appartenenti a sierogruppi diversi da O157, spesso descritti come ceppi STEC non-O157, quali O26, O111, O103 e O145 [2, 5]. 

Fattori di virulenza

Shiga tossine
Le Shiga tossine sono considerate il principale fattore di virulenza dello STEC e comprendono una famiglia di citotossine strutturalmente correlate e caratterizzate da attività biologica simile. I due gruppi principali sono costituiti da Stx1, che è quasi identica alla tossina di S. dysenteriae tipo 1, e Stx2, che condivide meno del 60 % della sequenza amonoacidica con Stx1 [3]. L’informazione genetica per la produzione di Stx1 e Stx2 è situata all’interno del genoma dei profagi lambdoidi integrati nel cromosoma dello STEC [3]. Rispetto a Stx1 che mostra solo piccole variazioni nella sequenza, sono stati descritti diversi sottotipi e varianti di Stx2. Studi epidemiologici hanno rivelato che Stx2 è maggiormente associata a casi gravi di malattia umana rispetto a Stx1 [6]. Un certo numero di sottotipi sono prodotti da ceppi di origine animale e sono raramente osservati negli isolati umani: il sottotipo Stx2e è stato principalmente identificato in ceppi STEC che causano la malattia degli edemi nei suini e Stx2f sembra essere strettamente associato a STEC di origine aviaria [7], sebbene sia stato anche descritto in ceppi STEC isolati da casi umani di SEU [8].

Meccanismo di adesione “attaching and effacing”
La maggior parte degli STEC che causa patologie gravi, come la SEU e le coliti emorragiche, colonizza la mucosa intestinale con un meccanismo che sovverte la funzione delle cellule epiteliali [9] e induce una lesione istopatologica caratteristica, definita come "attaching and effacing" (A/E). La lesione di A/E è dovuta a marcati cambiamenti citoscheletrici della cellula ed è caratterizzata dall'eliminazione dei microvilli intestinali e dall'adesione intima tra i batteri e la membrana cellulare delle cellule epiteliali, con accumulo di actina polimerizzata sotto il sito di adesione dei batteri [2].

Il complesso meccanismo di adesione A/E è geneticamente controllato da una grande isola di patogenicità (PAI) definita come Locus of Enterocyte Effacement (LEE) [2, 9].

Altri fattori di virulenza
L'analisi della sequenza completa del genoma di STEC O157:H7 [10] ha dimostrato che quasi il 20 % del suo cromosoma è costituito da DNA estraneo, non presente nel cromosoma di E. coli K-12 e che è stato probabilmente acquisito da altre specie batteriche, attraverso trasferimento genico orizzontale. Analogamente al LEE, altre regioni di questo DNA estraneo possono essere considerate come presunta PAI poiché trasportano geni associati alla virulenza, mostrano un contenuto di GC più basso e sono inseriti nei loci di tRNA. In particolare, la PAI denominata O#122 è presente nella maggior parte degli EHEC e degli E. coli enteropatogeni (EPEC), ma non in altri gruppi di E. coli [11].

STEC O157 possiede un grande plasmide di virulenza di circa 90 Kb denominato pO157. La sequenza nucleotidica di questo plasmide ha mostrato che codifica per 35 proteine, alcune delle quali presumibilmente coinvolte nella patogenesi delle infezioni da STEC [12]. L'operone enteroemolisina (e-hly) è considerato il miglior marcatore della presenza di pO157 ed è anche presente in grandi plasmidi che possono essere rilevati in molti ceppi STEC non-O157 [13]. Questo plasmide contiene altri fattori di virulenza tra cui una katalasi-perossidasi e una serina proteasi, codificate rispettivamente dai geni katP ed espP [14]. Un altro gene di virulenza, denominato toxB, è stato descritto nel pO157 [15] e sembra essere presente in tutti gli isolati di STEC O157 [16].

Gli STEC sono patogeni di origine zoonotica

Gli STEC possono essere rilevati nell'intestino di numerose specie animali, sebbene i ruminanti siano considerati il principale serbatoio naturale di STEC altamente virulenti per l'uomo, in particolare per STEC O157.

I bovini sono considerati la più importante fonte di infezione umana da STEC O157, risultando portatori asintomatici di STEC ed eliminando l’agente patogeno, il quale è un membro transitorio della loro normale microflora intestinale, con le feci [4]. Gli STEC sono stati frequentemente isolati anche dal contenuto intestinale degli ovini, anch’essi attualmente considerati un serbatoio di infezione umana [17]. STEC sono stati isolati anche da capre [18] e bufali [19].

