Escherichia coli – Principales virotipos enteropatogénicos (ETEC, EPEC, EaggEC, EIEC y EHEC; Escherichia coli K1: diagnóstico molecular (PCR).           

Escherichia coli es una especie de bacilo gramnegativo aerobio-anaerobio facultativo incluido en la familia Enterobacteriaceae. Esta especie de bacteria es un habitante de la flora normal intestinal del hombre y de los animales. En ocasiones puede producir procesos diarreicos e incluso muchos tipos de infecciones extraintestinales (infecciones urinarias, septicemias, neumonías, meningitis, etc.). El conocimiento de su participación en la producción de un proceso intestinal está dificultado por la necesidad de diferenciar entre los aislados de E. coli que forman parte de la flora normal del intestino y aquellos capaces de producir un cuadro con afectación del funcionalismo del tubo digestivo. Inicialmente se diferenciaron aquellos correspondientes a algunos serotipos concretos que se encontraban en casos o brotes de gastroenteritis (infección con inflamación del tubo digestivo manifestada principalmente por diarreas y vómitos) en niños pequeños. A continuación, se diferenciaron aquellas variedades que eran productoras de toxinas, que alteraban el funcionamiento de los enterocitos (células del epitelio intestinal) produciendo cuadros de diarreas. Estas variedades eran aquellas que producían una de dos tipos de enterotoxinas: enterotoxina termolábil (llamada así porque se destruye por el calentamiento) o enterotoxina termoestable (llamada así porque resiste el calentamiento). Después se fueron diferenciando otras variedades dotadas de otros determinantes de patogenicidad por adquisición de determinados genes de virulencia.

Hoy día, además de los procesos intestinales propios de algunas cepas de E. coli, se sabe que las cepas de E. coli pueden causar infecciones de distintas localizaciones que se pueden producir a nivel urinario, respiratorio, sistémico, etc. En determinadas circunstancias, está teniendo interés las infecciones neonatales provocadas por las cepas de E. coli K1, por lo que exponemos después de las afecciones intestinales, la situación con el problema de estas cepas.

Para poder comprender mejor las relaciones entre estructura de la bacteria y su participación en determinados procesos es necesario conocer cuál es la estructura antigénica superficial de esta bacteria con sus antígenos somáticos O, sus antígenos flagelares (H) y los antígenos capsulares (K).

Lipopolisacárido (LPS) (≈ Antígeno O)

La membrana externa de la pared de E. coli contiene muchos polisacáridos:

  • Antígeno O, un polímero inmunogénico de unidades repetidas de oligosacáridos (1–40 unidades).
  • La región central de oligosacáridos no repetidos.
  • El lípido A (endotoxina) 

El antígeno O se utiliza para serotipar E. coli y permite diferenciar los grupos O, diferenciando entre O1 a O181, con excepción de algunos grupos que han sido eliminados O31, O47, O67, O72, O93 (ahora K84), O94, y O122; Los grupos 174 a 181 son provisionales (O174=OX3 y O175=OX7) o están bajo investigación (176 a 181 son STEC/VTEC). Además, existen algunos subtipos de muchos grupos O (e.g. O128ab y O128ac). Debe tenerse en cuenta que si se utilizan anticuerpos para realizar el tipado, algunos de ellos pueden reaccionar de forma cruzada con otros antígenos O y también con algunos antígenos K, no sólo de E. coli, sino también de otras especies de Escherichia y especies de Enterobacteriaceae.

El antígeno O está codificado por el grupo de genes rfb. El gen rol (cld) codifica el regulador de la longitud de la cadena del lipopolisacárido O.

Flagelos (antígeno H)

El antígeno H es el principal componente de los flagelos y está codificado por el gen fliC. Existen 53 antígenos H identificados, numerados del H1 a H56 (H13 y H22 no eran de E. coli sino a Citrobacter freundii, y H50 se encontró que era igual que H10).

