De små sakerna som lever i en kalvnäsa kan vara nyckeln till att bekämpa luftvägssjukdomar hos nötkreatur, den enskilt mest kostsamma sjukdomen som drabbar nötköttsindustrin.

Jiangchao Zhao, docent i djurvetenskap vid Arkansas Agricultural Experiment Station och vid Dale Bumpers College of Agricultural, Food and Life Sciences, använder nästa generations sekvensering för att identifiera mikroorganismerna som befolkar nötkreaturens näshålor, känd som andningsmikrobiomet. Han har korrelerat dessa resultat med närvaron eller frånvaron av luftvägssjukdomar hos nötkreatur, även känd som BRD, hos kalvar för att upptäcka vilken mikrobiota som gynnar djurets hälsa och vilka som försämrar den.

Agricultural Experiment Station är forskningsavdelningen för University of Arkansas System Division of Agriculture.

Dyst sjukdom

Zhao sa att BRD kostar nötköttsindustrin så mycket som 2 miljarder dollar per år, inklusive djurdöd, minskad fodereffektivitet och andra negativa effekter, såväl som för förebyggande och behandlingskostnader. Enbart amerikanska foderlots ser upp till 900 miljoner dollar i årliga förluster från BRD, enligt en artikel, "Economic Effects of Bovine Respiratory Disease", publicerad i Journal of Animal Science .

Foderlotter, särskilt för kalvar som går direkt dit efter avvänjning, utgör den största risken för djuren att få BRD, sa Zhao. Mer än 90 % av stora foderpartier i USA rapporterade BRD som den vanligaste sjukdomen, enligt en rapport från USDA:s National Animal Health Monitoring System i Fort Collins, Colorado.

"Kalvarna utsätts för betydande stress, från avvänjning till leverans till foderlott," sa Zhao. "Att blandas med andra djur ökar risken. Den första månaden i foderlokalen är den högsta perioden av sårbarhet för sjukdomen."

Kalvar med bakgrund, de som fortsätter på bete vid en djuruppfödning efter avvänjning, är mindre mottagliga för BRD, sa Zhao, men inte immuna. Djuren är fortfarande stressade under transporten från ko-kalvfarmen till bakgrundsgården, vilket sänker deras immunsvar när de utsätts för sjukdomen.

Zhao sa att bakgrundsbildning ger mindre stress och mindre exponering för BRD än att gå direkt till en foderplats. "Det är en bra praxis. Kalvarna utvecklar ett friskare immunförsvar och är större och starkare när de äntligen går till fodergården."

Men mer än hälften av de amerikanska kalvarna går direkt till fodergårdar efter avvänjning, sa han.

Korrelation av mikrobiom

Mikrobiomer är kolonier av bakterier - goda, dåliga eller likgiltiga - som upptar håligheter i djurkroppar. Zhao och hans forskargrupp undersöker dessa mikrobiota i jordbruksdjur för att avgöra hur populationerna påverkar djurens hälsa.

I den här studien identifierar Zhao mikrobiotaarter som korrelerar med förekomsten av luftvägssjukdomar hos nötkreatur hos varje djur.

Zhaos forskning bedrivs i 30 kalvar på var och en av tre forskningsplatser för Division of Agriculture - Milo J. Shult Agricultural Research and Extension Center i Fayetteville, Southwest Research and Extension Center i Hope och Livestock and Forestry Research Station nära Batesville.

Zhao samarbetar i denna forskning med djurvetenskapskollegorna Beth Kegley och Jeremy Powell, statistikern Jung Lee vid Division of Agriculture och djurforskarna John Richeson från West Texas A&M University och Sarah Capik från Texas A&M University.

"Vi arbetar med att förstå orsaksmekanismerna för sjukdomen," sa Zhao.

BRD är nästan alltid en saminfektion, sa han. En kalv tar upp ett virus – inte helt olikt människor som blir förkylda eller influensa – och då drar en patogen bakterie nytta av djurets nedsatta immunförsvar.

"När du vet vad som orsakar sjukdomen," sa Zhao, "då har du ett mål för intervention."

Med hjälp av nästa generations sekvensering har Zhao observerat vilka gener som transkriberas under en BRD-infektion, inklusive gener både i patogenen och i djurets immunsystem.

"Att spåra interaktionen mellan patogen och värd är mycket komplicerat, big data-arbete," sa Zhao.

Denna studie kombineras med culturomics, sade Zhao, för att isolera både bra och dåliga insekter från nötkreaturs andningsorgan. Mikrobiomprover från pinnproverna sprids på petriskålar med olika tillväxtmedier och gaser för att simulera andningssystemets miljö - en process som kallas "plätering". Därefter analyseras bakteriekolonierna på plattorna för identifiering och karakterisering.

Zhaos labbteam har identifierat flera potentiella probiotika baserat på big data-analys. Samantha Howe, en Ph.D. student vid Bumpers College, kunde odla några av bakterierna. "Hon arbetar med att verifiera de positiva effekterna av dessa insekter för att se om de kan döda eller hämma tillväxten av patogener," sa Zhao.

I uppföljningsforskning kommer Zhao att mata tillbaka de "goda" bakterierna till kalvarna för att se om de kan stoppa eller vända en BRD-infektion.

Denna forskning kan leda till utvecklingen av probiotiska produkter som använder de goda bakterierna som en intervention för att bota eller förhindra BRD, sa Zhao. Sådana produkter kan vara säkrare och effektivare än antibiotika, som bakterier kan bygga resistens mot.

Framsteg inom upptäckten

I relaterad forskning har Zhao utvecklat en enklare metod för att upptäcka BRD eller de patogener som kan leda till sjukdomen.

Standardmetoden för att upptäcka BRD hos sjuka eller sårbara nötkreatur är att svabba nässvalghålan med en näsborttagningspinne. Zhao sa att den bovina nasofaryngealhålan, platsen för andningsmikrobiomet, är mycket djup och når hela längden av djurets huvud till toppen av matstrupen. Att svabba för ett prov är en svår procedur, och boskapen gillar det inte heller.

Zhao undersökte användningen av kortare svabbar för att prova framsidan av kalvarnas näsgång – området omedelbart innanför näsan. Han kunde visa att denna enklare metod är lika exakt som standardmetoden samtidigt som den orsakar mycket mindre obehag för djuret. Han utvecklar ett testkit som nötköttsproducenter kan använda på fältet för att samla in prover som kan lämnas in till ett labb för analys.

I en andra fas av forskningen vill han utveckla ett självtestkit som använder ett system som liknar de nu välkända hemtestsatserna för COVID-19. Efter provtagningen stryks pinnen på ett förberett testpapper som visar om djuret är BRD-positivt eller negativt.

Ett sådant test kan användas för att avgöra om en kalv har en högre koncentration av antingen de "dåliga" bakterierna som kan leda till BRD-infektion eller av de "bra" bakterierna som hjälper till att förhindra det.

Att kunna identifiera vilka djur som löper högre eller lägre risk för infektion innebär att veterinärer kan fokusera insatser på färre djur, vilket sparar pengar och minskar risken för att utveckla antibiotikaresistenta bakterier. + Utforska vidare

Nyfödda mjölkkalvar som fick probiotika var friskare under avgörande första veckorna, visar studentforskning