La diarrhée post-sevrage causée par Escherichia coli entérotoxigénique présentant le fimbriae F4 (ETEC F4+) cause actuellement des pertes économiques importantes dans l’industrie porcine canadienne. Afin de mieux contrôler cette maladie, et afin d’offrir une alternative à l’utilisation excessive d’antibiotiques, le projet décrit dans ce mémoire évalue la capacité de la sous-unité majeure du fimbriae F4, FaeG, à protéger les porcelets contre ETEC F4+. Trois phases animales ont été réalisées afin de tester séparément et de façon combinée l’effet de FaeG sous forme d’émulsion orale et sous forme d’injection intramusculaire (IM). Les analyses de dosages d’anticorps spécifiques et de proliférations lymphocytaires effectuées sur les échantillons recueillis à chaque phase animale permirent d’évaluer la réponse immunitaire mucosale et systémique. Les résultats finaux obtenus ont démontré un effet des injections IM sur l’activation de la production d’anticorps sanguins ainsi que sur la prolifération de cellules mononucléées sanguines (CMS). L’évaluation de l’expression de différents gènes dans les ganglions mésentériques et dans la muqueuse iléale a permis d’observer une modulation de l’expression de certains gènes (TLR4, NFκBIA, IFNg, CCL20, CXCL2, IL4 et IL17), mais également l’absence de modulation sur plusieurs gènes attendus. Au final, certains effets secondaires observés lors des immunisations de la dernière phase animale, tels que la diarrhée, la difficulté à respirer et la faiblesse, ont nécessité des analyses supplémentaires. Il a ainsi été déterminé que plusieurs porcelets ont subi une réaction de type anaphylactique aux immunisations reçues à la dernière phase animale, bien que la composante exacte causant cette réaction soit inconnue. En conclusion, bien qu’une réponse immunitaire puisse être déclenchée par FaeG, d’autres études seront nécessaires afin de développer un vaccin oral contre ETEC F4+

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La diarrhée colibacillaire post-sevrage (DCPS) est une infection intestinale endémique dans les fermes porcines à l’échelle mondiale. Cette maladie est causée principalement par la présence et la multiplication au niveau de l’intestin des porcelets d’un pathotype d’Escherchia coli, nommé E. coli entérotoxinogène (ETEC) et en particulier celui qui exprime l’adhésine F4 (K88) (ETEC: F4). Le sérogroupe ETEC: O149 a été le plus isolé à partir des cas de DCPS à travers le monde. Plusieurs études ont rapporté un taux de résistance important des souches O149: F4 contre les antibiotiques qui sont classiquement utilisés pour traiter cette infection et en particulier les aminoglycosides. Ainsi, pour remédier aux échecs thérapeutiques observés dans les fermes porcines au Canada, les vétérinaires ont commencé à utiliser, sous leurs responsabilités, un antibiotique, la colistine sulfate (CS), qui n’est pas homologué en production animale au Canada. Cette étude avait pour buts d’étudier la pharmacocinétique de la CS in vitro et in vivo, de développer une technique sensible pour une quantification plasmatique de la CS, de déterminer son efficacité thérapeutique in vivo dans un modèle d’infection expérimentale de DCPS et de caractériser la résistance d’E. coli consécutive à l’utilisation thérapeutique de la CS chez le porc. Une simulation du liquide gastrique (SLG) a été préparée, et après l’ajout de la CS et de la pepsine à cette solution, les concentrations de la CS ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (HPLC-MS/MS). Une dégradation rapide de CS a été constatée dans la SLG et a été accompagnée par la formation de produits de dégradation qui ont démontré une activité microbienne plus importante par comparaison avec la molécule mère (CS). Dans un volet in vivo, l’infection expérimentale des porcelets sevrés par une souche ETEC: F4 n’a pas augmenté l’absorption digestive de la CS dans un modèle subclinique de DCPS chez le porc. L’administration orale de la CS à la dose thérapeutique