Bakteriophagen in der Lebensmittelverarbeitung
„Lebensmittelbedingte Krankheiten sind trotz vieler Fortschritte in der Lebensmittelhygiene und der Überwachung von Krankheitserregern nach wie vor eine der Hauptursachen für Krankenhausaufenthalte und Todesfälle weltweit. Herkömmliche antimikrobielle Methoden wie Pasteurisierung, Hochdruckverarbeitung, Bestrahlung und chemische Desinfektionsmittel können die mikrobiellen Populationen in Lebensmitteln in unterschiedlichem Maße reduzieren, weisen jedoch auch erhebliche Nachteile auf, wie eine hohe Anfangsinvestition und eine mögliche Beschädigung der Verarbeitungsausrüstung aufgrund von ihre korrosive Natur und eine schädliche Auswirkung auf die organoleptischen Eigenschaften (und möglicherweise den Nährwert) von Lebensmitteln. Vielleicht am wichtigsten ist, dass diese Dekontaminierungsstrategien wahllos abtöten, einschließlich vieler – oft nützlicher – Bakterien, die natürlicherweise in Lebensmitteln vorhanden sind.Eine vielversprechende Technik, die mehrere dieser Mängel behebt, ist die Bakteriophagen-Biokontrolle, eine umweltfreundliche und natürliche Methode, bei der aus der Umwelt isolierte lytische Bakteriophagen gezielt auf pathogene Bakterien abzielen und diese aus Lebensmitteln eliminieren (oder deren Gehalt in Lebensmitteln signifikant verringern). Seit der ersten Idee, Bakteriophagen in Lebensmitteln zu verwenden, wurde in zahlreichen Forschungsberichten die Verwendung von Bakteriophagen-Biokontrolle zur Bekämpfung einer Vielzahl von bakteriellen Krankheitserregern in verschiedenen Lebensmitteln beschrieben, von verzehrfertigem Feinkostfleisch bis hin zu frischem Obst und Gemüse Die Zahl der im Handel erhältlichen Produkte, die Bakteriophagen enthalten, die für Anwendungen im Bereich der Lebensmittelsicherheit zugelassen sind, hat ebenfalls stetig zugenommen.Obwohl noch einige Herausforderungen bestehen, wird die Bakteriophagen-Biokontrolle in unserem Arsenal an Werkzeugen zur sicheren und natürlichen Eliminierung pathogener Bakterien aus Lebensmitteln zunehmend als attraktive Modalität anerkannt.
1. Einleitung
Von Salatblättern über Cheddar-Käse in einem Cobb-Salat bis hin zu tiefgekühlten Fertiggerichten sind die von uns verzehrten Lebensmittel einer ständigen Kontaminationsgefahr durch mikrobielle Krankheitserreger ausgesetzt, die anschließend an den Verbraucher weitergegeben werden können. Vor kurzem wurde von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) die Referenzgruppe für die Epidemiologie der durch Lebensmittel übertragenen Krankheiten (FERG) eingerichtet, um durch Lebensmittel übertragene Krankheiten weltweit zu überwachen. FERG überwachte die 31 lebensmittelbedingten Krankheitserreger, die beim Menschen die höchste Morbidität und Mortalität verursachten. In ihrer neuesten (2015) Schätzung der globalen Belastung durch durch Lebensmittel verursachte Krankheiten schätzte FERG, dass im Jahr 2010 600 Millionen lebensmittelbedingte Infektionen auftraten, die über 400.000 Todesfälle verursachten. Unter den fünf häufigsten Mikroorganismen, die durch Lebensmittel übertragene Krankheiten verursachen, befanden sich vier Bakterien: Escherichia coli (~ 111 Millionen), Campylobacter spp. (~ 96 Millionen), Nicht-Typhus Salmonella enterica (~ 78 Millionen) und Shigellaspp. (~ 51 Millionen), wobei die Zahl der durch diese Bakterien verursachten lebensmittelbedingten Todesfälle bei Shigella spp. Auf ~ 15.000 geschätzt wird. bis ~ 63.000 für E. coli [ 1 ]. Auffällig war, dass Kinder unter fünf Jahren unverhältnismäßig stark betroffen waren. sie sind für 40% der Todesfälle verantwortlich und repräsentieren nur 9% der Weltbevölkerung [ 1 ]. Diese lebensmittelbedingten Krankheiten belasten auch die Volkswirtschaft enorm. In den Vereinigten Staaten beispielsweise wird der durchschnittliche Vorfall auf ca. 1500 USD pro Person geschätzt, wobei die geschätzten jährlichen Gesamtkosten für diese durch Lebensmittel übertragenen Krankheiten über 75 Mrd. USD liegen [ 2 ].
Es gibt verschiedene Ansätze, um die Sicherheit unserer Lebensmittel zu verbessern. Hitzepasteurisierung wird üblicherweise verwendet, um die Bakterienzahl in Flüssigkeiten und Milchprodukten, insbesondere Milch, zu verringern. Die Pasteurisierung ist jedoch für viele frische Lebensmittel nicht geeignet, da das Verfahren dazu führt, dass die Produkte gekocht werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung von Krankheitserregern in Lebensmitteln ist die Hochdruckverarbeitung (HPP), bei der Lebensmittel einem hohen Druck ausgesetzt werden, um Mikroben zu inaktivieren. Diese Technik wurde erfolgreich bei flüssigen Produkten und vorgekochten Mahlzeiten angewendet, die zum Einfrieren bestimmt sind. Wie bei der Hitzepasteurisierung wird es jedoch im Allgemeinen nicht bei frischem Fleisch und Erzeugnissen verwendet, da es das Aussehen (die Farbe) und / oder den Nährstoffgehalt dieser Produkte beeinflussen kann [ 3 , 4 ]. Bestrahlung ist auch ein wirksames Mittel zur Verringerung der Belastung pathogener Organismen in Lebensmitteln. Die Bestrahlung kann jedoch die organoleptischen Eigenschaften von Lebensmitteln nachteilig beeinflussen. Darüber hinaus ist die Akzeptanz dieser Methode bei den Kunden gering und wird durch eine Kennzeichnungspflicht für viele mit Strahlung behandelte Lebensmittel verschärft [ 5 , 6 ]. Schließlich werden chemische Desinfektionsmittel wie Chlor und Peressigsäure (PAA) häufig eingesetzt, um mikrobielle Verunreinigungen vieler frischer Obst- und Gemüseprodukte sowie verzehrfertige Lebensmittelprodukte (RTE) zu reduzieren [ 7 , 8 ]. Obwohl sie im Allgemeinen wirksam sind, sind viele dieser Chemikalien ätzend und können Geräte für die Lebensmittelverarbeitung beschädigen. Chemische Desinfektionsmittel können sich auch nachteilig auf die Umwelt auswirken (dh sie sind nicht umweltfreundlich), und angesichts der derzeitigen Tendenzen zu chemikalienfreien Bio-Lebensmitteln nimmt die Akzeptanz chemischer Zusatzstoffe in Lebensmitteln (insbesondere in Frischwaren) durch die Verbraucher rapide ab. Ein gemeinsamer Nachteil all dieser Techniken ist, dass sie Mikroben wahllos abtöten. mit anderen Worten, sowohl die pathogenen als auch die potentiell vorteilhaften normalen Flora-Bakterien sind gleichermaßen betroffen. Darüber hinaus kommt es trotz der Vielzahl der verfügbaren Methoden immer noch relativ häufig zu lebensmittelbedingten Ausbrüchen.Diese kombinierten Faktoren veranschaulichen die Notwendigkeit eines gezielten antimikrobiellen Ansatzes, der allein oder in Kombination mit den oben beschriebenen Techniken eingesetzt werden kann, um zusätzliche Barrieren in einem Mehrfachhürdenansatz zu schaffen, um zu verhindern, dass durch Lebensmittel übertragene bakterielle Krankheitserreger die Verbraucher erreichen. Eine solche Technik ist die Verwendung von lytischen Bakteriophagen, um bestimmte lebensmittelbedingte Bakterien in unseren Lebensmitteln anzugreifen, ohne deren normale – und häufig vorteilhafte – Mikroflora nachteilig zu beeinflussen. Dieser Ansatz wird als „Bakteriophagen-Biokontrolle“ oder „Phagen-Biokontrolle“ bezeichnet.
