1/19/12  

1  

Foodborne  Pathogens  

Haley  Oliver  Assistant  Professor  

Department  of  Food  Science  Purdue  University  

Foodborne  Disease  Disease  resulBng  from  the  consumpBon  of  

food  contaminated  with:      

– Pathogenic  protozoa  – Bacteria  – Fungi  (yeasts  and  molds)  – Toxins  – Pathogenic  viruses    

2  

Types  of  Microorganisms  in  foods        • Food  producBon    • Food  spoilage  • Pathogenic    

• Food  producBon    • Food  spoilage  • Pathogenic    

     • Pathogenic        

 

Mold    

Fig.  2.1,  Ray  and  Bhunia  

Bacteria    

www.cdc.gov  

Virus  

Yeast    

3  

•  Food  producBon  •  Food  spoilage  •  Pathogenic          • Pathogenic        

 • Bacterial    pathogens  • Food  producBon    

       

   

Protozoa  

hOp://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/136995  

hOp://www.bio.davidson.edu/Courses/Molbio/MolStudents/spring2003/Keogh/plasmids.html  

Bacteriophage  

Requirements  for  Foodborne  Disease  Occurrence  

•  Microorganism  or  toxin  (the  eBological  agent)  must  contaminate  the  food  

 •  EBological  agent  must  be  present  in  high  enough  number  to  cause  an  illness  (depends  on  the  agent)  

 •  Consumer  must  be  suscepBble  to  the  agent  

 •  Sufficient  quanBBes  of  affected  food  must  be  consumed  

4  

Types  of  Foodborne  Disease  

•  Intoxica@on  –  ConsumpBon  of  toxin  that  is  pre-­‐formed  in  food    

•  Infec@on-­‐    IngesBon  of  M/O  in  food  that  colonize  intesBnal  tract  and  cause  a  negaBve  health  reacBon  

5  

Sources  of  Microorganisms  (M/O)  in  Foods  

•  M/O  are  everywhere.  –  Human/mammalian  body:    Microbial  cells  outnumber  human  cells  by  10:1  

–  Food  (e.g.)  •  Raw  milk,  pasteurized  milk  •  Raw  ground  beef  •  Raw  spinach  •  Peanuts  

•  So  how  do  M/O  get  into  foods?  –  “Farm-­‐to-­‐fork”  contaminaBon  events  

 –  Natural  and  external  sources  of  microorganisms  

6  

1/19/12  

2  

Food  ProducBon:  Farm-­‐to-­‐Fork  Where  can  contamina-on  happen?  

7  

Farm   Product  Distribu@on  

Food  Manufacturing  Plant  

Retail   Consumer    

Foodborne  Pathogens  =        Transmission  and  Cross-­‐contamina@on  Challenges  

Wild  animals  

Food  animals        

Environment      soil,  water  

Food  products  meat,  produce  

Humans  

Newest  Es@mates  of  Foodborne  Disease    •   31  major  pathogens  caused:  

–   9.4  million  episodes  of  foodborne  illness  –  55,961  hospitalizaBons  –  1,351  deaths  

•  Most  (58%)  illnesses  are  caused  by  norovirus,  followed  by:  –   Nontyphoidal  Salmonella  spp.  (11%)  –  Clostridium  perfringens  (10%)  –  Campylobacter  spp.  (9%)  

•  Leading  causes  of  death:  –  Nontyphoidal  Salmonella  spp.  (28%)  –  Toxoplasma  gondii  (24%)  –  Listeria  monocytogenes  (19%)  –  Norovirus  (11%).  

EsBmated  annual  human  health  burden  of  selected    known  foodborne  diseases,  United  States  

Pathogen    Illnesses  Deaths              Case-­‐fatality                    Campylobacter      1,322,137            119        0.1%  

Salmonella      1,229,007            452        0.5%  E.  coli  O157:H7              96,534              31        0.5%  Listeria  (LM)                  1662          266    15.9%  

Scallan, et al., Emerging Infectious Diseases, 2011

Who  is  Responsible  for  Food  Safety?  

