Модель IN VIVO для изучения влияния генетических вариаций на клинический исход мастита у КРС
Клинический мастит (КМ) определяется как интрамаммарная инфекция (ИМИ) с клиническими симптомами, такими как изменение секреции молока, местные (боль, отек) или системные признаки воспаления (лихорадка, нарушение общего состояния). ИМИ с кишечной палочкой (E. coli) часто вызывает КМ, что может серьезно повлиять на самочувствие животного, но часто приводит к преходящей ИМИ со сравнительно высоким процентом самоизлечения. Для сравнения, субклинический мастит (СКМ) включает ИМИ без клинических симптомов, но с повышенным количеством соматических клеток (SCC) в молоке, снижением удоев и ухудшением качества молока. Staphylococcus aureus (S. aureus) является одним из основных патогенов, вызывающих СКМ или легкие случаи КМ у молочных коров. Из-за периодического выделения S. aureus трудно обнаружить, а лечение больных животных часто бесполезно, поскольку ИМИ S. aureus имеет тенденцию сохраняться в вымени и вызывать хронические случаи СКМ.
В молочной промышленности КМ и СКМ являются основными причинами использования антимикробных препаратов. Кроме того, коровы с КМ или СКМ склонны к другим заболеваниям. В ряде исследований сообщалось о корреляции между различными репродуктивными и метаболическими нарушениями и соответствующими стратегиями управления, что является ключевым фактором для улучшения ситуации в этой области. Это улучшение направлено не только на снижение использования антимикробных препаратов у молочных коров, но и на удовлетворение требований хорошо информированных и требовательных потребителей молочных продуктов.
Независимо от экономических аспектов, мастит и связанные с ним последствия оказывают пагубное влияние на благополучие животных. Генетическая селекция предлагает устойчивый инструмент для отбора животных с пониженной восприимчивостью к послеродовым заболеваниям.
Несколько групп сообщили о перспективных ассоциациях между аутосомой 18 (BTA 18) Bos taurus и продуктивными признаками. Другие исследования выявили различия в иммунной компетентности первичных эпителиальных клеток молочной железы (MEC), происходящих из двух гаплотипов BTA 18: полусибсы однополых коров, наследующих альтернативный гаплотип подтвержденного локуса количественных признаков (QTL) для оценки соматических клеток (SCS) в теломерной области BTA 18, показали различные оценки соматических клеток in vivo. MECs этих одноплодных коров отличались по профилю экспрессии после патогенной инфекции in vitro. Эти данные свидетельствуют о снижении восприимчивости к внутриматочным инфекциям у одноплодных коров, наследующих благоприятный аллель QTL. Другое исследование недавно показало, что в дополнение к отбору на восприимчивость к заболеваниям, инфекционность хозяина следует рассматривать как важный аспект в эффективном снижении заболеваний у крупного рогатого скота.
Изучение основополагающих механизмов важно для исследования физиологических процессов, которые вызывают зарегистрированные различия между гаплотипами, чтобы вычленить и извлечь положительные последствия и знать об отрицательных последствиях применяемых стратегий отбора. Многочисленные экспериментальные модели мастита in vivo были созданы различными исследователями в течение последних нескольких десятилетий, как недавно рассмотрено Petzl et al. (2018). Однако, насколько нам известно, до сих пор не было проведено ни одной модели мастита in vivo, сравнивающей различные гаплотипы BTA 18 у одноплодных коров.
В соответствии с последним исследованием, целью которого было создание модели инфекции in vivo для изучения влияния генетического отбора на устойчивость к маститу в определенных условиях у однополых молочных коров, было использовано следующее. В процессе отбора гаплотипов BTA 18 SCC служил целевым фенотипом для определения заболеваемости маститом и здоровья вымени. Известно, что тяжесть и разрешение мастита в значительной степени зависят от вида инфицирующего патогена, и было показано, что грамотрицательные патогены вызывают различные иммунные реакции в организме хозяина по сравнению с грамположительными патогенами. Для изучения клинических исходов мастита, зависящих от возбудителя, E. coli использовали в качестве суррогатного возбудителя острого КМ, а S. aureus — в качестве суррогатного возбудителя, обычно вызывающего СКМ или легкий КМ у молочных коров.
После интрамаммарного заражения E. coli или S. aureus у всех животных развилась ИМИ и проявились клинические признаки мастита в зависимости от возбудителя, а повторная изоляция соответствующих патогенов была успешной во всех случаях. После заражения S. aureus, как и после заражения E. coli, наблюдалось значительное увеличение SCC и снижение удоев. Этот вывод согласуется с результатами предыдущих исследований, в которых сравнивалась зависящая от патогена и времени изменчивость врожденного иммунного ответа у молочных коров, зараженных S. aureus или E. coli. Из полученных результатов можно сделать вывод, что благодаря тщательной стандартизации животных и среды их обитания удалось создать модель внутриматочную инфекцию для изучения влияния соответствующего гаплотипа. Синхронизация Q- и q-непарнокопытных коров была достигнута в такой степени, что генетически обусловленные различия не были размыты влиянием окружающей среды.