Die Phagen-Biokontrolle wird zunehmend als natürliche und umweltfreundliche Technologie akzeptiert, mit der gezielt gegen bakterielle Krankheitserreger in verschiedenen Lebensmitteln vorgegangen werden kann, um die Nahrungskette zu schützen ( Tabelle 1 ). Bakteriophagen wurden erstmals 1917 von Felix d’Herelle identifiziert, und die Nützlichkeit dieser „Bakterienfresser“ zur Bekämpfung bakterieller Krankheiten wurde schnell ausgenutzt [ 9 ].Im Zusammenhang mit der Lebensmittelsicherheit befassen sich Bakteriophagen mit vielen Bedenken der Verbraucher. Zum Beispiel bietet die Phagen-Biokontrolle aufgrund der Spezifität von Bakteriophagen eine einzigartige Möglichkeit, auf pathogene Bakterien in Lebensmitteln abzuzielen, ohne die normale Mikroflora von Lebensmitteln zu stören. Bemerkenswert ist, dass die US-Armee kürzlich ein Projekt (W911QY-18-C-0010) initiierte, um die Auswirkungen der Anwendung von Phagen im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Antibiotika auf die normale Mikrobiota von Frischprodukten und die möglichen Auswirkungen dieser Maßnahmen auf den Nährwert von Lebensmitteln näher zu untersuchen . Darüber hinaus ist die Phagen-Biokontrolle wahrscheinlich die umweltfreundlichste antimikrobielle Intervention, die derzeit erhältlich ist. Die meisten, wenn nicht alle derzeit erhältlichen kommerziellen Phagen-Biokontrollprodukte enthalten natürliche Phagen, dh aus der Umwelt isolierte Phagen, die nicht genetisch verändert sind. Viele dieser Präparate enthalten auch keine Zusätze oder Konservierungsmittel; Es handelt sich typischerweise um Lösungen auf Wasserbasis, die aus gereinigten Phagen und geringen Mengen an Salzen bestehen. Einige auf dem Markt erhältliche Phagenpräparate sind auch als koscher und halal zertifiziert und für die Verwendung in Bio-Lebensmitteln erhältlich (OMRI-gelistet in den USA; SKAL in der EU) ( Tabelle 2 ). Obwohl es nur begrenzte Tests gibt, legen die Arbeiten unserer Gruppe nahe, dass Bakteriophagen die organoleptischen (dh sensorischen) Eigenschaften von Lebensmitteln nicht verändern [ 10 ]. Im Vergleich zu anderen Maßnahmen zur Lebensmittelsicherheit sind die Kosten für die Anwendung von Bakteriophagen relativ niedrig und liegen in der Regel im Bereich von 1 bis 4 Cent pro Pfund des behandelten Lebensmittels. Die Behandlung und Bestrahlung mit HPP kostet in der Regel 10 bis 30 Cent pro Pfund [ 11 ]. Es ist wichtig anzumerken, dass diese Zahlen nur die Kosten jeder Intervention darstellen und Situationen nicht berücksichtigen, in denen ein Mehr-Hürden-Ansatz aus Gründen der Lebensmittelsicherheit erforderlich sein kann (z. B. wird befürchtet, dass Lebensmittel durch mehr als einen durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserreger kontaminiert sind) ) oder aus Gründen der Lebensmittelsicherheit (z. B. Lebensmittelverderb, der typischerweise durch mehrere verschiedene Mikroorganismen verursacht wird).
Die biologischen Eigenschaften von lytischen Bakteriophagen und andere Eigenschaften von kommerziellen Phagen-Biokontrollprodukten, wie oben erläutert, machen die Phagen-Biokontrolle zu einer sehr attraktiven Methode zur weiteren Verbesserung der Sicherheit unserer Lebensmittel, und eine zunehmende Anzahl von Unternehmen weltweit befasst sich mit deren Entwicklung und Vermarktung. [ 12 ] ( Tabelle 2 ). Die Phagen-Biokontrolle hat jedoch ihre Grenzen und Nachteile. Phagenpräparate erfordern beispielsweise eine gekühlte Lagerung (in der Regel 2–8 ° C) und müssen in Verbindung mit chemischen Desinfektionsmitteln möglicherweise separat angewendet werden, da aggressive Chemikalien auch die Phagenpartikel inaktivieren und die Phagen-Biokontrolle weniger wirksam machen können. Aufgrund ihrer hohen natürlichen Spezifität können Phagenpräparate gezielt Krankheitserreger in Lebensmitteln wirksam bekämpfen. Wenn Lebensmittel jedoch zufällig mit zwei oder mehr Krankheitserregern aus Lebensmittelbakterien kontaminiert sind, ist ein Phagenpräparat, das gegen einen einzelnen Krankheitserreger gerichtet ist, nicht wirksam bei der Entfernung von nicht Krankheitserreger aus Lebensmitteln. Als letzte Überlegung muss darauf geachtet werden, lytische Phagen zu verwenden und temperierte Phagen von Bakteriophagenpräparaten auszuschließen. Gemäßigte Phagen sind beim Abtöten ihrer bakteriellen Wirte typischerweise weniger wirksam als lytische Phagen. Darüber hinaus können temperierte Phagen ihre DNA in das Bakterienchromosom integrieren und daher möglicherweise den Transfer von Virulenzgenen oder anderen unerwünschten Genen (z. B. Antibiotikaresistenz-kodierende Gene) zwischen Bakterienstämmen fördern, was zum Entstehen führen könnte neuer pathogener Stämme. Das Risiko eines solchen Auftretens ist signifikant geringer, wenn lytische Phagen verwendet werden.
Diese Übersicht konzentriert sich auf Anwendungen von Wildtyp-Bakteriophagen zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit. Wir diskutieren keine anderen möglichen phagenbezogenen Methoden, wie zum Beispiel die Verwendung von Phagenendolysinen zur Bekämpfung von durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserregern oder die Verwendung von Bakteriophagen zur Bekämpfung von Lebensmittelverderb. Diese Themen wurden bereits von anderen Autoren diskutiert und entsprechende Übersichten sind verfügbar [ 13 , 14 ].Im Zusammenhang mit Anwendungen zur Lebensmittelsicherheit können lytische Wildtyp-Bakteriophagen sowohl vor der Ernte (z. B. bei lebenden Tieren, die über Tierfutter verabreicht oder vor dem Schlachten aufgesprüht werden) als auch / und nach der Ernte (z. B. direkt auf die Tiere aufgebracht werden) verwendet werden Lebensmitteloberflächen, entweder durch direktes Besprühen, über Verpackungsmaterialien oder auf andere Weise), um die Kontamination durch pathogene Bakterien zu verringern [ 12 , 15 ]. Bakteriophagen-Biokontrolle könnte auch ein Mittel zur Desinfektion von Oberflächen sein, die bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln verwendet werden [ 16 , 17 ]. In früheren Übersichten [ 12 , 14 , 18 , 19 ] haben wir und andere einen allgemeinen Überblick über die Branchen und Produkte zusammengestellt, in denen Bakteriophagen in Anwendungen für die Lebensmittelsicherheit eingesetzt werden. Hier stellen wir eine aktualisierte Übersicht (und eine erweiterte Übersichtstabelle) zur Verfügung, in der Studien beschrieben werden, in denen Bakteriophagen vorwiegend auf Lebensmittel nach der Ernte, insbesondere Fleisch, Frischprodukte und RTE-Lebensmittel, angewendet wurden ( Tabelle 1 ). Im nächsten Abschnitt werden ausgewählte Studien aus den letzten fünf Jahren besprochen, in denen die Bakteriophagen-Biokontrolle zur Bekämpfung von vier wichtigen lebensmittelbedingten Krankheitserregern eingesetzt wurde. Schließlich diskutieren wir auch die Regulation von Bakteriophagen für Anwendungen in der Lebensmittelsicherheit und einige der Herausforderungen der Phagen-Biokontrolle.
