Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Stefan Küskens

Effekte diätetischer Supplemente von Monensin und ätherischen Ölen auf Antibiotikaresistenzen fäkaler Enterokokken bei Milchkühen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110646

title (eng.)

Effects of dietary supplementation with monensin and essential oils on antimicrobial resistance in faecal enterococci of dairy cows

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kueskenss_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Monensin ist ein Ionophor, welches oral im Peripartalzeitraum zur Ketoseprävention bei Milchkühen angewendet wird. Auch diätetische Supplemente von ätherischen Ölen werden zur Prävention der Ketose bei Milchkühen genutzt. Der angenommene Wirkmechanismus von Monensin wie auch ätherischen Ölen beruht durch ihre selektive antimikrobielle Wirkung auf einer Modulation der Zusammensetzung der Pansenflora und damit der ruminalen Fermentationsmuster. Ruminale und enterale Bakterien sind somit über einen Zeitraum von mehreren Monaten geringen Dosen dieser Substanzen ausgesetzt, so dass sich die Frage stellt, ob dies zur Etablierung von Resistenzmechanismen in Bakterienpopulationen des Verdauungstrakts führt, die möglicherweise auch Resistenzen gegen andere Antibiotikaklassen einschließen. Ziel dieser Arbeit war es daher zu untersuchen, ob in der Transitphase der Einsatz von Monensin und ätherischen Ölen im Rahmen einer Ketoseprophylaxe zu einer verminderten Sensitivität von faecalen Enterokokken für humanmedizinisch bedeutsame Antibiotika der behandelten Milchkühe führt.

 

Dazu wurden sechzig gesunde hochtragende Kühe ausgewählt und deren Körperkondition bestimmt. Die Kühe wurden in vier Gruppen (jeweils 15 Kühe) eingeteilt. Eine der Gruppen, deren Kühe eine mäßige Körperkondtion (BCS 2,77 + 0,14) aufwiesen, wurde bedarfsgerecht gemäß der Empfehlung der GfE (2001) gefüttert (Konzentratanteil in der Trockensteherration: 30%, postpartum Steigerung des Konzentratanteils auf 50% bis Tag 14 pp). Die drei übrigen Gruppen (HC-Gruppen) wurden aus Kühen mit einem hohen BCS (3,95 ± 0,08 (±SD)) zusammengesetzt und in der Trockenstehzeit energiereich und ad libitum gefüttert (Kraftfutteranteil von 60%). Nach der Kalbung wurde der Kraftfutteranteil in der Ration der Kühe der HC-Gruppen auf 30 % gesenkt und bis Tag 21 post partum kontinuierlich auf 50% gesteigert. Einer der HC -Gruppen wurde ein kommerzieller Monensin-Bolus (Kexxtone, Elanco) 21 Tage vor der Kalbung eingegeben (HCMO-Gruppe), der über etwa 95 Tage kontinuierlich Monensin im Pansen freisetzt. In einer anderen Gruppe wurde beginnend zum Zeitpunkt 21 Tage vor der Kalbung bis 56 Tage nach der Kalbung täglich 1 g einer kommerziellen Mischung aus ätherischen Ölen (Crina Ruminants, WDT)  über das Kraftfutter verabreicht (HCEO-Gruppe). Die verbliebende HC-Gruppe diente als Kontrollgruppe (HC-Kontrolle). Kotproben wurden 42 und 21 Tage vor dem berechneten Kalbetermin sowie 1, 7, 28, 56 und 100 Tage nach der Kalbung entnommen. Von diesen Proben wurden im Labor je zwei verschiedene Ausstriche auf Bile-Azid-Esculin-Agar angefertigt, einer davon nach vorheriger Anreicherung in Azid-Glucose-Boulion. Von beiden Ausstrichen wurden nach morphologischen Kriterien insgesamt 5 Kolonien ausgewählt. Bei diesen wurde mittels Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-of-flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) eine Speziesidentifikation durchgeführt. Pro Probe wurde jeweils ein Exemplar jeder identifizierten Spezies in eine Stammsammlung überführt. Bei diesen Isolaten wurde später eine Empfindlichkeitsprüfung für 13 verschiedene Antibiotika (Ampicillin, Chloramphenicol, Ciprofloxacin, Gentamicin, Daptomycin, Erythromycin, Linezolid, Quinupristin/Dalfopristin, Monensin, Tetracyclin, Teicoplanin, Tigecyclin und Vancomycin) mittels Mikrodilutionsverfahren vorgenommen.

 

Aus den insgesamt 367 untersuchten Kotproben wurden aus 350 Proben (95,4%) teils mehrfach Enterokokkenspezies (insgesamt 446 Isolate) isoliert. Dies waren vornehmlich E. hirae (211/446, 47,3%), E. faecium (136/446, 30,5%), E. durans (51/446, 11,4%) und E. faecalis (40/446, 9%). Nur vereinzelt traten E. mundtii (3/446, 0,7%), E. gallinarum (3/446, 0,7%), E. thailandicus (1/446, 0,2%) und E. malodoratus (1/446, 0,2%) auf. Unabhängig von den Versuchsgruppen war präpartal zum Versuchsbeginn E. faecium die dominierende isolierte Enterokokkenspezies, postpartal war dies hingegen E. hirae. Hinsichtlich behandlungsbedingter Antibiotikaresistenzen wurde im Verlauf des Versuchs lediglich für E. faecium-Isolate aus der HCMO-Gruppe des Versuchstags 7 post partum eine statistisch geringere Empfindlichkeit für Quinupristin/Dalfopristin im Vergleich zur HC-Kontrollgruppe festgestellt. Weder zuvor (Tag -14 ap sowie Tag 1 pp), noch danach (Tag 28 und Tag 56) wurde eine vergleichbare Beobachtung gemacht, so dass das Ergebnis vom Tag 7 als Zufallsereignis bewertet wird. Für alle übrigen der untersuchten Antibiotika wurde keine signifikante Erhöhung der Toleranz bei Isolaten aus der HCMO- oder der HCEO-Gruppe im Vergleich zur HC-Kontrolle festgestellt.

