Advancing the understanding of antibiotic resistance and neonatal piglet diarrhoea

Abstract

This doctoral thesis examines the antimicrobial resistance and the neonatal piglet diarrhoea in Greek farms. Due to the imprudent use of antimicrobials in livestock, the emerging phenomenon of antibiotic resistance is increasing, reducing the efficacy of treatments, increasing the treatments’ cost and posing a threat to public health. Meanwhile, neonatal diarrhoea remains a problem for pig farms, reducing production and increasing mortality in combination with increases in production costs. The dissertation is divided into three parts: a review of the literature and two studies. The literature review focuses on the use of antimicrobials in pig farming, neonatal diarrhoea, and swine gut health. The first study investigates the presence of Extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-positive Enterobacteriaceae in Greek farms. Antimicrobial resistance in livestock animals has globally caused concern for public health, as nearly 70% of the total consumption of antimicrobial drugs in Europe is related to animal production. Bacteria producing extended-spectrum beta-lactamases show resistance to commonly used betalactam antimicrobials, including third-generation cephalosporins such as ceftriaxone, ceftazidime, and ceftiofur. This cross-sectional study was conducted over two years across various regions of Greece (2019-2021) and included 34 pig farms with a total population of 14,300 sows, representing about 24% of Greek pig farming. The antimicrobial sensitivity testing of the isolated strains was conducted using the Vitek-2 system. The 78 ESBL positive strains isolated, accounting for 36.5% of all samples, were identified as follows: Escherichia coli (E. coli) (69 strains), Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) (3 strains), Proteus mirabilis (P. mirabilis) (4 strains), Enterobacter cloacae (E. cloacae) complex (1 strain), and Salmonella enterica (S. enterica) subsp. diarizonae (1 strain) which presented resistance to at least one class of non-beta-lactam antimicrobials. The present study found high rates of ESBL-positive bacteria, which is a significant concern and responsibility for veterinarians, farmers and public health authorities. The increase in antibiotic resistance is also associated with increased production costs. The use of antimicrobials must be prudent and based on laboratory investigation and antimicrobial sensitivity testing of bacteria to ensure the effectiveness of antimicrobial agents. Implementing a surveillance system for antibiotic resistance in the context of One Health will contribute not only to the rational use of antimicrobials but also to the protection of public health. The second study examines neonatal piglet diarrhoea, which remains a severe cause of production losses in pig farming. Among other pathogens, E. coli and Clostridia bacteria are frequently isolated. This study was carried out from January 2020 to October 2021 in Greece across 26 farms with a total population of 12,380 sows. In all selected farms, sows were vaccinated against E. coli and Clostridia 15-20 days before farrowing. The study aimed to investigate the presence of ETEC E. coli strains and Clostridia as causes of neonatal diarrhoea in piglets, as well as the effectiveness of preventive measures. A total of 78 fecal samples were collected from 234 nursing piglets aged 1-4 days. Three fecal samples were collected using cotton swabs from three piglets in each farrowing group, for three farrowing groups per farm. Among the samples examined, 69.23% (18/26) of the farms were found positive for the ETEC F4 strain, 30.77% (8/26) for ETEC F5, 61.54% (16/26) for ETEC F6, while the LT enterotoxin was detected in 57.69% (15/26) of the farms. In a significant number of diarrhoea cases, the C. difficile bacterium was isolated, indicating it might be among the etiological factors of neonatal diarrhoea. Specifically, C. difficile toxin A was detected in 84.62% (22/26) and toxin B in 88.46% (23/26) of the farms. Therapeutic and preventive interventions, such as administering injectable antimicrobials combined with the use of probiotics or acidifiers in the feed of sows before farrowing, contribute to reducing the detection of antigens of ETEC strains and the LT enterotoxin of E. coli. This comprehensive examination underscores the importance of responsible antimicrobial use and effective preventive measures in maintaining not only animal health but also public health.