2. Phagen-Biokontrolle zur Bekämpfung der häufigsten lebensmittelbedingten bakteriellen Krankheitserreger
2.1. Listeria monocytogenes
Listeria monocytogenes ist eine stabförmige, grampositive, fakultative Anaerobe. Der Verzehr von mit L. monocytogenes kontaminierten Lebensmitteln verursacht beim Menschen eine Reihe von Symptomen, wie z. B. anfängliche grippeähnliche oder gastrointestinale Symptome, die in einigen Fällen zu einer Enzephalitis oder zervikalen Symptomen und möglicherweise zu einer Totgeburt bei schwangeren Müttern führen. Schätzungen zufolge gab es 2010 weltweit mehr als 14.000 Fälle von lebensmittelbedingten Infektionen mit L. monocytogenes,bei denen mehr als 3000 Menschen ums Leben kamen [ 1 ]. L. monocytogenes kann bei gekühlten Temperaturen (2–8 ° C) überleben und wachsen, die üblicherweise bei der Verteilung und Lagerung vieler Lebensmittel angewendet werden. Daher ist der Nachweis und die Eliminierung von L. monocytogenes von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Sicherheit der Lebensmittelkette, insbesondere in RTE-Lebensmitteln. In diesem Zusammenhang wurde von mehreren Forschern gezeigt, dass die Anwendung von Bakteriophagen auf verschiedene Lebensmittel (einschließlich RTE-Lebensmittel) die Kontamination mit L. monocytogenes wirksam reduziert ( Tabelle 1 ). Beispielsweise wurde berichtet, dass ein kommerzielles Monophagenpräparat (dh ein Phagenpräparat, das aus einem einzelnen Phagen besteht), das auf Listeria abzielt, die Spiegel von L. monocytogenes in Schinkenscheiben wirksam senkt und im Vergleich zu Lactat-Nisin und Natrium überlegen ist die Lagermissbrauchstemperatur von 6–8 ° C [ 47 ]. Eine ähnliche Studie von Chibeu und Kollegen (2013) zeigte, dass das gleiche Monophagenpräparat auch L. monocytogenes auf der Oberfläche anderer Delikatessen reduzieren konnte [ 44 ]. Das Fleisch (gekochter geschnittener Truthahn und Roastbeef) wurde bei 4 ° C und einer Missbrauchstemperatur von 10 ° C gelagert. Der Listeria- spezifische Phage war gegen L. monocytogeneswirksam, wenn er alleine verwendet wurde, und erhöhte die Wirksamkeit anderer antimikrobieller Mittel, wenn er zusammen mit Natriumdiacetat oder Kaliumlactat verwendet wurde. Alle diese Studien verwendeten ein einzelnes Phagenpräparat. Ein Phagencocktail, der mit mehreren Bakteriophagen im Vergleich zu einem einzelnen Phagenpräparat hergestellt wurde, kann sowohl im Hinblick auf eine breitere Abdeckung der Zielspezies als auch auf eine Verringerung des Risikos des Auftretens resistenter Bakterien überlegen sein. Ein solcher im Handel erhältlicher Sechs-Phagen-Cocktail gegen L. monocytogenes wurde an einer Reihe von Lebensmitteln getestet, die experimentell mit L. monocytogenes kontaminiert sind, darunter Salat, pasteurisierter Hartkäse, geräucherter Lachs und Gala-Apfelscheiben; Die Anwendung dieses Bakteriophagen-Cocktails reduzierte die L. monocytogenes-Spiegel in all diesen Lebensmitteln um ~ 0,7–1,1 logs [ 10 ]. Dieselbe Studie untersuchte die Anwendung des L. monocytogenes- spezifischen Cocktails auf vorverpackte, tiefgefrorene Mahlzeiten. Die Mahlzeiten wurden experimentell mit L. monocytogenes kontaminiert , mit dem Phagencocktail behandelt und Gefrier- und Auftauzyklen unterzogen. Die Ergebnisse zeigten eine Verringerung von L. monocytogenes um 2,2 log, was darauf hindeutet, dass die Phagen-Biokontrolle ein wirksames Mittel zur Kontrolle von L. monocytogenes in Lebensmitteln unter Bedingungen des „Lagermissbrauchs“ sein kann, wenn die Tiefkühlmahlzeiten während ihrer Lagerung absichtlich oder unbeabsichtigt mehrmals aufgetaut werden [ 10 ].
In vielen der oben besprochenen Studien wurden trotz der anfänglichen signifikanten Verringerung der L. monocytogenes- Spiegel in den Nahrungsmitteln die Zielbakterienpopulationen nicht vollständig ausgerottet, und lebensfähige L. monocytogenes- Zellen konnten immer noch gewonnen werden, wenn auch in viel geringerer Anzahl. Die Bakteriophagenpräparate waren jedoch immer noch wirksam gegen zufällig ausgewählte Kolonien der gewonnenen Bakterien, was darauf hindeutet, dass die Phagenresistenz nicht der Hauptgrund für die unvollständige Ausrottung von L. monocytogenes war [ 23 , 37 , 44 ]. Für diese Beobachtung gibt es mehrere mögliche Erklärungen. Beispielsweise könnten die L. monocytogenes- Zellen eine zeitliche Resistenz gegen Phageninfektionen aufweisen, wie bereits berichtet [ 70 , 71 ]. Eine andere mögliche Erklärung besteht darin, dass die Phagen nach dem Aufsprühen der Phagen auf die Lebensmittel (z. B. aufgrund der Verwendung eines zu geringen Sprühvolumens, insbesondere auf Lebensmittel mit komplexer Topographie) nicht direkt mit einigen L. monocytogenes- Zellen in Kontakt kamen, was zur Folge hatte diese Bakterienzellen werden nicht von Phagen lysiert. In diesem letzteren Szenario können die Verwendung größerer Sprühvolumina, feiner (nebelartiger) Sprays, rotierender / taumelnder Lebensmittel während der Phagenapplikation und die Gewährleistung einer gründlichen Oberflächenbedeckung mit Phagen dazu beitragen, die Wirksamkeit der Phagen-Biokontrolle zu verbessern.
2.2. Salmonella spp.
Die Nicht-Typhus-Serotypen von Salmonella enterica sind jedes Jahr weltweit für viele Fälle von Gastroenteritis verantwortlich. Die durch diese gramnegativen, stäbchenförmigen Bakterien verursachte Krankheit ist häufig selbstlimitierend und zeigt Symptome wie Magenkrämpfe, Fieber, Übelkeit und Durchfall. Es können jedoch lebensbedrohliche Fälle eintreten, in denen die Bakterien dehydriert sind und in den Magen-Darm-Trakt eindringen.Schätzungen zufolge wurden im Jahr 2010 weltweit mehr als 78 Millionen Fälle von lebensmittelbedingten Infektionen durch Salmonellen verursacht, bei denen es zu fast 60.000 Todesfällen kam [ 1 ]. Während der Verarbeitung und Verpackung von Lebensmitteln können Salmonellen und andere Krankheitserreger an den Oberflächen haften, auf denen Lebensmittel zubereitet werden, und diese kontaminieren. Diese Faktoren setzen RTE-Lebensmittel wie frisches Obst und Gemüse, die vor dem Verzehr nicht gekocht wurden, einem besonders hohen Risiko aus, bakterielle Krankheitserreger zu übertragen und Lebensmittelvergiftungen zu verursachen.
