Voedselveiligheid: De cruciale rol van Listeria monocytogenes detectie

Renske
Hostyn

U heeft waarschijnlijk wel al eens een voedselinfectie gehad en weet dus hoe vervelend dat kan zijn. Maar weet u ook dat dergelijke infecties niet uitzonderlijk zijn? Uit cijfers van de dienst Voedselpathogenen van Sciensano blijkt dat er in 2022 meer dan 4000 mensen ziek zijn geworden door een voedselinfectie. Hiervan werden meer dan 100 personen opgenomen in het ziekenhuis. Deze infecties zijn echter te voorkomen, en daarom heb ik een techniek onderzocht die hierbij kan helpen.

Listeria

Het eten van voedsel besmet met de bacterie Listeria monocytogenes kan een voedselinfectie veroorzaken, ook gekend als listeriose. Dit kan gepaard gaan met symptomen zoals misselijkheid, braken, diarree, koorts en spierpijn. In principe is een voedselinfectie met Listeria monocytogenes niet levensbedreigend. Dat ligt heel anders voor mensen uit kwetsbare groepen zoals ouderen, jonge kinderen, mensen met een aangetast of minder werkzaam immuunsysteem en zwangere vrouwen. In deze kwetsbare groepen kan de bacterie veel schade aanrichten en leiden tot een miskraam, een hersenvliesontsteking, tot zelfs sterfte. Listeria monocytogenes is niet de enige soort binnen het geslacht Listeria, maar het is wel de enige Listeria soort dat de mens ziek kan maken. ‘Listeria monocytogenes’ kan verder onderverdeeld worden in licht van elkaar verschillende serogroepen, die op hun beurt verder onderverdeeld kunnen worden in serotypes. De verschillen tussen deze serogroepen en serotypes zijn genetisch minimaal, maar de graad van ziektebeeld dat ze met zich meebrengen kan sterk verschillen. Het detecteren van deze serogroepen en serotypes is moeilijk, maar wel belangrijk.

Belang van detectie

Listeria monocytogenes kan zich makkelijk aanpassen aan de omgevingsomstandigheden zoals de omgevingstemperatuur, het zoutgehalte en zuurtegraad van zijn omgeving. Zo groeit Listeria monocytogenes bij temperaturen tussen 1 en 45◦C. Dit betekent dat de bacterie verder kan groeien in gekoelde producten. Bijgevolg kan Listeria monocytogenes een groot probleem vormen in de voedingsindustrie. Het is dus belangrijk dat de aanwezigheid van Listeria monocytogenes zo snel mogelijk gedetecteerd wordt om verdere verspreiding in de productieomgeving en voeding te voorkomen. 

Effect in de voedingsindustrie

In de voedingsindustrie is hygiëne cruciaal. Daarom worden het materiaal en de werkoppervlakken heel vaak gereinigd en ontsmet. Als dit niet correct of onvoldoende gebeurt, blijven er bacteriën achter. Voedingswaren die hiermee in aanraking komen, kunnen dan besmet worden. Dat noemt men kruisbesmetting. Dit vormt niet enkel een gevaar voor de volksgezondheid, maar heeft ook grote economische gevolgen voor de voedselproducent. Bij detectie van een bacterie zoals Listeria monocytogenes, moeten namelijk alle gecontamineerde producten worden teruggeroepen en vernietigd. 

Fourier-transformatie infrarood spectroscopie

Fourier-transformatie infrarood spectroscopie (FT-IR) is een techniek die gebruikt kan worden om bacteriën te identificeren. Deze techniek gebruikt lichtgolven uit het infrarood gebied. Deze golven kunnen we niet zien, maar ervaren we als warmte. Als een bacterie bestraald wordt met infrarood licht, absorbeert de bacterie een deel van deze lichtstralen. De golflengtes die geabsorbeerd worden zijn afhankelijk van de biochemische samenstelling en eigenschappen van de bacterie. Vooral de eiwitten, vetten en suikers die aanwezig zijn in de bacterie absorberen de lichtgolven. Aan de hand van een wiskundige omzetting, de ‘Fourier transformatie’, wordt het lichtsignaal opgesplitst in verschillende golflengtes. Door te achterhalen welke golflengtes ontbreken, weten we welke frequenties de bacterie heeft geabsorbeerd. Met deze informatie wordt vervolgens een infrarood spectrum gemaakt. Dit spectrum is uniek voor elke bacterie – je kan het vergelijken met een vingerafdruk – en kan zo gebruikt worden om bijvoorbeeld bacteriën met elkaar te vergelijken of om bacteriën te identificeren. 

