Anvendelse af mikroorganismer til at modvirke alvorlige sygdomme, der påvirker oksekødsindustrien

De små ting, der bor i en kalves næse, kan være nøglen til at bekæmpe luftvejssygdomme hos kvæg, den mest kostbare sygdom, der påvirker oksekødsindustrien.

Jiangchao Zhao, lektor i dyrevidenskab ved Arkansas Agricultural Experiment Station og i Dale Bumpers College of Agricultural, Food and Life Sciences, bruger næste generations sekvensering til at identificere de mikroorganismer, der befolker de bovine næsehuler, kendt som det respiratoriske mikrobiom. Han har korreleret disse resultater med tilstedeværelsen eller fraværet af luftvejssygdom hos kvæg, også kendt som BRD, hos kalve for at finde ud af, hvilken mikrobiota der gavner dyrets sundhed, og hvilke der forringer det.

Agricultural Experiment Station er forskningsafdelingen af ​​University of Arkansas System Division of Agriculture.

Dyst sygdom

Zhao sagde, at BRD koster oksekødsindustrien så meget som 2 milliarder dollars om året, inklusive dyredød, reduktion i fodereffektivitet og andre dårlige virkninger, såvel som for forebyggelses- og behandlingsomkostninger. Alene amerikanske feedlots oplever op til $900 millioner i årlige tab fra BRD, ifølge en artikel, "Economic Effects of Bovine Respiratory Disease", offentliggjort i Journal of Animal Science .

Foderpladser, især for kalve, der går direkte dertil efter fravænning, udgør den største risiko for dyrene for at erhverve BRD, sagde Zhao. Mere end 90 % af de store foderpladser i USA rapporterede BRD som den hyppigste sygdom, ifølge en rapport fra USDA's National Animal Health Monitoring System i Fort Collins, Colorado.

"Kalvene er udsat for betydelig stress, fra fravænning til forsendelse til foderpladsen," sagde Zhao. "Samling med andre dyr øger risikoen. Den første måned ved foderpladsen er den højeste periode med sårbarhed over for sygdommen."

Kalve med baggrundsbaggrund, dem, der fortsætter på græs ved en lageroperation efter fravænning, er mindre modtagelige for BRD, sagde Zhao, men ikke immune. Dyrene er stadig under stress under transporten fra ko-kalvegården til den baggrundsfarm, hvilket sænker deres immunrespons, når de udsættes for sygdommen.

Zhao sagde, at baggrund giver mindre stress og mindre eksponering for BRD end at gå direkte til en foderplads. "Det er en god praksis. Kalvene udvikler et sundere immunsystem og er større og stærkere, når de endelig går i foderpladsen."

Men mere end halvdelen af ​​de amerikanske kalve går direkte til foderpladser efter fravænning, sagde han.

Mikrobiom-korrelation

Mikrobiomer er kolonier af bakterier - gode, dårlige eller ligegyldige - der optager hulrum i dyrekroppe. Zhao og hans forskerhold undersøger disse mikrobiota i landbrugsdyr for at bestemme, hvordan populationerne påvirker dyrenes sundhed.

I denne undersøgelse identificerer Zhao mikrobiotaarter, der korrelerer med forekomster af luftvejssygdomme hos kvæg hos hvert dyr.

Zhaos forskning udføres i 30 kalve på hver af tre Division of Agriculture forskningssteder - Milo J. Shult Agricultural Research and Extension Center i Fayetteville, Southwest Research and Extension Center i Hope og Livestock and Forestry Research Station nær Batesville.

Zhao samarbejder om denne forskning med dyrevidenskabskollegerne Beth Kegley og Jeremy Powell, statistiker Jung Lee fra Division of Agriculture og dyreforskerne John Richeson fra West Texas A&M University og Sarah Capik fra Texas A&M University.

"Vi arbejder på at forstå årsagsmekanismerne for sygdommen," sagde Zhao.

BRD er næsten altid en co-infektion, sagde han. En kalv opfanger en virus - ikke ulig mennesker, der bliver forkølet eller influenza - og så drager en patogen bakterie fordel af dyrets kompromitterede immunsystem.

"Når du ved, hvad der forårsager sygdommen," sagde Zhao, "så har du et mål for intervention."

Ved hjælp af næste generations sekventering har Zhao observeret, hvilke gener der transskriberes under en BRD-infektion, herunder gener både i patogenet og i dyrets immunsystem.

"At spore interaktionen mellem patogen og vært er meget kompliceret, big data-arbejde," sagde Zhao.

Denne undersøgelse er kombineret med culturomics, sagde Zhao, for at isolere både gode og dårlige insekter fra kvægets luftveje. Mikrobiomprøver fra podepindene spredes på petriskåle med forskellige vækstmedier og gasser for at simulere miljøet i luftvejene - en proces kendt som "plettering". Derefter analyseres bakteriekolonierne på pladerne for identifikation og karakterisering.

Zhaos laboratorieteam har identificeret flere potentielle probiotika baseret på big data-analyse. Samantha Howe, en ph.d. studerende på Bumpers College, var i stand til at dyrke nogle af bakterierne. "Hun arbejder på at verificere de gavnlige virkninger af disse insekter for at se, om de kan dræbe eller hæmme væksten af ​​patogener," sagde Zhao.

I opfølgende forskning vil Zhao fodre de "gode" bakterier tilbage til kalvene for at se, om de er i stand til at stoppe eller vende en BRD-infektion.

Denne forskning kan føre til udviklingen af ​​probiotiske produkter, der bruger de gode bakterier som en intervention til at helbrede eller forhindre BRD, sagde Zhao. Sådanne produkter kan være sikrere og mere effektive end antibiotika, som bakterier kan bygge resistens over for.

Fremskridt inden for detektion

I relateret forskning har Zhao udviklet en lettere metode til at påvise BRD eller de patogener, der kan føre til sygdommen.

Standardmetoden til påvisning af BRD hos syge eller sårbare kvæg er at pode næsesvælghulen med en næse-næsepodning. Zhao sagde, at kvægets nasopharyngeale hulrum, placeringen af ​​det respiratoriske mikrobiom, er meget dybt og når hele længden af ​​dyrets hoved til toppen af ​​spiserøret. Podning efter en prøve er en vanskelig procedure, og kvæget kan heller ikke lide det.

Zhao undersøgte brugen af ​​kortere podninger til at prøve forsiden af ​​kalvenes næsepassage - området umiddelbart inde i næsen. Han var i stand til at demonstrere, at denne nemmere metode er lige så nøjagtig som standardmetoden, samtidig med at den forårsager langt mindre ubehag for dyret. Han er ved at udvikle et testkit, som oksekødsproducenter kan bruge i marken til at indsamle prøver, som kan sendes til et laboratorium til analyse.

I en anden fase af forskningen ønsker han at udvikle et selvtestsæt, der bruger et system, der ligner de nu velkendte hjemmetestsæt til COVID-19. Efter prøveudtagning smøres podepinden på et forberedt testpapir, der viser, om dyret er BRD-positivt eller negativt.

En sådan test kan bruges til at bestemme, om en kalv har en højere koncentration af enten de "dårlige" bakterier, der kan føre til BRD-infektion, eller af de "gode" bakterier, der hjælper med at forhindre det.

At være i stand til at identificere, hvilke dyr der har højere eller lavere risiko for infektion betyder, at dyrlæger kan fokusere indgreb på færre dyr, spare penge og mindske risikoen for at udvikle antibiotika-resistente bakterier. + Udforsk yderligere

Nyfødte malkekalve, der blev fodret med probiotika, var sundere i vigtige første uger, viser studerendes forskning