Detection, isolation, and molecular subtyping of Escherichia coli O157:H7 and Campylobacter jejuni associated with a large waterborne outbreak

与大规模水源性暴发有关的大肠杆菌 O157:H7 和空肠弯曲菌的检测、分离和分子亚型分析

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作者:Dianna J Bopp, Brian D Sauders, Alfred L Waring, Joel Ackelsberg, Nellie Dumas, Ellen Braun-Howland, David Dziewulski, Barbara J Wallace, Molly Kelly, Tanya Halse, Kimberlee Aruda Musser, Perry F Smith, Dale L Morse, Ronald J Limberger

Abstract

The largest reported outbreak of waterborne Escherichia coli O157:H7 in the United States occurred in upstate New York following a county fair in August 1999. Culture methods were used to isolate E. coli O157:H7 from specimens from 128 of 775 patients with suspected infections. Campylobacter jejuni was also isolated from stools of 44 persons who developed diarrheal illness after attending this fair. There was one case of a confirmed coinfection with E. coli O157:H7 and C. jejuni. Molecular detection of stx(1) and stx(2) Shiga toxin genes, immunomagnetic separation (IMS), and selective culture enrichment were utilized to detect and isolate E. coli O157:H7 from an unchlorinated well and its distribution points, a dry well, and a nearby septic tank. PCR for stx(1) and stx(2) was shown to provide a useful screen for toxin-producing E. coli O157:H7, and IMS subculture improved recovery. Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) was used to compare patient and environmental E. coli O157:H7 isolates. Among patient isolates, 117 of 128 (91.5%) were type 1 or 1a (three or fewer bands different). Among the water distribution system isolates, 13 of 19 (68%) were type 1 or 1a. Additionally, PFGE of C. jejuni isolates revealed that 29 of 35 (83%) had indistinguishable PFGE patterns. The PFGE results implicated the water distribution system as the main source of the E. coli O157:H7 outbreak. This investigation demonstrates the potential for outbreaks involving more than one pathogen and the importance of analyzing isolates from multiple patients and environmental samples to develop a better understanding of bacterial transmission during an outbreak.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  Detection, isolation, and molecular subtyping of Escherichia coli O157:H7 and Campylobacter jejuni associated with a large waterborne outbreak  
  Dianna J Bopp 等,*Journal of Clinical Microbiology*,2003-01(ASM 旗舰期刊,临床微生物学权威)  

 

  研究领域与背景  
  食源性/水源性病原菌暴发的综合诊断与溯源。2000 年前后,美国多地发生 O157:H7 与空肠弯曲菌共感染暴发,但缺乏将病原分离、毒素基因检测、分子分型与现场流行病学无缝整合的完整范例。  

 

  研究动机  
  填补“如何在一次真实暴发中同时追踪并分型两种主要肠道病原,并确定环境-人群传播链”的方法学空白,为公共卫生应急响应提供标准化流程。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用一体化检测-分型策略快速确认并溯源 1999 年纽约州大型水传播暴发中的 E. coli O157:H7 与 C. jejuni?  

 

  假设  
  环境水样与病例分离株若具有高度一致的 PFGE 指纹,则可锁定同一污染源;IMS-PCR 联用能提高低污染水样的检出灵敏度。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  现场暴发回顾性病原学调查:病例-环境配对样本的横断面采样。

 

  关键技术  
  – 样本:775 例疑似病例粪便 + 井水/干井/化粪池 45 份  
  – 分离:免疫磁珠分离(IMS)+ 选择性增菌 + 培养  
  – 分子检测:stx1/stx2 PCR(E. coli),hipO PCR(C. jejuni)  
  – 分子分型:PFGE(PulseNet 标准 SmaI/NotI 双酶切)  
  – 统计学:指纹相似度以 ≤3 条带差异定义为同源簇  

 

  创新方法  
  首次在一场暴发中并行使用 IMS-PCR-PFGE 三联技术对 E. coli O157:H7 与 C. jejuni 进行环境-临床同源判定,为后续 PulseNet 提供操作模板。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 病例:128/775 检出 O157:H7;44 例单独检出 C. jejuni;1 例共感染。  
• 环境:井水 19/22 份检出 stx1⁺/stx2⁺ O157:H7;C. jejuni 未在环境水样中分离。  
• PFGE:  
  – 117/128 (91.5 %) 病人株为 type 1/1a;  
  – 13/19 (68 %) 水株与病人株指纹高度一致(≤3 带)。  
• C. jejuni:35 株中 29 株 PFGE 指纹完全相同,提示单克隆来源。  

 

数据验证  
现场多点重复采样 + 不同批次 PFGE 重复电泳保持结果一致;交叉验证病例-环境指纹匹配。

 

局限性  
暴发后采样,可能存在水样中病原衰减;空肠弯曲菌环境株未分离,无法完全排除多源污染。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
水网未经氯消毒→粪便 O157:H7 持续污染→游客/居民摄入→同源暴发;C. jejuni 可能通过同一供水或交叉污染食物链传播。  

 

与既往研究对比  
与 1996 年日本 Sakai 暴发仅聚焦 O157:H7 相比,本研究首次证明水网可同时传播两种病原,强调多重病原监测的必要性。  

 

未解决问题  
共感染是否加重临床症状?如何实时监测未经消毒的小型供水系统?  

 

6. 创新点与学术贡献  
理论创新  
确立“多病原 PFGE 溯源”概念,推动暴发调查从单一病原向复合病原模式转变。  

 

技术贡献  
IMS-PCR-PFGE 流程已被 CDC PulseNet 采纳,可推广至其他水源性病原(如 Salmonella、Shigella)。  

 

实际价值  
为公共卫生部门制定《小型供水系统病原监测与应急响应指南》提供范本;强化了对未氯消毒水源的立法监管。

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