Waarom is dit een uitdaging?

FT-IR analyseert de biologische eigenschappen van de bacteriële cel. Elke kleine verandering in de biochemie van een bacteriële cel resulteert in kleine verschillen binnen een spectrum. Dit maakt het gebruik van deze techniek voor het identificeren van bacteriën moeilijk. Om FT-IR zo accuraat mogelijk te maken, is het belangrijk een grote databank van infrarood spectra te creëren. De grote gevoeligheid van FT-IR heeft ook voordelen. Deze techniek kan gebruikt worden om nauw verwante bacteriën toch van elkaar te onderscheiden of in bijvoorbeeld onderzoek naar de reactie van bacteriën op medicatie. 

Waarom is het dan interessant om deze techniek te gebruiken?

Ten opzichte van de technieken die momenteel gebruikt worden om Listeria monocytogenes te serotyperen, is FT-IR een snellere en goedkopere techniek. Dankzij de grote gevoeligheid kunnen heel veel verschillen gedetecteerd worden en zou het theoretisch mogelijk kunnen zijn om de verschillende serotypes binnen de serogroepen, en zelfs verschillende stammen binnenin de serotypes, te onderscheiden. Er zijn ook andere technieken om dit te doen. Of FT-IR ook deze mogelijkheid biedt, kan je lezen in mijn bachelorproef. 

Enkele gegevens

In het onderzoek, uitgevoerd tijdens mijn bachelorproef, werd er gewerkt met 114 isolaten van drie verschillende Listeria soorten: Listeria monocytogenes (met serotypes 1/2a, 1/2b, 1/2c, 3a, 3c en 4b), Listeria welshimeri en Listeria innocua. 93 isolaten werden geïsoleerd uit de productieomgeving van twee voedselproducenten in Spanje. Dit gebeurde in het kader van het doctoraat van Belén Romero de Castilla López aan de Universiteit van Zaragoza (Spanje). Deze groep werd verder aangevuld met 21 isolaten uit de stammencollectie van de dienst Voedselpathogenen van Sciensano, het Belgisch nationaal referentielaboratorium voor Listeria monocytogenes. Deze isolatHet verschil tussen technische herhalingen en biologische herhalingenen werden geanalyseerd met de IR Biotyper van Bruker Daltonics. Elk isolaat werd drie keer geanalyseerd op verschillende dagen (biologische herhalingen), waarbij er telkens drie metingen uitgevoerd werden (technische herhalingen). Zo werden er voor elk isolaat 9 spectra gegenereerd die aan onze databank werden toegevoegd.

Hoe hebben we dit gedaan?

Het analyseren van bacteriën met de IR Biotyper is heel eenvoudig en toegankelijk. Het volstaat om een suspensie van bacteriën te maken met ethanol en water. Deze suspensie wordt dan geanalyseerd met de IR Biotyper. De gegenereerde spectra werden met elkaar vergeleken om de grootste verschillen en gelijkenissen tussen de stammen te bepalen. Dit om te zien op basis van welke eigenschappen de groepen binnenin de Listeria familie het beste konden onderscheiden. 

De resultaten bekomen tijdens dit onderzoek zijn confidentieel, waardoor ik hier voorlopig niet verder op kan ingaan.

Methoden die werden gebruikt om de isolaten te analyseren met de IR Biotyper

 

Bibliografie

A. Rebuffo, C., Schmitt, J., Wenning, M., Von Stetten, F., & Scherer, S. (2006). Reliable and Rapid Identification of Listeria monocytogenes and Listeria Species by Artificial Neural Network-Based Fourier Transform Infrared Spectroscopy. In PubMed Central. American Society for Microbiology. https://doi.org/10.1128/AEM.72.2.994-1000.2006

A. Rebuffo-Scheer, C. , Dietrich, J., Wenning, M., & Scherer, S. (2008). Identification of five Listeria species based on infrared spectra (FTIR) using macrosamples is superior to a microsample approach. Analytical and Bioanalytical Chemistry/Analytical & Bioanalytical Chemistry, 390(6), 1629–1635. https://doi.org/10.1007/s00216-008-1834-1

A. Rebuffo-Scheer, C., Schmitt, J., & Scherer, S. (2006). Differentiation of Listeriamonocytogenes Serovars by Using Artificial Neural Network Analysis of Fourier-Transformed Infrared Spectra. In PubMed Central (No. 17142376). American Society for Microbiology. https://doi.org/10.1128/AEM.02004-06

