Entwicklung eines Lysotypiesystems für Salmonella Infantis und dessen Anwendung für epidemiologische Zwecke

Abstract

Salmonella (S.) Infantis-Infektionen des Menschen, oft durch Lebensmittel übertragen, sind weltweit von wachsender Bedeutung. Daher war das Ziel dieser Arbeit ein Lysotypiesystem zur Charakterisierung von S. Infantis-Stämmen zu entwickeln. 154 Bakteriophagen wurden zwecks Evaluierung ihrer diskriminatorischen Fähigkeit für S. Infantis-Stämme getestet. Das etablierte Lysotypiesystem umfasst letztlich 17 Typisierphagen. Insgesamt wurden 1008 S. Infantis-Stämme in dieser Arbeit untersucht, die aus Ausbrüchen und sporadischen Fällen von Gastroenteritiden des Menschen, von Tieren, aus Lebensmitteln, Futtermitteln und durch Umgebungs- untersuchungen von 1973 bis 2009 isoliert wurden. Von den 1008 untersuchten S. Infantis-Stämmen waren 985 Isolate durch das etablierte Lysotypiesystem typisierbar und konnten in 61 Lysotypen (LT) unterteilt werden. 23 Stämme konnten durch die Lysotypie nicht charakterisiert werden. Unter den 61 Lysotypen dominierten vor allem die Lysotypen LT 29 (30 %), LT 1 (21 %), LT 11 (7 %) sowie LT 9 (7 %), die sowohl beim Menschen als auch in Lebensmitteln und bei Tieren vorkamen, und wahrscheinlich als epidemisch relevante Stämme anzusehen sind. Bemerkenswert ist auch der Befund, dass Stämme des LT 23 in Deutschland nur in den 70er Jahren beim Mensch gefunden wurden, was für einen Erregerwandel spricht. Zur molekularen Subdifferenzierung wurden 325 S. Infantis-Isolate verschiedener Herkunft ausgewählt und durch Lysotypie und XbaI-Makrorestriktionsanalyse untersucht, wobei 31 Lyso- und 58 XbaI-Typen identifiziert wurden. Die Analyse von Stämmen (n = 89), die zu mehreren Ausbrüchen gehörten, zeigen innerhalb eines Geschehens einen einheitlichen Lyso- bzw. XbaI-Typ, wie z. B. die Stämme der Ausbrüche in Dobel (LT 29/XbaI 27), in Lüneburg (LT 8/XbaI 43a) und in Stolberg (LT 1/XbaI 34). Es gab darüber hinaus auch sporadische Isolate vom Mensch und von verschiedenen Tierarten (n = 150) mit Lyso-/XbaI-Typ-Kombinationen, die bei verschiedenen Ausbruchsstämmen gefunden wurden. Das könnte auf eine Verbreitung und lange Persistenz dieser Klone hindeuten. Andere sporadische Isolate (n = 86) hingegen wiesen verschiedene Lyso- und XbaI-Typ-Kombinationen auf. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass durch die komplexe Typisierung eine bessere Diskriminierung von S. Infantis-Stämmen möglich wird und dadurch auch eine eindeutigere Erkennung von Ausbrüchen. Bei 50 untersuchten Ausbrüchen (40 Lebensmittelvergiftungen und 10 Hospitalinfektionen, insgesamt 187 Stämme) wurden 12 Lysotypen nachgewiesen. Bei mehreren dieser Ausbrüche wurde der Klon LT 29/XbaI 27 identifiziert, der vermehrt bei Masthähnchen vorkommt. Besonders bemerkenswert ist das Auftreten von S. Infantis als nosokomialer Erreger von Hospitalausbrüchen in deutschen Kliniken. Beispielsweise traten in einer Klinik in Baden-Württemberg seit 2002 immer wieder S. Infantis-Stämme des LT 29/XbaI 27 auf. Eine Lebensmittelvergiftung mit 188 Erkrankten in zwei Krankenhäusern wurde im Jahr 2004 in Bayern durch Backwaren verursacht. Mittels Lysotypie und PFGE konnten alle Stämme von Menschen und Lebensmitteln als LT 53/XbaI 6 charakterisiert werden. Die überwiegende Anzahl der S. Infantis-Infektionen sind lebensmittelbedingt. Bei zwei Ausbrüchen in Nordrhein-Westfalen in den Jahren 2007 und 2008, die durch Schweinebraten und Geflügeldöner verursacht wurden, sind die S. Infantis-Klone LT 1/XbaI 34a und LT 1/XbaI 34 identifiziert worden. Der Typ LT 1/XbaI 34 wurde auch bei Schweinen und bei Masthähnchen nachgewiesen. Die komplexe Typisierung beweist, dass beide Tierspezies als Infektionsquellen für S. Infantis dienen. Eine überregionale Häufung von S. Infantis-Meldungen aus Thüringen, Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen fielen im Oktober 2007 auf, wobei alle S. Infantis-Isolate bezüglich des Lyso-/XbaI-Typs (LT 29/XbaI 27a) identisch waren. Somit lassen sich durch kontinuierliche komplexe Typisierung von S. Infantis-Isolaten auch diffuse Ausbrüche erfassen. Der Serovar S. Infantis ist in Geflügelbeständen weit verbreitet. Isolate aus Masthähnchen, die aus Deutschland, Ungarn und Island stammten, wurden typisiert und in 24 Lysotypen eingeordnet. In Deutschland dominierten bei Masthähnchen Stämme mit folgenden Typisiermustern, LT 4/XbaI 4, LT 29/XbaI 5 und LT 29/XbaI 27. Die Stämme mit der Kombination LT 29/XbaI 5 stammten ursprünglich aus Ungarn. Im Gegensatz dazu wurde bei isländischen Isolaten aus Masthähnchen der bisher in Deutschland und Ungarn nicht vorkommende Lysotyp 61 nachgewiesen. Die Lysotypie weist sowohl darauf hin, dass S. Infantis-Stämme zwischen verschiedenen Ländern zirkulieren als auch darauf, dass es länderspezifische epidemiologische Prozesse gibt. Die Antibiotikaresistenz-Testung gegen 17 Antibiotika ergab, dass 68 % der S. Infantis-Stämme sensibel oder einfachresistent und nur 21 % mehrfachresistent sind. Besorgniserregend war, dass zum ersten Mal vier Isolate des Serovars S. Infantis gefunden wurden, die über eine Extended-Spectrum Beta-Lactamase-vermittelte Resistenz gegen Cephalosporine verfügten, was durch PCR und Sequenzierung bestätigt wurde. Diese mehrfachresistenten Stämme mit den ESBL-Typen CTX-M-1 bzw. TEM-52 gehören zu den häufig vorkommenden Lysotypen LT 1 und LT 29, die auch bei Masthähnchen und Mastschweinen verbreitet sind. Die ESBL-Resistenz bei S. Infantis in Deutschland sollte weiter beobachtet werden. Der routinemäßige Einsatz des entwickelten Lysotypieschemas für den S. Infantis-Serovar wird dazu beitragen, die epidemiologische Analyse zu verbessern.