Cápsula (Antígeno K)

El polisacárido acídico capsular es una capa de polisacárido gruesa y mucosa que rodea a la bacteria. Hay dos grupos separados de antígenos K, llamados grupo I y grupo II, con un pequeño subgrupo entre ellos (K3, K10, y K54/K96) que ha sido clasificado como grupo III. El grupo I es un polisacárido capsular de unos 100 kDa (grande), mientras que el grupo II está asociado con enfermedades extraintestinales y es de menor de 50 kDa de tamaño.

En total existen 60 antígenos K diferentes (K1, K2a/ac, K3, K4, K5, K6, K7 (=K56), K8, K9 (=O104), K10, K11, K12 (K82), K13(=K20 and =K23), K14, K15, K16, K18a, K18ab (=K22), K19, K24, K26, K27, K28, K29, K30, K31, K34, K37, K39, K40, K41, K42, K43, K44, K45, K46, K47, K49 (O46), K50, K51, K52, K53, K54 (=K96), K55, K74, K84, K85ab/ac (=O141), K87 (=O32), K92, K93, K95, K97, K98, K100, K101, K102, K103, KX104, KX105, and KX106).

Escherichia coli como patógeno intestinal

Desde el punto de vista de patogenia intestinal, los grupos bien definidos actualmente de Escherichia coli productores de cuadros diarreicos son:

  • ETEC (Enterotoxigenic Escherichia coli).
  • EPEC (Enteropathogenic Escherichia coli).
  • EaggEC (Enteroaggregative Escherichia coli).
  • EIEC (Enteroinvasive Escherichia coli).
  • VTEC = EHEC = STEC (Vero Toxin Escherichia coli = Enterohemorrhagic Escherichia coli = Shiga Toxin producing Escherichia coli).
Características microbiológicas

            Al ser la mayoría de los E. coli no patógenos y ante la necesidad de diferenciar las cepas causantes de procesos patológicos, antes de la utilización de los métodos moleculares y de identificarse los factores de virulencia, los microbiólogos identificaron los antígenos de superficie. Con ello se elaboró una clasificación serológica basada en la reacción de las moléculas de la superficie bacteriana con diferentes anticuerpos (serotipado). Posteriormente se ha elaborado un esquema de clasificación basado en los factores de virulencia (virotipado). Un virotipo por lo tanto puede incluir a más de un serogrupo o serotipo. Este esquema está más relacionado con el proceso patológico provocado de lo que lo estaba el serotipado. El virotipado se realiza fundamentalmente por métodos de PCR (reacción en cadena de la polimerasa) que detectan los genes productores de los factores de virulencia..

            Para la clasificación serológica (serotipado) de Escherichia coli se utiliza la identificación de los antígenos O (lipopolisacáridos) y de los antígenos H (flagelos; H de “hauch, palabra alemana de flagelo). Los antígenos O identifican el serogrupo de una cepa, y los antígenos H el serotipo. Se conocen más de 160 serogrupos de E. coli.

Existen varios tipos virulentos (virotipos) de Escherichia coli, cada uno de ellos productor de patología a través de un mecanismo distinto. 

