Bovine mastitis caused by Escherichia coli : clinical, bacteriological and therapeutic aspects

Abstract

Bovine mastitis caused by Escherichia coli remains a problem in many countries despite of improvements in managing and housing of dairy cattle. Cows with compromised immune systems, especially those in early lactation, are particularly susceptible to E. coli intramammary infection. Mastitis caused by E. coli varies from mild, with local signs only, to severe systemic. The severe form of E. coli mastitis is associated with loss of milk production and can result in death of the cow. Intramammary infection caused by E. coli is often eliminated spontaneously as the defense mechanisms of the cow are able to clear the bacteria from the udder. The aims of this thesis were to investigate host response to E. coli mastitis in terms of characteristics of bacteria, effect of antimicrobial and non-antimicrobial treatment, and prophylactic effect of recombinant human lactoferrin expressed in milk.

Host response was studied using two consecutive intramammary challenges with E. coli in the same cows at a short interval. All cows became infected, but local signs were significantly milder and disappeared faster after the second challenge. The same pattern was recorded for the indicators of inflammation; the differences being statistically significant for serum and milk haptoglobin, milk serum amyloid A, and white blood cell count. Milk production returned to the pre-challenge level significantly faster after the second challenge. This study revealed a possible carry-over or immunizing effect of the previous intramammary infection by the same pathogen.

Broad-spectrum antimicrobials have been widely used for treating E. coli mastitis, although the results of treatment studies have been controversial. In our field study, systemic enrofloxacin treatment did not result in better bacteriological or clinical cure of acute clinical mastitis caused by E. coli than supportive treatment alone. Enrofloxacin treatment did not affect survival of the cows, return of quarter milk production or tissue damage of the affected quarter within three weeks post-treatment; nor did it affect the length of time the cow remained in the herd during the six-month follow-up period. The only positive effect of the enrofloxacin treatment was a higher bacteriological cure 2 days post-treatment. On the contrary, clinical cure on day 2 was lower in the enrofloxacin treated cows. Clinical cure assessed 21 days post-treatment was relatively low in both groups, which probably reflects the severe nature of acute E. coli mastitis. Our study did not support the use of parenteral antimicrobial treatment of clinical E. coli mastitis. In severe cases of coliform mastitis, antimicrobial treatment could, however, still be recommended for safety reasons, as it can increase the elimination of bacteria and prevent possible bacteraemia. Our results indicated also that frequent milking at the acute stage of mastitis might improve the initial clinical cure of E. coli mastitis and decrease inflammation and tissue damage in the infected quarter.

Most E. coli isolates belonged to the phylogenetic group A, indicating their commensal nature. Close to 40% of the isolates had at least one virulence gene, but combinations of virulence genes varied greatly, each combination being present mainly in a single isolate. Approximately 30% of the isolates showed resistance to one or more antimicrobials tested, most commonly against ampicillin, streptomycin, tetracycline and sulphonamides. No specific virulence factor, phylogenetic group or resistance to antimicrobials was associated with persistence or severity of disease among mastitis E. coli isolates in our field study. These results indicate that characteristics of bacteria are not likely to affect the clinical course and outcome of E. coli mastitis. In 11% of mastitis cases, the same genotype of E. coli was isolated from the affected quarter three weeks post-treatment as originally, indicating persistence of the same genotype of E. coli in the quarter.

Non-antimicrobial treatments, such as lactoferrin, which has antibacterial and lipopolysaccharide neutralizing properties, could be beneficial in the treatment of E. coli mastitis. The efficacy of intramammary lactoferrin was compared with that of systemic enrofloxacin in an experimentally induced E. coli model. No significant differences were found in the clinical signs between cows treated with lactoferrin and those treated with enrofloxacin. The results from this study remained inconclusive. The prophylactic effect of lactoferrin against E. coli mastitis was studied in a new model of using hLf-transgenic cows, which expressed recombinant human lactoferrin in their milk. This was the first study to describe an experimentally induced E. coli mastitis model using transgenic cows. The high concentration of lactoferrin in the milk of the transgenic cows did not protect the cows from E. coli intramammary infection, and all of them became infected. No differences were noted in the bacterial growth, times to bacterial elimination, local signs or in any of the milk or blood inflammatory parameters, except in concentrations of haptoglobin and cortisol in the serum. However, systemic signs were significantly milder in transgenic cows.

