DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1298570
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38249465
تاريخ النشر: 2024-01-05
المؤلف: T. G. McDaneld وآخرون
الموضوع الرئيسي: صحة الحيوان وعلم المناعة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات البروبيوتيك الفموية على الميكروبيوم الرئوي للعجول الحلوب، مع التركيز على الفرضية القائلة بأن العلاج بالبروبيوتيك سيغير من تجمعات البكتيريا في الجهاز التنفسي. تم تقسيم 20 عجلاً إلى مجموعتين: مجموعة علاج البروبيوتيك (TRT) التي تلقت بديل الحليب المدعوم بالبروبيوتيك ومجموعة التحكم (CON) التي تلقت بديل الحليب القياسي. تم إجراء غسلات رئوية في عمر 52 يومًا، وتم تحليل الحمض النووي البكتيري من هذه العينات باستخدام تسلسل الجيل التالي لتحديد الأنواع البكتيرية الموجودة.
أشارت النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في الميكروبيوم الرئوي بين العجول التي تغذت على البروبيوتيك ومجموعة التحكم، لا سيما في الوحدات التصنيفية التشغيلية (OTUs) (p < 0.05)، مع اتجاه نحو الدلالة في متغيرات تسلسل الأمبليكون (ASVs) (p < 0.06). ومن الجدير بالذكر أن الأجناس البكتيرية الأساسية التي تم تحديدها تشمل Myroides وElizabethkingia وStenotrophomonas وMycoplasma وAeromicrobium، مع ظهور زيادة ملحوظة في وفرة Myroides في مجموعة TRT. تستنتج الدراسة أن البروبيوتيك الفموية تؤثر ليس فقط على الميكروبيوم المعوي ولكن أيضًا على الميكروبيوم التنفسي، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم تداعيات هذه النتائج على صحة الأبقار ودور البروبيوتيك خارج الكرش. تشمل القيود حجم العينة الصغيرة، مما يشير إلى الحاجة إلى دراسات أكبر للتحقق من هذه النتائج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المهم للإضافات الغذائية، وخاصة البروبيوتيك، في تعزيز التخمر الكرشمي وتخليق البروتين الميكروبي في الماشية، مما يحسن من استخدام العناصر الغذائية (DeVries وChevaux، 2014؛ Yuan et al.، 2015؛ Dias et al.، 2018). يُلاحظ أن البروبيوتيك لها القدرة على تعديل التعبير الجيني لظهارة الأمعاء، مما يقوي وظائف الحاجز ويؤثر على الاستجابات الالتهابية، مما قد يساعد العجول الصغيرة في مقاومة الأمراض المرتبطة بالالتهابات (Alugongo et al.، 2017). يُعتبر الجهاز الهضمي، المعروف بأنه أكبر عضو مناعي، يتفاعل مع الميكروبات، والتي بدورها تؤثر على الاستجابات المناعية، مما يشير إلى علاقة معقدة بين صحة الأمعاء والمناعة العامة (Chase، 2018).