Sporadicamente, questo agente patogeno è stato isolato da mammiferi diversi dai ruminanti, come i suini [20], i cavalli [21], i cani [22] e i conigli d'allevamento [23]. Tuttavia queste specie non vengono considerati veri e propri ospiti, bensì vettori colonizzati transitoriamente a seguito di un contatto con le deiezioni dei ruminanti.

Epidemiologia delle infezioni da STEC  

Durante gli anni '80, la maggior parte dei focolai di infezione da STEC O157 erano di origine alimentare e gli alimenti implicati erano per lo più prodotti a base di carne bovina non adeguatamente cotta e latte non pastorizzato [2]. Negli ultimi vent'anni, diversi focolai sono stati associati a prodotti a basso pH come salami fermentati, maionese e yogurt [24]. Questo fenomeno ha evidenziato la tolleranza di E. coli O157 al pH acido e la sua capacità di sopravvivere ai processi di fermentazione e di essiccazione. Inoltre, vi è un continuo aumento della notifica di focolai sostenuti da acqua e associati ad altri tipi di esposizioni legate all'ambiente [25, 26]. La dispersione di letame non trattato nell'ambiente può causare la contaminazione di diversi elementi, che possono poi fungere da veicoli secondari di infezioni umane [4, 25, 27].

Vi è inoltre un crescente aumento della gamma di prodotti ortofrutticoli, coltivati in campi fertilizzati con letame di ruminanti o contaminati durante le fasi di raccolta o di processazione,  coinvolti in focolai epidemici [4, 25, 26].

Strategie di controllo

Produrre alimenti derivati dai ruminanti privi di contaminazione da STEC è piuttosto difficile nelle condizioni di campo. Tuttavia, è possibile minimizzare tale contaminazione tramite l’applicazione di elevati standard di igiene in tutte le fasi della catena produttiva degli alimenti.

A livello di allevamento, l’applicazione di buone prassi igieniche e di fabbricazione rimane ad oggi la soluzione migliore per ridurre la diffusione e la persistenza degli STEC nell’allevamento.

La manipolazione delle deiezioni animali è un problema di assoluta importanza, poiché gli STEC possono sopravvivere a lungo nelle feci dei bovini [25]. Pertanto è opportuno che il letame ed i liquami di origine zootecnica vengano compostati in modo da garantire la riduzione del carico microbico [28, 29].

È opportuno che gli agricoltori e i visitatori di allevamenti e aziende agricole adottino misure igieniche. In particolare, le aziende che ricevono scolaresche devono garantire che gli adulti controllino sempre i bambini, che siano facilmente disponibili strutture per il lavaggio delle mani e che le aree destinate al consumo degli alimenti siano chiaramente separate da quelle dove sono ricoverati gli animali. 
Negli stabilimenti di macellazione, l’applicazione di buone prassi igieniche e di fabbricazione, nonché l'applicazione del sistema HACCP contribuiscono a ridurre la contaminazione fecale delle carcasse.

I principi generali di igiene alimentare saranno invece efficaci nel prevenire le infezioni da STEC anche a livello di processazione e vendita al dettaglio della catena alimentare.

STEC ibridi o cross-patotipo 

La plasticità del genoma di E. coli e la localizzazione della maggior parte dei geni di virulenza su elementi genetici mobili implica che cloni patogenici che mostrano caratteristiche ibride di virulenza, chiamati ceppi ibridi o cross-patotipi, possano emergere. In effetti, la capacità di produrre la Shiga tossina è stata riportata in ceppi che presentano anche geni di virulenza tipici di altri patotipi, tra cui gli E. coli Enteroaggregativi (EAEC) e gli  E. coli Enterotossigenici (ETEC) [30, 31].

In particolare, il focolaio epidemico associato a STEC O104:H4 EAEC-STEC che ha causato gravi infezioni in tutta Europa nel 2011, è stato il più grande focolaio mai segnalato per STEC e ha evidenziato l'importanza dell'emergenza di tali cloni ibridi [32]. È stato ipotizzato che in ceppi STEC privi del locus LEE l'espressione di altri meccanismi di colonizzazione, come quello tipico dei ceppi di E. coli Enteroaggregativo, possa conferire elevata patogenicità. Più recentemente, è stata dimostrata la circolazione negli animali di ceppi ETEC (ETEC-STEC) produttori di Stx. Questi sono stati segnalati anche come agenti causali di malattia nell’uomo [31], tra cui un caso di elevata gravità [33].

