DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1507537
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39717273
تاريخ النشر: 2024-12-09
المؤلف: Yuting Zhai وآخرون
الموضوع الرئيسي: صحة الحيوان وعلم المناعة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إسهال العجول حديثة الولادة (NCD)، وهو سبب رئيسي لوفيات العجول في الأسابيع الأولى من الحياة، مما أدى إلى زيادة استخدام المضادات الحيوية وقلق بشأن مقاومة المضادات الحيوية واضطراب ميكروبيوتا الأمعاء. تركز الدراسة على الإمكانات البروبيوتيكية لـ Limosilactobacillus reuteri، المعروف سابقًا باسم Lactobacillus reuteri، المعزولة من عجول حديثة الولادة الصحية. من خلال تسلسل الجينوم الكامل (WGS) واختبارات في المختبر، تم تحديد تسعة سلالات من L. reuteri وتم إعطاؤها للعجول التي تعاني من NCD. أشارت النتائج إلى أن العجول المعالجة أظهرت تحسنًا في تناسق البراز، واستعادة ميكروبيوتا الأمعاء، وسلوك طبيعي.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام نموذج تعلم الآلة لتحليل ملفات ميكروبيوتا، كاشفًا عن أنواع بكتيرية مرتبطة بصحة أمعاء العجول التي تأثرت بشكل إيجابي بإعطاء L. reuteri. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام البروبيوتيك المستمد من ميكروبيوتا الأمعاء الأصلية كبدائل مستدامة للمضادات الحيوية في إدارة NCD، مما يساهم في الجهود العالمية للحد من مقاومة المضادات الحيوية وتعزيز صحة ورفاهية الحيوانات. تعزز الدراسة من جدوى البروبيوتيك في الممارسة البيطرية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في علاج NCD.
مقدمة
إسهال العجول حديثة الولادة (NCD) هو سبب رئيسي للوفيات في عجول اللحم قبل الفطام، مما يؤثر بشكل كبير على صحة العجول واقتصاديات المزرعة. تُعزى الحالة بشكل أساسي إلى العدوى من البكتيريا الممرضة، والفيروسات، والطفيلات، التي تفاقمت بسبب الضغوط البيئية والعوامل الغذائية. تعتبر بكتيريا E. coli المسببة للسموم المعوية (ETEC) السبب الرئيسي لـ NCD في الأسبوع الأول من الحياة، بينما تساهم مسببات الأمراض الأخرى مثل Cryptosporidium وSalmonella في NCD في الأسابيع التالية. نظرًا للقلق المتزايد بشأن مقاومة المضادات الحيوية وتفضيلات المستهلكين للمنتجات الخالية من المضادات الحيوية، ظهرت البروبيوتيك كعلاج مساعد محتمل لتعزيز صحة الأمعاء والمناعة في العجول.
على الرغم من وعدها، أظهرت فعالية البروبيوتيك في العجول حديثة الولادة تباينًا، تأثرًا بالسلالات المحددة وحالة صحة الحيوانات. قد تؤثر البروبيوتيك بشكل إيجابي من خلال آليات مثل المنافسة مع مسببات الأمراض، وتعديل الاستجابة المناعية، وإنتاج الببتيدات المضادة للميكروبات. أكدت الدراسات الحديثة على الحاجة إلى الانتقال من البروبيوتيك العامة إلى البروبيوتيك الدقيقة، داعية إلى نهج مستهدف بناءً على احتياجات الحيوانات الفردية. أظهرت أبحاثنا السابقة أن العجول ذات البراز غير الطبيعي أظهرت انخفاضًا في غنى البكتيريا، مع وجود أنواع مفيدة معينة مثل Lactobacillus أكثر وفرة في العجول الصحية. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير بروبيوتيك من سلالات Limosilactobacillus المعزولة من العجول الصحية لعلاج NCD، مستفيدة من تعلم الآلة لتحديد الأنواع البكتيرية المرتبطة بالصحة وتوقع النتائج الصحية، مما يعزز في النهاية صحة الأمعاء في العجول المتأثرة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الإمكانات العلاجية لسلالات Lactobacillus reuteri المعزولة من العجول الصحية لعلاج إسهال العجول حديثة الولادة (NCD). تم اختيار السلالات بناءً على خصائصها البروبيوتيكية، بما في ذلك البقاء في ظروف الجهاز الهضمي المحاكية وقدرتها على تثبيط نمو E. coli الممرضة. بعد إعطاء مزيج بروبيوتيك عن طريق الفم للعجول المصابة بالإسهال، لوحظت تحسينات كبيرة في شكل البراز وتركيب ميكروبيوتا الأمعاء، كما يتضح من تسلسل 16S rRNA. أدى العلاج إلى زيادة التنوع الميكروبي وتحول في الأنواع السائدة، مما يشير إلى استعادة صحة الأمعاء.