Prevention of E. coli mastitis relies on decreasing the infection pressure in the environment of the cows and improving the cow comfort and herd management. In E. coli mastitis, the treatment should be as efficient as possible, but novel therapeutic approaches are needed, as the efficacy of the current commonly used antimicrobial treatments is not satisfactory.

Escherichia colin aiheuttama utaretulehdus lehmillä on edelleen ongelmana monissa maissa huolimatta lypsylehmien tuotanto- ja pito-olosuhteiden paranemisesta. Erityisen herkkiä sairastumaan E. colin aiheuttamaan mastiittiin ovat alkulypsykaudella olevat lehmät, joiden immuniteetti on jostain syystä heikentynyt. E. colin aiheuttaman utaretulehduksen voimakkuus vaihtelee lievistä mastiiteista, jolloin vain paikallisoireita on todettavissa, hyvin vakaviin, voimakkaita yleisoireita aiheuttavaan kliiniseen kuvaan. Vakavat muodot liittyvät yleensä maitotuotoksen menetykseen tai tuloksena voi olla jopa lehmän kuolema. E. colin aiheuttama intramammari-infektio eliminoituu usein itsestään lehmän oman puolustusjärjestelmän vaikutuksesta ja utare puhdistuu aiheuttajabakteerista. Tämän väitöskirjan tavoitteet ovat tutkia lypsylehmän puolustusjärjestelmää E. colin aiheuttamaa utaretulehdusta vastaan suhteessa bakteerin eri ominaisuuksiin, antimikrobilääkkeiden ja muiden kuin antimikrobilääkkeiden tehoa sekä maitoon erittyvän humaani-laktoferriinin mastiitilta suojaavaa vaikutusta.

Lehmän immuunivastetta tutkittiin käyttämällä kahta peräkkäistä tartutusta E. colilla lyhyen väliajan sisällä samoille lehmille. Kaikki lehmät kokeessa infektoituivat ja sairastuivat. Paikallisoireet olivat kuitenkin merkitsevästi lievempiä ja katosivat nopeammin toisen tartutuksen jälkeen. Samanlainen ilmiö havaittiin myös tulehdusindikaattoreissa; ero oli merkitsevä seerumin ja maidon haptoglobiinilla, maidon seerumi-amyloid-A:lla ja leukosyyttien määrässä. Maitotuotos palautui tartutusta edeltävälle tasolle nopeammin toisen tartutuksen jälkeen. Tutkimuksessa todettiin, että mahdollinen carry over- tai immunisaatiovaikutus on olemassa aikaisemman saman bakteerin aiheuttaman infektion jälkeen.

Laajakirjoisia antimikrobilääkkeitä on käytetty laajasti E. coli-mastiitin hoitoon, vaikkakin hoitokokeiden tulokset ovat olleet ristiriitaisia. Kenttäkokeessamme systeemisesti käytetty enrofloksasiini ei parantanut E. colin aiheuttaman akuutin mastiitin bakteriologista tai kliinistä paranemista verrattuna pelkkään tukihoitoon. Enrofloksasiinihoito ei vaikuttanut lehmien eloonjäämiseen, tulehdusneljänneksen maitotuotoksen palautumiseen eikä kudosvaurioon neljänneksessä arvioituna 3 viikkoa hoidosta. Hoito ei myöskään vaikuttanut lehmän säilymiseen karjassa seuraavan 6 kk ajan. Enrofloksasiinihoidon ainoa positiivinen vaikutus oli parempi bakteriologinen paraneminen arvioituna 2 päivää hoidon jälkeen. Sitä vastoin kliininen paraneminen 2 päivää hoidon jälkeen oli huonompi enrofloksasiinilla hoidetuilla lehmillä. Kliininen paraneminen arvioituna 21 päivää hoidosta oli suhteellisen huono kummassakin ryhmässä, mikä heijastaa todennäköisesti akuutin E. coli utaretulehduksen vakavaa luonnetta. Tutkimus ei tukenut parenteraalisten antibioottilääkkeiden käyttöä kliinisen E. coli mastiitin hoitoon. Kuitenkin vakavissa tapauksissa voidaan yhä suositella hoitoa lehmän turvallisuuden takia lisäämään bakteerien eliminaatiota utareesta ja estämään bakteremian kehittymistä. Tulokset osoittivat myös, että tiheä lypsy mastiitin akuutissa vaiheessa saattaisi nopeuttaa E. coli-mastiitin kliinistä paranemista sekä vähentäää tulehdusreaktiota ja kudosvaurioita infektoituneessa neljänneksessä.

