Experimental airborne colonization of piglets with livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (LA-MRSA)

Abstract

The airborne transmission of LA-MRSA sequence type ST398, firstly detected in 2005, has received a lot of research attention since their occurrence has become a regularity on pig farms, the main reservoir. Controlling the transmission and spread of LA-MRSA is a major issue regarding “One Health” due to its ability to colonize not only the entire livestock, but also humans. An increasing prevalence in regions with high livestock density highlights this importance. Understanding the various mechanisms behind MRSA colonization of piglets is of utmost necessity in order to establish measures for the prevention of further spreading of LA-MRSA. In our study, we established a newly experimental airborne MRSA colonization model of piglets, which can be used for reliable and reproducible MRSA colonization of piglets under less artificial conditions than found in other MRSA colonization models of pigs. A transient MRSA colonization of the piglets was detected when exposing the animals to an airborne MRSA concentration of 104 cfu/m3 for 24 hours in the aerosol chamber. Exposure to an airborne MRSA concentration of 106 cfu/m3 resulted in persistently MRSA colonized piglets. In addition, we investigated possible predisposing factors for successful MRSA colonization. We explored the role of weaning stress in MRSA colonization by imitating the stressed immunological state using a dexamethasone treatment. In addition, we investigated the effect of presence of airborne bacterial endotoxins on the MRSA colonization status of pigs. Our results indicate that despite their systemic effects on the organism, these factors do not promote the MRSA colonization in piglets. The limited exposure time of the piglets in the aerosol chamber contradicts the time of airborne MRSA exposure during the complete fattening period in field conditions and must be mentioned as a limitation of the study. A variety of environment factors may interact with MRSA colonization in the field. This underlines the difficulties in imitating field conditions in experimental colonization models. Moreover, antibiotic treatment of the piglets with the frequently used antibiotic tiamulin did not promote MRSA colonization, additionally demonstrating the difficulties in imitating field conditions in an animal model. Further research is warranted for deeper insights into the possible mechanisms influencing the MRSA colonization of piglets. This knowledge is essential to limit the further spreading of LA-MRSA in the livestock and thus the transmission to humans.

Im Jahr 2005 wurde der Livestock-assoziierte Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (LA-MRSA) Sequenztyp ST398 in landwirtschaftlichen Nutztierhaltungen erstmalig nachgewiesen, wobei bis heute die Schweinehaltung das Hauptreservoir für diesen Sequenztyp darstellt. Seitdem dort LA-MRSA auch regelmäßig in der Stall- sowie in der Abluft nachgewiesen wird, herrscht rege Diskussion über eine mögliche aerogene Übertragung von Tier zu Tier, Tier zu Mensch oder vice versa. Die Verhinderung einer aerogenen Übertragung sowie weiteren Verbreitung von LA-MRSA, der aufgrund seiner geringen Wirtsspezifität in der Lage ist nicht nur alle landwirtschaftlichen Nutztiere, sondern auch den Menschen zu kolonisieren, stellt eines der Hauptthemen des „One Health“- Gedankens dar, der die Interaktion zwischen der Veterinär- und Humanmedizin sowie Umwelt zum Gegenstand hat. Die zunehmende Prävalenz von LA-MRSA in Gegenden mit hoher Nutztierdichte unterstreicht zudem die Notwendigkeit der Eindämmung von LAMRSA. Dabei stellt unter anderem das Verständnis der verschiedenen Kolonisationsmechanismen bei Schweinen, inklusive der aerogenen Kolonisierung, eine herausragende Grundlage bei der Etablierung von Präventionsmaßnahmen gegen die weitere Verbreitung dar. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein neues, experimentelles aerogenes LA-MRSAKolonisationsmodel für Schweine etabliert, welches zu einer zuverlässigen und reproduzierbaren LA-MRSA-Kolonisierung dieser Tiere führt. Dabei ist die LA-MRSAExposition in diesem Modell im Vergleich zu anderen bereits publizierten LA-MRSAKolonisationmodellen weniger artifiziell und imitiert die natürlichen Bedingungen im Feld so gut wie möglich. Eine aerogene LA-MRSA Exposition von Schweinen mit einer Konzentration von 104 cfu/m3 für 24 Stunden führte dabei zu einer temporären, transienten LA-MRSA-Kolonisierung der Tiere, wohingegen die Schweine, die für 24 Stunden mit einer aerogenen LA-MRSA Konzentration von 106 cfu/m3 exponiert wurden, eine dauerhafte Kolonisierung zeigten. Darüber hinaus wurden mit Hilfe dieses neu etablierten Kolonisierungsmodelles weitere präsumtive prädisponierende Faktoren für eine aerogene LA-MRSA Kolonisierung untersucht: So wurde der Einfluss von Stress bei frisch abgesetzter Ferkel auf die aerogene LA-MRSA Kolonisierung untersucht, indem das Immunsystem durch die Gabe von Dexamethason moduliert wurde. Zusätzlich wurde der Einfluss von in der Luft vorhandenem bakteriellen Endotoxin auf die aerogenen LA-MRSA Kolonisierung untersucht. Unsere Ergebnisse implizieren, dass diese beiden untersuchten Faktoren trotz nachgewiesener systemischer 8. Zusammenfassung 76 Effekte einer Immunsuppression, die aerogene LA-MRSA Kolonisierung beim Schwein nicht fördern. Auch wenn das aerogene LA-MRSA Kolonisierungsmodell den natürlichen Kolonisationsweg so gut wie möglich imitiert, gibt es doch limitierende Faktoren, die in Bezug auf die Übertragung der Ergebnisse in praxi beachtet werden müssen: Zum einen ist die aerogene LA-MRSA-Expositionsdauer der Schweine in der Aerosolkammer mit 24 Stunden im Gegensatz zu der tatsächlich vorkommenden aeorgenen LA-MRSA Exposition der Schweine während der kompletten Mastperiode begrenzt. Zum anderen können eine Reihe weiterer Umweltfaktoren, die unter natürlichen Bedingungen vorkommen, mit der LA-MRSA Kolonisierung interagieren. Dies hebt die generelle Schwierigkeit von experimentellen Kolonisationsmodellen hervor, die Feldbedingungen zu imitieren. Somit besteht auch in Zukunft weiterer Forschungsbedarf, um tiefergehende Einblicke in die Mechanismen zu erhalten, die eine aerogene MRSA-Kolonisierung des Schweines beeinflussen könnten. Derartiges Wissen ist essentiell, um die weitere Verbreitung von LAMRSA bei landwirtschaftlichen Nutztieren, aber auch beim Menschen zu reduzieren oder gar zu verhindern.