È interessante notare che il ceppo responsabile di quest'ultimo caso non presentava il locus LEE e ospitava un plasmide ibrido contenente geni di virulenza associati agli STEC, come hlyA, e geni di virulenza tipici degli ETEC, come il gene stp codificanti per la variante suina dell'enterotossina termo stabile e un locus codificante una nuova variante delle fimbrie F4.

Un ulteriore gruppo emergente di E. coli che mostra caratteristiche di virulenza ibrida è rappresentato da ceppi STEC contenenti geni di virulenza associati al patotipo ExPEC. In particolare, i ceppi ExPEC-STEC appartenenti al sierotipo O80:H2 sono stati associati, non solo alle classiche caratteristiche cliniche del patotipo STEC, ma anche a casi di batteriemia [34]. È stato descritto che questi ceppi ospitano un plasmide mosaico (pR444_A), che combina geni di virulenza extraintestinale tra cui hlyF, ompT e iroBCDEN, con geni che conferiscono resistenza a più sostanze antimicrobiche [35]. Anche per altri ceppi di vari sierotipi appartenenti allo stesso Sequence Type (ST) 301 tipico dei ceppi di sierotipo O80:H2 con caratteristiche ExPEC-STEC è stata descritta la presenza di  un simile patrimonio di geni di virulenza. Ceppi STEC che mostrano geni di virulenza tipici degli ExPEC sono stati isolati sia da casi di infezione umana che da animali [36].

Bibliografia

[1] Koutsoumanis K., Allende A., Alvarez-Ordonez A., Bover-Cid S., Chemaly M., Davies R., De Cesare A., Herman L., Hilbert F., Lindqvist R., Nauta M., Peixe L., Ru G., Simmons M., Skandamis P., Suffredini E., Jenkins C., Monteiro Pires S., Morabito S., Niskanen T., Scheutz F., da Silva Felicio M.T., Messens W., Bolton D., Pathogenicity assessment of Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) and the public health risk posed by contamination of food with STEC, EFSA BIOHAZ Panel, SCIENTIFIC OPINION ADOPTED: 11 December 2019, doi: 10.2903/j.efsa.2020.5967.

[2] Nataro J.P. Kaper J.B., Diarrheagenic Escherichia coli, Clin. Microbiol. Rev. 11 (1998) 142-201. 

[3] Melton-Chelsa A.R., O'Brien A., Structure, biology, and relative toxicity of Shiga toxin family members for cells and animals. In Kaper J.B., O’Brien A. D. (Eds.), Escherichia coli O157:H7 and other Shiga toxin-producing E. coli strains. American Society for Microbiology, Washington, DC. (1998) 121-128.

[4] Caprioli A., Morabito S., Brugere H, Oswald E., Enterohaemorrhagic Escherichia coli: emerging issues on virulence and modes of transmission, Vet. Res. 36 (2005) 289311.

[5] Tozzi A.E., Caprioli A., Minelli F., Gianviti A., De Petris L., Edefonti A., Montini G., Ferretti A., De Palo T., Gaido M., Rizzoni G., Hemolytic Uremic Syndrome Study Group, Shiga toxinproducing Escherichia coli infections associated with hemolytic uremic syndrome, Italy, 1988-2000, Emerg. Infect. Dis. 9 (2003) 106-108.

[6] Boerlin P., McEwen S.A., Boerlin-Petzold F., Wilson J.B., Johnson R.P., Gyles C.L., Associations between virulence factors of Shiga toxin-producing Escherichia coli and disease in humans, J. Clin. Microbiol. 37 (1999) 497-503.

[7] Schmidt H., Scheef J., Morabito S., Caprioli A., Wieler L.H., Karch H., A new Shiga toxin 2 variant (Stx2f) from Escherichia coli isolated from pigeons, Appl. Environ. Microbiol. 66 (2000) 12051208.

[8] Grande L., Michelacci V., Bondì R., Gigliucci F., Franz E., Askari Badouei M., Schlager S., Minelli F., Tozzoli R., Caprioli A., Morabito S., Whole-Genome Characterization and Strain Comparison of VT2f-Producing Escherichia coli Causing Hemolytic Uremic Syndrome, Emerg Infect Dis. (2016);22(12):2078-2086. doi: 10.3201/eid2212.160017. Epub 2016 Dec 15.

[9] Frankel G., Phillips A. D., Rosenshine I., Dougan G., Kaper J. B. Knutton S., Enteropathogenic and enterohaemorrhagic Escherichia coli: more subversive elements, Mol. Microbiol. 30 (1998) 911-921.

