Biofilm i jego rola w zdrowotności wymienia

Biofilmy są obecne na ziemi od około 3,4 miliarda lat i są najbardziej rozpowszechnioną formą życia na ziemi (Westall i in., 2001). Ich właściwości czynią je wyjątkowymi i odgrywają główną rolę w ewolucji i adaptacji mikrobów. Cechy te zostały nabyte w ciągu miliardów lat adaptacji. To właśnie dzięki temu z powodzeniem stosują strategię przetrwania w ekstremalnych warunkach. Ale co istnieje od tak dawna i odniosło taki sukces? To nazywa się biofilm! Przetrwanie i istnienie szerokiej gamy mikroorganizmów wynika z tworzenia biofilmu. Tworzenie biofilmu jest mechanizmem obronnym drobnoustrojów, zapewniającym  przetrwanie bakteriom. Powoduje to zmniejszoną odpowiedź na standardowe metody, co ma negatywny wpływ na zdrowie zwierząt. Chcielibyśmy opowiedzieć Państwu więcej o tym, jak tworzenie biofilmu wpływa na zdrowie zwierząt, a w szczególności jakie stanowią one wyzwanie dla zdrowotności wymion.

Biofilmy mogą kolonizować wiele różnych biologicznych i niebiologicznych powierzchni (Hall-Stoodley i in., 2004). Idealne biologiczne warunki dla przetrwania bakterii, obejmują wystarczającą ilość składników odżywczych, wilgotność i odpowiednią temperaturę. Zwierzęta są zatem doskonałym miejscem dla namnażania bakterii i tworzenia się biofilmu. Może to być potencjalnie szkodliwe dla zwierzęcia. Dopiero w latach 90-tych XX wieku zbadano zależność biofilmu w odniesieniu do istniejących wyzwań zdrowotnych (Melchior i in., 2006). Według Narodowego Instytutu Zdrowia wiemy obecnie, że około 80% zakażeń mikrobiologicznych jest związane z tworzeniem biofilmu (NIH, 2002).

Zdrowie wymion jest dla bydła mlecznego wyzwaniem pojawiającym się notorycznie. Główną przyczyną problemów zdrowotnych z wymionami u krów są mikroorganizmy, a zdolność bakterii do wytwarzania biofilmu jest uważana za ważną właściwość wirulentną w ich patogenezie (FELIPE, i in., 2017). Wiedza o biofilmie zmienia podejście do radzenia sobie z tymi wyzwaniami, co wpływa na mechanizmy funkcjonowania kolonii bakteryjnych w postaci biofilmu. Dlatego konieczne jest poszukiwanie skutecznych metod, które miałyby wpływ na to, aby wyprzedzić szkodliwy wpływ bakterii w biofilmie na zdrowie wymienia

Tworzenie biofilmu

Biofilmy to skupiska mikrobów zamknięte w samodzielnie wytworzonej macierzy. Występują w trójwymiarowej strukturze mikrobiologicznej i są bardzo zróżnicowane jeśli chodzi i kształt i wielkość Nie ma jednego typu biofilmu, będzie on zależał od rodzaju tworzących je mikrobów w połączeniu ze wszystkimi możliwymi wpływami środowiskowymi. Bakterie tworzące biofilm wykazują wrodzoną odporność na tradycyjne metody, środki dezynfekcyjne oraz układ odpornościowy zwierząt. Bakterie w biofilmie są 100-1000 razy mniej podatne na działanie tradycyjnych metod w porównaniu do swobodnie rosnących bakterii tego samego szczepu (Donlan, 2000). Ta trwałość bakterii, uzyskiwana na skutek tworzenia biofilmu, odpowiada za ich oporność i jest częstą  przyczyną nawracających problemów.

Biofilm może powstać w ciągu 24 godzin od momentu przyłączenia. Bakterie tworzą biofilmy w odpowiedzi na warunki środowiskowe, takie jak osłabiony układ odpornościowy, zasuszenie, wycielenie lub zapalenie. Istnieje pięć głównych etapów tworzenia i rozprzestrzeniania się biofilmów (patrz rycina 1). Po fazie przyłączenia, bakterie zaczną tworzyć (pojedynczą) warstwę i wytwarzać polimerową warstwę macierzy dla ochrony. W ostatnim etapie, niektóre komórki lub części dojrzałego biofilmu zaczynają się odrywać i rozpraszać w środowisku jako komórki planktoniczne. Mogą one rozpocząć nowy cykl tworzenia biofilmu w innym miejscu organizmu zwierzęcia (Guzmán-Soto i in., 2021). Tworzenie biofilmu może odbywać się w ukryciu przez bardzo długi czas bez wpływu na krowę. Może się to zmienić, jeśli warunki są korzystne dla bakterii w biofilmie, i niekorzystne dla krowy.