Derzeit sind mindestens zwei von der FDA zugelassene Phagenpräparate gegen Salmonellen auf dem Markt ( Tabelle 2 ). Es sind mehrere Veröffentlichungen verfügbar, die ihre Anwendungen (und die anderer nichtkommerzieller Phagenpräparate) in verschiedenen Lebensmitteln beschreiben. Kurze Zusammenfassungen dieser Studien sind in Tabelle 1 angegeben . Eine Studie ist von besonderem Interesse, da sie ein Beispiel dafür zeigt, wie eine Phagenresistenz gehandhabt werden kann, wenn sie die Wirksamkeit eines Bakteriophagenpräparats beeinträchtigt. In dieser Studie wurde ein GRAS-gelisteter (allgemein als sicher anerkannter) Sechs-Phagen-Cocktail gegen Salmonellen auf seine Fähigkeit hin untersucht, die Salmonellenspiegel auf Oberflächen zu senken, die denen in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben üblicher Weise ähneln, z. B. Edelstahl und Glas [ 16] ]. Erste Studien zeigten, dass der Salmonella- spezifische Bakteriophagen-Cocktail die Population anfälliger Salmonella- Stämme auf allen untersuchten Oberflächen durch ~ 2–4 Stämme signifikant reduzierte; Gleichzeitig war es unwirksam, die Spiegel eines anderen Salmonellenstamms ( SalmonellaParatyphi B S661) zu senken, der in vitro gegen den Phagencocktail resistent war [ 16 ]. Wenn der Phagencocktail jedoch so eingestellt wurde, dass er Phagen enthielt, die spezifisch auf diesen resistenten Stamm abzielten, zeigte das aktualisierte Präparat eine signifikante Reduktion (~ 2 log) von S. Paratyphi B S661 von den Oberflächen, während auch die Wirksamkeit gegen die zuvor anfälligen Isolate aufrechterhalten wurde [ 16 ]. Diese Studie liefert überzeugende Beweise dafür, dass Phagencocktails leicht modifiziert werden können, um auf bestimmte Bakterienstämme abzuzielen, z. B. wenn phagenresistente Mutanten auftauchen, oder um gezielt auf die in bestimmten Lebensmittelherstellungsbetrieben vorherrschenden Problemstämme abzuzielen.
Zusätzlich zu ihrer Nützlichkeit bei der Dekontamination von Oberflächen für die Zubereitung von Nahrungsmitteln haben Bakteriophagencocktails auch Salmonellen direkt aus den Nahrungsmitteln entfernt. Zum Beispiel reduzierte der gleiche Salmonella- spezifische Cocktail, der oben diskutiert wurde, die Salmonella- Spiegel auf experimentell kontaminierten Hühnerteilen, wenn er allein angewendet wurde, und dieser Effekt wurde verstärkt, wenn der Phage in Kombination mit herkömmlichen chemischen Desinfektionsmitteln angewendet wurde [ 59 ]. Bei Hähnchenbrustfilets reduzierte der Bakteriophagencocktail die Anzahl einer Mischung von Salmonella-Arten signifikant, wenn sie auf die Oberfläche der Filets aufgetragen wurden oder wenn die Filets in ein Gefäß getaucht wurden, das die Phagenlösung enthielt [ 60 ]. Darüber hinaus reduzierte dieser Phagencocktail die Anzahl der Salmonellen signifikant, wenn die Filets unter aeroben oder modifizierten atmosphärischen Bedingungen gelagert wurden [ 60 ]. Diese letztere Erkenntnis kann direkte praktische Auswirkungen haben, da Lebensmittelhersteller häufig modifizierte atmosphärische Bedingungen verwenden, um das Wachstum von Bakterien zu hemmen und die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern. Eine andere Studie ergab, dass ein einzelner Phage, SJ2, die Menge an Salmonellen in Flüssigei und gemahlenem Schweinefleisch signifikant reduzierte, und diese Reduktion war bei höheren Temperaturen stärker ausgeprägt [ 62 ]. Die Autoren untersuchten verbleibende Salmonellenkolonien auf Resistenz; Während es keinen Unterschied in der Anzahl resistenter Klone von mit Phagen behandelten und unbehandelten Proben von gemahlenem Schweinefleisch gab, wurde in den mit Phagen behandelten Proben von Eiflüssigkeit eine signifikant höhere Anzahl resistenter Klone gefunden [ 62 ]. Die Autoren schlugen vor, dass sowohl die Lebensmittelmatrix (fest als auch flüssig) als auch die Unterschiede im Mikrobiom der beiden Lebensmittel zu diesem Unterschied in der Anzahl resistenter Salmonella- Isolate beigetragen haben könnten [ 62 ].
Lebensmittelbedingte Krankheiten, die durch nicht-typhoide Serotypen von Salmonellen verursacht werden, stellen auch ein Gesundheitsrisiko für Haustiere (z. B. Hunde und Katzen) dar, und die enge Verbindung dieser Tiere mit ihren Besitzern erhöht die Möglichkeit von Krankheiten beim Menschen. In der Tat wurde der Ausbruch von Salmonellen beim Menschen mit kontaminiertem Katzen- und Hundefutter in Verbindung gebracht, und es wurde festgestellt, dass etwa ein Drittel der in die Stichprobe einbezogenen kommerziellen Roh- und Naturfuttermittel Salmonellen enthalten [ 72 , 73 ]. Um diesem Gesundheitsrisiko entgegenzuwirken, wurde kürzlich die Phagen-Biokontrolle als eine Technik zur Reduzierung oder Eliminierung von Salmonellen in Heimtierfutter untersucht. Es wurde festgestellt, dass der oben diskutierte sechs-Phagen- Salmonellen- spezifische Cocktail die Salmonellen- Spiegel in experimentell kontaminiertem Hundetrockenfutter um 1 log verringert [ 74 ]; Wenn Katzen und Hunde mit trockenem Kibble gefüttert wurden, das mit dem gleichen Phagencocktail behandelt wurde, schien dies sicher zu sein und hatte keinen spürbaren Einfluss auf eine der wichtigsten Gesundheitsmetriken, die für eines der Tiere aufgezeichnet wurden [ 61 ].
Eine Alternative zu Trockenfutter, das immer beliebter wird, ist Rohfutter. Diese Heimtiermahlzeiten bestehen aus Fleisch wie Hühnchen, Ente oder Thunfisch, kombiniert mit Gemüse, einschließlich Salat, Blaubeeren und Brokkoli, das roh verkauft und serviert wird [ 61 ]. Rohes Heimtierfutter erfreut sich aufgrund seiner hervorragenden Nährwerte zunehmender Beliebtheit. Gleichzeitig besteht, da sie nicht gekocht sind, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass in ihnen durch Lebensmittel übertragene Krankheitserreger vorhanden sind, die während des Fütterungsprozesses sowohl auf Haustiere als auch auf ahnungslose Verbraucher übertragen werden können.Kürzlich wurde mindestens ein Bericht veröffentlicht, in dem die Autoren den Wert der Verwendung von Phagen zur Bekämpfung von Salmonellen in Rohzutaten für Heimtierfutter untersuchten. Die Verringerung der bakteriellen Kontamination lag im Bereich von 0,4 log bis 1,1 log, die Wirksamkeit war konzentrationsabhängig und die größte Verringerung wurde erzielt, wenn hohe Dosen des Bakteriophagenpräparats verwendet wurden [ 61 ] ( Tabelle 1 ).
