An epidemiologic appraisal of milk testing for diagnosis and control of paratuberculosis in greek dairy sheep and goats

Abstract

Summary Chapter 1- IntroductionIn the introductory chapter of this thesis, firstly, we present aspects of the distribution, immunology and pathogenesis of Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP) infection of ruminants. The reader should realize that the prolonged latent stage and incubation period hamper the early serological diagnosis of MAP infection. Then, some of the strengths and limitations of validation of tests with non gold standard methodology and Receiver Operating Characteristic curve analysis with Bayesian Mixture Models are presented. The reader should realize that the methodology is more powerful and well suited for evaluation of the serological diagnosis of MAP infection in dairy sheep and goats. Chapter 2- Bayesian validation of a serum and milk ELISA for antibodies against Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis in Greek dairy goats across lactationThe aim of the research presented in this chapter was to validate a commercial (IDEXX Pourquier, Montpellier, France) serum and milk indirect ELISA that detects antibodies against the MAP across lactation, in Greek dairy goats. Each lactating goat was sampled at four consecutive times starting from kidding and covering the early, mid and late lactation stage. A total of 1268 paired milk/colostrum and blood samples were collected during the seven-month-long lactation period. Bayesian mixture models, which allow for the continuous interpretation of test results, were used to derive the distribution of the serum- and milk-ELISA response for the healthy and the MAP-infected individuals at each lactation stage. Both serum- and milk-ELISA, in all lactation stages, were of average and similar overall discriminatory ability as measured by the area under the curve. For each test, the lowest overlap between the distribution of the healthy and the MAP infected does was at late lactation. At this stage the area under the curve (AUC) was 0.89, 95% credible interval (0.70; 0.98) and 0.92 (0.74; 0.99) for the milk- and the serum-ELISA, respectively. Both tests had comparable sensitivities and specificities at the recommended cut-offs, across lactation. Lowering the cutoffs led to an increase in the sensitivities without serious loss in the specificities. In conclusion, the milk-ELISA can be as accurate as the serum-ELISA especially at the late lactation stage. Thus, it could serve as the diagnostic tool of choice, especially during the implementation of MAP control programs that require frequent testing, because milk sampling is a non-invasive, rapid and easy process. Finally, there is no need for lactation-stage specific selection to detect the disease as the prevalence is constant.Chapter 3- Bayesian validation of a commercial milk and serum ELISA across lactation in dairy sheepThe aim of the research presented in this chapter was to evaluate a commercially available ELISA in sera and milk of a Greek dairy sheep flock. A total of 854 paired milk and blood samples were collected from ewes of a Greek flock and used to validate a commercial (IDEXX Pourquier, Montpellier, France) serum/milk ELISA against Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis across lactation. We implemented Bayesian mixture models to derive the distribution of the responses of healthy and infected ewes. Both serum and milk ELISA had low to average overall discriminatory ability as measured by the area under the curves and comparable sensitivities and specificities at the recommended cut-offs. Lowering the cutoffs led to an increase in the sensitivities without serious loss in specificities. Chapter 4- Flock-level factors associated with the risk of Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis infection in Greek dairy goat flocks.The aim of the research presented in this chapter was to conduct a cross-sectional study to identify flock-level risk factors for Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP) infection, in Greek dairy goat flocks. We collected 1599 milk samples from does that were at the last stage of lactation in 58 randomly selected dairy goat flocks, during May to September 2012. The collected samples were tested with a commercial milk ELISA (IdexxPourquier, Montpellier, France) and the results were interpreted at a cut-off that optimized the accuracy of the diagnostic process. For the analysis of the data we used Bayesian models that adjusted for the imperfect Se and Sp of the milk-ELISA. Flock was included as a random effect. Does in flocks that used common water troughs and communal grazing grounds had 4.6 [95% Credible Interval (CI):1.5; 17.4] times higher odds of being MAP-infected compared to does in flocks that had no contact with other flocks. Does of flocks supplied with surface water from either streams or shallow wells had 3.7 (1.4; 10.4) times higher odds of being infected compared to those in flocks watered by underground and piped water sources. When kids were spending equal to or more than 10 hours per day with their dams they had 2.6 (1.1; 6.4) times higher odds of being MAP infected compared to kids that were separated from their dams for less than 10 hours per day. Finally, does in flocks that continuously used the same anti-parasitic compound had 2.2 (1.0; 4.6) times higher odds of MAP infection compared to those in flocks alternating anti-parasitic compounds. These results should be considered in the development of a nationwide future control program fοr caprine paratuberculosis in Greece.Chapter 5- General discussionIn this chapter of the thesis the results of the research are summarized and discussed in relevance with existing knowledge and prospective follow up research activities.