Useimmat kenttäkokeesta eristetyt E. coli kannat kuuluivat fylogeniaryhmään A, mikä viittasi siihen, että ne ovat luonteeltaan kommensaaleja. Lähes 40%:lla eristetyistä kannoista oli vähintään yksi tutkituista virulenssigeeneistä; eri virulenssigeenien yhdistelmät vaihtelivat runsaasti, kukin yhdistelmä yleensä yhdessä bakteerikannassa. Noin 30% eristetyistä kannoista oli resistenttejä yhdelle tai useammalle tutkituista antibiooteista, yleisimmin ampisilliinille, streptomysiinille, tetrasykliinille ja sulfonamideille. Mitään bakteerin tiettyä virulenssitekijää, fylogeniaryhmää tai antibioottiresistenssiä ei todettu liittyvän mastiitin persistoivuuteen tai vakavuuteen. Tämä tulos osoittaa, että tässä tutkitut bakteerien ominaisuudet eivät todennäköisesti vaikuta taudin kliiniseen kulkuun tai lopputulokseen. Mastiittitapauksista 11%:lla sama E. coli-bakteerin genotyyppi eristettiin tulehtuneesta neljänneksestä 3 viikkoa hoidon jälkeen kuin ensimmäisestäkin näytteestä, viitaten siihen, että sama E. colin genotyyppi oli jäänyt persistoimaan neljännekseen.

Muilla kuin antimikrobilääkkeillä saattaa olla hyötyjä E. coli mastiitin hoidossa. Tällainen yhdiste on laktoferriini, jolla on antibakteerisia ja lipopolysakkaridia eli endotoksiinia neutraloivia vaikutuksia. Laktoferriinin vaikutusta intramammaarisesti verrattiin systeemisesti annostellun enrofloksasiinin tehoon kokeellisesti aiheutetussa E. coli-mastiitissa. Eroa ei löytynyt kliinisissä oireissa laktoferriinillä hoidetuissa lehmissä verrattuna enrofloksasiinilla hoidettuihin lehmiin. Tuloksista on kuitenkin vaikea vetää johtopäätöksiä. Laktoferriinin profylaktista vaikutusta E. coli- mastiitissa tutkittiin uudessa mallissa, missä käytettiin hLf-transgeenilehmiä, jotka erittivät maitoonsa rekombinoitua humaanilaktoferriiniä. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun kokeellista E. coli mastiittimallia käytettiin transgeenilehmillä. Korkea laktoferriinipitoisuus maidossa ei suojannut lehmiä E. coli mastiitilta ja kaikki lehmät infektoituivat. Mitään eroja ryhmien välillä ei todettu bakteerikasvussa, bakteerien eliminaatioajassa, utareen paikallisoireissa tai maidon ja veren tulehdusparametreissä, lukuun ottamatta seerumin haptoglobiini- ja kortisolipitoisuuksia. Sitä vastoin transgeenilehmillä todettiin merkitsevästi lievemmät systeemiset kliiniset oireet.

E. colin aiheuttaman mastiitin ennaltaehkäisy perustuu infektiopaineen vähentämiseen lehmien lähiympäristössä ja lehmien yleisen hyvinvoinnin ja hoidon parantamiseen. Kolimastiittihoidon tulisi olla mahdollisimman tehokasta, mutta tarvitsemme uusia hoitovaihtoehtoja, koska nykyiset yleisesti käytetyt antimikrobilääkkeet eivät riitä.