2.3. Escherichia coli
Viele Stämme der gramnegativen, stäbchenförmigen Bakterien Escherichia coli kommen natürlicherweise im menschlichen Darm vor und sind für unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden von Vorteil. Zum Beispiel helfen sie bei der Verdauung von Nahrungsmitteln und der Aufrechterhaltung eines robusten Immunsystems. Einige E. coli- Stämme können und verursachen jedoch beim Menschen Krankheiten. Beispielsweise kann das Shiga-Toxin, das E. coli Serotyp O157: H7 produziert und manchmal in kontaminiertem Wasser oder in Lebensmitteln, insbesondere Rindfleisch, vorkommt, in den menschlichen Magen-Darm-Trakt eindringen und eine Krankheit auslösen, mit Symptomen wie Bauchkrämpfen und hämorrhagischem Durchfall. Diese Infektionen sind in der Regel bei immunkompetenten Personen selbstlimitierend, können jedoch bei sehr jungen oder alten Patienten lebensbedrohlich sein. Es wurde geschätzt, dass weltweit mehr als eine Million Fälle lebensmittelbedingter Erkrankungen und über einhundert Todesfälle auf Shiga-Toxin produzierende E. coli zurückzuführen sind , einschließlich des Serotyps O157: H7 [ 1 ].
Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass E. coli- spezifische Phagenpräparate bei der Behandlung von frischem Gemüse [ 75 ] und sowohl mit Ultrahochtemperatur (UHT) behandelter als auch mit E. coli kontaminierter Rohmilch wirksam waren [ 33 ]. In der ersten Studie wurden die Gehalte an E. coli O157: H7 auf grünen Paprikaschnitten und Spinatblättern durch einen einzelnen Phagen um ca. 1–4 log reduziert, und die anfängliche Reduktion wurde bei 4 ° C gehalten, während ein gewisses Nachwachsen bei beobachtet wurde 25 ° C. In der zweiten Studie wurden die Konzentrationen von E. coli sowohl in UHT als auch in Rohmilch auf nicht nachweisbare Konzentrationen reduziert, wenn ein Cocktail aus zwei oder drei Phagen verwendet wurde. Bemerkenswerterweise wurde diese Reduktion in allen Proben, die mit dem Drei-Phagen-Präparat behandelt wurden, über die Lagerung sowohl bei 4 als auch bei 25 ° C aufrechterhalten; im Gegensatz dazu wuchs der E. coli- Stamm in den mit dem Zwei-Phagen-Cocktail behandelten Proben nach. Obwohl die zugrunde liegenden Gründe nicht vollständig geklärt sind, ist es möglich, dass der Drei-Phagen-Cocktail eine bessere Resistenzkontrolle bietet als ein Zwei-Phagen-Cocktail, und die verbesserte Wirksamkeit von Mehr-Phagen-Cocktails wurde bereits für andere Phagenpräparate nachgewiesen [ 76 ]. . Obwohl die zugrundeliegenden Gründe für dieses Phänomen nicht genau bestimmt wurden, ist es möglich, dass das Vorhandensein mehrerer Phagen in einem Phagencocktail das Risiko des Auftretens phagenresistenter Mutanten verringert, da mehrere Mutationen erforderlich wären, um eine bestimmte Bakterienzelle resistent zu machen Nicht einer, sondern mehrere Phagen im Cocktail, vorausgesetzt, die Phagen zielen auf unterschiedliche Zellstrukturen ab. Dieses Konzept entspricht im Wesentlichen dem Multi-Hürden-Ansatz, bei dem eine Kombination von antibakteriellen Strategien vorgeschlagen wird, um die Entwicklung von Bakterienresistenzen zu verhindern [ 77 ]. Diese und einige weitere Studien unter Verwendung von E. coli- spezifischen Phagen in Anwendungen zur Lebensmittelsicherheit sind in Tabelle 1 kurz zusammengefasst.
2.4. Shigella spp.
Spezies der gramnegativen, stabförmigen Bakteriengattung Shigella verursachen eine selbstlimitierende gastrointestinale Infektion mit Symptomen wie hämorrhagischem Durchfall und Magenschmerzen. Weltweit wurde die Inzidenz von durch Shigella verursachten lebensmittelbedingten Infektionen im Jahr 2010 auf über 50 Millionen geschätzt, was über 15.000 Todesfälle zur Folge hatte [ 1 ]. Die überwiegende Mehrheit dieser Infektionen trat in Entwicklungsländern auf, wobei die meisten Infektionen und Todesfälle bei Kindern unter 5 Jahren auftraten [ 1 , 78].
Derzeit ist nur ein von der FDA zugelassenes Phagenpräparat für die Lebensmittelsicherheit gegen Shigellaspp. Erhältlich. [ 66 , 69 ]. Dieser Fünf-Phagen-Cocktail erhielt 2017 den GRAS-Status (GRN 672) ( Tabelle 2 ), und es wurde gezeigt, dass er den Shigella- Spiegel in einer Vielzahl von Lebensmitteln, einschließlich Melonen, Salat, Joghurt und Feinkost Corned, um ungefähr 1 Log verringert Rindfleisch, Räucherlachs und Hähnchenbrustfleisch [ 66 ]. In einer anderen Studie wurde der gleiche Shigella- spezifische Bakteriophagen-Cocktail verwendet, um die Sicherheit und Wirksamkeit der Verabreichung von Phagen mit der Antibiotikabehandlung bei Mäusen zu vergleichen, die mit einem Shigella sonnei- Stamm in Kontakt gebracht wurden [ 69 ]. Diese Studie zeigte, dass, obwohl der Shigella- spezifische Bakteriophagen-Cocktail bei der Verringerung der Bakterienlast bei Mäusen genauso wirksam war wie eine Standard-Antibiotikabehandlung, die Behandlung mit dem Antibiotikum die Diversität der Darmgemeinschaft der Maus signifikant veränderte, während die Phagen-Behandlung keine Phagen-Behandlung durchführte Die Verabreichung hatte im Vergleich zur Antibiotikabehandlung eine viel geringere Auswirkung auf die normale Darmmikrobiota von Mäusen [ 69 ]. Die Autoren beobachteten keine schädlichen Nebenwirkungen bei den Mäusen nach der Verabreichung von Phagen, das heißt, der Phage veränderte weder die Zusammensetzung des Blutes oder Urins der Mäuse noch hatte er einen nachteiligen Effekt auf die Morbidität oder Mortalität, das Gewicht oder sonstige physiologische Parameter der Tiere [ 69 ]. Obwohl diese Bakteriophagen für Anwendungen im Bereich der Lebensmittelsicherheit nicht direkt relevant sind, ergab die Studie, dass sie bei oraler Verabreichung (imitiert ein Szenario, in dem sie beim Verzehr von mit ihnen behandelten Lebensmitteln verzehrt würden) die normale Darmflora nicht beeinträchtigen (im Gegensatz zu Antibiotika). und löste bei keinem der untersuchten Tiere Nebenwirkungen aus.
2.5. Campylobacter jejuni
Campylobacter spp., Gramnegative, stäbchenförmige Bakterien, sind die Hauptpathogene in der Nahrung des Menschen und verursachen gastrointestinale Symptome, zu denen Magenschmerzen, Fieber und Durchfall gehören können. In einem kürzlich veröffentlichten (2015) Bericht schätzte FERG, dass 2010 die weltweiten Fälle von durch Campylobacter spp. mehr als 95 Millionen und führte zu mehr als 21.000 Todesfällen [ 1 ]. Die Darmflora vieler Geflügel und anderer Nutztiere enthält Arten von Campylobacter . Obwohl der Eintrittsweg nicht vollständig geklärt ist, kann Campylobacter häufig sowohl von der Oberfläche als auch von der Innenseite der Hühnerleber isoliert werden. Zoonotische Infektionen treten üblicherweise beim Menschen auf, wenn kontaminierte tierische Produkte wie Fleisch gehandhabt oder konsumiert werden. Daher besteht für Menschen ein erhöhtes Risiko für eine Campylobacter- Infektion, wenn minimal gekochte Zubereitungen, z. B. Pastete, zubereitet werden.
