A one health approach into the epidemiology of campylobacter and salmonella: the continuum seabirds - humans

Abstract

Les espècies termòfiles de Campylobacter i serovars no tifoides de Salmonella enterica són els principals agents causals de gastroenteritis humana transmesa pels aliments a nivell mundial. Ambdós bacteris són capaços d’infectar un ampli ventall d’animals domèstics i salvatges. Una gran varietat d’aus silvestres, especialment les gavines, són portadores asimptomàtiques d’aquests agents zoonòtics a Europa, Amèrica i Austràlia. Tot i així, hi ha poca informació sobre aquests reservoris a Àfrica i a les regions remotes de l’Oceà Austral, i el paper de les aus silvestres en l’epidemiologia d’aquests patògens no es coneix del tot. Per tant, en el marc d’aquesta tesis doctoral hem investigat la prevalença, la susceptibilitat antimicrobiana, el potencial de virulència i l’estructura poblacional o la diversitat genètica de Campylobacter i Salmonella en espècies d’aus marines al llarg de la costa occidental de Sud-Àfrica i a les regions Antàrtica i Subantàrtica. També hem analitzat la relació genètica i el potencial de virulència d’aïllaments de diferents serovars de Salmonella procedents d’aus marines, aus de corral i humans, per tal d’avaluar la potencial circulació de les mateixes soques entre els diferents nínxols al sud-oest d’Europa. A la província de Western Cape (Sud-Àfrica), vam detectar espècies termòfiles de Campylobacter, principalment C. jejuni i amb prevalences similars, en gavians de Lichtenstein i en xatracs crestats. La majoria de genotips (seqüències tipus o STs) de C. jejuni pertanyien al complex clonal (CC)-1275, que està relacionat principalment amb ambients aquàtics i aus salvatges. En canvi, vam observar una prevalença més alta de Salmonella en gavians que en xatracs, probablement degut als hàbits carronyaires dels gavians. Els serovars de Salmonella més freqüents van ser Anatum, Enteritidis i Hadar, però també vam trobar una gran diversitat d’altres serovars zoonòtics, especialment en colònies de gavines properes a zones urbanes. Mitjançant electroforesis en gel de camp polsat vam detectar genotips (pulsotips) iguals o molt similars en alguns aïllaments de Salmonella d’aus marines i d’altres d’origen clínic humà. La majoria dels aïllaments de S. Enteritidis i S. Typhimurium pertanyien al ST-11 i ST-34, respectivament, genotips que es troben distribuïts globalment en una àmplia varietat d’hostes. A més del potencial de virulència, tant els aïllaments de Campylobacter com de Salmonella van mostrar resistència antimicrobiana a diversos agents, inclosos antimicrobians d’importància crítica (quinolones, tetraciclines i β- lactàmics) i multi-resistències en el cas de serovars de Salmonella aïllats de gavians. També vam trobar espècies termòfiles de Campylobacter a totes les illes Antàrtiques i Subantàrtiques mostrejades, principalment C. lari, però també C. jejuni, especialment en paràsits subantàrtics, una de les principals espècies d’aus marines oportunistes a l’Oceà Sud. Cal destacar que vam aïllar genotips de C. jejuni pertanyents als CC-21, CC-45 i CC-206, que estan associats a animals domèstics i infeccions en humans. Tanmateix, només vam aïllar Salmonella (principalment S. Enteritidis ST-11) d’unes poques aus marines de l’illa de Livingston (Península Antàrtica), la qual cosa suggereix que aquest bacteri no és autòcton de la regió. La presència de genotips de C. jejuni i S. Enteritidis que habitualment es troben en humans i animals domèstics suggereix una zoonosi inversa (des d’humans cap a les aus marines) probablement a través del turisme i les activitats científiques a la zona. Tot i així, no es pot descartar la introducció de patògens a regions remotes a través d’altres fonts, com ara els moviments migratoris de les aus marines. També mostrem que hi ha una substancial connectivitat entre les poblacions d’aus marines oportunistes, especialment els paràsits subantàrtics, facilitant una propagació dels bacteris entre la fauna silvestre de l’Antàrtida. Per altra banda, vam identificar una gran diversitat de pulsotips únics de Salmonella (principalment de S. Typhimurium) en gavines del sud-oest d’Europa, en comparació amb els pulsotips predominants d’aus de corral i humans, la qual cosa probablement indica que les gavines estan exposades a una major varietat de fonts de contaminació. No obstant això, vam detectar 30 pulsotips en comú entre aïllaments de dos o tres nínxols d’hoste diferents pertanyents a 12 serovars diferents: Bredeney, Derby, Enteritidis (ST-11), Grumpensis, Hadar, Infantis, Kentucky, Kottbus, Mikawasima, Rissen, Typhimurium (ST-19 i ST-34) i Virchow. Aquesta troballa suggereix l’existència de soques generalistes de Salmonella que circulen entre diferents compartiments. A més, la presència d’un ampli repertori de gens associats a la virulència, independentment de l’hoste d’origen, pot augmentar la capacitat d’aquestes soques per infectar diferents hostes i adaptar-se a nous entorns. Els nostres resultats demostren que les aus marines poden ser portadores de soques de Campylobacter i Salmonella d’origen antropogènic, algunes d’elles amb resistència antimicrobiana i un important potencial de virulència. Les nostres troballes reforcen l’argument que les aus marines contribueixen a l’amplificació i el manteniment d’aquests patògens en el medi ambient. A més, degut als moviments migratoris i de recerca d’aliment les aus marines poden exercir un important paper en la disseminació d’aquests agents zoonòtics, però també de gens de resistència i virulència a través d’elements genètics mòbils, a àrees geogràfiques remotes i nous hostes. És necessari augmentar els sistemes de vigilància de la vida silvestre, especialment en aus marines, i establir polítiques ambientals més estrictes pel maneig dels residus humans per tal de limitar l’accés d’aquestes aus a font de contaminació antropogènica, la qual cosa pot ajudar a controlar la disseminació de soques amb potencial perill per la salut pública i animal.