  • Escherichia coli enterotoxigénico (ETEC), causante de patología por alteración del equilibrio hidroelectrolítico de las células de la mucosa intestinal debido a la producción de toxina termolábil (LT), y/o de toxina termoestable (ST), codificadas, respectivamente por los locus genéticos lt y st. Estas toxinas, incrementan el contenido de las células de la mucosa en AMP-cíclico, o en GMP-cíclico, por inducción de los enzimas adenilciclasa o guanilatociclasa, respectivamente. En su efecto, no alteran la morfología de las células de la mucosa, ni producen inflamación en la mucosa, provocando diarreas y vómitos, con o sin fiebre.
  • Escherichia coli enteropatogénico (EPEC): este virotipo provoca un daño a las células de la mucosa, con un alargamiento de los microvilli, induciendo en las células una reorganización de las fibrillas de actina. El efecto se acompaña de una respuesta inflamatoria. Los afectados presentan diarrea prolongada, no sanguinolenta y fiebre. Estas cepas poseen el l
  • Escherichia coli enteroagregativo (EAggEC): este virotipo se adhiere en grupos a las células de la mucosa, sin invadirlas, y sin provocarles un cambio morfológico, pero las altera funcionalmente, igual que realiza la toxina ST (termoestable). Estas cepas poseen el l
  • Escherichia coli enteroinvasivo (EIEC): este virotipo invade las células de la mucosa del colon, extendiéndose de una célula a otra, de forma similar a como provoca el daño Shigella spp., sin producción de toxina. Se manifiesta como una diarrea acuosa o como una diarrea sanguinolenta. Estas cepas poseen el locus genético
  • Escherichia coli enterohemorrágico, productor de verotoxina, o de toxina de Shiga (EHEC, VTEC, STEC): este virotipo se fija a las células de la mucosa sin invadirlas, pero produce una toxina tipo Shiga (de Shigella dysenteriae). El proceso se manifiesta como una diarrea moderada o una diarrea hemorrágica, y en los casos más graves como un síndrome hemolítico-urémico con anemia hemolítica, trombocitopenia y fracaso renal. Se han implicado principalmente los serotipos O157: H7, O157: NM, pero hoy día se conocen otros serotipos implicados que no son O157. Se adquiere fundamentalmente a partir de derivados cárnicos, derivados lácteos, vegetales contaminados, e incluso existe la posibilidad de transmisión interhumana. Las cepas causantes son productoras de las toxinas sxt1 y/o sxt2, u otros tipos sxt, codificadas por sus correspondientes locus genéticos.

Las cepas de E. coli VTEC (EHEC, STEC) se ha demostrado que está relacionado con una forma grave de infección intestinal con posibilidad de provocar complicaciones extraintestinales, como es el síndrome hemolítico-urémico.

Interés de E. coli O157

En 1982, Escherichia coli O157:H7 provocó dos brotes de una enfermedad entérica denominada “colitis hemorrágica”, caracterizada por dolor abdominal intenso con diarrea acuosa seguida de diarrea hemorrágica, y evidencia de inflamación colónica con fiebre moderada o sin ella. Desde entonces, se considera un patógeno importante, que supera a Salmonella o Shigella en algunas zonas. Algunas personas infectadas pueden permanecer asíntomáticos. Los individuos más susceptibles a la infección son los niños y las personas de edad avanzada. La infección puede provocar una complicación grave conocida como   síndrome hemolítico-urémico (HUSD: Hemolytic uremic syndrome). El síndrome hemolítico-urémico es un proceso en el que los hematíes se destruyen y se produce un fallo renal.

Las manifestaciones clínicas de la infección suelen ocurrir a partir de los tres días de la infección (1 a 9 días). La infección puede provocar una amplia variedad de cuadros clínicos que pueden presentarse como diarreas moderadas no-sanguinolentas, diarrea sanguinolenta intensa (colitis hemorrágica), y la complicación del síndrome hemolítico-urémico (en aproximadamente el 2 a 7% de los casos). Alrededor del 30% de las personas que han padecido un síndrome hemolítico-urémico, continúan con alteración de la función renal durante muchos años. En EEUU, este síndrome es la principal causa de fracaso renal agudo en niños.

E. coli O157:H7 o E. coli O157: inmóvil (O157 STEC) u otros E. coli NM (no móvil) pueden producir una o más toxinas de Shiga llamadas verotoxinas. Las cepas productoras de estas toxinas son más frecuentes en EEUU y Europa.

Existen al menos 100 serotipos de E. coli STEC que se han relacionado con estos procesos distintos del E. coli O157. De ellos, E. coli O111: NM (no móvil), y E. coli O26:H11 son los más frecuentes, aunque existe escaso conocimiento de la posible participación de otros por no buscarse habitualmente.