В настоящем исследовании две группы гаплотипов BTA 18 показали первоначальные различия в клинической реакции на экспериментальную ИМИ, но эти различия были ограничены ИМИ S. aureus. Значительно более низкий SCC у Q- по сравнению с q-унипаровых коров через 24 и 36 часов после заражения S. aureus и значительно более низкая бактериальная нагрузка в образцах молока через 12 часов после заражения могут свидетельствовать о различном потенциале антимикробной реакции между двумя группами гаплотипов. Менее заметное снижение общего удоя через 12 и 24 часа после заражения S. aureus у Q- по сравнению с q-непарнокопытными коровами дополняет картину менее интенсивной реакции на интрамаммарный вызов у Q-непарнокопытных коров.
Этот результат, в свою очередь, указывает на то, что коровы с Q-гаплотипом одноплодны и более устойчивы к ИМИ, чем коровы с q-гаплотипом. Эти результаты доказывают, что генетический отбор на гаплотипы хромосомы BTA 18, проведенный в данном исследовании, оказывает влияние на экспериментально вызванный мастит. Было бы целесообразно в дальнейшем изучить способ генетического отбора с использованием косвенных параметров, а также результатов устойчивости к инфекции для определения надежных биомаркеров в будущем. Неожиданным оказалось то, что различия в клиническом ответе между гаплотипами при ИМИ S. aureus могут быть клинически различимы только на начальной стадии.
После ИМИ с E. coli не было обнаружено различий между Q- и q-uniparous коровами на основе наших диагностических параметров. Это отсутствие различий может быть вызвано разными причинами. Во-первых, вирулентность грамотрицательного возбудителя E. coli была выше, чем у возбудителя S. aureus, о чем свидетельствует тот факт, что количество бактерий в молоке через 12 часов после ИМИ увеличилось более чем на порядок. Этот факт вызвал более сильную атаку, чем инфекция S. aureus, и вызвал сильную реакцию хозяина, которая могла перекрыть эффективность защитных механизмов под влиянием генетического отбора, примененного в данном исследовании. Во-вторых, иммунная защита хозяина против грамотрицательной инфекции молочной железы (например, E. coli) регулируется и определяется эпителиальными клетками молочной железы (МЭК), в то время как этот доминирующий тип клеток лактирующего вымени играет лишь незначительную роль в защите от грамположительных патогенов молочной железы, таких как S. aureus или Streptococcus uberis. Следовательно, те иммунные механизмы, которые определяются гаплотипом BTA 18, выбранным в данном исследовании, могут находиться не в MEC, а в других типах клеток, имеющих отношение к иммунитету. Этот вывод хорошо согласуется с данными Bonnefont et al. 2012, которые проанализировали MEC генетически отобранных овец с различной устойчивостью к маститу.
Модели ИМИ с интрамаммарным внесением E. coli были ограничены 24 часами. В этих исследованиях были продемонстрированы специфические для патогена модели реакции, а максимальная внутренняя температура тела и изменения в секреции молока были обнаружены примерно через 12−14 часов после заражения. По этическим причинам и для сохранения сопоставимости результатов с предыдущими исследованиями, в настоящем исследовании ИМИ кишечной палочки также был ограничен 24 часами.
.png)
Однако неожиданным оказалось то, что у однополых коров в этом эксперименте макроскопические изменения в секреции молока и упругости вымени проявились не ранее чем через 24 часа после заражения. Одним из объяснений такой запоздалой реакции тканей молочной железы может быть то, что животные были раннелактирующими по сравнению со среднелактирующими, которые использовались в предыдущих исследованиях. Vangroenweghe и др. (2004) продемонстрировали, что у рано лактирующих первобеременных коров наблюдались умеренные клинические симптомы ИМИ с кишечной палочкой, а Van Werven и др. (1997) показали значительное влияние паритета на тяжесть клинического мастита, вызванного кишечной палочкой. Кроме того, известно, что клиническое течение ИМИ, вызванного кишечной палочкой, может быть довольно тяжелым, но инфекция самоограничивается, и наблюдается высокий процент самоизлечения. Следовательно, можно только предполагать, что дальнейший отбор проб в течение более длительного периода выявил бы более разительные различия между двумя гаплотипами в отношении бактериологического и клинического излечения ИМИ, вызванного кишечной палочкой.
В целом, за последние несколько лет требования к моделям интрамаммарных вызовов для имитации КМ или СКМ изменились, поскольку новые методы в животноводстве и транскриптомное профилирование стали более сложными. Созданная модель устанавливает новые стандарты и может быть использована в качестве инструмента для оценки молекулярных изменений метаболома, протеома и транскриптома соответствующих животных с помощью новых методов. В ближайшие несколько лет получение, хранение и управление большими данными из стойла молочных коров и связанное с этим машинное обучение представляют собой одну из будущих задач в молочной промышленности для решения вопросов экономической целесообразности, состояния здоровья и благополучия соответствующих животных. Хорошо зарекомендовавшие себя модели животных могут создать основу для интерпретации соответствующих данных для контролируемых достижений в этой области.