ΠερίληψηΚεφάλαιο 1- ΕισαγωγήΣτο εισαγωγικό κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, αρχικά παρουσιάζουμε πτυχές της κατανομής, της ανοσολογίας και της παθογένειας της λοίμωξης των μηρυκαστικών από το Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP). Ο αναγνώστης συνειδητοποιεί ότι η παρατεταμένη λανθάνουσα κατάσταση και η μεγάλη περίοδος επώασης αποτρέπουν την έγκαιρη ορολογική διάγνωση στα αρχικά στάδια της λοίμωξης από το MAP. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται ορισμένα από τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων ανάλυσης της καμπύλης ROC, χωρίς διαγνωστική δοκιμή αναφοράς, με μικτά μοντέλα που επιλύονται κατά Bayes. Ο αναγνώστης αντιλαμβάνεται ότι η μεθοδολογία αυτή είναι η κατάλληλη για την εκτίμηση της διαγνωστικής αξιοπιστίας των ορολογικών διαγνωστικών δοκιμών, που ανιχνεύουν την λοίμωξη από MAP στα γαλακτοπαραγωγά πρόβατα και στις αίγες. Κεφάλαιο 2- Εκτίμηση κατά Bayes της διαγνωστικής αξιοπιστίας μιας εμπορικής έμμεσης ELISA ενάντια του Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis στους ορούς αίματος και γάλακτος εγχώριων αιγών σε διαφορετικά στάδια της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου.Ο σκοπός του κεφαλαίου αυτού της διατριβής είναι η παρουσίαση της μελέτης της εκτίμησης της διαγνωστικής αξιοπιστίας μιας εμπορικά διαθέσιμης έμμεσης (IDEXX Pourquier, Montpellier, France) ELISA που ανιχνεύει αντισώματα κατά του MAP σε δείγματα ορών αίματος και γάλακτος ελληνικών αιγών για διαφορετικά στάδια της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου. Από ένα κοπάδι αιγών γαλακτοπαραγωγικής κατεύθυνσης συλλέχθηκαν συνολικά 1268 δείγματα ζευγών αίματος και γάλακτος ή πρωτογάλακτος. Τα ζεύγη δειγμάτων συλλέχθηκαν από κάθε αίγα του κοπαδιού τέσσερις επαναλαμβανόμενες φορές, ξεκινώντας κατά τη γαλουχία και συνεχίζοντας, καλύπτοντας την αρχή, το μέσο και το τέλος της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου. Η ανάλυση έγινε με τη χρήση μικτών μοντέλων, που επιλύθηκαν κατά Bayes, τα οποία επέτρεπαν την εκτίμηση των αποτελεσμάτων σε συνεχή κλίμακα. Με τα μοντέλα προβλέφθηκαν οι κατανομές των αποτελεσμάτων της ELISA τόσο στους ορούς αίματος όσο και στους ορούς γάλακτος από υγιείς και μολυσμένες με MAP αίγες για τα τέσσερα στάδια της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου. Τόσο στους ορούς αίματος όσο και στους ορούς γάλακτος, σε κάθε στάδιο της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου, η ELISA εκτιμήθηκε ως διαγνωστική δοκιμή μέτριας διακριτικής ικανότητας, όπως αυτό προέκυψε