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Untersuchungen zum Einfluss intestinaler Faktoren auf die Kolonisation von Campylobacter spp. beim Schwein

Die Campylobacteriose zählt zu einer der bedeutendsten durch Lebensmittel übertragenen Zoonosen. Erkrankungen treten in erster Linie beim Menschen auf, obwohl der Erreger bei lebensmittelliefernden Tieren weit verbreitet ist. Die Mehrzahl der Humaninfektionen werden von C. jejuni (~ 73 %) und C. coli (~ 10 %) hervorgerufen. Die Infektion mit C. jejuni erfolgt hauptsächlich über kontaminiertes Geflügelfleisch, während eine Übertragung von C. coli über Schweinefleisch aufgrund der hohen Prävalenz des Erregers in Schweinebeständen vermutet werden kann. Beide Spezies können jedoch sowohl aus dem Geflügel als auch aus Schweinen isoliert werden. Das Ziel der Arbeit war es, die Wachstumsanforderungen von zwei MLST-typisierten Campylobacter-Stämmen unterschiedlicher Spezies anhand der Substratverwertung (in vitro) zu bestimmen. Darauf aufbauend wurde mit Hilfe eines Tiermodells ein Zusammenhang zwischen der Besiedlung und den verfügbaren Substraten in verschiedenen Darmabschnitten des Schweins untersucht. Gleichzeitig wurden die Auswirkungen der Infektion auf transepitheliale Transportprozesse im Jejunum und Caecum sowie auf pathohistologische Veränderungen der Darmschleimhaut betrachtet. Um eine Infektion der Schweine mit Campylobacter-Feldstämmen für die Entwicklung des Tiermodells auszuschließen, musste die Gewinnung der Ferkel durch Schnittentbindung erfolgen, da aufgrund der hohen Verbreitung insbesondere von C. coli in den Schweinebeständen bei einer natürlichen Geburt die Infektion der Ferkel über den kontaminierten Geburtskanal der Sau zu erwarten war. Die Aufzucht erfolgte unter Einhaltung eines hohen Hygienestandards. Die Infektion mit C. coli ST5777 und C. jejuni ST122 erfolgte im Alter von 7-8 Wochen als Mono- bzw. Co-Infektion. Bei der vier Wochen später durchgeführten Sektion konnten beide Stämme aus dem Jejunum, Ileum, Zäkum und Colon isoliert werden. Ein Nachweis der Infektionsstämme aus weiteren Organen (Leber, Milz und Lymphknoten) gelang nicht. Dies lässt vermuten, dass die Stämme die Darmbarriere nicht überwunden haben, obwohl die Integrität des Zäkums infolge der Infektion mit C. jejuni Störungen aufwies, die sich durch eine Veränderung der transepithelialen Ionentransportprozesse des Zäkums mit Hilfe der Ussing-Kammer-Methode aufzeigen ließen. Histopathologisch konnten jedoch keine Veränderungen des Darmepithels dargestellt werden. Die Mikrobiomanalyse des Inhalts der verschiedenen Darmabschnitte ergab einen sehr geringen Anteil von Campylobacterales am Gesamtmikrobiom (im Durchschnitt weniger als 0,5 %), so dass ein Einfluss der Infektionsstämme durch ihren Stoffwechsel auf das Metabolom als ebenfalls realtiv gering beurteilt wurde. Der Vergleich der Ergebnisse der Metabolomuntersuchung mit denen der in vitro Untersuchung des Substratbedarfes ließ vermuten, dass C. coli durch die Verstoffwechslung sämtlicher der untersuchten Substrate einen Kolonisationsvorteil im Darm gegenüber C. jejuni, der lediglich Serin zum Wachstum nutzte, haben müsste. Jedoch unterschied sich die Anzahl der koloniebildenden Einheiten der beiden Stämme in den verschiedenen Darmabschnitten nicht. Der Einsatz von Schweinen im Infektionsmodell zur Erforschung des Kolonisationsverhaltens von Campylobacter spp. stellte sich in der vorliegenden Studie als geeignet dar. Dabei ist die Gewinnung der Tiere per Kaiserschnitt und die mutterlose Aufzucht unter hohen Hygienestandards Voraussetzung. Mit Hilfe der Ussing-Kammer-Methode konnte gezeigt werden, dass sich eine Infektion mit C. jejuni im Gegensatz zu C. coli negativ auf die Integrität des Zäkumepithels auswirkt und mit einer erhöhten Wasserausscheidung einhergeht. Diese Erkenntnis können in Zusammenhang mit Metabolom- und Mikrobiomergebnissen einen grundsätzlichen Ansatz für weitere Forschung bieten, um die Unterschiede des Vorkommens der Erreger beim Menschen zu erklären. Einen Zusammenhang zwischen Metabolom und Kolonisationslokalisation der Infektionsstämme konnte anhand der vorliegenden Ergebnisse nicht gezogen werden. Für die Praxis in konventionellen Schweinehaltungen bedeuten die Ergebnisse, dass Campylobacter spp. nicht als Erreger von klinischen Erkrankungen infrage kommt, allerdings C. jejuni eventuell einen subklinischen Effekt auf die Mastleistung der Schweine haben könnte. Weitere Forschungen, besonders zum Verbrauch weiterer Metaboliten und zum Einfluss der Infektionsstämme auf die Tight junctions der Darmschleimhaut, können aufbauend auf den vorliegenden Ergebnissen zum Verständnis der Unterschiede in Kolonisation und Pathogenität von C. coli und C. jejuni beitragen.

