Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Transmission and pathogenesis of the Q fever pathogen Coxiella burnetii in a sheep flock, and the attempt to sanify a Q fever infected herd

Eibach, Regina Luise

Q fever is one of the most important zoonotic diseases along our latitudinal lines. The majority of human infections and especially the cumulating retail space epidemics affecting humans over the last years were usually caused by small ruminants. On this background the aim of this study within the Q fever research network (cf. footnote 1, page 5) was to describe and understand the pathogenesis and epidemiology of a naturally infected sheep flock. Furthermore, we investigated the effect of the vaccination with Coxevac® in combination with an antibiotic treatment of this Q fever positive sheep flock with a Q fever outbreak and a co-infection with C. abortus. The aim of this paper therefore is twofold. On the one hand we aimed at analyzing and describing the Q fever outbreak in a sheep and goat flock with human infections (cf. manuscript I), in order to develop and apply a sanitation program for a Q fever positive sheep flock on the other hand, which was additionally monitored for 18 months (cf. manuscript II). The first part of this study (cf. manuscript I: „Q fever: Baseline Monitoring of a Sheep and a Goat Flock associated with Human Infections“) describes the results of the investigated sheep and goats as well as of the employees and residents at an experimental station in Germany. The respective animal farm attracted attention because of an increased number of abortions and weak offspring. After Q fever was diagnosed in May 2009, sheep and goats were sampled by vaginal and faecal swabs as well as EDTA blood and serum. Moreover, serum samples of the employees and residents were taken. The evaluation of the samples showed that 47% of the sheep and 94% of the goats were seropositive. Furthermore, C. burnetii-specific DNA sequences could be detected by PCR in blood samples in 3% of the sheep and 8% of the goats. All vaginal swabs taken of sheep and goats as well as all faecal swabs taken of sheep were positive in the C. burnetii PCR. C. burnetii DNA could also be detected in 78% of the sheep milk samples and in 97% of the goat milk samples. Even though the blood samples of the employees and residents were only taken 14 months after the acute infection in the flocks a connection between the human infections and the infection of the goat and sheep flock on this isolated experimental station could be drawn, as 15 of 23 human blood samples showed an increased antibody activity indicating that these persons have already gone through an earlier Q fever infection. The gateway through which the bacteria C. burnetii infected the flock is retrospectively difficult to determine. One possible assumption, however, is that an apprentice, together with his dog, was the possible gateway through which the bacteria found its way into the flock as the apprentice and his dog came from a farm in which Q fever was diagnosed already one year earlier. In the second paper (cf. manuscript II: „Long-term monitoring of a Coxiella burnetii-infected sheep flock after vaccination and antibiotic treatment under field conditions), the development of the Q fever infection in the sheep flock was traced and investigated over a period of 18 months. Within this time frame a sanitation program was implemented. From May 2009 to December 2010, EDTA and serum blood samples as well as vaginal and rectal swabs were collected from all sheep of the farm every three to four months. In September 2009, six weeks before the start of the expected lambing period, the sheep were vaccinated with Coxevac®. Moreover, pregnant ewes received oxytetracycline fortnightly until lambing. Prevalence of seropositive animals in the flock increased from 39% and 33%, respectively (results of the two samplings before the vaccination), to 98% afterwards. Bacteraemia and bacterial shedding in vaginal discharge also decreased significantly after vaccination and oxytetracycline administration. The findings indicate that in cases of an acute Q fever outbreak, vaccination with Coxevac® combined with oxytetracycline administration and high standards of hygiene can lead to reduced shedding of C. burnetii and reduced number of abortions and weak offspring, not only in cases of co-infections with C. abortus. As our investigations took place within the framework of a field study, it was not possible to establish untreated and unvaccinated control groups due to legal reasons. Moreover, although Coxevac® is not licenced for pregnant sheep, it was safe and effective. Therefore, the measures described in this study may be considered as essential enforcement during an acute Q fever outbreak, in order to prevent human Q fever infections.