علاوة على ذلك، يتم تقديم مفهوم “محور الأمعاء والرئة”، مما يشير إلى أن اختلال التوازن في الجهاز الهضمي يمكن أن يؤدي إلى استجابات التهابية في الجهاز التنفسي والعكس صحيح (Vientos-Plotts et al.، 2023). تم توثيق هذا التفاعل عبر أنواع مختلفة، بما في ذلك الماشية (Chase، 2018) والبشر (Rastogi et al.، 2022)، مع أدلة تظهر أن التغييرات في ملفات الميكروبيوم يمكن أن تؤثر على القابلية للإصابة بالاضطرابات التنفسية (Budden et al.، 2017؛ Glendinning et al.، 2017؛ Enaud et al.، 2020؛ Narayana et al.، 2023). على الرغم من الأبحاث الموجودة حول تأثيرات البروبيوتيك الفموية على الميكروبيوم الكرشمي والمعوي (Pinloche et al.، 2013؛ Azad et al.، 2017؛ Schofield et al.، 2018؛ Liu et al.، 2022؛ Fernández-Ciganda et al.، 2022؛ Mansilla et al.، 2022)، هناك فجوة ملحوظة في فهم تأثيرها على الميكروبيوم التنفسي للأبقار. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تجمعات البكتيريا في رئتي العجول الحلوب قبل الفطام بعد العلاج بالبروبيوتيك، مما يوضح التأثيرات المحتملة للبروبيوتيك على الميكروبيوم التنفسي.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، المدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، يهدف هذا القسم إلى تسهيل فهم الإطار التجريبي ودعم موثوقية الاستنتاجات المستخلصة من البحث.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بالظواهر الملحوظة، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يشير إلى توافق قوي مع البيانات. تشمل النتائج أيضًا مقارنات مفصلة مع الأدبيات الموجودة، مما يبرز الجدة والأهمية لمساهمات الدراسة في هذا المجال. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية تدعم الفرضيات وتقترح مجالات للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير البروبيوتيك الفموية على الميكروبيوم الرئوي لعجول هولشتاين. تم تقسيم عشرين عجلًا إلى مجموعتين: واحدة تتلقى البروبيوتيك والأخرى تعمل كمجموعة تحكم. تم مراقبة العجول من حيث مؤشرات الصحة، وتم إجراء غسلات رئوية لجمع عينات لتحليل الميكروبيوم. أشارت النتائج إلى أن الميكروبيوم الرئوي ليس معقمًا ويتأثر بالميكروبيوم المعوي، مما يدعم مفهوم محور الأمعاء والرئة. كانت الأنواع البكتيرية السائدة التي تم تحديدها في عينات غسلات الرئة تشمل Myroides وElizabethkingia وStenotrophomonas وMycoplasma وAeromicrobium، مع ظهور اختلاف ملحوظ في وفرة Myroides بين مجموعتي البروبيوتيك والتحكم.
كشفت تحليلات التنوع ألفا وبيتا عن عدم وجود اختلافات كبيرة في التنوع البكتيري داخل أو بين مجموعات العلاج، مما يشير إلى أن العلاج بالبروبيوتيك لم يغير من التنوع الميكروبي الكلي في الرئتين. ومع ذلك، أظهرت عينات غسلات الرئة تنوعًا ألفا أقل مقارنة بعينات الأنف واللوزتين، مما يشير إلى ملفات ميكروبية مميزة عبر مواقع تنفسية مختلفة. كما أبرزت الدراسة فعالية استخدام متغيرات تسلسل الأمبليكون (ASVs) لتصنيف أكثر دقة مقارنة بالوحدات التصنيفية التشغيلية (OTUs)، حيث قدمت ASVs دقة تصنيف أكبر على مستويات تصنيف أعلى. بشكل عام، تؤكد النتائج الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح أدوار الأنواع البكتيرية المحددة في صحة الجهاز التنفسي للعجول والتداعيات المحتملة للبروبيوتيك على ميكروباتها.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1298570
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38249465
Publication Date: 2024-01-05
Author(s): T. G. McDaneld et al.
Primary Topic: Animal health and immunology
Overview
This research investigates the effects of oral probiotics on the lung microbiome of dairy calves, focusing on the hypothesis that probiotic treatment would alter bacterial populations in the respiratory tract. A total of 20 calves were divided into two groups: a probiotic treatment group (TRT) receiving milk replacer supplemented with probiotics and a control group (CON) receiving standard milk replacer. Lung lavages were conducted at 52 days of age, and the bacterial DNA from these samples was analyzed using next-generation sequencing to identify the bacterial taxa present.
