Effects of zinc supplementation on virus infection in pigs

Abstract

The therapeutic application of zinc (Zn) to treat or prevent various pathogens has been investigated in different experimental settings, but there is no report on the proposed effects of Zn treatment on virus infection in pigs. We investigated the potential benefits of Zn oxide (ZnO) in protecting pigs from infections with two important porcine viral pathogens: porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV), which causes respiratory tract and persistent systemic infections and transmissible gastroenteritis virus (TGEV), which causes enteric infections. In a first challenge experiment, we determined the influence of dietary ZnO supplementation on vaccination and challenge infection with PRRSV. Pigs were fed with three different diets containing no additional ZnO (natural Zn content: 50 ppm; Znlow = control group), supplemented with medium levels of ZnO (150 ppm, Znmed), or high levels (2,500 ppm, Znhigh) and half of the pigs were prime-only vaccinated with an experimental inactivated vaccine. We found no influence of either diets or vaccination on the clinical course of PRRS, apart from an increased weight gain after infection in Znmed and Znhigh groups, when compared to Znlow group. Treatment with higher doses of ZnO resulted in slightly higher levels of PRRSV-specific antibody at 4, 7 and 21 dpi as well as neutralizing antibodies at 35 dpi. Virus-specific IFN-responses were not altered by vaccination and diets, whereas Znhigh supplementation increased the percentage of T cells in both vaccinated and non-vaccinated animals. Feeding higher Zn diets had no effect on viral loads and/or shedding. The results in this work suggested that feeding high levels of Zn had marginal effects on humoral and cellular immune responses, but did not positively affect clinical disease and virus loads, and did not improve immune responses to vaccination with an inactivated vaccine. Since Zn supplementation has been shown to reduce the incidence of diarrhea in the weaning period, we evaluate the protective effect of the same three diets, as used in the PRRSV challenge trial, against an important porcine enteric virus, TGEV, in a second experimental challenge experiment. Weaned piglets were orally infected with TGEV at the age of 28 days, when the piglets had been fed for 1 week with the respective diets. Piglets were sacrificed on day 1 and day 18 after challenge infection. Fecal consistency was improved and body weights were increased in the Znhigh group when compared to the other groups, but there was no effect of Zn treatments on mucosal immune responses. In the Znhigh group we also observed an earlier and higher TGEV-specific antibody response and decreased caspase-3-mediated apoptosis of jejunal epithelium and a prevention of villus atrophy, as well as down-regulation of interferon (IFN)-α, oligoadenylate synthetase (OAS), Zn transporter SLC39A4 (ZIP4), but up-regulation of metallothionein-1 (MT), Zn transporters SLC30A1 (ZnT1) and SLC30A5 (ZnT5). Finally, forskolin-induced chloride secretion and epithelial resistance were controlled at a physiological level in the Znhigh but not the other groups. The results from this TGEV challenge trials indicated that high dietary Zn could provide enhanced protection against TGEV infection in the intestinal tract. Based on these two challenge trials in pigs, we concluded the following regarding the effects of elevated Zn levels in the diet: 1\. High doses of dietary ZnO could partly improve clinical performance in both PRRSV and TGEV challenge infections; 2\. ZnO supplementation had no effect on viral loads and shedding in PRRSV challenge trial; 3\. Feeding high levels of ZnO had only marginal effects on systemic humoral immune responses in both challenge trials, but had no effect on mucosal immune response in the TGEV challenge trial; 4\. Supplementation of diet with high levels of ZnO could suppress apoptosis in intestinal epithelial cells and prevent the disruption of the intestinal barrier integrity in TGEV challenge infection; 5\. Feeding higher ZnO had no adjuvant effect of vaccination with an experimental inactivated PRRSV vaccine.

