Weaning is still considered one of the most critical times in intensive pig farming. Due to the often still immature immune system, piglets often develop diarrhea which indicates microbial dysbiosis and intestinal inflammation. This condition is referred to as PWD and can cause huge economic losses for farms. Until 2006, antibiotics were often used to treat PWD and to help promote piglets’ growth during weaning. After this practice was banned throughout the European Union, the industry was faced with finding suitable alternatives. Pre- and probiotics are considered promising candidates. Studies have shown that probiotics can have positive effects on the health and performance of piglets by influencing the composition of the intestinal microbiome and promoting the abundance of beneficial bacterial species. Prebiotics in turn serve as a substrate for the intestinal microbiota promoting the colonization of potentially beneficial bacteria. Much research is conducted on the effectiveness of pre- and probiotics, but the results are often inconsistent and difficult to compare. There is no generalized approach regarding the application of pre- and probiotics. Depending on the probiotic strains and prebiotics used, potential effects highly depend on the dosage used, host-specific factors, genetic aspects and other environmental factors (e.g. husbandry and feeding).
The aim of this study was to develop a method to determine tailored combinations of pre- and probiotics to allow for targeted use in practice.
A novel ex vivo assay was established using a total of 60 fecal samples obtained from 20 German pig farms. Three commercially available probiotics (B. licheniformis/ B. subtilis, S. cerevisiae boulardii, E. faecium) and prebiotics (inulin, FOS, MOS) were selected alone or in combination to test their effectiveness to inhibit growth of three pathogenic strains (E. coli, C. difficile, C. perfringens) in fecal samples. Lag time was measured by using growth curves to estimate the effect of the feed additives on residual fitness of the pathogenic strains. Subsequently, the efficacy of the most promising combination was tested in an in vivo ETEC challenge trial. Forty piglets were weaned at 28 days of age and randomly assigned to one of five experimental treatment groups: Nonchallenged control (NC); challenged positive control (PC) challenged and vaccinated (CV), challenged and diet supplemented with pre- and probiotic mix (CM) and challenged, diet supplemented with pre- and probiotic mix and vaccinated (CMV). Piglets of CV and CMV were vaccinated parenterally prior to the trial at the age of 17 days. Piglets of PC, CV, CM and CMV were challenged five days after weaning with the ETEC strain (serotype O149:K91). The trial was conducted over a period of 29 days. Efficacy of dietary treatment against challenge was assessed by evaluation of growth performance, feed conversion and fecal score.
Using the novel ex vivo assay, farm-specific differences were identified regarding the pre- and probiotics used, as well as the pathogenic strains. FOS and its combination with probiotics reduced the residual fitness of the E. coli strain in some farms. In other farms FOS lead to increased fitness of the E. coli strain. Combinations of pre- and probiotics did not show additive effects but displayed farm dependent differences. The effects of pre- and probiotics on the residual fitness of the C. difficile strain were less pronounced. Distinct differences were found between the use of prebiotics alone and their combination with probiotics. During the preliminary assays, there had been insurmountable problems with the C. perfringens strain, which is why this strain was excluded from the subsequent assays.
The in vivo challenge resulted in a significant reduction of body weight of vaccinated piglets (p = 0.045) during the first week of the trial when compared to NC. It was also associated with an impaired gain to feed ratio (P = 0.012). Piglets of the pre- and probiotic group (CM) were able to maintain their body weight. Their ADG was not significantly different from the control groups. Between the 3rd and 4th week of the trial, no differences were observed between groups. Neither supplementation of pre- and probiotics, nor vaccination had a significant impact on fecal consistency or prevalence of diarrhea. No positive synergistic effect on performance or diarrhea was observed between vaccination and pre- and probiotic supplementation.
In conclusion, the study has demonstrated that the novel screening method represents a promising approach for determining farm-specific responses to pre- and probiotics to identify customized combinations for individual farms. Yet the effectiveness of the specially determined combination of pre- and probiotics was not confirmed by the challenge trial. Vaccination was also not convincing and rather resulted in reduced performance and increased diarrhea.
Based on our findings further research is warranted to verify potential synergistic effects of tailored combinations on a broader basis. An alternate study design and the use of different pre- and probiotics, as well as pathogenic bacteria may affect the intestinal response differently.
Das Absetzen gilt weiterhin als eine der kritischsten Phasen in der intensiven Schweinehaltung. Aufgrund des oft noch unreifen Immunsystems entwickeln Ferkel häufig Durchfall, der auf eine Dysbiose bzw. Infektion hinweist. Dieser Zustand wird als Absetzdurchfall bezeichnet und kann auf den Betrieben zu großen wirtschaftlichen Verlusten führen. Bis 2006 wurden antibiotische Leistungsförderer häufig zur Behandlung von Absetzdurchfall und zur Förderung des Wachstums der Ferkel während des Absetzens eingesetzt. Nachdem diese Vorgehensweise in der gesamten Europäischen Union verboten wurde, sah sich die Industrie mit der Notwendigkeit konfrontiert, geeignete Alternativen zu finden. Prä- und Probiotika sind hierbei vielversprechend. Studien haben gezeigt, dass Probiotika positive Auswirkungen auf die Gesundheit und die Leistung von Ferkeln haben können, indem sie die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflussen und die Menge an nützlichen Bakterienarten fördern. Präbiotika wiederum dienen als Substrat für die intestinale Mikrobiota und fördern die Besiedlung mit potenziell nützlichen Bakterien. Über die Wirksamkeit von Prä- und Probiotika wird intensiv geforscht, jedoch sind die Ergebnisse oft uneinheitlich und schwer zu vergleichen. Es gibt kein einheitliches Vorgehen bei der Anwendung von Prä- und Probiotika. In Abhängigkeit verwendeten probiotischen Stämmen und Präbiotika hängen die möglichen Wirkungen stark von der verwendeten Dosierung, wirtsspezifischen Faktoren, genetischen Aspekten und anderen Umweltfaktoren (z. B. Haltung und Fütterung) ab.