 

Aus den an Enterkokkenspezies hergeleiteten Ergebnissen dieser Studie lässt sich kein erhöhtes Risiko einer Etablierung von Kreuzresistenzen gegenüber relevanten in der Human- und Tiermedizin verwendeten Antibiotika durch die Anwendung von Monensin-Boli oder die Zufütterung von ätherischen Ölen in den gewählten Dosierungen bei Milchkühen ableiten.

abstract (englisch)

Monensin is an Ionophore which is used for ketosis prevention during the peripartial Period. Similairly, essential oils are accredited with an effect on the ruminal metabolism, which might possibly prove to be useful for Ketosis prevention. Both substances modulate the composition of the ruminal flora due to their selective antimicrobial effect. This changes the proportion of the metabolites produced through microbial fermentation. Given that Bacteria are exposed to subletal doses of these substances over a period of several month during this process, the question arises, weather this might lead to the establishment of resistance mechanisms, which might also provide cross resistance against other antimicrobial substances like antibiotics used as treatment in human medicine. The aim of this study was to investigate, weather the application of monensin and essential oils for the prevention of ketosis during the transit period might lead to a reduced sensitivity of enterococci from bovine feces to medically significant antibiotics.

 

For that purpose, sixty healthy, pregnant cows were divided into four groups by their body condition (15 cows per group). One of these groups was fed according to the recommendation of the GFE (2001) concentrate percentage of 30% during dry period, raised to 50% after calving until day 14 pp). Animals of this group exhibited a moderate body condition (BCS 2,77 + 0,14). The three remaining groups (HC-groups) were assembled by cows with a high BCS (3,95 ± 0,08 (±SD)) and fed an energy rich ration ad libitum during dry period. After calving, the energy concentration of these groups was abruptly lowered (concentrate percentage of 30%) and afterwards gradually increased to a concentrate percentage of 50% three weeks after calving. Commercial monensin slow release boli (Kexxtone, Elanco) were administered to the animals of one of the HC-groups 21 days before calving (HCMO-Group). The animals of another HC-group were supplemented with a commercial blend of essential oils (Crina Ruminants, WDT) via their concentrate ration (HCEO-Group). The remaining HC-Group was used as a control group (HC-Control). Fecal samples were taken at seven different points in relation to calving: 42 and 21 days before the predicted date of calving as well as 1, 7, 28, 56 and 100 days after calving. Material of every Sample was plated via two different aproaches: For one approach, sample material was applicated directly on Bile-Azid-Esculin-Agar. For the other approach, an enrichment in Azide-Glucose Bouillon was conducted prior to plating on Bile-Azid-Esculin-Agar. A total of five colonies per fecal sample was chosen for further examination on the basis of morphological criteria. A species identification was conducted via matrix assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). One specimen of every identified enterococcus species per fecal sample was transferred to a strain bank. These isolates were later screened for resistance for 13 different antibiotics (ampicillin, chloramphenicol, ciprofloxacin, gentamicin, daptomycin, erythromycin, linezolid, quinupristin/dalfopristin, monensin, tetracycline, teicoplanin, tigecycline and vancomycin) via microdilution method.

 

We found at least one enterococcal species in 350 from all 367 examined faecal samples (95,4%). These were mostly E. hirae (211/446, 47,3%), E. faecium (136/446, 30,5%), E. durans (51/446, 11,4%) and E. faecalis (40/446, 9%). Isolates belonging to E. mundtii (3/446, 0,7%), E. gallinarum (3/446, 0,7%), E. thailandicus (1/446, 0,2%) and E. malodoratus (1/446, 0,2%) were only sporadically seen. E. faecium was the most prevalent species before calving, whereas E. hirae became the most prevalent species after calving. A significant Increase of antimicrobial tolerance in the treatment groups compared to the HC-control was determined just in one case. E. faecium isolates from the HCMO-group at day 7 were significantly less susceptible to quinupristin/dalfopristin than those from the HC-control. However, no correspondent significant change was seen at the preceding and following sampling days (day -14, 1, 28 and 56). Therefore we consider the finding from day 7 to be a random event. For the remaining antibiotics, no significant increase in tolerance after treatment with monensin or essential oils compared to the HC-control was observed.

 

Consequently, our study provided no evidence for a decreased sensitivity for clinically relevant antibiotics in enterococcal isolates from the treatment groups after exposure to Monensin or essential oils in vivo in the dosage used by us.

keywords

Monensin Resistenz Enterokokken / monensin resistence enterococci 

kb

2.456