The impact of Salmonella (S.) Infantis infections in humans often transmitted by foods is increasing all around the world. The aim of this thesis was the development of a phage typing scheme for the characterization of S. Infantis. 154 typing phages were tested on S. Infantis strains and evaluated according to their discriminating capacity. The final typing scheme was established using 17 typing phages. A total of 1008 S. Infantis strains were included in this study. The strains were isolated from outbreaks and sporadic cases of gastroenteritis in humans, from animals, food, feed and the environment during the period 1973 - 2009. For molecular subdifferentiation and examination, 325 S. Infantis isolates of different origins were characterized by phage typing and XbaI macrorestriction pattern analysis by pulsed field gel electrophoresis (PFGE). Of the 1008 S. Infantis strains analyzed, 985 were typeable with the established scheme, resulting in 61 different S. Infantis phage types (PT). The S. Infantis phage types PT 29 (30 %), PT 1 (21 %), PT 11 (7 %) and PT 9 (7 %) are epidemiologically predominant. These results show epidemic relevant strains, which are found in humans, food and animals. PT 23 was found only in isolates from the seventies, suggesting a later change in the phage type of this strain. XbaI macrorestriction analysis was performed for molecular subdifferentiation of some strains (n = 325). It was found, that they belonged to 31 different phage- and 58 XbaI types. Strains of the same outbreak (n=89) revealed identical phage- and XbaI-types. The majority of sporadic isolates (n=150) showed the same phage- and XbaI-types. This may be a sign of widespread and long-persisting clones. In contrast, the other sporadic isolates (n = 86) belonged to different phage- and XbaI-types. This shows that complex typing allows a better discrimination of S. Infantis. Among fifty outbreaks (187 strains in 40 food poisoning and 10 hospital outbreaks) 12 phage types were found. The most frequently observed clone PT 29/XbaI 27 was detected in broiler and human outbreaks, which indicates a clonal distribution. Remarkable was the emergence of S. Infantis as a nosocomial pathogen in several German hospitals. For example, S. Infantis strains of PT 29/XbaI 27 were repeatedly detected in a Baden-Württemberg clinic since 2002. A huge outbreak with 188 cases in two clinics was observed in Bavaria in 2004 and traced back to bakery products. All strains isolated from humans and food could be characterized as identical by phage typing and XbaI macrorestriction analysis (PT 53/XbaI 6). The majority of S. Infantis-infections are food-borne outbreaks and these have their origins in contaminated food. Two other outbreaks in North Rhine-Westphalia in 2007 and 2008 caused by hog roast and chicken doner kebab belong to PT 1/XbaI 34a and PT 1/XbaI 34. The later was also found in pigs and broilers. The complexe typing indicates these animal species as source of S. Infantis-infections. A supra-regional outbreak of S. Infantis in Thuringia, North Rhine-Westphalia and Lower Saxony was confirmed by identical phage- and XbaI types (PT 29/XbaI 27a). Diffuse outbreaks can also be detected by this complex typing system. Broiler strains from different countries (Germany, Hungary and Iceland) were typed. A total of 24 types were found. In Germany, it was demonstrated that PT 4/XbaI 4, PT 29/XbaI 5 and PT 29/XbaI 27 were frequently isolated in broilers. The strains of PT 29/XbaI 5 were associated with the import of broilers from Hungary. Interestingly, PT 61 is a unique PT, only found in Icelandic broilers strains. This lysotyping analysis demonstrated spreading of S. Infantis in broiler flocks, circulation of same strains between different countries, as well as the development of country-specific epidemiologic processes. The investigation of antibiotic resistance (against 17 antibiotics) in S. Infantis strains showed 68 % sensitive or monoresistant and 21 % multiresistant strains. It is alarming that four isolates belonged to the S. Infantis group of Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL) strains. Four ß-lactamase-producing strains were investigated additionally by PCR and sequencing. In these multiresistant strains (PT 1 and PT 29) the resistant determinants were CTX-M-1 and TEM-52. The ESBL-resistance in S. Infantis strains in Germany should be investigated. The developed phage typing scheme can be used for laboratory-based surveillance of S. Infantis.