Zoonotic thermophilic Campylobacter spp. and nontyphoidal Salmonella enterica are a major cause of foodborne human gastroenteritis worldwide. Both bacteria are able to infect a broad range of domestic and wild animals. A wide variety of wild birds, especially gulls, have been reported as asymptomatic carriers of these zoonotic agents in Europe, America and Australia. However, there is scarce information about these reservoirs in Africa and remote regions of the Southern Ocean, and the role of wild birds in the epidemiology of these pathogens is not fully understood. Thus, within the framework of this PhD thesis we have investigated the occurrence, antimicrobial susceptibility, virulence potential and population structure or genetic diversity of Campylobacter and Salmonella spp. in seabird species along the western coast of South Africa (near the Benguela Upwelling Region) and across the Antarctic and Subantarctic region. We have also analysed the genetic relation and virulence potential of isolates of Salmonella serovars from seabirds, poultry and humans, to assess whether common strains are circulating among different niches in southwestern Europe. In Western Cape (South Africa), we detected thermophilic Campylobacter spp., mainly C. jejuni, in kelp gulls and greater crested terns with similar prevalences. Most C. jejuni sequence types (ST)s belonged to the clonal complex (CC)-1275, which is mainly related to aquatic environments and wild birds. On the contrary, a higher occurrence of Salmonella was observed in kelp gulls than in greater crested terns, which seems to be related to the scavenging feeding habits of the former. Anatum, Enteritidis and Hadar were the most frequent Salmonella serovars, although a great diversity of other zoonotic serovars were found, especially in gull colonies near urban areas. The same or highly similar pulsed-field gel electrophoresis genotypes (pulsotypes) were detected in some Salmonella isolates from seabirds and humans presenting with salmonellosis in Cape Town hospitals. Most S. Enteritidis and S. Typhimurium isolates belonged to ST-11 and ST-34, respectively, which are genotypes globally distributed in a broad range of hosts. In addition to virulence potential, both Campylobacter and Salmonella isolates exhibited antimicrobial resistance to several agents, including critically important antimicrobials (quinolones, tetracyclines and β-lactams), and multidrug resistance in Salmonella serovars from kelp gulls. Thermophilic Campylobacter spp. were also found in all sampled Antarctic and Subantarctic islands, mainly C. lari, but also C. jejuni, specially in brown skuas, one of the main opportunistic seabird species in the Southern Ocean region. It is noteworthy that C. jejuni CC-21, CC-45 and CC-206, associated to domestic animals and human infections, were isolated. However, Salmonella (mainly S. Enteritidis ST-11) was only isolated from a few seabirds at Livingston Island (Antarctic Peninsula) suggesting this bacterium is not indigenous to the region. The presence of C. jejuni and S. Enteritidis genotypes commonly found in humans and domestic animals, suggest reverse zoonosis (from humans to seabirds) probably through tourism and scientific activities. Nevertheless, this pathogens introduction to remote regions by other sources, such as the migration movements of seabirds, cannot be ruled out. We also show further spread of the bacteria among Antarctic wildlife is facilitated by substantial connectivity among populations of opportunistic seabirds, notably skuas. On the other hand, in seagulls from southwestern Europe we identified a high diversity of exclusive Salmonella pulsotypes (mainly S. Typhimurium) compared to the more predominant pulsotypes from poultry and humans, which likely indicates that seagulls are exposed to a higher variety of contamination sources. However, we detected 30 pulsotypes in common among isolates from two or three different host niches belonging to 12 different serovars: Bredeney, Derby, Enteritidis (ST-11), Grumpensis, Hadar, Infantis, Kentucky, Kottbus, Mikawasima, Rissen, Typhimurium (ST-19 and ST-34) and Virchow. This finding suggests the existence of generalist Salmonella strains circulating among different compartments. In addition, the presence of a wide repertoire of virulence-associated genes, regardless of the host of origin, may increase the capacity of these strains to infect different hosts and to adapt to new environments. Our results demonstrate that seabirds can be carriers of Campylobacter and Salmonella strains of anthropogenic origin, some of them showing antimicrobial resistance and an important virulence potential. Our findings support that seabirds contribute to the amplification and maintenance of these pathogens in the environment. In addition, given the foraging and migratory movements of seabirds, they may play an important role in the spread of these zoonotic agents, but also of resistance and virulence genes by mobile genetic elements, to remote geographical areas and new animal hosts. It is necessary to increase the surveillance systems to wildlife, especially in seabirds, and to establish stricter environmental policies for the management of human wastes to limit the access of these birds to anthropogenic sources of contamination, which may help to control the dissemination of strains with potential hazard for the public and animal health.