από το εμβαδόν της καμπύλης ROC. Για κάθε δείγμα, η μικρότερη αλληλοεπικάλυψη των κατανομών των υγιών και των μολυσμένων αιγών με MAP βρέθηκε στο τελικό στάδιο της περιόδου. Σε αυτό το στάδιο, η διάμεση τιμή του εμβαδού κάτω από την καμπύλη ROC της ELISA βρέθηκε να είναι 0,89 με 95% διάστημα αξιοπιστίας (0,70-0,98) και 0,92 (0,74-0.99) στους ορούς γάλακτος και αίματος, αντίστοιχα. Και οι δύο διαγνωστικές δοκιμές ELISA στους ορούς αίματος και γάλακτος για τα διαφορετικά στάδια της γαλακτοπαραγωγής, είχαν συγκριτικά παρόμοιες ευαισθησίες και ειδικότητες. Επίσης, φάνηκε ότι μειώνοντας το κρίσιμο σημείο διάκρισης αυξήθηκε η ευαισθησία χωρίς σοβαρές απώλειες σε ειδικότητα. Εν κατακλείδι, η ELISA στους ορούς γάλακτος είναι εξίσου αξιόπιστη με την ELISA στους ορούς αίματος ειδικά κατά το τελευταίο στάδιο της γαλακτοπαραγωγής. Επομένως, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικό εργαλείο εκλογής, ειδικά κατά την εφαρμογή προγραμμάτων ελέγχου της λοίμωξης από MAP που απαιτούν επαναλαμβανόμενες δειγματοληψίες, καθώς το γάλα συλλέγεται ευκολότερα σε σχέση με το αίμα, με μη επεμβατικό τρόπο και γρήγορα. Τέλος, δεν υπάρχει ανάγκη για εκτίμηση ειδικού σταδίου της γαλακτοπαραγωγής κρίσιμου σημείου διάκρισης, καθώς το ποσοστό προσβολής παρέμενε σταθερό. Κεφάλαιο 3- Εκτίμηση κατά Bayes μιας εμπορικά διαθέσιμης ELISA σε δείγματα γάλακτος και αίματος για τα διαφορετικά στάδια της γαλακτοπαραγωγικής περιόδου προβάτων. Ο σκοπός αυτής της μελέτης που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο αυτό ήταν η εκτίμηση της διαγνωστικής αξιοπιστίας μιας εμπορικά διαθέσιμης ELISA (IDEXX Pourquier, Montpellier, France) σε δείγματα ορών αίματος και γάλακτος. Συλλέχτηκαν συνολικά 854 ζεύγη δειγμάτων αίματος και γάλακτος από τις προβατίνες ενός εγχώριου κοπαδιού προβάτων με σκοπό την εκτίμηση μιας εμπορικής ELISA ενάντια του Mycobacterium avium subsp. Paratuberculosis για κάθε στάδιο της γαλακτοπαραγωγής. Εφαρμόστηκαν μικτά μοντέλα κατά Bayes για να προβλεφθούν οι κατανομές των αποτελεσμάτων της ELISA στις υγιείς και στις μολυσμένες από MAP προβατίνες. Τόσο η ELISA στο αίμα όσο και στο γάλα είχαν χαμηλή έως μέτρια συνολική διακριτική ικανότητα, όπως αυτή μετρήθηκε με την περιοχή του εμβαδού κάτω από την καμπύλη ROC και είχαν στατιστικά σημαντικά όμοιες ευαισθησίες και ειδικότητες στα προτεινόμενα από την εταιρεία κρίσιμα σημεία διάκρισης. Μειώνοντας το κρίσιμο σημείο διάκρισης αυξήθηκαν οι ευαισθησίες χωρίς σημαντική μείωση στις ειδικότητες.