• Stressors – Czynniki stresogenne
• Planktonic cell – Komórka planktoniczna
• Adsorption – Adsorpcja
• Desorption – Desorpcja
• Cell body contact – Kontakt z ciałem komórki
• Cells released after cell division – Komórki odtwarzane po podziale komórek

1. Wstępne przyłączenie (Adsorpcja)
2. Silna adhezja i kolonizacja powierzchniowa (Monowarstwa)
3. Wczesny rozwój (Mikrokolonie)
4. Dojrzewanie (Makrokolonie)
5. Rozproszenie

Miejsce powstawania biofilmu

Zewnętrzne i wewnętrzne powierzchnie zwierząt są idealnymi gospodarzami dla kolonizacji mikrobów. Jednakże, podczas wnikania do organizmu mikroby napotykają  różne wyzwania środowiskowe które zagrażają ich szansom na przetrwanie i zmniejszają szanse na udaną kolonizację. Tworzenie biofilmu jest strategią przetrwania, która ma na celu wytrzymanie tych wyzwań, aby zapewnić przetrwanie bakterii. Badania wykazały, że produkcja biofilmu jest ważnym mechanizmem niszczącym niekorzystnych bakterii powodującym problemy zdrowotne wymienia (Gomes i in., 2016). Obecność biofilmów w gruczołach mlekowych skutkuje zmniejszoną podatnością na standardowe metody.

Czynniki biorące udział w rozwoju i utrzymywaniu się wyzwań zdrowotnych wymienia

Wyzwania zdrowotne wymienia, a tym samym tworzenie się biofilmu, mogą powstawać po cichu w tle, bez świadomości hodowcy o potencjalnym zagrożeniu. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że tworzenie biofilmu często zaczyna się już u jałówek, jest to po prostu niewidoczne, ponieważ zwierzę nie ma objawów. Jałówki często mają wysoki status energetyczny, więc mogą dobrze tłumić problemy. Jest to jednak początek przyszłych wyzwań, którymi i należy się w porę zająć.

Poważne wyzwania mogą pogorszyć zdrowie i dobrostan zwierząt, a towarzyszy im spadek wydajności mlecznej, wzrost kosztów opieki zdrowotnej,  wyższy wskaźnik brakowania, a w najgorszym przypadku nawet śmierć (Melchior i in., 2006). Następstwa finansowe są znaczące i podejmuje się wiele wysiłku, aby zapobiec problemom związanym ze zdrowiem wymienia, jednak z miernym skutkiem. Wynika to w dużej mierze z braku reakcji na regularne metody. Szczególnie przewlekłe  problemy są trudne do rozwiązania, co utrudnia ich eliminację. Wiek, numer i faza laktacji,  umiejscowienie w zaatakowanej ćwiartce i liczba komórek somatycznych (LKS) również odgrywają rolę w sukcesie (Sol i in., 1997). Krowy w laktacji są bardziej wymagające i wykazują niższe wskaźniki sukcesu. Dotyczy to również starszych krów lub krów z wysoką liczbą komórek somatycznych.  Przewlekłe problemy zdrowotne wymienia są często określane jako wyjątkowo trudne do rozwiązania (Sol i in., 2000).

Jak wspierać krowy podczas wyzwań związanych ze zdrowiem wymienia?

Aby wesprzeć krowy podczas wyzwań związanych ze zdrowiem wymienia i zwiększyć szanse na sukces, AHV opracowało Program Zdrowia Wymienia AHV. Aby utrzymać wymię krowy w jak najlepszym stanie, ważne jest monitorowanie zwierzęcia, najlepiej przy użyciu danych (mleka), które zapewniają dodatkowy wgląd w sytuację. Kluczem jest proaktywne podejście do utrzymaniazwierząt w zdrowiu i w procesie produkcji, ponieważ im dłużej wymię pozostaje zdrowe, tym bardziej korzystne jest to dla zwierząt. Prowadzi to do zmniejszenia strat, poprawy dobrostanu. Program Zdrowia Wymienia AHV jest wysoce skuteczny dzięki zgłoszonej do opatentowania technologii AHV QSA, która bezpośrednio celuje w powstały w wymieniu biofilm. W ten sposób AHV mierzy się z problemem u źródła!