[10] Perna N.T., Plunkett G. 3rd, Burland V., Mau B., Glasner J.D., Rose D.J., Mayhew G. F., Evans P.S., Gregor J., Kirkpatrick H.A., Posfai G., Hackett J., Klink S., Boutin A., Shao Y., Miller L., Grotbeck E.J., Davis N.W., Lim A., Dimalanta E.T., Potamousis K.D., Apodaca J., Anantharaman T.S., Lin J., Yen G., Schwartz D.C., Welch R.A. Blattner F.R., Genome sequence of enterohaemorrhagic Escherichia coli O157:H7, Nature 409 (2001) 529-533. 

[11] Morabito S., Tozzoli R., Oswald E., Caprioli A., A mosaic pathogenicity island made up of the locus of enterocyte effacement and a pathogenicity island of Escherichia coli O157:H7 is frequently present in attaching and effacing E. coli, Infect. Immun. 71 (2003) 3343-3348.

[12] Burland V., Shao Y., Perna N.T., Plunkett G., Sofia H.J., Blattner F.R., The complete DNA sequence and analysis of the large virulence plasmid of Escherichia coli O157:H7, Nucleic Acids Res. 26 (1998) 4196-4204. 

[13] Brunder W., Schmidt H., Frosch M., Karch H., The large plasmids of Shiga-toxin-producing Escherichia coli (STEC) are highly variable genetic elements, Microbiology 145 (1999)1005-1014.

[14] Schmidt H., Bitzan M., Karch H., Pathogenic aspects of Shiga toxin-producing E. coli infections in humans. In Duffy G., Garvey P., McDowell D. (Eds.), Verocytotoxigenic Escherichia coli, Food & Nutrition Press INC. (2001) 241-262.

[15] Tatsuno I., Kimura H., Okutani A., Kanamaru K., Abe H., Nagai S., Makino K., Shinagawa H., Yoshida M., Sato K., Nakamoto J., Tobe T. Sasakawa C., Isolation and characterization of miniTn5Km2 insertion mutants of enterohemorragic Escherichia coli O157:H7 deficient in adherence to Caco-2 cells, Infect. Immun. 68 (2000) 5943-5952. 

[16] Tozzoli R., Caprioli A., Morabito S., Detection of toxB, a plasmid virulence gene of Escherichia coli O157, in enterohemorrhagic and enteropathogenic E. coli, J. Clin. Microbiol. 43(2005) 40524056.

[17] Heuvelink A.E., Van den Biggelaar F.L., De Boer E., Herbes R.G., Melchers W.J., Huis in 't Veld J.H., Monnens L.A., Isolation and characterization of verocytotoxin-producing Escherichia coli O157 strains from Dutch cattle and sheep, J. Clin. Microbiol. 36 (1998) 878-882.

[18] Pritchard G.C., Willshaw G.A., Bailey J.R.,Carson T., Cheasty T., Verocytotoxin-producing Escherichia coli O157 on a farm open to the public: outbreak investigation and longitudinal bacteriological study, Vet. Rec. 147 (2000) 259-264. 

[19] Galiero G., Conedera G., Alfano D., Caprioli A., Isolation of verocytotoxin-producing Escherichia coli O157 from water buffaloes (Bubalus bubalis) in southern Italy, Vet Rec. 156 (2005) 382-383.

[20] Bonardi S., Brindani F., Pizzin G., Lucidi L., D'Incau M., Liebana E., Morabito S., Detection of Salmonella spp., Yersinia enterocolitica and verocytotoxin-producing Escherichia coli O157 in pigs at slaughter in Italy, Int. J. Food. Microbiol. 85 (2003) 101-110. 

[21] Chalmers R.M., Salmon R.L., Willshaw G.A., Cheasty T., Looker N., Davies I., Wray C., Vero-cytotoxin-producing Escherichia coli O157 in a farmer handling horses, Lancet 349 (1997) 1816.

[22] Trevena W.B., Hooper R.S., Wray C., Willswaw G.A., Cheasty T., Domingue G., Vero cytotoxin-producing Escherichia coli O157 associated with companion animals, Vet. Rec. 138 (1996) 400. 

[23] Leclercq A., Mahillon J., Farmed rabbits and ducks as vectors for VTEC O157:H7, Vet. Rec. 152 (2003) 723-724.

[24] Meng J., Doyle M.P., Microbiology of Shiga-Toxin-Producing Escherichia coli in foods, In: Kaper, J.B., O’Brien, A. D. (Eds.), Escherichia coli O157:H7 and other Shiga-Toxin-Producing E. coli. American Society for Microbiology, Washington, DC, (1998) 92-108.