Mehrere Campylobacter- Bakteriophagen wurden aus Hühnern isoliert, einschließlich der Fäkalien sowie der Oberfläche und des inneren Gewebes der Hühnerleber, und einige von ihnen wurden auf ihre Fähigkeit untersucht, die Kontamination verschiedener Lebensmittel durch Campylobacter zu verringern [ 79 , 80 , 81] . 82 ]. Zum Beispiel verwendeten Hammerl und Kollegen [ 80 ] die Phagen als Vorerntebehandlung und zeigten eine signifikante Reduktion (~ 3 log) der Campylobacter- Stuhlzahlen, wenn 20 Tage alte Hühner nacheinander mit zwei Phagen behandelt wurden (eine Gruppe) III-Phage, dann ein Phage der Gruppe II). Interessanterweise war die Dosierung des Phagen der Gruppe III allein oder in Verbindung mit einem anderen Phagen der Gruppe III nicht wirksam, was darauf hindeutet, dass eine Kombination verschiedener Phagen (Gruppe II und III) für eine optimale Wirksamkeit erforderlich war. Die Isolierung von Campylobacter- spezifischen Phagen wurde in der Vergangenheit mit einer begrenzten Anzahl von Campylobacter- Isolaten durchgeführt, wobei in vielen Studien nur ein C. jejuniNCTC 12662-Isolat als Wirtsstamm für die Phagenisolierung verwendet wurde. Mit diesem einen Stamm isolierte Phagen sind fast ausschließlich Phagen der Gruppe III, die auf einen bestimmten Rezeptor, das Kapselpolysaccharid, abzielen [ 83 ]. Im Gegensatz dazu sind auf C. jejuni RM1221 isolierte Phagen typischerweise Phagen der Gruppe II, die die Flagellen als Eintrittsweg verwenden [ 83 ]. Wie aus der obigen Studie hervorgeht [ 80 ], könnte ein Phagencocktail, der aus Phagen besteht, die auf verschiedene Rezeptoren abzielen, möglicherweise zu einem breiteren Zielbereich und effektiveren Cocktails führen.
3. Bakteriophagenpräparate als Handelsprodukte
3.1. Regulation von Bakteriophagenpräparaten
In den letzten ungefähr 12 Jahren hat die Anzahl der behördlichen Zulassungen für Bakteriophagenpräparate und deren Verwendung zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit stetig zugenommen ( Tabelle 2 ). 2006 erteilte die FDA die erste Zulassung für ein Bakteriophagenpräparat zur direkten Verwendung in der Lebensmittelversorgung für den L. monocytogenes- spezifischen Cocktail ListShield ™ als Lebensmittelzusatzstoff (FDA „genehmigt“ keine Produkte auf Phagenbasis oder auf andere Weise; der Begriff „Zulassung“ wird jedoch üblicherweise verwendet, um die Erlangung der FDA-Zulassung für die Verwendung von Produkten für die beabsichtigten Anwendungen zu kennzeichnen.) Später in diesem Jahr veröffentlichte die FDA einen unbedenklichen Bescheid für das Listeria- spezifische Präparat Listex ™ (derzeit PhageGuard Listex ™) als allgemein als sicher anerkannte Substanz (GRAS). In den letzten Jahren wurde einer Reihe von Phagenprodukten (z. B. SalmoFresh ™ und PhageGuard S ™) von der FDA die GRAS-Zulassung erteilt. Die Beantragung der GRAS-Zulassung scheint nun die Standardzulassungsroute für Phagenprodukte zu sein, die zur Behandlung von post- ernten Sie Lebensmittel. Da wildtypische (dh nicht gentechnisch veränderte) lytische Bakteriophagen alle natürlich sind und bereits in der Lebensmittelversorgung vorhanden sind, scheint die GRAS-Bezeichnung ein geeigneter regulatorischer Weg für solche Zubereitungen zu sein. Darüber hinaus hat die USDA mehrere Phagenpräparate in ihre herausgegebenen Richtlinien für sichere und geeignete Zutaten für die Herstellung von Fleisch-, Geflügel- und Eiprodukten aufgenommen. Beispielsweise gemäß der FSIS-Richtlinie 7120.1 die Anwendung von Phagen auf Nutztiere vor der Schlachtung (z. B. E. coli O157: H7-gerichtete Phagen auf Rinderhäute) und auf Lebensmittel (z. B. Salmonella- gerichtete Phagen auf Geflügel oder Fleisch). ist erlaubt. Diese Anleitungen wurden unter Verwendung spezifischer Phagenpräparate entwickelt. Im Allgemeinen kann jedoch jedes Phagenprodukt, das der Beschreibung in der Richtlinie entspricht, als konform angesehen werden. Nach dem Vorbild der Aufsichtsbehörden in den USA haben mehrere Gesundheitsbehörden in Ländern auf der ganzen Welt Zulassungen für Phagenprodukte zur Verwendung in Lebensmitteln erteilt. Einige Beispiele sind Israel, Kanada, die Schweiz, Australien, Neuseeland und die Europäische Union ( Tabelle 2 ).
3.2. Herausforderungen für die Bakteriophagen-Biokontrolle
Wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben, wird die Bakteriophagen-Biokontrolle zunehmend zur Bekämpfung spezifischer pathogener Bakterien in verschiedenen Lebensmitteln eingesetzt, wobei eine wachsende Zahl von Fachliteratur die Nützlichkeit von Bakteriophagen zur Verringerung oder Ausrottung ihrer gezielten pathogenen Bakterien in Lebensmitteln belegt. Es bleiben jedoch noch einige Herausforderungen offen, bevor die Bakteriophagen-Biokontrolle allgemein akzeptiert wird, einschließlich technischer Einschränkungen und der allgemeinen Akzeptanz der Phagenanwendung auf Lebensmitteln durch die Verbraucher. Einige dieser Herausforderungen werden im Folgenden kurz erörtert.
3.2.1. Technische Herausforderungen
Die wohl größte technische Herausforderung bei der Phagen-Biokontrolle ist ihre Wirksamkeit. Eine häufige Beobachtung in Studien mit Bakteriophagen auf Lebensmitteln besteht darin, dass der Gehalt an kontaminierenden Bakterien anfangs abnimmt und die Bakterien danach kaum oder gar nicht mehr reduziert werden [ 54 , 56 ]. Mit anderen Worten, Phagen können den Gehalt ihrer Zielbakterien in Nahrungsmitteln effektiv reduzieren, aber sie eliminieren sie nicht immer vollständig. Bakteriophagen müssen mit anfälligen Bakterienzellen in Kontakt kommen, um sie zu lysieren. In Anbetracht der Art des Phagenreplikationszyklus (der damit beginnt, dass ein Phage eine Bakterienzelle infiziert und am Ende jedes Replikationszyklus 100–200 Nachkommen-Phagen aus dieser Zelle ausbricht, dh eines exponentiellen Effekts) könnte man diese Reduktion erwarten in Bakterienzellen wird mit mehr Replikationszyklen exponentiell zunehmen, da mehr Nachkommen-Phagen als Ergebnis der andauernden Phagen-vermittelten Lyse der Zielbakterien erzeugt werden. In mehreren Berichten wurde jedoch darauf hingewiesen, dass die Phagenkonzentration nach der Anwendung auf Lebensmitteln nicht wesentlich ansteigt [ 43 , 44 , 45 ], was stark darauf hindeutet, dass dies bei der „Autodosierung“ (exponentieller Anstieg der Phagenpopulation aufgrund sich wiederholender lytischer Replikationszyklen) nicht der Fall ist auftreten, zumindest unter den bisher getesteten Bedingungen. Es ist wahrscheinlich, dass die Nachkommen-Phagen nicht in der Lage sind, zusätzliche Bakterien in Lebensmitteln zu erreichen und in diese einzudringen, insbesondere in trockeneren Lebensmittelmatrizen, in denen die passive Bewegung von Phagen über Lebensmitteloberflächen aufgrund des Mangels an Feuchtigkeit begrenzt ist. In diesem Zusammenhang wurde vermutet, dass möglicherweise weniger Phagenpartikel erforderlich sind, um die bakterielle Kontamination auf feuchten Lebensmitteloberflächen und in Flüssigkeiten im Vergleich zu trockeneren Lebensmittelmatrices signifikant zu verringern, vermutlich aufgrund der erhöhten „Mobilität“ von Phagen in Gegenwart von Feuchtigkeit (z , natürliche Säfte einiger Lebensmittel) [ 84 ]. Eine mögliche Antwort auf diese Herausforderung ist die Verwendung einer Phagenlösung mit höheren Konzentrationen an Phagenpartikeln, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass Phagen bei der Anwendung mit ihren Zielbakterien in Kontakt kommen [ 17 , 21 , 36 , 66 ]; Eine konzentriertere Lösung ist jedoch teurer, so dass die Implementierung für Lebensmittelverarbeiter möglicherweise unerschwinglich ist. Eine andere Option ist die Verwendung größerer Sprühvolumina, die über feine Sprühnebel aufgebracht werden, um die Phagenpartikel effizienter über die Oberfläche des Lebensmittels zu verteilen und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass sie auf ein Zielbakterium treffen, was unter Umständen besonders wichtig sein könnte, wenn Krankheitserreger in Lebensmitteln vorhanden sind in sehr geringen Konzentrationen oder wenn die infektiöse Dosis des Erregers extrem niedrig ist. Die richtige Anwendung von Bakteriophagen auf Lebensmitteln, um eine gründliche Oberflächenbedeckung und eine optimale Wirksamkeit zu gewährleisten, ist eine der wichtigsten technischen Herausforderungen für die Phagen-Biokontrolle und umfasst eine Reihe von Aspekten, die von der Dosierung der Phagen (dh der wirksamen Konzentration der abgegebenen Phagen in einem optimalen Volumen und wie diese stammen) abhängen in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben überprüft werden können), um die richtige Ausrüstung zu erhalten (sowohl um eine genaue Dosierung zu gewährleisten, wie gerade erwähnt, als auch um ein geeignetes Mischen oder Taumeln während der Phagenapplikation sicherzustellen, dass die gesamte Oberfläche des Lebensmittels gründlich mit der Phagenlösung behandelt wird).