de 50,000 UI/kg à raison de 2 fois par jour pendant 5 jours pour traiter la DCPS dans des conditions expérimentales a entraîné une réduction significative de l’excrétion fécale de la souche infectieuse (ETEC : F4), de la population totale d’E. coli et des scores de diarrhée, uniquement pendant la période du traitement. Cependant, ces résultats ont été accompagnés par une légère augmentation dans l’excrétion fécale des E. coli résistants à la colistine, et le traitement n'a pas empêché la perte de poids des porcs infectés. En revanche, l’infection expérimentale des porcelets par ETEC: F4 a augmenté l’absorption digestive de la CS dans un modèle clinique de diarrhée colibacillaire chez le porc. Cette étude a permis de générer pour la première fois des données scientifiques concernant l’efficacité thérapeutique, la pharmacocinétique et la résistance à la colistine dans un modèle de DCPS chez le porc. Elle a également remis en doute la pertinence économique d’augmenter la dose de CS pour accélérer le rétablissement clinique des porcs. Finalement, elle a indiqué que des conditions d’élevage optimales, sans autres facteurs prédisposants, étaient aussi efficaces que la CS dans l’amélioration des symptômes cliniques de la DCPS. / Post-weaning diarrhea (PWD) caused by Escherichia coli is an endemic intestinal infection in pig farms worldwide. This disease is mostly the consequence of the presence and the multiplication in piglet’s gut of an Escherchia pathotype, named enterotoxigenic E. coli (ETEC) and in particular those that express the F4 (K88) fimbrial adhesin (ETEC: F4). The predominant serogroup of E. coli isolated from piglets with PWD worldwide is O149. Several studies have reported a significant resistance rate of O149 ETEC strains against commonly used antibiotics for the treatment of PWD, particularly, aminoglycosides. Thereby, to address therapeutic failures observed in pig farms during PWD treatment, veterinarians in Canada started using, under their responsibilities, the colistin sulfate (CS), an antibiotic not approved for farm animals in Canada. The objectives of this thesis were: to study the pharmacokinetics of CS in vitro and in vivo, to develop a sensitive method for the quantification of CS plasma concentrations in pigs, to determine the therapeutic efficacy of CS in an experimental model of PWD, and to characterize the resistance of E. coli to colistin consecutive to its therapeutic use in pigs. Simulated gastric fluid (SGF) was prepared, and after the addition of CS and pepsin to this solution, the concentrations of CS were followed by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). A rapid degradation of CS in the SGF was observed, and the degradation products showed a greater antimicrobial activity compared to the native CS. On the other hand, the experimental challenge of piglets with an ETEC: F4 strain has not increased the CS intestinal absorption in a subclinical model of PWD in pigs. The oral administration of a therapeutic dose of CS at 50,000 IU/kg twice a day for 5 successive days to treat an experimental PWD in pigs, resulted in a significant reduction of fecal ETEC: F4 and total E. coli shedding, and in diarrhea scores but only during the treatment period. However, CS treatment resulted in a slight increase in fecal shedding of CS resistant E. coli and did not prevent weight loss in challenged pigs. In addition, challenge with ETEC: F4 resulted in an increase of CS intestinal absorption in a clinical model of PWD. This study has generated, for the first time, scientific data regarding CS therapeutic efficacy, its pharmacokinetic and the selection of E. coli colistin resistant in an experimental model of PWD in pigs. It also challenged the economic relevance of increasing CS oral doses to accelerate the clinical recovery of pigs. Finally, it indicated that optimal housing conditions were without other predisposing factors, effective as CS in improving clinical symptoms of experimental PWD in pigs.