Farm   Product  Distribu@on  

Food  Manufacturing  Plant  

Retail   Consumer    

FoodNet  -­‐-­‐  Foodborne  Diseases  Ac@ve  Surveillance  Network  

•  Determine  the  burden  of  foodborne  illness  in  U.S.  •  Monitor  trends  of  specific  foodborne  illness  over  Bme  •  IdenBfy  specific  foods  and  sehngs  causing  disease  •  Disseminate  informaBon  that  can  lead  to  improvements  in  public  health  and  development  of  intervenBons  to  reduce  foodborne  illnesses  

•  Laboratory  tesBng  of  samples  from  paBents  for:  Campylobacter,  Cryptosporidium,  Cyclospora,  Listeria,  Salmonella,    

             Shiga  toxin-­‐producing  Escherichia  coli  (STEC)  O157  and  non-­‐O157,                  Shigella,  Vibrio,  and  Yersinia    

1/19/12  

3  

Foodborne  InfecBons  caused  by  Salmonella  

 Leading  cause  of  foodborne  disease-­‐

related  death  in  the  U.S.  

13  

•  All  Salmonella  enterica  –  IntesBnes  of  mammals,  especially  poultry      

•  Food  associaBon  –  Poultry,  beef,  pork,  lamb,  raw  milk  and  dairy  products,  eggs,  produce  –  Presence  in  meat/poultry  products  and  produce  –  fecal  contaminaBon  –  Presence  in  eggs  –  usually  a  different  story    –  Produce    

 •  Most  common  culprits  

–  S.  Typhimurium  –  poultry/meat,  some  produce  –  S.  EnteridiBs  –  eggs  –  Others  –  S.  Tennesee,  S.  Dublin,  etc…..  New  outbreaks  with  produce,  

peanut,  nuts  and  some  meat/poultry  

14  

Natural  Habitat  and  Presence  of  Salmonella  in  Food  

•  Salmonellosis  •  Onset:  8-­‐24h  aker  consumpBon  of  contaminated  food  •  Dura@on  of  illness:    2-­‐3  days  

•  Infec@ve  dose  >  105  cells  •  Target  popula@on:    Everyone,  but  higher  in  YOPIs  •  Primary  symptoms:    GastroenteriBs  

–  Nausea  ,  VomiBng,  abdominal  cramping,  diarrhea  (someBmes  bloody),  fever  

•  Secondary  symptoms:  chills,  aches  •  Mortality  rate:      

–  0.0078  for  nontyphodial  serotypes  

15  

Disease  caused  by  Salmonella   Salmonella  -­‐  Pathogenesis  Overview  

16  

PrevenBon  of  Salmonellosis  

•  On  farm:    Reducing  animal  carriage  of  Salmonella  –  SanitaBon  –  SubtherapeuBc  anBbioBcs,    –  ProbioBcs,  reducBon  of  stress  

 •  At  home:      

–  Thoroughly  cook  poultry  products  –  Proper  cooling  –  AVOID  CROSS  CONTAMINATION  

17  

Campylobacter  •  Genus  Campylobacter    

–  18  species  and  6  subspecies    

•  C.  jejuni  and  C.  coli  are  most  common  cause  of  human  diarrheal  disease  worldwide  –  First  recognized  in  1979  –  5-­‐14%  of  all      

•  Gram-­‐negaBve,  moBle,  nonsporulaBng,  spiral  rod-­‐shaped  bacterium    

 •  Microaerophilic    •  Fragile  cells      

18  

1/19/12  

4  

•  Enteric  M/O      •  Skin/feathers  

– Presence  of  Campy:  105  cfu/carcass  rinse  – EffecBveness  of  saniBzer  or  hot-­‐water  dips:    

•  Ovarian  follicules  (15%)  •  ReproducBve  tract  (42-­‐48%)  •  Eggs  (30%)  