Q-Fieber zählt zu einer der bedeutendsten Zoonosen in unseren Breitengraden. Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen des Q-Fieber-Projektes (Q-Fieber Verbund) die molekulare Pathogenese des Q-Fiebers und ihre Anwendung in der Diagnostik und Epidemiologie in Deutschland erforscht werden. Die Mehrzahl der Humaninfektionen und insbesondere die in den letzten Jahren gehäuft auftretenden Kleinraumepidemien beim Menschen wurden meist durch infizierte kleine Wiederkäuer hervorgerufen. Ziel dieser Arbeit war es daher die Epidemiologie eines Q-Fieber-Ausbruchs in einer Schaf- und Ziegenherde mit Humanerkrankungen aufzuarbeiten (vgl. Manuskript I: „Q fever: Baseline Monitoring of a Sheep and a Goat Flock associated with Human Infections“) um so ein Sanierungsprogramm für eine Q-Fieber-positive Schafherde erstellen und über 18 Monate hinweg verfolgen zu können (vgl. Manuskript II: „Long-term monitoring of a Coxiella burnetii-infected sheep flock after vaccination and antibiotic treatment under field conditions“, „Langzeitüberwachung einer Coxiella burnetii-infizierten Schafherde nach Impfung und Antibiose unter Feldbedingungen“). Im ersten Teil der Arbeit konnten Erkenntnisse über Ausscheidung, und Antikörperaktivität von Schafen und Ziegen einer akut mit Q-Fieber infizierten Herde gewonnen werden. Außerdem konnte erstmal bei einem Teil der Tiere eine Bakteriämie nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden Serumblutproben von 23 Mitarbeitern und Bewohner des betroffenen Hofes ausgewertet. Die durch vermehrt auftretende Aborte und erhöhte Verluste durch lebensschwache Lämmer auffällig gewordene Schaf- und Ziegenherde einer Versuchsstation auf der schwäbischen Alb wurde nach der Diagnose Q-Fieber im Mai 2009 initial beprobt. Die Auswertung dieser Proben ergab, dass bei 47% der Schafe und 94% der Ziegen eine deutlich erhöhte Antikörperaktivität gegen C. burnetii nachgewiesen werden konnte. Des Weiteren konnten bei 3% der untersuchten Schafe und bei 8% der untersuchten Ziegen C. burnetii spezifische DNA Sequenzen im Vollblut mittels PCR detektiert werden. Alle untersuchten Vaginaltupfer, sowohl von den Schafen als auch von den Ziegen, waren in der PCR positiv. Außerdem konnte C. burnetii DNA bei 97% der untersuchten Ziegenmilchproben und 78% der untersuchten Schafsmilchproben gefunden werden, ebenso wie in 100% der untersuchten Kottupfer von Schafen. Auch wenn die Blutprobenentnahme der Mitarbeiter und Bewohner erst 14 Monate nach dem akuten Q-Fieber Ausbruch in der Herde möglich war, konnte ein Zusammenhang zwischen den Humaninfektionen und den Geschehnissen in der Herde hergestellt werden, da eine erhöhte Antikörperaktivität bei 15 der 23 untersuchten Personen auf eine durchgemachte Q-Fieber Infektion hinwies. Die Einschleppungspforte des Bakteriums C. burnetii in die Herde ist retrospektiv schwer zu ermitteln. Nahe liegend ist jedoch, dass ein Lehrling sowie sein Hund als Vektor fungierten und das Bakterium vom elterlichen Betrieb, auf dem Q-Fieber ein Jahr zuvor diagnostiziert worden war, mitgebracht hatten. Im zweiten Teil der Arbeit (vgl. Manuskript II) wurde dieselbe Schafherde 6 Wochen vor Beginn der Ablammung mit Coxevac® grundimmunisiert und alle zwei Wochen bis zur Ablammung mit Oxytetracyclinen behandelt. Die Ausscheidung, Bakteriämie und serologische Entwicklung der Tiere sowie Umgebungsproben wurden über einen Zeitraum von 18 Monaten alle drei bis vier Monate untersucht. Antikörper gegen C. burnetii konnten vor der Grundimmunisierung mit Coxevac® bei 39% bzw. 33% der untersuchten Schafe festgestellt werden. Am ersten Untersuchungstermin nach der Impfung hatten bereits 98% der Schafe serokonvertiert. Der Nachweis von C. burnetii spezifischen DNA Sequenzen im Vollblut sank nach der Impfung und der Antibiotikabehandlung signifikant ab (p=0,001), ebenso der Nachweis von C. burnetii positiven Vaginaltupfern (p=0,001). Bei den Umgebungsproben wurden bei jedem Beprobungstermin mindestens eine C. burnetii positive Probe gefunden. Somit zeigen diese Untersuchungen, dass die Kombination aus Impfung und antibiotischer Behandlung zusammen mit verstärkten hygienischen Maßnahmen bei einem akuten Q-Fieber-Ausbruch als Maßnahmen anzuraten sind um humane Q-Fieber-Infektionen zu reduzieren oder sogar gänzlich zu vermeiden. Da die Untersuchungen im Rahmen einer Feldstudie stattgefunden hatten war es leider nicht möglich unbehandelte Kontrollgruppen zu halten (vgl. Manuskript II). Daher ist es schwierig zu sagen welche der beiden Maßnahmen zu dem Erfolg geführt hatte. Bei einer Co-infektion mit C. abortus, wie sie zudem noch in der Herde vorlag, ist jedoch eine antibiotische Therapie immer anzuraten. Des Weiteren konnte aufgezeigt werden, dass der Impfstoff Coxevac® auch bei einer Anwendung während der Trächtigkeit und in akuten Q-Fieber Fällen bei Schafen sicher und effektiv ist.   

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Eibach, Regina Luise: Transmission and pathogenesis of the Q fever pathogen Coxiella burnetii in a sheep flock, and the attempt to sanify a Q fever infected herd. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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