Las cepas de E. coli enterohemorrágico poseen adhesinas similares a las que poseen otros E. coli (p.ej. EPEC – enteropatógenos), con un gen denominado eaeA (codificante de intimina), que es similar al gen eaeA de las cepas de EPEC y que realiza la misma función, mediar la fijación intima de la bacteria a la célula de la pared intestinal. También suelen producir una enterohemolisina codificada por un gen plasmídico –hlyA-.

La principal diferencia de las cepas de E. coli enterohenorrágico (EHEC), es que producen una toxina que es casi idéntica a la toxina de Shiga (Stx), una toxina que es responsable del cuadro de disentería provocado por Shigella spp. Existen dos tipos de toxinas: Stx – Stx1, que es muy similar a la toxina de Shigella spp., y Stx2 que es parecida a la toxina Stx1 pero que se diferencia de ella en suficiente número de aminoácidos con lo que genera anticuerpos diferentes que permiten diferenciarlas. Las cepas productoras de toxina Stx2 son más propensas a producir el síndrome hemolítico-urémico. Existen receptores para estas toxinas tanto en las células intestinales como en las células del riñón, y de ahí el que cuando difunde a partir del riñón pueda provocar un daño renal. Los genes de estas toxinas se encuentran en un bacteriófago atemperado y a través de ellos podrían pasar a otras cepas de E. coli que no poseen estos genes.

En los cultivos en placas de MacConkey habitual (con lactosa incorporada), puede confundirse con otros E. coli, ya que fermenta la lactosa rápidamente y es indistinguible de otras colonias de E. coli. Una forma de diferenciar la mayoría de los aislados de E. coli O157:H7 es por su incapacidad para fermentar el sorbitol, a diferencia de lo que hacen otros E. coli, por lo que esta característica se utiliza para diferenciarlos en placas de medio de MacConkey que contienen sorbitol.

Hábitat y transmisión de E. coli O157

E. coli O157 coloniza el tubo digestivo del ganado. La infección humana se produce por alimentos o bebidas contaminadas. A partir del ganado puede contaminar los productos cárnicos, principalmente la carne picada, y los productos lácteos, debido a que con frecuencia la bacteria se encuentra en las ubres de las vacas y contamina la leche y a través de ella a los derivados lácteos. De igual forma a través de los excrementos de los animales puede contaminar aguas.

La carne picada ha sido el alimento más relacionado con los brotes epidémicos de esta infección, principalmente cuando se ingiere poco cocinada, como ocurre con las hamburguesas. También se han producido brotes por leche fresca, salchichas, roast beef, agua sin clorar o baño en aguas contaminadas, consumo de vegetales crudos (ensaladas), mayonesa, etc. Se han descrito casos de transmisión ocasional a través de productos poco habituales, por ejemplo, de zumos de manzanas, posiblemente debido a haberse preparado con manzanas caídas de los árboles que podrían haberse contaminado con excrementos de ganado, utilizados como abono. Los casos de infección a través de mayonesa se han atribuido a que esta bacteria podría colonizar los pollos pequeños y persistir en ellos durante mucho tiempo, contaminando posteriormente la envoltura del huevo. De igual forma hay que tener en cuenta que esta bacteria, a diferencia de otras, puede sobrevivir en alimentos ácidos (yogur, algunos zumos vegetales, etc.) cuando no estén pasteurizados

Puede pasar persona a persona a través de contacto con manos sucias, fundamentalmente en colegios, familias, guarderías o residencias de tercera edad. Las personas que han padecido una infección por esta bacteria pueden continuar eliminándola una o tres semanas, o incluso durante más tiempo.

Diagnóstico de E. coli O157

Para detectar la infección humana debe realizarse un cultivo de heces (coprocultivo). Para detectar su presencia en un alimento contaminado debe realizarse un cultivo del alimento sospechoso. Posteriormente se describen con más detalle algunos de los procedimientos recomendados para su detección en cultivo. También se indican algunos métodos que pueden seguirse para detectar la capacidad de producir toxinas enterohemorrágicas (Shiga toxina = verotoxina) (toxicidad en cultivo celular o pruebas inmunológicas), o de los genes que las producen (PCR: reacción en cadena de la polimerasa).