Program Zdrowia Wymienia AHV

Program Zdrowia Wymienia AHV wyróżnia cztery kategorie*:

• UDR – C: Zdrowe wymię
• UDR – L: Max. 2 wzrosty LKS w ciągu ostatnich 18 miesięcy
• UDR – P: Max. 3 wysokie skoki LKS w ciągu ostatnich 18 miesięcy
• UDR – R: więcej niż 3 wysokie skoki LKS w ciągu ostatnich 18 miesięcy

* Kategorie i uwagi oparte są na danych użytkowości mlecznej.

Nasze własne badania pokazują, że dla znaczącej poprawy nie ma znaczenia, jak bardzo liczba komórek somatycznych odbiega od wartości prawidłowej. Średnio prawie 85% (patrz tabela) grup, w których zalecamy (UDR – L & P)zastosowanie rozwiązań (AHV Quick, Extra, Aspi) wykazuje pozytywny wynik w kolejnych wynikach użytkowości mlecznej. U młodszych zwierząt pozytywny wynik widzimy nawet u 9 na 10 krów.

Jakie są korzyści  optymalnego stanu zdrowia wymienia?

Zwierzęta, które są zdrowe, utrzymują produkcję na optymalnym poziomie i wymagają mniej interwencji. Dla hodowcy oznacza to wyższą i lepszą jakościowo wydajność mleczną oraz ogólnie zdrowsze stado, które z czasem osiąga wyższe wyniki produkcyjne. Zwierzęta osiągające słabe wyniki produkcyjne są głównym powodem zastępowania ich zwierzętami młodszymi, a  co za tym idzie, mniej wydajnymi. Produkcja mleka i jego jakość niespełniające określonych standardów ma negatywny wpływ ekonomiczny na dochody gospodarstwa. Znaczenie podjęcia interwencji w odpowiednim czasie jest więc kluczowe dla utrzymania zdrowia zwierząt gospodarskich i dobrej sytuacji finansowej.

W AHV codziennie uczymy się więcej o biofilmie

Tworzenie biofilmu jest uważane za selektywną korzyść dla niekorzystnych bakterii powodujących problemy zdrowotne wymienia, ułatwiając utrzymywanie się bakterii w wymieniu. Głębsza wiedza na temat biofilmu w odniesieniu do wyzwań zdrowotnych wymienia może pomóc w określeniu najskuteczniejszej strategii radzenia sobie z tymi wyzwaniami w celu ograniczenia strat oraz zapewnienia bezpieczeństwa i jakości mleka. Dlatego w AHV, w naszym własnym ośrodku badawczym, nieustannie badamy, jak uczynić nasze produkty jeszcze bardziej skutecznymi.

Źródła:

• Westall, F., de Wit, M. J., Dann, J., van der Gaast, S., de Ronde, C. E., & Gerneke, D. (2001). Early Archean fossil bacteria and biofilms in hydrothermally-influenced sediments from the Barberton greenstone belt, South Africa. Precambrian Research, 106(1-2), 93-116.
• Melchior, M. B., Vaarkamp, H., & Fink-Gremmels, J. (2006). Biofilms: a role in recurrent mastitis infections?. The Veterinary Journal, 171(3), 398-407.
• Hall-Stoodley, L., Costerton, J. W., & Stoodley, P. (2004). Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature reviews microbiology, 2(2), 95-108.
• Donlan, R. M. (2000). Role of biofilms in antimicrobial resistance. ASAIO journal, 46(6), S47-S52.
• Gomes, F., Saavedra, M. J., & Henriques, M. (2016). Bovine mastitis disease/pathogenicity: evidence of the potential role of microbial biofilms. FEMS Pathogens and Disease, 74(3), ftw006.
• Sol, J., Sampimon, O. C., Snoep, J. J., & Schukken, Y. H. (1997). Factors associated with bacteriological cure during lactation after therapy for subclinical mastitis caused by Staphylococcus aureus. Journal of dairy science, 80(11), 2803-2808.
• Owens, W. E., Nickerson, S. C., Boddie, R. L., Tomita, G. M., & Ray, C. H. (2001). Prevalence of mastitis in dairy heifers and effectiveness of antibiotic therapy. Journal of Dairy Science, 84(4), 814-817.
• Sol, J., Sampimon, O. C., Barkema, H. W., & Schukken, Y. H. (2000). Factors associated with cure after therapy of clinical mastitis caused by Staphylococcus aureus. Journal of dairy science, 83(2), 278-284.
• Parrilli, E., Tutino, M. L., & Marino, G. (2022). Biofilm as an adaptation strategy to extreme conditions. Rendiconti Lincei. Scienze Fisiche e Naturali, 1-10.