  19  

Natural  Habitat  of  Campylobacter-­‐-­‐Poultry  •  Campylobacteriosis  

•  Onset:  2-­‐5  days  aker  consumpBon  of  contaminated  food  

•  DuraBon:  1-­‐10  days      •  InfecBve  dose:    Very  low  –  500  cells  

•  Target  populaBon:  Everyone  •  Primary  symptoms:    Abdominal  cramps,  profuse  diarrhea,  

nausea,  vomiBng  and  fever  –  occasional  bloody  diarrhea  

•  Secondary  symptoms:    fever,  headache,  and  chills  

•  Rarely  fatal  

20  

Disease  caused  by  Campylobacter  

Campylobacter  –  Mechanism  of  Pathogenesis  

21  

Flagella  

CDT  toxins  

Inflamma@on,  Cell  damage,  Diarrhea  

Campylobacter  

Chemotaxis  and    

mo@lity  

Invasion  and  entrapment  inside  the  vacuole  

Loss  of  absorp@ve  microvilli  

Fig  25.5,  Ray  and  Bhunia  

E.  coli  •  Gram-­‐negaBve  rod  •  FacultaBve  anaerobe  •  MoBle  •  Non-­‐sporeforming  •  Normal  inhabitant  of  intesBnal  tract  of  humans  and  warm-­‐blooded  animals  and  birds  

22  

E.  coli:  Pathogens  vs  Non-­‐Pathogens  

•  Most  E.  coli  are  nonpathogenic  –  Nonpathogenic  E.  coli  may  be  beneficial  in  intesBne        

 

•  Use  of  E.  coli  as  indicator  microorganism    

•  E.  coli  as  a  model  organism  –  Used  to  study  many  cellular  processes  due  to  its  rapid  growth  rate  and  simple  nutriBonal  requirements  

 23  

Shiga-­‐Toxin  Producing  E.    coli  STECS  

24  

•  “Emerging”  pathogens  –  Common  serovars:    O157:H7    –  O26,  O111,  O103,  O121,  O45  and  O145  (i.e.,  non-­‐O157:H7)  –  Produce  Shiga-­‐like  toxins  (Stx)      

•  Disease  symptoms:    (Enterohemorrhagic  coliBs)  –  Bloody  diarrhea  –  Some  vomiBng  –  Severe  abdominal  cramping  –  Occasional  fever      –  HemolyBc  Uremic  Syndrom  

1/19/12  

5  

STECs  

•  InfecBve  dose:    10-­‐100  cells    

•  Onset:  3-­‐9  d  

•  DuraBon:    4-­‐10  d  

•  Severity:    1-­‐2%  mortality  rate  

•  Food  industry  response:    Zero  tolerance  for  O157:H7  •  non-­‐O157:H7  in  ground  beef  and  beef  trim    March  2012  

25  

PrevenBon  of  Foodborne  E.  coli  InfecBon  •  On-­‐farm      

–  PrevenBon  of  E.coli  contaminaBon  of  water/soil  –  PrevenBon/limitaBon  of  STEC  in  animals  

•  Hygiene  •  SubtherapeuBc  anBbioBcs,  probioBcs  

•  Food  industry  –  Processing  steps      –  SanitaBon  –  RouBne  tesBng  of  products  and  plant  environment    

•  Food  retail/at  home  –  Avoid  contaminaBon  by  human  handlers  –  hygiene  –  Proper  cooking  –  RefrigeraBon  –  Avoid  cross  contaminaBon  

26  

E.  coli  O1O4:H4  

–  May  21  –  July  26  2011,  Germany,  largest  documented  outbreak  –  IniBally  the  outbreak  was  associated  with  consumpBon  of  cucumbers  

–  Subsequent  invesBgaBons:    consumpBon  of  fresh  sprouted  seeds  from  a  single  sprouted  seed  producer  in  Germany.  

–  Contaminated  seeds  used  for  the  sprout  producBon  were  the  most  likely  source.    

–  STEC  isolates  responsible  for  the  outbreaks  in  France  and  Germany  were  found  to  be  indisBnguishable.  It  was  therefore  concluded  that  there  was  a  common  source  for  both  outbreaks.    