Tratamiento de E. coli O157

La mayoría de las personas mejoran sin antibióticos en unos 5 a 10 días, y no existen evidencias de que los antibióticos mejoren el curso de la infección. Por otra parte, no se recomienda la administración de antibióticos porque se ha observado un incremento de las complicaciones renales cuando se tratan los pacientes con ellos. Tampoco deben utilizarse algunos antidiarréicos como loperamida. Únicamente se recomienda la ingesta suficiente de líquidos para evitar la deshidratación.

Cuando se produce la complicación del síndrome hemolítico-urémico se recomienda administrar transfusiones sanguíneas o factores de coagulación, así como diálisis renal cuando sea necesario. Aunque la mayoría de las personas afectas de este síndrome se recuperan, en algunos casos puede ser fatal en 3 a 5% de los pacientes.

Prevención de E. coli O157

Lo más recomendado es evitar la ingesta de hamburguesas, o de otros productos elaborados con carne picada, poco cocinados. Una forma sencilla de saberlo es que no estén de color rosado en su interior, sino de color marrón o grisáceo y que el jugo que liberen sea claro, y su interior esté caliente. En este sentido se han realizado experimentos y se ha observado que el cambio de coloración aparecido durante la cocción puede no ser significativo de calentamiento interior por lo que se está recomendado en EEUU el uso de termómetros especiales para medir el calentamiento de la carne.

De igual forma solo deben ingerirse leche o derivados lácteos que estén pasteurizados. También hay que asegurarse de que las personas infectadas, especialmente los niños, se laven las manos con jabón después de ir al aseo para evitar la extensión de la infección.

Además, se recomienda: lavar cualquier fruta o vegetal comidos sin cocinar, lavarse cuidadosamente las manos antes y después de preparar alimentos, conservan en nevera los productos cárnicos, evitar tragar agua durante los baños en aguas de lagos o de piscinas, y que las personas con diarreas no utilicen piscinas, ni preparen alimentos.

Por otra parte, debido a que las bacterias se eliminan por heces, los niños, principalmente los que asisten a guarderías, los trabajadores de salud o los manipuladores de alimentos, no deben acudir a sus respectivas guarderías o lugar de trabajo mientras la diarrea persista. Cuando la diarrea desaparece debe tenerse mucho cuidado en el lavado de manos después de usar el aseo ya que pueden continuar eliminando la bacteria por heces entre una y tres semanas o más.

Escherichia coli K1 y su relación con infecciones neonatales 

Algunas de las cepas de Escherichia coli poseen el antígeno capsular K1, un homopolímero lineal de α-2,8-linked ácido N-acetil-neuramínico que está sujeto a varios tipos de O-acetilación. Estas cepas de E. coli K1 se caracterizan por causar septicemias y meningitis neonatales con tasas de mortalidad del 5 al 30% de los infectados y los que sobreviven suelen tener disfunciones neurológicas permanentes como pérdida de audición, retraso mental o ceguera cortical. Este problema se está incrementando debido a las multirresistencias que pueden presentar a los antibióticos.

Los neonatos tienen especial predisposición a padecer la infección por estas cepas por serles transmitidas de forma vertical a partir de la madre durante el parto o poco después, ya que en los adultos pueden formar parte de la microbiota intestinal. En los neonatos se produciría la colonización gastrointestinal, y en algunos casos podría darse una traslocación desde la luz intestinal a la circulación sistémica, desde la alcanzarían al sistema nervioso central y meninges. Sin embargo, en los adultos, las meningitis por E. coli K1 pueden ocurrir cuando existe alteración de defensas, traumatismos craneales, intervenciones neuroquirúrgicas o sepsis por gramnegativos.