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την αντιβιοαντοχή και τη νεογνική διάρροια των χοιριδίων στις ελληνικές εκτροφές. Εξαιτίας της αλόγιστης χρήσης των αντιμικροβιακών στην κτηνοτροφία παρατηρείται, βαίνοντας εντονότερο, το φαινόμενο της αντιβιοαντοχής μειώνοντας την αποτελεσματικότητα των θεραπειών, αυξάνοντας το κόστος θεραπείας και απειλώντας τη Δημόσια Υγεία ενώ η νεογνική διάρροια παραμένει ένα πρόβλημα για τις εκτροφές των χοίρων μειώνοντας τις αποδόσεις και αυξάνοντας τη θνησιμότητα μαζί με το κόστος παραγωγής. Η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη: την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και τις δύο μελέτες. Η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας εστιάζει στη χρήση των αντιμικροβιακών στη χοιροτροφία, στη νεογνική διάρροια και στην υγεία του εντέρου των χοίρων. Στην πρώτη μελέτη ερευνάται η ύπαρξη εντεροβακτηριοειδών θετικών στην παραγωγή ευρέως φάσματος β-λακταμασών (ESBL) στις ελληνικές εκτροφές. Η αντιβιοαντοχή στα παραγωγικά ζώα εν γένει, έχει προκαλέσει παγκόσμια ανησυχία για τη δημόσια υγεία καθώς σχεδόν το 70% της συνολικής κατανάλωσης αντιμικροβιακών φαρμάκων στην Ευρώπη σχετίζεται με τη ζωική παραγωγή. Τα βακτήρια που παράγουν ευρέως φάσματος β-λακταμάσες παρουσιάζουν αντοχή στα συχνά χρησιμοποιούμενα β-λακταμικά αντιμικροβιακά, συμπεριλαμβανομένων των κεφαλοσπορινών τρίτης γενιάς, όπως η κεφτριαξόνη, η κεφταζιδίμη και η κεφτιοφούρη. Η παρούσα συγχρονική μελέτη διενεργήθηκε για δύο χρόνια στις διάφορες περιφέρειες της Ελλάδας (μεταξύ 2019-2021) και περιλάμβανε 34 εκτροφές χοίρων με συνολικό πληθυσμό 14.300 χοιρομητέρων, αριθμός που αντιστοιχεί στο 24% περίπου της ελληνικής χοιροτροφίας. Ο έλεγχος της αντιμικροβιακής ευαισθησίας των στελεχών που απομονώθηκαν, διενεργήθηκε με το σύστημα Vitek-2. Τα 78 ESBL-θετικά στελέχη που απομονώθηκαν, 36,5% επί του συνόλου των δειγμάτων, ταυτοποιήθηκαν ως εξής: Escherichia coli (E. coli) (69 στελέχη), Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) (3 στελέχη), Proteus mirabilis (P. mirabilis) (4 στελέχη), Enterobacter cloacae (E. cloacae) complex (1 στέλεχος), και Salmonella enterica (S. enterica) subsp. diarizonae (1 στέλεχος) και παρουσίασαν αντιβιοαντοχή σε τουλάχιστον μία κλάση μη β-λακταμικών αντιμικροβιακών. Στην παρούσα μελέτη διαπιστώθηκαν υψηλά ποσοστά ESBL-θετικών βακτηρίων και αποτελεί εύρημα αυξημένης ανησυχίας και ευθύνης για τους κτηνιάτρους, τους κτηνοτρόφους καθώς και τις κρατικές αρχές δημόσιας υγείας. Η αύξηση της αντιβιοαντοχής, μεταξύ άλλων, συνδέεται και με αυξημένο κόστος παραγωγής. Η χρήση αντιμικροβιακών επιβάλλεται να είναι συνετή και να βασίζεται στην εργαστηριακή διερεύνηση και στον έλεγχο της αντιμικροβιακής ευαισθησίας των βακτηρίων, προκειμένου η χρήση των αντιμικροβιακών παραγόντων να παραμείνει αποτελεσματική. Η ολοκλήρωση ενός συστήματος επιτήρησης της αντιβιοαντοχής στο πλαίσιο της Ενιαίας Υγείας, θα συνεισφέρει όχι μόνο στη ορθολογική χρήση των αντιμικροβιακών αλλά και στην προστασία της δημόσιας υγείας. Στη δεύτερη μελέτη εξετάζεται η νεογνική διάρροια των χοιριδίων, η οποία παραμένει μια σοβαρή αιτία απωλειών παραγωγής στη χοιροτροφία. Μεταξύ άλλων παθογόνων, συχνά απομονώνονται το βακτήριο E. coli και τα κλωστρήδια. Η παρούσα μελέτη διενεργήθηκε από τον Ιανουάριο του 2020 μέχρι τον Οκτώβριο του 2021 στην Ελλάδα σε 26 εκτροφές με συνολικό πληθυσμό 12.380 χοιρομητέρων. Σε όλες τις εκτροφές που επιλέχθηκαν, εφαρμοζόταν εμβολιασμός των χοιρομητέρων 15-20 ημέρες προ τοκετού κατά του E. coli και κλωστρηδίων. Σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση της παρουσίας των εντεροτοξινογόνων στελεχών του E. coli (ETEC) και των κλωστρηδίων σαν αίτια νεογνικής διάρροιας των χοιριδίων, καθώς και η αποτελεσματικότητα των μέτρων πρόληψης. Συνολικά 78 δείγματα κοπράνων συλλέχθηκαν από 234 θηλάζοντα χοιρίδια ηλικίας 1-4 ημερών. Τρία δείγματα κοπράνων συλλέχθηκαν μέσω βαμβακοφόρου στειλεού από τρία χοιρίδια κάθε τοκετοομάδας, για τρεις τοκετοομάδες κάθε εκτροφής. Από τα δείγματα που εξετάστηκαν το 69,23% (18/26) των εκτροφών διαπιστώθηκαν θετικές στο στέλεχος ETEC F4, το 30,77% (8/26) στο ETEC F5, το 61,54% (16/26) στο ETEC F6 ενώ στο 57,69% (15/26) των εκτροφών ανιχνεύθηκε η εντεροτοξίνη LT. Σε σημαντικό αριθμό περιστατικών διάρροιας απομονώθηκε το βακτήριο Clostridioides (C. difficile), υποδεικνύοντας ότι πιθανόν συμπεριλαμβάνεται στους αιτιολογικούς παράγοντες νεογνικής διάρροιας. Συγκεκριμένα η τοξίνη A του C. difficile ανιχνεύθηκε στο 84,62% (22/26) και η τοξίνη B στο 88,46% (23/26) των εκτροφών. Οι θεραπευτικές και προληπτικές παρεμβάσεις, όπως η χορήγηση ενέσιμων αντιμικροβιακών, σε συνδυασμό με τη χρήση προβιοτικών ή οξινιστών στην τροφή των χοιρομητέρων προ τοκετού, συμβάλλουν στη μείωση της ανίχνευσης αντιγόνων των ETEC στελεχών και της εντεροτοξίνης LT του E. coli.