Waterborne transmission of Toxoplasma gondii : novel approaches to development of analytical techniques

Abstract

Access to safe drinking water is essential for healthy life. Drinking water contaminated with waterborne pathogens is one of the most significant environmental contributors to human disease burden. Protozoan parasites that cause waterborne diseases generally have very robust transmission stages and are able to survive the most commonly practiced physical and chemical water treatment processes. Although Cryptosporidium and Giardia are the most widely known and researched protozoan parasites that may be transmitted by water, consumption of water contaminated by sporulated oocysts of Toxoplasma gondii is emerging as a major concern and several waterborne outbreaks have been documented. This protozoan parasite, which may infect all warm-blooded animals, usually causes only mild symptoms in the immunocompetent host. However, in the immunocompromised host it may result in severe, possibly fatal, disease. Furthermore, congenital transmission can result in serious fetal damage should the mother acquire her primary infection during pregnancy. However, the extent of contamination of different waters with this successful protozoan parasite has not been adequately investigated due to the lack of effective and appropriate detection methods. Although methods for the analysis of water for Cryptosporidium oocysts and Giardia cysts have long been established, methods of analysis of water for contamination with T. gondii oocysts remain elusive. This PhD study had aimed at investigating different novel approaches for analysis of drinking water for contamination with T. gondii oocysts. Various methods were investigated in this work. These include the use of a microfluidic chip, the development of aptamers for detection, the investigation of oocyst wall binding to monoclonal antibodies and lectins, and the use of both microscopy and qPCR for detection. Of the methods investigated, surface treatment of oocysts to enable binding of the lectin wheat germ agglutinin was found to be most promising for developing an LMS approach, and was applicable to both fresh and aged oocysts. Parameters investigated using spiked samples included different bead types and different water turbidities. Proof of principle for the technique having been established, final investigations addressed bringing the procedure from the research lab to the water analysis laboratory, and how to address the associated challenges. The studies were completed by a pilot study on some “real life” environmental samples, and my initial results indicate that contamination of drinking water sources with Toxoplasma oocysts may occur in Norway, paving the way for further large-scale analysis.

Tilgang til rent drikkevann er essensielt for et sunt liv. Drikkevann kontaminert med vannbårne patogener er en av de viktigste miljøfaktorene som påvirker menneskers sykdomsbyrde. Parasittiske protozoer som overføres med vann er ofte meget hardføre og har robuste overføringsstadier som kan overleve de vanligste fysiske og kjemiske vannrensningsmetodene. Blant parasittiske protozoer som kan smitte via vann er Cryptosporidium og Giardia de mest kjente og studerte, men andre protozoer, blant annet sporulerte oocyster av Toxoplasma gondii, har vist seg å være et økende problem, med flere registrerte vannbårne utbrudd. Alle varmblodige dyr kan infiseres med T. gondii. Hos individer med velfungerende immunsystem vil det sjeldent gi noe mer enn milde symptomer, mens hos immunkompromiterte kan en infeksjon være svært alvorlig og ha døden til følge. Dersom gravide kvinner eller drektige dyr infiseres med T. gondii for første gang under graviditet kan dette resultere i alvorlige fosterskader da T. gondii kan overføres fra mor til fosteret via placenta. I motsetning til Cryptosporidium og Giardia har derimot ikke omfanget av forurensning av forskjellige vannkilder med T. gondii blitt tilstrekkelig undersøkt, mye på grunn av mangel på effektive og hensiktsmessige deteksjonsmetoder. Selv om metoder for analyse av vann for Cryptosporidium oocyster og Giardia cyster har vært etablert i lang tid, har analysemetoder for vann kontaminert med T. gondii oocyster vært fraværende. Dette doktorgradsprosjektet hadde til hensikt å undersøke ulike nye tilnærminger for å analysere drikkevann forurenset med T. gondii oocyster. Ulike metoder ble undersøkt i dette arbeidet, disse inkluderer: bruk av mikrofluidiske brikker, utvikling av aptamerer for deteksjon, undersøkelse av oocystens vegg, og monoklonale antistoffer og lektiners evne til å binde til veggen, samt bruk av både mikroskopi og qPCR for deteksjon. Av metodene som ble undersøkt, ble overflatebehandling av oocystene for å muliggjøre binding av lektinen hvetekimagglutinin funnet å være den mest lovende for å utvikle en LMS-tilnærming, og var anvendelig for både nylig utskilte og eldre oocyster. Parametere som ble undersøkt ved hjelp av kunstig positive prøver, inkluderte forskjellige magnetkuletyper og ulike vannturbiditeter. Når prinsippet bak teknikken kunne bevises eksperimentelt og metoden var etablert arbeidet vi videre for å bringe prosedyren fra forskingslaboratoriet til vannanalyselaboratoriet, og hvordan man skal takle de utfordringene som er forbundet med dette. Resultatene med kunstig positive prøver var tilfredsstillende og metoden ble også prøvd ut på reelle drikkevannsprøver i en pilotstudie av norske drikkevannskilder. Resultatene fra pilotstudien tyder på at Toxoplasma oocyster forekommer i disse drikkevannskildene, og dette bør legges til grunn for vurdering av videre storskala studier for å kartlegge hvor stort dette problemet er på nasjonal basis.