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Bestimmung maßgeschneiderter Kombinationen von Prä- und Probiotika zu entwickeln, um einen gezielten Einsatz in der Praxis zu ermöglichen.
Ein neuartiger Ex-vivo-Versuch wurde mit insgesamt 60 Kotproben von 20 deutschen Schweinebetrieben durchgeführt. Drei kommerziell erhältliche Probiotika (B. licheniformis/ B. subtilis, S. cerevisiae boulardii, E. faecium) und Präbiotika (Inulin, FOS, MOS) wurden allein oder in Kombination ausgewählt, um deren Wirkung zur Hemmung des Wachstums von drei pathogenen Stämmen (E. coli, C. difficile, C. perfringens) in Kotproben zu untersuchen. Die Latenzzeit wurde mithilfe von Wachstumskurven gemessen, um so den Einfluss der Futterzusätze auf die verbliebene Lebensfähigkeit der pathogenen Stämme zu bewerten. Anschließend wurde die Wirksamkeit der vielversprechendsten Kombination in einem In-vivo-Versuch mit zusätzlicher ETEC-Infektion getestet. Vierzig Ferkel wurden im Alter von 28 Tagen abgesetzt und nach dem Zufallsprinzip einer von fünf experimentellen Behandlungsgruppen zugeteilt: Nicht infizierte Kontrolle (NC); infizierte Positivkontrolle (PC), infizierte und geimpfte (CV), infizierte und mit prä- und probiotischer Kombination ergänzte Diät (CM) und infizierte, mit prä- und probiotischer Kombination ergänzte Diät und geimpfte (CMV). Die Ferkel von CV und CMV wurden vor dem Versuch im Alter von 17 Tagen parenteral geimpft. Ferkel von PC, CV, CM und CMV wurden fünf Tage nach dem Absetzen mit dem ETEC-Stamm (Serotyp O149:K91) infiziert. Der Versuch erstreckte sich über einen Zeitraum von 29 Tagen. Die Wirksamkeit der diätetischen Maßnahme gegen die Infektion wurde durch die Evaluierung der Wachstumsleistung, der Futterverwertung und der Kotkonsistenz bewertet.
Mithilfe der neuen Ex-vivo-Methode wurden betriebsspezifische Unterschiede hinsichtlich der getesteten Prä- und Probiotika sowie der pathogenen Stämme festgestellt. FOS und seine Kombination mit Probiotika verringerten die verbliebene Wachstumsfähigkeit des E. coli-Stamms in einigen Betrieben. In anderen Betrieben führte FOS zu einer erhöhten Wachstumsfähigkeit des E. coli-Stammes. Die Kombinationen von Prä- und Probiotika zeigten keine zusätzlichen Effekte, sondern wiesen betriebsabhängige Unterschiede auf. Die Auswirkungen von Prä- und Probiotika auf die verbliebene Wachstumsfähigkeit des C. difficile-Stammes waren weniger ausgeprägt. Es wurden deutliche Unterschiede zwischen der Verwendung von Präbiotika allein und deren Kombination mit Probiotika festgestellt. Bei den Vorversuchen gab es unüberwindbare Probleme mit dem C. perfringens-Stamm, weshalb dieser Stamm von den weiteren Versuchen ausgeschlossen wurde.
Die Infektion führte zu einer signifikanten Verringerung des Körpergewichts der geimpften Ferkel (p = 0,045) innerhalb der ersten Woche des Versuchs im Vergleich zur NC. Sie war auch mit einem schlechteren Verhältnis zwischen Zuwachs und Futter verbunden (p = 0,012). Die Ferkel der CM-Gruppe konnten ihr Körpergewicht halten. Ihre tägliche Zunahme unterschied sich nicht signifikant von dem der Kontrollgruppen. Zwischen der 3. und 4. Versuchswoche wurden keine Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt. Weder die Ergänzung mit Prä- und Probiotika noch die Impfung hatten einen signifikanten Einfluss auf die Kotkonsistenz oder die Prävalenz von Durchfall. Es wurde kein positiver, synergetischer Effekt auf die Leistung oder den Durchfall zwischen der Impfung und der Prä- und Probiotika- Ergänzung beobachtet.
Zusammenfassend zeigt die Studie, dass die neuartige Screening-Methode ein vielversprechender Ansatz für die Bestimmung der betriebsspezifischen Wirkung von Präbiotika und Probiotika ist, um maßgeschneiderte Kombinationen für einzelne Betriebe zu ermitteln. Allerdings konnte die Wirksamkeit der speziell ermittelten Kombination von Prä- und Probiotika durch den Infektionsversuch nicht bestätigt werden. Auch die Impfung konnte nicht überzeugen und führte eher zu Leistungseinbußen und vermehrtem Durchfall.
Auf der Grundlage unserer Ergebnisse sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um potenzielle synergistische Wirkungen von maßgeschneiderten Kombinationen in größerem Umfang zu überprüfen. Ein alternatives Studiendesign und die Verwendung anderer Prä- und Probiotika sowie pathogener Bakterien könnten die Reaktion des Verdauungssystems auf andere Weise beeinflussen.
