Human enteric pathogens circulation in the Bogotá region and its impact on the health of vulnerable communities

José Jordan Lozano

Résumé

Acute gastroenteritis affect between a quarter and a half of people in the World each year. They are responsible for significant morbidity, mortality and healthcare costs. Their direct or indirect transmissions via water, food, air or inert surfaces depend on their aetiology (viral, bacterial or parasitic) and the local context. Bogotá and its region have several specificities: wastewater are often discharged into rivers without or after primary treatment only, the deposit in landfill of toilet papers and diapers soiled by excrement, and the low consumption of fruits and vegetables largely restricted to a handful of relatively cheap products that may be irrigated by surface freshwaters heavily contaminated with faeces. Our PhD aimed to assess the fluxes of some human enteric pathogens in the region of Bogotá and to try to relate these fluxes to the population health. The PhD combined three contributions. First, a method for culturing the human norovirus has been developed using isolated mouse intestinal villi as a cell model exhibiting the full diversity of intestinal epithelial cells. Several concentrations of trypsin were tested to activate noroviruses; the method was applied to faecal and environmental samples. Second, contamination with E. coli and some human enteric pathogens was monitored in water (landfill leachate, runoff water, river, irrigation water, drinking water), leafy vegetables eaten raw (chards) and air (above a landfill, in rural areas, in urban areas) in the Bogotá region. Third, the impact of socioeconomic contexts and individual practices (food, hygiene and health) on cases of acute gastroenteritis was assessed from surveys carried out in one district of Bogotá and analysed by various tools (principal component analysis, modelling …). We have shown that mouse isolated intestinal villi allow the infection and replication of human norovirus. The virus has to be activated with trypsin and has an average replicative cycle of 10 h. Villi are efficient in obtaining abundant biological material and are ideal for studying the biological activity of norovirus or for generating antibodies. They made it possible to see infectious noroviruses not detected by molecular method in several faeces and environmental samples; almost all samples positive by molecular method or immunodot-blot contain infectious noroviruses. At the regional level, the discharges of wastewater in the Bogotá and Balsillas rivers and in Tres Esquinas march contaminate the irrigation network of La Ramada area in the northwest of Bogotá with E. coli and potentially human enteric pathogens. Chards harvested in this area were heavily contaminated, in contrast to other growing areas. Their contamination evolved from their production to their purchase in nearby stores, washings increasing or decreasing their contamination, and handling on the merchant's stalls increasing contamination. The air was often contaminated with E. coli and Shigella spp.; it was not possible to detect a particular contribution of the Doña Juana landfill in pathogen aerosolization. The presence of Shigella spp. was observed in parallel in more than half of the stools of people with diarrhoea. Surveys have shown that the annual frequency of acute gastroenteritis decreases with increasing age; it seemed less common in households with elderly people, possibly due to stricter food hygiene practices. A transmission model of acute gastroenteritis distinguishing contamination from outside the households and contaminations between people in the same households did not show significant differences between neighbourhoods. Used to simulate numerical experiments, it suggests working on much higher numbers of surveys.

La gastroenteritis aguda afecta entre una cuarta parte y la mitad de las personas en el mundo cada año. Son responsables de importantes costos de morbilidad, mortalidad y asistencia sanitaria. Sus transmisiones directas o indirectas a través del agua, alimentos, aire o superficies inertes dependen de su etiología (viral, bacteriana o parasitaria) y del contexto local. Bogotá y su región aledaña tienen varias especificidades: las aguas residuales a menudo se vierten a los ríos sin o solo después de un tratamiento primario, el depósito de papel higiénico y pañales sucios con excrementos son dispuestos generalmente en un relleno sanitario, y el bajo consumo de frutas y verduras restringido en gran medida a un puñado de productos relativamente baratos pueden ser irrigados por aguas dulces superficiales muy contaminadas con excrementos. Nuestra tesis doctoral tuvo como objetivo evaluar los flujos de algunos patógenos entéricos humanos en la región de Bogotá y tratar de relacionar estos flujos con la salud de la población. El doctorado combinó tres contribuciones. En primer lugar, se desarrolló un método para cultivar el norovirus humano utilizando vellosidades intestinales aisladas de ratón como modelo celular que exhibe la diversidad completa de células epiteliales intestinales. Se probaron varias concentraciones de tripsina para activar norovirus; el método se aplicó a muestras fecales y ambientales. En segundo lugar, se evidenció la contaminación de E. coli y patógenos entéricos humanos en el agua (lixiviados de vertedero, agua de escorrentía, río, agua de riego, agua potable), vegetales de hoja que se comen crudos (acelgas) y aire (sobre un vertedero sanitario, así como en áreas rurales y urbanas) en la región de Bogotá. En tercer lugar, se evaluó el impacto de los contextos socioeconómicos y las prácticas individuales (alimentación, higiene y salud) frente a los casos de gastroenteritis aguda a partir de encuestas realizadas en una localidad de Bogotá y analizadas mediante diversas herramientas (análisis de componentes principales, modelización…). Con este doctorado, hemos demostrado que las vellosidades intestinales aisladas de ratón permiten la infección y la replicación del norovirus humano. El virus debe activarse con tripsina y tiene un ciclo replicativo promedio de 10 h. Las vellosidades son eficaces para obtener abundante material biológico y son ideales para estudiar la actividad biológica de los norovirus o para generar anticuerpos. Ellas permitieron ver norovirus infecciosos no detectados por método molecular en varias heces y muestras ambientales; casi todas las muestras positivas por método molecular o inmunodot-blot contienían norovirus infecciosos. A nivel regional, los vertidos de aguas residuales en los ríos Bogotá y Balsillas y en el humedal Tres Esquinas contaminan la red de riego La Ramada en el noroeste de Bogotá con E. coli y potencialmete con patógenos entéricos humanos. Las acelgas recolectadas en esta área resultaron muy contaminadas, a diferencia de otras áreas de cultivo. Su contaminación evolucionó desde la producción hasta su compra en las tiendas cercanas, los lavados aumentaron o disminuyeron su contaminación y la manipulación en los puestos de comercio aumentaron la contaminación. El aire a menudo estaba contaminado con E. coli y Shigella spp., sin poder atribuir al relleno sanitario Doña Juana un rol particular. A su vez la presencia de Shigella spp. se observó en paralelo en más de la mitad de las deposiciones de personas con diarrea. Las encuestas demostraron que la frecuencia anual de gastroenteritis aguda disminuye respecto al aumento en edad; parecía menos común en hogares con personas mayores, posiblemente debido a prácticas de higiene alimentaria más estrictas. Un modelo de transmisión de gastroenteritis aguda que distinguió la contaminación fuera de los hogares y las contaminaciones entre personas dentro de los mismos hogares no mostró diferencias significativas entre vecindarios.