The results indicated significant differences in the lung microbiome between the probiotic-fed calves and the control group, particularly in the operational taxonomic units (OTUs) (p < 0.05), with a trend towards significance in the amplicon sequence variants (ASVs) (p < 0.06). Notably, the core bacterial genera identified included Myroides, Elizabethkingia, Stenotrophomonas, Mycoplasma, and Aeromicrobium, with Myroides showing a significant increase in abundance in the TRT group. The study concludes that oral probiotics influence not only the gut microbiome but also the respiratory microbiome, highlighting the need for further research to understand the implications of these findings in bovine health and the role of probiotics beyond the rumen. Limitations include the small sample size, suggesting a need for larger studies to validate these findings.
Introduction
The introduction highlights the significant role of feed additives, particularly probiotics, in enhancing ruminal fermentation and microbial protein synthesis in cattle, thereby improving nutrient utilization (DeVries and Chevaux, 2014; Yuan et al., 2015; Dias et al., 2018). Probiotics are noted for their ability to modify gut epithelial gene expression, which strengthens barrier functions and influences inflammatory responses, potentially aiding young calves in resisting inflammation-related diseases (Alugongo et al., 2017). The gastrointestinal tract, recognized as the largest immune organ, interacts with the microbiota, which in turn affects immune responses, suggesting a complex relationship between gut health and overall immunity (Chase, 2018).
Furthermore, the concept of the “gut-lung axis” is introduced, indicating that dysbiosis in the gastrointestinal tract can lead to inflammatory responses in the respiratory system and vice versa (Vientos-Plotts et al., 2023). This cross-talk has been documented across various species, including cattle (Chase, 2018) and humans (Rastogi et al., 2022), with evidence showing that alterations in microbiome profiles can influence susceptibility to respiratory disorders (Budden et al., 2017; Glendinning et al., 2017; Enaud et al., 2020; Narayana et al., 2023). Despite existing research on the effects of oral probiotics on ruminal and intestinal microbiomes (Pinloche et al., 2013; Azad et al., 2017; Schofield et al., 2018; Liu et al., 2022; Fernández-Ciganda et al., 2022; Mansilla et al., 2022), there is a notable gap in understanding their impact on the bovine respiratory microbiome. This study aims to investigate the bacterial populations in the lungs of pre-weaning dairy calves following probiotic treatment, thereby elucidating the potential effects of probiotics on respiratory microbiota.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. By providing a comprehensive overview of the methods, this section aims to facilitate understanding of the experimental framework and support the reliability of the conclusions drawn from the research.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the observed phenomena, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a robust fit to the data. The findings also include detailed comparisons with existing literature, underscoring the novelty and relevance of the study’s contributions to the field. Overall, the results provide compelling evidence supporting the hypotheses and suggest avenues for future research.
Discussion
In this study, the impact of oral probiotics on the lung microbiome of Holstein calves was investigated. Twenty calves were divided into two groups: one receiving probiotics and the other serving as a control. The calves were monitored for health indicators, and lung lavages were performed to collect samples for microbiome analysis. The results indicated that the lung microbiome is not sterile and is influenced by the gut microbiome, supporting the concept of a gut-lung axis. The predominant bacterial taxa identified in the lung lavage samples included Myroides, Elizabethkingia, Stenotrophomonas, Mycoplasma, and Aeromicrobium, with Myroides showing a significant difference in abundance between the probiotic and control groups.
Alpha and beta diversity analyses revealed no significant differences in bacterial diversity within or between the treatment groups, suggesting that probiotic treatment did not alter overall microbial diversity in the lungs. However, the lung lavage samples exhibited lower alpha diversity compared to nasal and tonsil samples, indicating distinct microbial profiles across different respiratory sites. The study also highlighted the effectiveness of using amplicon sequence variants (ASVs) for more precise taxonomic classification compared to operational taxonomic units (OTUs), as ASVs provided greater classification accuracy at higher taxonomic levels. Overall, the findings underscore the need for further research to elucidate the roles of specific bacterial taxa in the respiratory health of calves and the potential implications of probiotics on their microbiomes.