Die therapeutische Nutzung von Zink (Zn) zur Behandlung und zum Schutz von Nutztieren (wie dem Schwein) vor verschiedenen mikrobiellen Pathogenen unter differenziellen Bedingungen war in der Vergangenheit bereits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Dagegen ist bisher über die Wirkung von Zink auf virale Infektionen und den Verlauf einer Virusinfektion beim Schwein kaum berichtet worden. In der vorliegenden Arbeit wurde der potenzielle Nutzen der Futtersupplementierung mit Zinkoxid (ZnO) für den Schutz des Schweins vor Infektion mit zwei wirtschaftlich bedeutsamen viralen Pathogenen, dem Porcinen Reproduktiven und Respiratorischen Syndrom Virus (PRRSV) und dem Transmissiblen Gastroenteritis Virus (TGEV) untersucht. In einem ersten Challenge-Experiment wurde geprüft, welchen Einfluss die Futtersupplementierung mit ZnO auf die Impfung der Tiere gegen PRRSV hat. Hierzu erhielten Schweine Futter, dem entweder kein ZnO (natürlicher Zn- Gehalt: 50 – 80 ppm), Zn in mittlerer Dosis (150 ppm) oder hoher Konzentration (2500 ppm) zugesetzt war. Die Tiere ohne Zinkergänzung dienten als Kontrollgruppe (Znlow). Die beiden anderen Fütterungsgruppen repräsentieren die experimentellen Fütterungsgruppen (Znmed und Znhigh). Die Hälfte aller Tiere jeder Fütterungsgruppe wurde einmalig mit einer experimentellen, inaktivierten Vakzine geimpft und anschließend mit PRRSV infiziert. Verglichen mit der Kontrollgruppe (Znlow) fand sich bei den Tieren der experimentellen Fütterungsgruppen (Znmed and Znhigh) keine Veränderung des klinischen Verlaufs der PRRSV-Infektion. Auch die Impfung beeinflusste den Infektionsverlauf in keiner der drei Fütterungsgruppen. Allerdings wurde in den experimentellen Fütterungsgruppen nach PRRSV-Infektion eine im Vergleich zur Kontrollgruppe gesteigerte Gewichtszunahme verzeichnet. In den Fütterungsgruppen mit höheren ZnO-Dosierungen wurden zudem 4, 7 und 21 Tage nach der Infektion leicht erhöhte Konzentrationen an PRRSV-spezifischen Antikörpern. festgestellt. Gleiches gilt für den Nachweis virus-neutralisierender Antikörper 28-35 Tage nach der Infektion. Eine Steigerung der durch die PRRSV-Infektion induzierten, spezifischen antiviralen IFN-γ Produktion konnte in den experimentellen Fütterungsgruppen weder in ungeimpften noch geimpften Tieren gemessen werden. Dagegen führte die erhöhte Zufütterung von Zink zu einer Steigerung des prozentualen Anteils der γδ T-Zellen im peripheren Blut. Die Fütterung der erhöhten ZnO-Dosen hatte keinen Einfluss auf die Viruslast der Tiere. Auch die Ausscheidung von Viren war im Vergleich zur Kontrollgruppe nicht verändert. Die erzielten Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Fütterung höherer Zinkdosen beim Schwein nur einen leichten Effekt auf die humorale und zelluläre Immunantwort hat. Dieser Einfluss führt in den Tieren aber nicht zu einer Reduktion der Virustiter im Tier oder in deren Ausscheidungen. Da bekannt ist, dass Zinkzusatz im Futter die Durchfallhäufigkeit in der Absetzphase reduziert, wurde in einem weiteren Fütterungsexperiment unter dem gleichen, für PRRSV beschriebenen Diätregime, der Einfluss von unterschiedlichen ZnO-Dosierungen auf die Infektion mit TGEV, einem wichtigen enterischen Schweinevirus, untersucht. Ziel war es zu ermitteln, ob höhere Zinkdosierungen intestinale Virusinfektionen günstig beeinflussen können. Hierzu wurden Absatzferkel im Alter von 28 Tagen eine Woche nach der Fütterung mit den drei oben beschriebenen Diäten mit TGEV oral infiziert und dann nach einem Tag oder nach 18 Tage getötet und vergleichend untersucht. In den mit erhöhten Zink Konzentrationen gefütterten Tieren konnte eine Verbesserung der fäkalen Konsistenz sowie ein gesteigerter Zuwachs an Körpergewicht verzeichnet werden. Ein Einfluss der Fütterung auf die mukosale Abwehr ließ sich nicht nachweisen, aber im Hinblick auf die humorale Immunität wurde in der Fütterungsgruppe mit der höchsten Zink-Konzentration eine frühere und höhere Produktion spezifischer Antikörper gegen TGEV gemessen. In der Znhigh Gruppe wurde im jejunalen Epithel eine Hemmung der Caspase-3-induzierten Apoptoseund der Villusathrophie beobachtet. Ebenfalls herunterreguliert waren Interferon (IFN)-α, die Oligoadenylatsynthetase (OAS) und der Zink-Transporter SLC39A4 (ZIP4). Hochreguliert waren dagegen Metallothionein-1 (MT) sowie die Zink- Transporter SLC30A1 (ZnT1) und SLC30A5 (ZnT5). Schließlich wurde festgestellt, dass die Forskolin-induzierte Chloridsekretion und der epitheliale Widerstand ausschließlich in der Znhigh-Gruppe auf der physiologischen Ebene reguliert werden. Die Ergebnisse des TGEV-Experiments weisen darauf hin, dass eine Diät mit hoher Zn-Supplementierung einen erhöhten Schutz vor einer TGEV-Infektion des Darmtraktes verleihen kann.Auf der Basis der erzielten Ergebnisse der Fütterungsversuche mit PRRSV und TEGV können für den Effekt einer erhöhten Zinkfütterung folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: 1\. Eine erhöhte Konzentration von ZnO im Futter verbessert stellenweise den klinischen Status von Schweinen während der Infektion mit PRRSV und mit TGEV. 2\. Zn- Supplemetierung des Futters hatte keinen Einfluss auf die Viruslast und die Virusausscheidung der Tiere. 3\. Die Fütterung der hohen Zink-Konzentration hatte bei beiden Virus-Infektionen nur einen gering positiven Effekt auf die systemisch humorale Immunreaktion der Tiere. Die mukosale Immunantwort war im Infektionsversuch mit TGEV durch die Fütterung nicht beeinflusst. 4\. Die Supplementierung mit hohen Dosen ZnO unterdrückte die Caspaseaktivierung und die Apoptose im intestinalen Epithel. Sie verhinderte auch den durch das TGEV bedingten Kollaps der intestinalen Transportfunktionen. 5\. Die Fütterung von erhöhtem ZnO hatte bei der Impfung mit experimentellem,inaktiviertem PRRSV- Impfstoff keinen Adjuvanseffekt.