Las cepas de E. coli K1 interaccionan con las células endoteliales de la red microvascular del cerebro (BMEC: Brain Microvascular Endothelial Cells). Esta interacción esta mediada por la proteína A de membrana externa (OmpA) y un receptor glicoproteico (Ecgp96) de las células endoteliales. Inicialmente la OmpA se une a epítopos GlcNAc1-4GlcNAc del receptor glicoproteico Ecpg96. Además, la misma proteína OmpA impide la unión de la proteína C4bp del complemento sérico (C4b binding protein) que participa en la defensa inmunitaria natural, por lo que no puede actuar para aniquilar a estas cepas de E. coli K1. Los neonatos por tener menores concentraciones de C4bp tienen mayor riesgo de padecer meningitis por E. coli K1. Algunas otras estructuras como las proteínas Ibe, o el factor 1 necrotizante citotóxico serían necesarios para que la bacteria atraviese la barrera hematoencefálica o la barrera sangre-líquido cefalorraquídeo.

Pruebas realizadas en IVAMI

Escherichia coli, confirmación de especie para diferenciar de otras especies de Escherichia, mediante amplificación del gen dnaA. 

Escherichia coli K1, diagnóstico molecular.

Escherichia coli enterotoxigénico (ETEC)

  • Detección de genes de enterotoxinas termolábil (LT) (locus lt), y/o
  • Detección de genes de enterotoxina termoestable (ST) (locus st).

Escherichia coli enteropatogénico (EPEC)

  • Detección de genes de locus bfpA.

Escherichia coli enteroagregativo (EAggEC)

  • Detección de genes de locus eaeA.

Escherichia coli enteroinvasivo (EIEC)

  • Detección de genes de locus ial.

Escherichia coli enterohemorágico, con verotoxina o con toxina de Shiga (EHEC = VTEC = STEC)

  • Detección de genes de toxinas sxt1 y/o sxt2, u otros tipos (rfbE, wbdl, wzx, ihp1, wzx, fli).
  • Detección de serogrupos (O26, O45, O103, O111, O121, O145 y O 157).

Muestra recomendada: 

  • Heces diarreicas.
  • Muestras de alimentos (carnes u otros). Estas muestras requieren un cultivo de enriquecimiento previo durante 24 horas.
    • Muestras para detección molecular de Escherichia coli K1: dependiendo de la sospecha clínica, muestra de LCR en caso de meningitis, de sangre en caso de bacteriemia, orina en el caso de infecciones urinarias y pielonefritis, muestras respiratorias ante sospecha de neumonía y biopsias en caso de infecciones localizadas, como celulitis.
  • Cepas aisladas, en caso de requerir su tipado. 

Conservación y envío de la muestra:

  • Refrigerada (preferido) durante menos de 2 días.
  • Congelada: más de 2 días. 

Plazo de entrega: 

  • 24 a 72 horas.  

Coste de las pruebas:          

Escherichia coli, confirmación de especie para diferenciar de otras especies de Escherichia, mediante amplificación del gen dnaA: Consultar a ivami@ivami.com. 

Escherichia coli K1, diagnóstico molecular: Consultar a ivami@ivami.com. 

Escherichia coli enterotoxigénico (ETEC)

  • Detección de genes de enterotoxinas termolábil (LT) (locus lt) y/o: Consultar a ivami@ivami.com.
  • Detección de genes de enterotoxina termoestable (ST) (locus st): Consultar a ivami@ivami.com.

Escherichia coli enteropatogénico (EPEC)

Escherichia coli enteroagregativo (EAggEC)

Escherichia coli enteroinvasivo (EIEC)

Escherichia coli enterotoxigénico, productor de verotoxina o productor de toxina de Shiga (EHEC = VTEC = STEC)

  • Detección de genes de toxinas sxt1 y sxt2 (ambos genes): Consultar a ivami@ivami.com.
  • Detección de otros genes rfbE, wbdl, wzx, ihp1, wzx, fli: Consultar a ivami@ivami.com.
  • Detección de serogrupos (O26, O45, O103, O111, O121, O145 y O157) (Cada uno): Consultar a ivami@ivami.com.