Campylobacteriosis is one of the most important foodborne zoonoses. Disease occurs primarily in humans, although the pathogen is widespread in food-producing animals. The majority of human infections is caused by C. jejuni (~ 73 %) and C. coli (~ 10 %). Infection with C. jejuni occurs mainly via contaminated poultry meat, while transmission of C. coli via pork can be suspected due to the high prevalence of the pathogen in pig herds. However, both species can be isolated from poultry as well as from pigs. The aim of the research was to determine the growth requirements of two MLST-typed Campylobacter strains of different species based on substrate utilisation (in vitro). Related to this, a correlation between colonisation and available substrates in different intestinal sections of the pig was investigated using an animal model. At the same time, the effects of infection on transepithelial transport processes in the jejunum and caecum as well as on pathohistological changes in the intestinal mucosa were considered. In order to exclude infection of the pigs with Campylobacter field strains for the development of the animal model, the piglets had to be delivered by Caesarean section, since due to the high prevalence of C. coli, in particular in the pig herds, infection of the piglets via the contaminated birth canal of the sow was to be expected in the case of natural birth. Breeding was carried out in compliance with a high hygiene standard. The infection with C. coli ST5777 and C. jejuni ST122 occurred at the age of 7-8 weeks as mono- and co-infection, respectively. During the necropsy performed four weeks later, both strains could be isolated from the jejunum, ileum, caecum and colon. Detection of the infection strains from other organs (liver, spleen and lymph nodes) was not possible. This suggests that the strains did not overcome the intestinal barrier, although the integrity of the caecum showed disturbances as a result of infection with C. jejuni, which could be revealed by an alteration in the transepithelial ion transport processes of the caecum using the Ussing chamber method. However, histopathologically, no changes in the intestinal epithelium were observed. The microbiome analysis of the contents of the different intestinal sections revealed a very low proportion of Campylobacterales in the total microbiome (less than 0.5 % on average), so that an influence of the infection strains through their metabolism on the metabolome was also judged to be low. Comparison of the results of the metabolomic study with those of the in vitro study of substrate requirements suggested that C. coli, by metabolising all of the substrates studied, should have a colonisation advantage in the gut over C. jejuni, which used only serine for growth. However, the number of colony-forming units of the two strains did not differ in the different intestinal sections. The use of pigs in the infection model to study the colonisation behaviour of Campylobacter spp. was found to be suitable in this study. The prerequisite for this is that the animals are delivered by Caesarean section and reared motherless under high hygiene standards. Using the Ussing chamber method, it could be shown that an infection with C. jejuni, in contrast to C. coli has a negative effect on the integrity of the caecal epithelium and is accompanied by increased water excretion. This finding, in conjunction with metabolome and microbiome results, offers a fundamental approach for further research to explain the differences in the occurrence of the pathogens in humans. A correlation between the metabolome and colonisation localisation of the infectious strains could not be drawn on the basis of the present results. For the practice in conventional pig farms, the results mean that Campylobacter spp. cannot be considered as a pathogen of clinical diseases, but C. jejuni could possibly have a subclinical effect on the fattening performance of the pigs. Performing further research, especially on the use of further metabolites and the influence of the infection strains on the tight junctions of the intestinal mucosa, can contribute to understand the differences in colonisation and pathogenicity of C. coli and C. jejuni based on the present results.

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