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Wirksamkeit besteht darin, dass die Phagen-Biokontrolle in der Regel die Konzentration der Zielbakterien um 1–3 log verringert (mit seltenen Ausnahmen: In einer Studie wurde eine Verringerung der Listerien um bis zu 5 log als Ergebnis der Phagenbehandlung berichtet [ 36] ]), und dies ist erheblich niedriger als die Reduzierung von bis zu 5 Protokollen, die für einige andere, härtere Eingriffe, z. B. Bestrahlung, gemeldet wurde. Obwohl dies eher ein Wahrnehmungsproblem als ein echtes technisches Problem ist (da nur sehr wenige, wenn überhaupt, Lebensmittel mit 5 Protokollen lebensmittelbedingter Krankheitserreger pro Gramm kontaminiert sind), wird die geringere Reduzierung von der Lebensmittelindustrie als minderwertig eingestuft. Selbst wenn das Zielbakterium nicht vollständig aus Lebensmitteln eliminiert und nur um 1 oder 2 Logarithmen reduziert wird, kann es das Lebensmittel dennoch sicherer für den Verzehr machen. Zum Beispiel haben die FDA und das FSIS der USDA im Jahr 2003 gemeinsam eine Risikobewertungsstudie erstellt, in der sie eine Reihe von „Was-wäre-wenn“ -Szenarien modellierten, einschließlich eines Szenarios, bei dem sich eine Verringerung der Kontamination mit Feinkost auswirken würde die Sterblichkeitsrate älterer Menschen. Nach dieser Analyse würde eine 10-fache Reduktion (1 log) und eine 100-fache Reduktion (2 log) der Kontamination vor dem Verkauf mit L. monocytogenes die Sterblichkeitsrate um ca. das 10-fache senken. 50% bzw. 74% in diesem Bevölkerungssegment [ 85 ]. Daher kann die Implementierung von Phagen-Biokontroll-Protokollen – auch wenn sie die in Lebensmitteln enthaltenen Krankheitserreger nicht ausrotten (dh nicht vollständig eliminieren), sondern um 1–3 Protokolle reduzieren – zu signifikanten Verbesserungen der Lebensmittelsicherheit und der öffentlichen Gesundheit führen.
Eine weitere technische Herausforderung betrifft die Implementierung der Phagen-Biokontrolle. Die Phagen-Biokontrolle ist ein wirksames Instrument zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit, macht jedoch den sicheren Umgang mit Lebensmitteln nicht überflüssig. Beispielsweise wurde nach einer Phagenbehandlung ein erneutes Wachstum von Bakterien beobachtet, wenn die Lebensmittel bei Missbrauchstemperaturen gelagert wurden [ 33 , 48 , 54 ]. Außerdem ist eine gewisse Planung erforderlich, um die optimale Wirksamkeit der Phagen-Biokontrolle aufrechtzuerhalten, wenn Bakteriophagen mit einigen anderen Maßnahmen zur Lebensmittelsicherheit kombiniert werden, z. B. mit der Verwendung von Phagen in Verbindung mit chemischen Desinfektionsmitteln [ 59 ]. Zum Beispiel sind eine Reihe chemischer Desinfektionsmittel in der Lage, Phagen zu inaktivieren, und daher müssen sie separat angewendet werden, um sicherzustellen, dass die Phagen ihre Lebensfähigkeit behalten, um die größten Bakterienreduktionen zu erzielen [ 59 ]. In diesem Zusammenhang haben einige Forscher berichtet, dass Kombinationen von Bakteriophagen und Konservierungsstoffen weniger wirksam sind als jede Behandlung allein [ 86 ]. Wenn jedoch geeignete synergistische Kombinationen von Phagenpräparaten mit anderen Desinfektionsmitteln identifiziert werden, könnte die Wirksamkeit von jedem verbessert werden. Beispielsweise wurde in Gegenwart hoher organischer Beladungen die Wirksamkeit einer Waschung mit Levulinsäureerzeugnissen erhöht (um bis zu 2 log), wenn das Obst und Gemüse mit einem Bakteriophagenpräparat vorbehandelt wurde [ 34 ].
Eine weitere anwendungsbezogene (und die Wirksamkeit beeinflussende) technische Herausforderung ist die mögliche Entstehung von phagenresistenten Bakterienisolaten. Die Forscher stellen Bakterien wieder her, die gegen Phagen-Behandlungen resistent sind [ 62 ], und es besteht die Besorgnis, dass die weit verbreitete Anwendung dieser Behandlung letztendlich zu einer Selektion gegen Phagen-resistente Bakterien führen könnte.Phagen nutzen eine Vielzahl von Bakterienstrukturen, um die Invasion von Bakterienzellen, einschließlich Oberflächenpolysacchariden und -proteinen sowie der Flagellen, zu initiieren [ 87 , 88 , 89 ]. Die Verwendung von Phagencocktails, die mehrere, unterschiedliche Phagen (z. B. Phagen, die unterschiedliche Rezeptoren auf der Oberfläche von Bakterien verwenden) gegenüber einem einzelnen Monophagen enthalten, kann einen Mechanismus zur Verringerung des Risikos / der Wahrscheinlichkeit einer Bakterienresistenz bereitstellen. Auch die Interventionsstrategie selbst kann eine Schlüsselrolle bei der Entstehung phagenresistenter Mutanten spielen. Zum Beispiel reduziert das Aufbringen von Phagen am Ende des Lebensmittelverarbeitungszyklus (z. B. wenn Phagen unmittelbar vor dem Verpacken auf Lebensmittel gesprüht werden) den „selektiven Gesamtdruck“ in der Umwelt, da die bakterielle Exposition gegenüber den Phagen begrenzt ist. Infolgedessen besteht ein geringeres Risiko, dass phagenresistente Mutanten entstehen, als wenn beispielsweise Hühnerställe oder ähnliche komplexe Umgebungen mit Phagen besprüht werden, um die Kontamination von Nutztieren zu verringern. Schließlich könnten Phagencocktails, wenn Resistenzen auftreten, so modifiziert werden, dass sie Phagen enthalten, die auf zuvor resistente Bakterien abzielen. Ein Beispiel für einen solchen Ansatz wurde bereits veröffentlicht und an anderer Stelle in diesem Aufsatz erörtert [ 16 ].