–  One  consignment  (lot)  of  fenugreek  seeds  imported  from  Egypt  was  the  most  likely  link  between  the  outbreaks  

–  STEC  O104  is  a  very  rare  serogroup  in  humans  –  A  total  of  3911  cases  were  reported  to  the  ECDC  and  WHO  –  773  cases  of  HUS  

27  

 

•  Foods  –  can  be  a  natural  contaminant  of  many  foods      

–  Raw  products  •  Produce      •  Raw  meat      •  Raw  milk/dairy  products        

–  Ready-­‐to-­‐Eat  (RTE)  products      •  Because  it  is  present  everywhere  in  the  environment,    Listeria  contaminates  food  processing  plants.      

•  Psychrotrophic  nature  allows  it  to  survive/thrive  in  cold  storage  areas,  drains,  etc  

•  Deli  meat      •  Soa  cheeses      •  Smoked,  refrigerated  fish  •  Refrigerated,  cooked  shrimp  •  Hotdogs      

28  

Listeria  monocytogenes  in  Food  

•  Target  Popula@on  –  YOPIs  •  Two  types  of  disease:  

–  Febrile  gastroenteriBs  –  healthy  adults  –  Listeriosis  –  YOPIs;  serious,  systemic  disease    

•  Infec@ve  Dose-­‐    –  YOPIs:  100-­‐1000  cells  –  Healthy  adults:  106  –  1010  cells    

•  Onset:    –  GastroenteriBs  –  1-­‐7  days    –  Listeriosis  –  A  few  days  to  two  months    

•  Dura@on  of  illness:      –  GastroenteriBs  –  2-­‐5  days      –  Listeriosis        

29  

Disease  caused  by  Listeria   Symptoms  of  Listeria  infecBon  •  Febrile  Gastroenteri@s  

–  Mild  flu-­‐like  symptoms  with  fever  –  Abdominal  cramps  –  Diarrhea  –  Self-­‐limiBng  

•  Systemic  Listeriosis  –  Primarily  affects  pregnant  women,  unborn  fetuses,  infants,  the  elderly,  immunocompromised  individuals  or  cancer  paBents  taking  high  doses  of  steroids  or  chemotherapy  –  Fever,  headache  –  MeningiBs,  encephaliBs  –  Spontaneous  aborBon  or  sBllbirth  in  pregnant  women  –  EndocardiBs  –  Liver  abcesses  

30  

1/19/12  

6  

Successive  Steps  of  Human  Listeriosis  

31  

Lecuit,  2007    Listeria  can  cross  three  Bght  barriers  in  the  human  host  

T.  gondii  and  foods  

•  Source:  – Cat  feces  – Foods:  Pork,  poultry,  muOon    

•  InacBvaBon  in  foods:  – Proper  cooking  is  effecBve    – Microwaving  not  always  effecBve  – Freezing  <-­‐10°C  for  several  days  is  effecBve  

32  

Toxoplasma  gondii  

•  Intracellular  protozoan  parasite    

•  Infect  warm-­‐blooded  animals  and  birds    

•  Complicated  life  cycle  with  mulBple  hosts  (including  domesBc  cats,  food  animals  and  humans)  

•  In  humans  –  muscle  cysts  –  ComplicaBons  in  pregnant  women  

•  60  million  carriers  in  the  U.S.  •  Neglected  Infec@on  of  Poverty  (NIP)  •  2nd  leading  cause  of  foodborne  death  

33  

T.  gondii  infecBon  cycle  

34  

Disease  cause  by  T.  gondii  •  Toxoplasmosis  •  Onset:  3-­‐20  days  •  DuraBon:  a  few  weeks  •  Symptoms  

–  Flu-­‐like:  ExhausBon,  fever,  rash,  swollen  lymph  nodes  –  Pregnant  women  –  complicaBons,  miscarriage  –  Rare  complicaBons:  cysts  in  muscle/nervous  Bssue          

•  Target  populaBon:  Everyone  ,  but  especially  YOPIs      

•  Mortality  <1%  for  healthy  adults;  up  to  30%  in  YOPIs  

35  

T.  gondii  and  foods  

•  Source:  – Cat  feces  – Foods:  Pork,  poultry,  muOon    

•  InacBvaBon  in  foods:  – Proper  cooking  is  effecBve    – Microwaving  not  always  effecBve  – Freezing  <-­‐10°C  for  several  days  is  effecBve  

36