Al-Mariri, A., Ramadan, L., Younes, A. A., & Al-Laham, A. (2019). Identification of Listeria species by Fourier-transform infrared spectroscopy. Bulgarian Journal of Veterinary Medicine, 22(3), 285–296. https://doi.org/10.15547/bjvm.2065

B. Sutherland, J., & Rafii, F. (2006). CULTURAL, SEROLOGICAL, AND GENETIC METHODS FOR IDENTIFICATION OF BACTERIA [Electronic book]. In IDENTIFICATION OF MICROORGANISMS BY MASS SPECTROMETRY (Vol. 169, pp. 6–12). John Wiley & Sons, Inc.

Banerjee, A. (2021). Fourier Transform Infrared Spectroscopy - A Review. In ResearchGate. Indian Association for the Cultivation of Science. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.16082.89282

Bruker Daltonics. (2022). IR Biotyper Software User Manual (No. 1845471).

Bruker Daltonics. (n.d.). IR Biotyper® for Food Microbiology. Bruker. https://www.bruker.com/en/applications/microbiology-and-diagnostics/foo…

C. Parte, A., Sardà Carbasse, J., P. Meier-Kolthoff, J., C. Reimer, L., & Göker, M. (2020). List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN) moves to the DSMZ. In Microbiology Society. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004332

CDC PulseNet. (2017). Standard Operating Procedure for PulseNet PFGE of Listeria monocytogenes (No. PNL04).

Chikhi, L., Mancier, M., Brugère, H., Lombard, B., Faouzi, L., Guillier, L., & Gnanou Besse, N. (2023). Comparison of Listeria monocytogenes alternative detection methods for food microbiology official controls in Europe. In International Journal of Food Microbiology. International Union of Microbiological Societies. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2023.110448

Dongare, A. D., Kharde, K. K., & Kachare, A. D. (2012). Introduction to Artificial Neural Network (ISSN:2277-3754). https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=04d0b695…

Food and Drug Administration. (2020, August 3). Get the Facts about Listeria. fda.gov.com. https://www.fda.gov/animal-veterinary/animal-health-literacy/get-facts-…

Greenacre, M., J. F. Groenen, P., Hastie, T., Iodice D’Enza, A., Markos, A., & Tuzhilina, E. (2022). Principal component analysis. https://doi.org/10.1038/s43586-022-00184-w

H. Orsi, R., & Wiedmann, M. (2016). Characteristics and distribution of Listeria spp., including Listeria species newly described since 2009. In PubMed Central (PMID: 27129530). Applied Microbiology and Biotechnology. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7552-2

Hu, Y., Zhou, H., Lu, J., Sun, Q., Liu, C., Zeng, Y., & Zhang, R. (2020). Evaluation of the IR Biotyper for Klebsiella pneumoniae typing and its potentials in hospital hygiene management. In Microbial Biotechnology. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13709

Isaac Abiodun, O., Jantan, A., Esther Omolara, A., Victoria Dada, K., AbdElatif Mohamed, N., & Arshad, H. (2018). State-of-the-art in artificial neural network applications: A survey. In Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e00938

K. Borucki, M., & R. Call, D. (2003). Listeria monocytogenes Serotype Identification by PCR. In Pubmed Central (PMID: 14662936). https://doi.org/10.1128/JCM.41.12.5537-5540.2003

Kassem, A., Abbas, L., Coutinho, O., Opara, S., Najaf, H., Kasperek, D., Pokhrel, K., Li, X., & Tiquia-Arashiro, S. (2023). Applications of Fourier Transform-Infrared spectroscopy in microbial cell biology and environmental microbiology: advances, challenges, and future perspectives. In Frontiers (Front. Microbiol. 14:1304081). University of Michigan-Dearborn. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1304081

Keynote Chemistry. [Keynote Chemistry]. (2014, 16 September). Chem 361 -The Interferometer in IR spectroscopy [Video]. YouTube. Consulted on 15 January 2024, from https://www.youtube.com/watch?v=BSfpcsSafWQ

Klein, C. (2019, December 12). Infrared Radiation and Infrared Spectroscopy. Advancing Materials. https://www.thermofisher.com/blog/materials/all-about-infrared-radiation-and-spectroscopy/

Koudelka, Š., Gelbíčová, T., Procházková, M., & Karpíšková, R. (2018). Lineage and Serotype Identification of Listeria monocytogenes by Matrix-assisted Laser Desorption Ionization-time of Flight Mass Spectrometry. In Czech Journal of Food Sciences. https://doi.org/10.17221/87/2018-CJFS