3.2.2. Kundenakzeptanz
In den letzten Jahren haben die Verbraucher zunehmend eine Abneigung gegen den Kauf von Lebensmitteln gezeigt, die mit chemischen Desinfektionsmitteln und Antibiotika oder mit „gentechnisch veränderten“ Lebensmitteln behandelt wurden, während gleichzeitig die Nachfrage nach lokal hergestellten Bio-Lebensmitteln und -Produkten wie auf den lokalen Bauernmärkten und in der von der Gemeinschaft geförderten Landwirtschaft gestiegen ist (CSA) ist auf dem Vormarsch [ 90 , 91 ]. Dieser Trend ist ein gutes Zeichen für die Phagen-Biokontrolle, die einen nicht-chemischen, umweltfreundlichen und zielgerichteten antimikrobiellen Ansatz zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit bietet. Es kann jedoch sein, dass die Öffentlichkeit nicht bereit ist, mit unbekannten Techniken verarbeitete Lebensmittel zu kaufen, und die Idee, „Viren auf ihre Lebensmittel zu sprühen“, könnte zu Unannehmlichkeiten führen. Darüber hinaus zögern Lebensmittelhersteller im Allgemeinen, ihre Praktiken zu ändern, insbesondere wenn die Möglichkeit besteht, dass die Öffentlichkeit negativ reagiert. Damit die Phagen-Biokontrolle in größerem Umfang eingesetzt werden kann, ist es entscheidend, die Öffentlichkeit und die Lebensmittelverarbeiter über die Sicherheit, Wirksamkeit und Allgegenwart von Bakteriophagen aufzuklären.
Phagen sind die am häufigsten vorkommenden Organismen auf dem Planeten mit etwa 10 31 Partikeln (zehnmal so viel wie die gesamte globale Bakterienpopulation) [ 92 ] und etwa 10 15 Phagenpartikeln, die den menschlichen Darm bevölkern [ 93 ]. Phagen sind Teil der normalen Mikroflora aller frischen Lebensmittel [ 94 ] und wurden aus einer Vielzahl von Lebensmitteln isoliert, von Obst und Gemüse bis zu Fleisch und Milchprodukten, oft in sehr hoher Anzahl, z. B. bis zu 1 × 10 9 PFU / ml in Joghurt [ 95 , 96 ]. Die Phagen-Biokontrolle ist wahrscheinlich auch eine der umweltfreundlichsten Interventionen, die es gibt. In einer früheren Überprüfung [ 18 ] haben wir geschätzt, dass, wenn Phagen in der maximal zugelassenen Menge (10 9 PFU / g für ein Phagenprodukt, alle anderen aktuellen Zulassungen für bis zu 10 7 –10 8 PFU / g) für alle angewendet wurden Als zugelassenes Lebensmittel, das ein Durchschnittsamerikaner an einem Tag verzehrt, würden die verzehrten Phagen <0,2% der Anzahl der Phagen ausmachen, die bereits im menschlichen Darm vorhanden sind. Diese Berechnung ist eine grobe Überschätzung, insbesondere unter Berücksichtigung mehrerer GRAS-Zulassungen, die eine Anwendung von bis zu 10 8 PFU / g ermöglichen (Reduzierung der täglichen Phagenaufnahme auf ~ 0,02% des Phagen im menschlichen Darmtrakt). Diese Schätzung geht auch davon aus, dass (1) alle möglichen Lebensmittel behandelt werden, (2) alle aufgebrachten Phagen die Magensäure überleben und in den Dünndarm gelangen (die meisten Phagen werden jedoch normalerweise zerstört, wenn sie dem sauren pH-Wert der Phagen ausgesetzt werden Magen), (3) die maximal zugelassene Menge an Phagen angewendet wird und (4) Bakteriophagen-Biokontrolle von allen relevanten Lebensmittelindustrien in den Vereinigten Staaten universell eingesetzt wird. Kurz gesagt, die Anzahl der Phagen, die der Umwelt hinzugefügt und als Ergebnis der Phagen-Biokontrolle in den menschlichen Darm eingeschleust werden, ist vernachlässigbar, insbesondere im Vergleich zu natürlich vorkommenden Phagenpopulationen. Darüber hinaus sind die Phagen in allen derzeit erhältlichen kommerziellen Produkten ( Tabelle 2 ) nicht genetisch verändert und stammen ursprünglich aus der Umwelt, möglicherweise sogar aus Lebensmitteln. Der Öffentlichkeit sind diese Tatsachen jedoch häufig nicht bekannt. Daher ist das richtige Verständnis der Sicherheit und Allgegenwart von lytischen Phagen sowie der Vor- und Nachteile der Phagen-Biokontrolle bei Verbrauchern und Lebensmittelverarbeitern von entscheidender Bedeutung für die weitere erfolgreiche Umsetzung dieses vielversprechenden Ansatzes. In mindestens einer kürzlich durchgeführten Studie schienen die Verbraucher bereit zu sein, mehr für mit Bakteriophagen behandelte Frischprodukte zu zahlen, nachdem die Wissenschaft hinter der Phagen-Biokontrolle und die Vorteile dieser Technik ihnen erklärt worden waren [ 97 ].
4. Abschließende Bemerkungen
Obwohl noch einige Herausforderungen bestehen, wird die Bakteriophagen-Biokontrolle zunehmend als sichere und wirksame Methode zur Eliminierung oder signifikanten Reduzierung der Gehalte an spezifischen bakteriellen Krankheitserregern aus Lebensmitteln akzeptiert. Kommerzielle Bakteriophagenprodukte sind derzeit erhältlich und für die Verwendung in einer wachsenden Anzahl von Ländern zugelassen. Diese Produkte können verwendet werden, um die Kontamination durch bestimmte bakterielle Krankheitserreger zu verschiedenen Zeitpunkten während der Lebensmittelherstellung zu bekämpfen, einschließlich des Aufsprühens auf das Erzeugnis, des Aufbringens auf Nutztiere vor der Verarbeitung, des Abspülens von Lebensmittelkontaktflächen in Verarbeitungsbetrieben und der Behandlung von Lebensmitteln nach der Ernte , einschließlich RTE-Lebensmitteln.Trotz der Fortschritte bei der Verbesserung der Lebensmittelsicherheit bleiben lebensmittelbedingte Krankheiten eine ständige Bedrohung, insbesondere für Personen mit schwächerem Immunsystem, z. B. Kinder, ältere Menschen und schwangere Frauen. Die Bakteriophagen-Biokontrolle kann als zusätzliches Instrument bei einem Mehrfach-Hürden-Ansatz dienen, um zu verhindern, dass durch Lebensmittel übertragene Krankheitserreger die Verbraucher erreichen. Diese Methode ist besonders vielversprechend, wenn Lebensmittelverarbeiter die natürliche und häufig vorteilhafte mikrobielle Population von Lebensmitteln erhalten möchten Entfernen Sie die Bakterien, die beim Menschen Krankheiten verursachen können.“
Danksagung
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die teilweise vom US Army Contracting Command (APG), Natick Contracting Division, Natick, MA, USA, unter der Vertragsnummer # W911QY-18-C-0010 (an Alexander Sulakvelidze) unterstützt werden. Die Geldgeber waren an der Konzeption dieser Literaturrecherche, der Entscheidung zur Veröffentlichung oder der Erstellung des Manuskripts nicht beteiligt.
Quelle: Zachary D. Moye, Joelle Woolston und Alexander Sulakvelidze
https://www.mdpi.com/1999-4915/10/4/205/htm
https://www.mdpi.com/1999-4915/10/4/205/htm