Les gastroentérites aiguës affectent chaque année entre un quart et la moitié des personnes dans le Monde. Elles sont causes de morbidité, de mortalité et de coûts de santé importants. Leur transmission directe ou indirecte via l’eau, les aliments, l’air ou les surfaces inertes dépend de leur étiologie (virale, bactérienne ou parasitaire) et du contexte local. Bogotá et sa région présentent plusieurs spécificités : des eaux usées rejetées en rivière souvent sans ou après seulement un traitement primaire, la mise en décharge des papiers toilettes, couches et protections souillés par les excréments, et une consommation de fruits et légumes faible et limitée à des produits bon marché irrigués par des eaux pouvant être contaminées fécalement. Notre thèse visait à évaluer les flux de certains pathogènes entériques de l’Homme dans l’environnement à proximité de Bogotá et à essayer de relier ces flux à la santé de la population.La thèse a associé trois contributions. Premièrement, une méthode de culture du norovirus humain a été mise au point en utilisant des villosités intestinales isolées de souris comme modèle cellulaire présentant toute la diversité des cellules épithéliales intestinales. Plusieurs concentrations en trypsine ont été testées pour activer les norovirus ; la méthode a été appliquée à des échantillons fécaux et environnementaux. Deuxièmement, les contaminations en E. coli et en pathogènes entériques de l’Homme ont été suivies dans des eaux (lixiviat de décharge, eau de ruissellement, rivière, eau d’irrigation, eau potable), des légumes-feuilles mangés crus (blettes) et l'air (au-dessus d’une décharge, en zone rurale, en zone urbaine) dans la région de Bogotá. Troisièmement, l’impact des contextes socioéconomiques et des pratiques individuelles (alimentation, hygiène et santé) sur les cas de gastroentérites aiguës a été testé à partir d’enquêtes réalisées dans un district de Bogotá et analysées par divers outils (analyse en composante principale, modélisation …).Nous avons montré que les villosités intestinales isolées de souris permettent l'infection et la réplication du norovirus humain. Le virus doit être activé avec de la trypsine et a un cycle réplicatif moyen de 10 h. Les villosités sont efficaces pour obtenir un matériel biologique abondant et sont idéales pour étudier l'activité biologique du norovirus ou générer des anticorps. Elles ont permis de voir des norovirus non détectés par méthode moléculaire dans certains excréments ou échantillons environnementaux ; les échantillons positifs par méthode moléculaire ou en immunodot-blot contenaient quasiment tous des norovirus infectieux. Au niveau régional, les rejets d'eaux usées dans les rivières Bogotá et Balsillas et dans le marais Tres Esquinas contaminent le réseau d'irrigation de La Ramada au nord-ouest de Bogotá en E. coli et potentiellement en pathogènes entériques de l’Homme. Les blettes récoltées dans cette zone étaient fortement contaminées, en contraste d’autres zones de culture. Leur contamination évoluait de leur production à leur achat dans les commerces de proximité, les lavages pouvant être contaminants ou décontaminants, les manipulations sur l’étal des marchands étant contaminantes. L’air était souvent contaminé par E. coli et par Shigella spp., sans pouvoir attribuer à la décharge Doña Juana un rôle particulier. La présence de Shigella spp. était observée parallèlement dans plus de la moitié des selles des personnes diarrhéiques. Les enquêtes réalisées ont montré que la fréquence annuelle des gastroentérites aiguës diminuait avec l’accroissement de l’âge des personnes ; elle semblait plus faible dans les foyers avec personnes âgées, peut-être en lien avec des pratiques plus strictes en matière d’hygiène, alimentaire notamment.

Human enteric pathogens circulation in the Bogotá region and its impact on the health of vulnerable communities

Transmissions indirectes via l’environnement de pathogènes impliquées dans les gastroentérites aiguës de l’Homme à/autour de Bogotá (Colombie)

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