Kümmerle, M., Scherer, S., & Seiler, H. (1998). Rapid and Reliable Identification of Food-Borne Yeasts by Fourier-Transform Infrared Spectroscopy. In Applied and Environmental Microbiology. https://doi.org/10.1128/aem.64.6.2207-2214.1998

Labrador, M., C Rota, M., Perez, C., Herrera, A., & Bayarri, S. (2018). Evaluation of a Method for Rapid Detection of Listeria monocytogenes in Dry-Cured Ham Based on Impedanciometry Combined with Chromogenic Agar. In Journal of Food Protection. International Association for Food Protection. https://doi.org/10.4315/0362-028X.JFP-17-380

Labrador, M., C Rota, M., Pérez-Arquillué, C., Herrera, A., & Bayarri, S. (2018). Comparative evaluation of impedanciometry combined with chromogenic agars or RNA hybridization and real-time PCR methods for the detection of L. monocytogenes in dry-cured ham. In ScienceDirect. Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2018.06.031

Liyanage, R., & O. Lay, J., Jr. (2006). AN INTRODUCTION TO MALDI-TOF MS [Electronic book]. In IDENTIFICATION OF MICROORGANISMS BY MASS SPECTROMETRY (Vol. 169, p. 39). John Wiley & Sons, Inc.

Luque-Sastre, L., Arroyo, C., M. Fox, E., J. McMahon, B., Bai, L., Li, F., & Fanning, S. (2018). Antimicrobial Resistance in Listeria Species. In American Society for Microbiology. https://doi.org/10.1128/microbiolspec.arba-0031-2017

Mauder, N. (2019, October 16). Typing With IR BiotyperTM [Slide show].

Merchel Piovesan Pereira, B., & Tagkopoulos, I. (2019). Benzalkonium Chlorides: Uses, Regulatory Status, and Microbial Resistance. In Pubmed Central (PMID: 31028024). https://doi.org/10.1128/AEM.00377-19

Møretrø, T., C. T. Schirmer, B., Heir, E., Fagerlund, A., Hjemli, P., & Langsrud, S. (2016). Tolerance to quaternary ammonium compound disinfectants may enhance growth of Listeria monocytogenes in the food industry Author links open overlay panel. In ScienceDirect (No. 0168–1605). https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2016.10.025

Moura, A., Disson, O., Lavina, M., Thouvénot, P., Huang, L., Leclercq, A., Fredriksson-Ahomaa, M., Eshwar, A. K., Stephan, R., & Lecuit, M. (2019). Atypical Hemolytic Listeria innocua Isolates Are Virulent, albeit Less than Listeria monocytogenes. Infection and Immunity, 87(4). https://doi.org/10.1128/iai.00758-18

Muchaamba, F., K. Eshwar, A., J. A. Stevens, M., Stephan, R., & Tasara, T. (2022). Different Shades of Listeria monocytogenes: Strain, Serotype, and Lineage-Based Variability in Virulence and Stress Tolerance Profiles. In Frontiers in Microbiology (No. 792162). https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.792162

National Reference Laboratory for Foodborne outbreaks. Annual Report on foodborne outbreaks in Belgium 2022, Sciensano. Depotnummer: D/2023,14. 440/66

Novais, Â., Freitas, A. R., Rodrigues, C., & Peixe, L. (2018). Fourier transform infrared spectroscopy: unlocking fundamentals and prospects for bacterial strain typing. European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases, 38(3), 427–448. https://doi.org/10.1007/s10096-018-3431-3

Oberreuter, H., Dyk, M., & Rau, J. (2023). Validated differentiation of Listeria monocytogenes serogroups by FT-IR  spectroscopy using an Artificial Neural Network based classifier in an  accredited official food control laboratory. In ScienceDirect. Chemical and Veterinary Analysis Agency. https://doi.org/10.1016/j.clispe.2023.100030

Oberreuter, H., Dyk, M., & Rau, J. (2023b). Validated differentiation of Listeria monocytogenes serogroups by FTIR spectroscopy using an Artificial Neural Network based classifier in an accredited official food control laboratory. https://doi.org/10.1016/j.clispe.2023.100030

Oberreuter, H., Seiler, H., & Scherer, S. (2002). Identification of coryneform bacteria and related taxa by Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy. In International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (No. 01791). https://doi.org/10.1099/00207713-52-1-91