Κεφάλαιο 4- Παράγοντες επικινδυνότητας σε επίπεδο κοπαδιού που συσχετίζονται με την πιθανότητα εμφάνισης λοίμωξης από το Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP) σε ελληνικά κοπάδια αιγών γαλακτοπαραγωγής. Ο σκοπός της έρευνας που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο αυτό ήταν η διεξαγωγή μιας μελέτης χρονικού σημείου, με σκοπό την ανίχνευση παραγόντων επικινδυνότητας σε επίπεδο κοπαδιού, που αυξάνουν την πιθανότητα εμφάνισης λοίμωξης από το Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP) στα εγχώρια κοπάδια αιγών γαλακτοπαραγωγικής κατεύθυνσης. Από το Μάιο έως τον Σεπτέμβριο 2012 συνολικά συλλέχθηκαν 1599 δείγματα γάλακτος από αίγες 58 τυχαία επιλεγμένων κοπαδιών στο τελικό στάδιο της γαλακτοπαραγωγικής τους περιόδου. Τα δείγματα που συλλέχθηκαν εξετάστηκαν με μια εμπορική ELISA (IdexxPourquier, Montpellier, France) και τα αποτελέσματα αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας το κρίσιμο σημείο διάκρισης που βελτιστοποιούσε την ακρίβεια της διαγνωστικής δοκιμής. Για την ανάλυση των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο κατά Bayes, διορθώνοντας για την μη τέλεια ευαισθησία και ειδικότητα της ELISA στο γάλα. Το επίπεδο του κοπαδιού θεωρήθηκε τυχαία επίδραση. Οι αίγες των κοπαδιών που χρησιμοποιούν κοινούς βοσκοτόπους και ποτίστρες με άλλα κοπάδια είχαν 4,6 φορές [95% Διάστημα Αξιοπιστίας (ΔΑ):1,5-17,4] μεγαλύτερη πιθανότητα να εμφανίσουν λοίμωξη από MAP σε σχέση με τις αίγες των κοπαδιών που δεν ήρθαν σε επαφή με άλλα κοπάδια. Οι αίγες των κοπαδιών που ποτίζονταν από επιφανειακές πηγές νερού είχαν 3,7 (1,4-10,4) φορές μεγαλύτερη πιθανότητα να είναι μολυσμένες σε σχέση με τις αίγες των κοπαδιών στις οποίες η παροχή του νερού προερχόταν από μη επιφανειακές πηγές (ύδρευση, γεώτρηση). Όταν τα ερίφια των αιγών των κοπαδιών σταβλίζονταν για περισσότερες από 10 ώρες με τις μητέρες τους αυτές είχαν 2,6 (1,1-6,4) φορές μεγαλύτερη πιθανότητα εμφάνισης λοίμωξης από MAP σε σχέση με τις αίγες που τα ερίφιά τους σταβλίζονταν λιγότερο από 10 ώρες την ημέρα με αυτές. Τέλος, διαπιστώθηκε ότι οι αίγες των κοπαδιών, στις οποίες χορηγούνταν τα ανθελμινθικά σκευάσματα χωρίς κυκλικές εναλλαγές είχαν 2,2 (1,0-4,6) φορές μεγαλύτερη πιθανότητα να είναι μολυσμένα από MAP σε σχέση με τις αίγες των κοπαδιών που έκαναν εναλλαγές των ανθελμινθικών ουσιών. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικό πρόγραμμα ελέγχου της παραφυματίωσης των αιγών στην Ελλάδα. Κεφάλαιο 5- ΣυζήτησηΣε αυτό το κεφάλαιο της διατριβής συνοψίζονται τα αποτελέσματα της έρευνας και αναπτύσσονται σε σχέση με την υπάρχουσα γνώση και τις μελλοντικές προοπτικές έρευνας.