Food-related staphylococcus aureus biofilms: characterization and control

Abstract

Staphylococcus aureus is an ubiquitous and opportunistic pathogen. S. aureus is frequently involved in clinical infection, but it is also an important foodborne pathogen. In fact, some strains of S. aureus have enterotoxigenic capacity and can be potentially responsible for food intoxication (staphylococcal food poisoning). Furthermore, another challenge is represented by methicillin-resistant S. aureus (MRSA). Initially associated with nosocomial infections, it has been demonstrated that such β-lactams resistant bacteria can be present in retail foods, including pork, beef, and dairy products. The capability of microorganisms to produce biofilms – complex three-dimensional structures of cells embedded in self-produced exopolymeric substances, strictly adhered to a surface – is an important persistence and dissemination mechanism of some foodborne bacteria, including S. aureus. Different researchers studied the biofilm formation by members of Staphylococcus genus, but many of these investigations were focused on clinical aspects of this process. Furthermore, many studies that investigated the ability of dairy-related MRSA to form biofilm were focused on isolates collected from the herd, and not from the final products, which are more relevant in a food safety perspective. This thesis dealt with the molecular characterization of methicillin –sensitive and –resistant S. aureus (MSSA and MRSA) isolated from food, food environments, and food handlers, in relationship with their ability to produce biofilms on common food-contact surfaces. For the first time, the relationship between S. aureus genotypes (obtained by Ribosome-Spacer PCR) and biofilm formation was investigated. MSSA and MRSA isolates were tested for the capacity to produce biofilms on food contact surfaces, increasing the knowledge about the molecular mechanisms potentially involved in this process. The second part of the thesis (chapters 6 and 7) dealt with the problem of antimicrobial resistance in S. aureus, and with the role of biofilms in enhancing this process. Consequently, a novel strategy for the control of S. aureus biofilms was studied and applied. Results obtained represent a starting point for the development of a variety of application dealing with the increase of the shelf-life and the safety of food products.

Staphylococcus aureus è un patogeno ubiquitario e opportunista. Frequentemente coinvolto in infezioni cliniche legate all’ambiente ospedaliero, è anche un importante patogeno alimentare. Infatti, alcuni ceppi di S. aureus sono in grado di produrre enterotossine potenzialmente in grado di causare una forma di intossicazione alimentare nota come “intossicazione stafilococcica”. Inoltre, una ulteriore problematica è rappresentata dallo S. aureus resistente alla meticillina (Methicillin-Resistant S. aureus – MRSA). In un primo momento associati alle infezioni nosocomiali, è stato dimostrato che questi ceppi resistenti agli antibiotici β-lattamici possono essere presenti in alimenti venduti al dettaglio, inclusa la carne suina e bovina, e i prodotti lattiero-caseari. La capacità dei microrganismi di formare biofilm – complesse strutture tridimensionali di cellule inglobate in una matrice di sostanze esopolimeriche autoprodotte, strettamente adese a una superficie – rappresenta un importante meccanismo di persistenza e disseminazione di alcuni patogeni alimentari, tra cui S. aureus. Diversi ricercatori hanno studiato la formazione di biofilm da parte di membri del genere Staphylococcus, ma molti di questi studi sono incentrati sugli aspetti clinici di questo processo. Inoltre, molti degli studi che hanno analizzato la capacità di MRSA da settore lattiero-caseario di formare biofilm hanno a che fare con ceppi isolati dagli animali e non dai prodotti finiti, che sono più rilevanti dal punto di vista della sicurezza alimentare. Questa tesi ha come oggetto la caratterizzazione molecolare di ceppi di S. aureus meticillino –sensibili e –resistenti (MSSA e MRSA) isolati da alimenti, ambienti di lavorazione e maestranze, in relazione alla capacità degli stessi di formare biofilm su alcune delle superfici comunemente utilizzate nell’industria alimentare. Per la prima volta è stata studiata la relazione tra i diversi genotipi (ottenuti attraverso Ribosome-Spacer PCR) di S. aureus e la formazione di biofilm. Ceppi MSSA e MRSA sono stati testati per la capacità di produrre biofilm su superfici a contatto con gli alimenti, incrementando le conoscenze riguardanti i meccanismi molecolari potenzialmente coinvolti in questo processo. La seconda parte di questa tesi (capitoli 6 e 7) affronta la problematica della resistenza agli antimicrobici in S. aureus, e il ruolo del biofilm nell’aumentare tale fenomeno. Di seguito, è stata quindi studiata ed applicata con successo una nuova strategia per il controllo dei biofilm di S. aureus. I risultati ottenuti rappresentano un punto di partenza per lo sviluppo di una serie di applicazioni finalizzate all’aumento della durata di conservazione e della sicurezza dei prodotti alimentari.