Osek, J., Lachtara, B., & Wieczorek, K. (2022). Listeria monocytogenes – How This Pathogen Survives in Food-Production Environments? In Frontiers (13:866462). National Veterinary Research Institute. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.866462

Paul, D., Steele, C., R. Donaldson, J., M. Banes, M., Kumar, R., M. Bridges, S., Arick, M., II, & L. Lawrence, M. (2014). Genome comparison of Listeria monocytogenes serotype 4a strain HCC23 with selected lineage I and lineage II L. monocytogenes strains and other Listeria strains. In ScienceDirect. College of Veterinary Medicine. https://doi.org/10.1016/j.gdata.2014.06.010

Purkrtová, S., Michova, H., Pilchova, T. P., Demnerova, K., & Pazlarova, J. (2010). Resistance of Listeriamonocytogenes Biofilms to Disinfectants. In Czech Journal of Food Sciences. https://doi.org/10.17221/153/2010-CJFS

Sanderson, G. [3Blue1Brown]. (2019, 26 January) But what is the Fourier Transform?  A visual introduction. [Video]. Youtube. Consulted on 14 January 2024, from https://www.youtube.com/watch?v=spUNpyF58BY

Seeliger, H. P. R., & Höhne, K. (1979). Chapter II Serotyping of Listeria monocytogenes and Related Species [Book]. In Methods in Microbiology (Vol. 13, pp. 31–49). https://doi.org/10.1016/s0580-9517(08)70372-6

Sena Dos Santos, J., Biduski, B., & Ruschel Dos Santos, L. (2021). Listeria monocytogenes: health risk and a challenge for food processing establishments. In Springer Link. https://doi.org/10.1007/s00203-021-02590-2

Shahshahan, M. (2016, June). Converting interferogram to spectrum by the Fourier transform operation. In ResearchGate. https://www.researchgate.net/figure/Figure-2-32-Converting-interferogram-to-spectrum-by-the-Fourier-transform-operation_fig21_348232742

Tankeshwar, A. (2023, December 29). Listeria cell cycle. Microbe Online. https://microbeonline.com/virulence-factors-listeria-monocytogenes/

Tapiwa Matereke, L., & Ifeanyi Okoh, A. (2020). Listeria monocytogenes Virulence, Antimicrobial Resistance and Environmental Persistence: A Review. In Multidisciplinary Digital Publishing Institute (No. 2020, 9, 528). Pathogens. https://doi.org/10.3390/pathogens9070528

Thain, S. (2022, August 16). Mechanism of a FTIR. Technology Networks. https://www.technologynetworks.com/analysis/articles/ir-spectroscopy-an…

Tharwat, A., Gaber, T., Ibrahim, A., & Ella Hassanien, A. (2017). Linear Discriminant Analysis: A Detailed Tutorial. In content.iospress.com. https://doi.org/10.3233/AIC-170729

The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2023, November 23). Wavenumber | Definition, Formula, Units, & Facts. In Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/wavenumber

Thouvénot, P., Valès, G., Bracq-Dieye, H., Tessaud-Rita, N., Maury, M. M., Moura, A., Lecuit, M., & Leclercq, A. (2018). MALDI-TOF mass spectrometry-based identification of Listeria species in surveillance: A prospective study. Journal of Microbiological Methods, 144, 29–32. https://doi.org/10.1016/j.mimet.2017.10.009

Toplak, M., Read, S., Sandt, C., & Borondics, F. (2021). Quasar: Easy Machine Learning for Biospectroscopy. Cells, 10(9), 2300. https://doi.org/10.3390/cells10092300

University of Wyoming. (n.d.). Blood Agar Plates (BAP). UWYO. https://www.uwyo.edu/molb2021/additional_info/summ_biochem/bap.html

Van Paepeghem, C., Taghlaoui, F., De Loy-Hendrickx, A., Vermeulen, A., Devlieghere, F., Jacxsens, L., & Uyttendaele, M. (2024). Prevalence and growth potential of Listeria monocytogenes in innovative, pre-packed, plant-based ready-to-eat food products on the Belgian market. In ScienceDirect (No. 110506). https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2023.110506

World Health Organization: WHO. (2018, February 20). Listeriosis. who.int. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/listeriosis

Universiteit of Hogeschool
Erasmushogeschool Brussel
Thesis jaar
2024
Promotor(en)
Dr. Arturo Blázquez Soro, Ir. Bram Jacobs, Dr. Emilie Cauchie, Dr. Ine De Goeyse, Dr. Koenraad Van Hoorde