[25] McDowell D.A., Sheridan J.J., Survival and growth of Vero cytotoxin-producing E. coli in the environment, In Duffy G., Garvey P., McDowell D. (Eds.), Verocytotoxigenic Escherichia coli, Food & Nutrition Press INC. (2001) 279-304. 

[26] Tozzi A.E., Gorietti S., Caprioli A., Epidemiology of human infections by Escherichia coli O157 and other verocytotoxinproducing E .coli, In Duffy G., Garvey P., McDowell D. (Eds.), Verocytotoxigenic Escherichia coli, Food & Nutrition Press INC. (2001) 161-179.

[27] Coia J.E., Sharp J.C., Campbell D.M., Curnow J., Ramsay C.N., Environmental risk factors for sporadic Escherichia coli O157 infection in Scotland: results of a descriptive epidemiology study, J. Infect. 36 (1998) 317-321. 

[28] Jiang X., Morgan J., Doyle M.P., Fate of Escherichia coli O157:H7 during composting of bovine manure in a laboratoryscale bioreactor, J. Food Prot. 66 (2003) 25-30.

[29] Lung A.J., Lin C.M., Kim J.M., Marshall M.R., Nordstedt R., Thompson N.P., Wei C.I., Destruction of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enteritidis in cow manure composting, J. Food Prot. 64 (2001) 1309-1314.

[30] Scheutz F., Møller Nielsen E., Frimodt-Møller J., Boisen N., Morabito S., Tozzoli R., Nataro J.P., Caprioli A., Characteristics of the enteroaggregative Shiga toxin/verotoxin-producing Escherichia coli O104:H4 strain causing the outbreak of haemolytic uraemic syndrome in Germany, May to June 2011, Euro Surveill. (2011);16(24):19889. doi: 10.2807/ese.16.24.19889-en.

[31] Nyholm O., Heinikainen S., Pelkonen S., Hallanvuo S., Haukka K., Siitonen A., Hybrids of Shigatoxigenic and Enterotoxigenic Escherichia coli (STEC/ETEC) Among Human and Animal Isolates in Finland, Zoonoses Public Health. (2015);62(7):518-24. doi: 10.1111/zph.12177. Epub 2015 Jan 9.

[32] Frank C., Werber D., Cramer J.P., Askar M., Faber M., an der Heiden M., Bernard H., Fruth A., Prager R., Spode A., Wadl M., Zoufaly A., Jordan S., Kemper M.J., Follin P., Müller L., King L.A., Rosner B., Buchholz U., Stark K., Krause G., HUS Investigation Team, Epidemic profile of Shiga-toxin-producing Escherichia coli O104:H4 outbreak in Germany Collaborators, Affiliations expand, N Engl J Med. (2011);365(19):1771-80. doi: 10.1056/NEJMoa1106483.

[33] Michelacci V., Maugliani A., Tozzoli R., Corteselli G., Chiani P., Minelli F., Gigliucci F., Arancia S., Conedera G., Targhetta C., Pierasco A., Collini L., Parisi A., Scavia G., Morabito S., Characterization of a novel plasmid encoding F4-like fimbriae present in a Shiga-toxin producing enterotoxigenic Escherichia coli isolated during the investigation on a case of hemolytic-uremic syndrome, Int J Med Microbiol. (2018);308(7):947-955. doi: 10.1016/j.ijmm.2018.07.002. Epub 2018 Jul 11.

[34] Mariani-Kurkdjian P., Lemaître C., Bidet P., Perez D., Boggini L., Kwon T., Bonacorsi S., Haemolytic-uraemic syndrome with bacteraemia caused by a new hybrid Escherichia coli pathotype, New Microbes New Infect. (2014);2(4):127-31. doi: 10.1002/nmi2.49. Epub 2014 May 27.

[35] Cointe A., Birgy A., Mariani-Kurkdjian P., Liguori S., Courroux C., Blanco J., Delannoy S., Fach P., Loukiadis E., Bidet P., Bonacorsi S., Emerging Multidrug-Resistant Hybrid Pathotype Shiga Toxin-Producing Escherichia coli O80 and Related Strains of Clonal Complex 165, Europe, Emerg Infect Dis. (2018);24(12):2262-2269. doi: 10.3201/eid2412.180272.

[36] Gigliucci F., van Hoek A., Chiani P., Knijn A., Minelli F., Scavia G., Franz E., Morabito S., Michelacci V., Genomic Characterization of hlyF-positive Shiga Toxin-Producing Escherichia coli, Italy and the Netherlands, 2000-2019, Emerg Infect Dis. (2021);27(3):853-861. doi: 10.3201/eid2703.203110.