علاوة على ذلك، تم تطوير نموذج تعلم الآلة لتوقع حالة صحة العجول بناءً على تركيب ميكروبيوم الأمعاء، محققًا دقة تصل إلى 86.49%. حدد هذا النموذج الأنواع البكتيرية الرئيسية المرتبطة بالصحة، مثل Ruminococcaceae وLactobacillus، والتي كانت حاسمة في توقع مؤشر صحة العجول. تؤكد النتائج على فعالية سلالات L. reuteri في تخفيف الإسهال واستعادة ميكروبيوتا الأمعاء في العجول، مما يدعم استخدام البروبيوتيك كاستراتيجية علاجية قابلة للتطبيق لـ NCD. بشكل عام، تساهم هذه الأبحاث في فهم تطبيقات البروبيوتيك في إدارة صحة الماشية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1507537
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39717273
Publication Date: 2024-12-09
Author(s): Yuting Zhai et al.
Primary Topic: Animal health and immunology
Overview
The research investigates neonatal calf diarrhea (NCD), a leading cause of calf mortality in the early weeks of life, which has led to increased antibiotic use and concerns regarding antimicrobial resistance and gut microbiota disruption. The study focuses on the probiotic potential of Limosilactobacillus reuteri, previously known as Lactobacillus reuteri, isolated from healthy neonatal calves. Through whole genome sequencing (WGS) and in vitro assays, nine strains of L. reuteri were identified and administered to calves suffering from NCD. Results indicated that treated calves exhibited improved fecal consistency, restored gut microbiota, and normal behavior.
Additionally, a machine learning model was employed to analyze microbiota profiles, revealing bacterial taxa linked to calf gut health that were positively influenced by L. reuteri administration. These findings underscore the potential of using native gut microbiota-derived probiotics as sustainable alternatives to antibiotics for managing NCD, thereby contributing to global efforts in reducing antimicrobial resistance and enhancing animal health and welfare. The study reinforces the viability of probiotics in veterinary practice, marking a significant advancement in the treatment of NCD.
Introduction
Neonatal calf diarrhea (NCD) is a leading cause of mortality in preweaning beef calves, significantly impacting both calf health and farm economics. The condition is primarily caused by infections from pathogenic bacteria, viruses, and protozoa, exacerbated by environmental stressors and nutritional factors. Enterotoxigenic E. coli (ETEC) is the predominant cause of NCD in the first week of life, while other pathogens such as Cryptosporidium and Salmonella contribute to NCD in subsequent weeks. Given the rising concerns regarding antibiotic resistance and consumer preferences for antibiotic-free products, probiotics have emerged as a potential adjunct therapy to enhance gut health and immunity in calves.
Despite their promise, the efficacy of probiotics in neonatal calves has shown variability, influenced by specific strains and the health status of the animals. Probiotics may exert beneficial effects through mechanisms such as competition with pathogens, modulation of the immune response, and production of antimicrobial peptides. Recent studies have highlighted the need for a shift from generic to precision probiotics, advocating for targeted approaches based on individual animal needs. Our previous research indicated that calves with abnormal feces exhibited reduced bacterial richness, with certain beneficial taxa like Lactobacillus being more abundant in healthy calves. This study aims to develop probiotics from Limosilactobacillus strains isolated from healthy calves to treat NCD, leveraging machine learning to identify health-associated bacterial taxa and predict health outcomes, ultimately promoting improved gut health in affected calves.
Discussion
In this study, the therapeutic potential of Lactobacillus reuteri strains isolated from healthy calves was evaluated for the treatment of neonatal calf diarrhea (NCD). The strains were selected based on their probiotic characteristics, including survival in simulated gastrointestinal conditions and their ability to inhibit pathogenic E. coli growth. Following oral administration of a probiotic mixture to diarrheic calves, significant improvements were observed in fecal morphology and gut microbiota composition, as evidenced by 16S rRNA sequencing. The treatment led to increased microbial diversity and a shift in dominant taxa, indicating a restoration of gut health.
Furthermore, a machine learning model was developed to predict calf health status based on gut microbiome composition, achieving an accuracy of 86.49%. This model identified key bacterial taxa associated with health, such as Ruminococcaceae and Lactobacillus, which were crucial for predicting the health index of calves. The findings underscore the effectiveness of L. reuteri strains in alleviating diarrhea and restoring gut microbiota in calves, supporting the use of probiotics as a viable treatment strategy for NCD. Overall, this research contributes to the understanding of probiotic applications in livestock health management.