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage. / Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are a major cause of post-weaning diarrhea. STb is one of two heat-stable toxins produced by ETEC and is mostly associated with pathogenic porcine isolates. For the first time, a variant of the toxin was observed in a study in 2003. Our hypothesis is that STb variants are present in ETEC strains from Quebec. To screen for alterations at the gene level, a collection of 100 STb+ ETEC strains isolated from diseased pigs was randomly selected and analyzed. A total of 23 strains had a change from His12 to Asn. An association between the presence of the variant and virulence factors present in those strains was done. These strains were also positive for STa. Since this variant seems to be widely distributed in Quebec, we hypothesize that the variant has different biological properties compared to the wild-type STb. First, the secondary structure of the variant and wild-type toxin and their thermal stability was determined by circular dichroism. Both show similar structures and thermal stability. In addition, the binding affinity with the toxin receptor, the sulfatide, was determined by surface plasmon resonance. The affinity of the wild-type for the sulfatide is slightly superior to the variant. Finally, the internalization inside IPEC-J2 cells of the variant was compared to the wild-type. The variant is able to internalize more cells than the wild-type. Altogether, these results suggest that both the variant and the wild-type toxin are biochemically and structurally similar.

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage. / Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are a major cause of post-weaning diarrhea. STb is one of two heat-stable toxins produced by ETEC and is mostly associated with pathogenic porcine isolates. For the first time, a variant of the toxin was observed in a study in 2003. Our hypothesis is that STb variants are present in ETEC strains from Quebec. To screen for alterations at the gene level, a collection of 100 STb+ ETEC strains isolated from diseased pigs was randomly selected and analyzed. A total of 23 strains had a change from His12 to Asn. An association between the presence of the variant and virulence factors present in those strains was done. These strains were also positive for STa. Since this variant seems to be widely distributed in Quebec, we hypothesize that the variant has different biological properties compared to the wild-type STb. First, the secondary structure of the variant and wild-type toxin and their thermal stability was determined by circular dichroism. Both show similar structures and thermal stability. In addition, the binding affinity with the toxin receptor, the sulfatide, was determined by surface plasmon resonance. The affinity of the wild-type for the sulfatide is slightly superior to the variant. Finally, the internalization inside IPEC-J2 cells of the variant was compared to the wild-type. The variant is able to internalize more cells than the wild-type. Altogether, these results suggest that both the variant and the wild-type toxin are biochemically and structurally similar.

Les diarrhées post-sevrages causées par des infections à Escherichia coli entérotoxinogène positif pour le fimbriae F4 (ETEC F4), entraînent des pertes économiques importantes chez les producteurs de porc. Depuis quelques années, l’utilisation de probiotiques, comme additif alimentaire pour prévenir ce type d’infection entérique et réduire les traitements aux antimicrobiens, suscite un intérêt grandissant en production porcine. Le but du présent travail est de déterminer l’influence de l’administration des probiotiques Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB) sur la colonisation et l’attachement des ETEC F4, l’accumulation de fluide intestinal et l’expression de cytokines dans l’iléon de porcelets sevrés. Dès la naissance, différentes portées de porcelets ont été affectées aux traitements suivants : PA, SCB, PA + SCB, témoin et témoin avec antibiotiques (ATB). Une dose quotidienne de probiotiques (1 × 109 UFC) a été administrée aux porcelets des groupes probiotiques durant la lactation et après le sevrage. Sept jours après le sevrage, à 28 jours d’âge, des porcelets positifs pour le récepteur intestinal spécifique pour F4 ont été infectés oralement avec une souche ETEC F4. Les porcelets ont été euthanasiés 24 heures après l’infection (jour 29) et différents échantillons intestinaux ont été prélevés. Chez les porcelets recevant des probiotiques, l’attachement des ETEC F4 à la muqueuse iléale était significativement diminué chez les groupes PA ou SCB en comparaison avec le groupe ATB. Finalement, l’expression de cytokines intestinales était plus élevée chez les porcs du groupe PA + SCB en comparaison avec les porcelets témoins. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que l’administration de probiotiques pourrait être une alternative pour limiter les infections à ETEC F4 chez le porc. / Postweaning diarrhea (PWD) associated with F4-positive enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC F4) causes important economic losses in swine production. Since a couple of years, the use of probiotics as feed additives to prevent such enteric infections and reduce the use of antimicrobial treatments, has gained in interest. The aim of the present study is to evaluate the effects of Pediococcus acidilactici (PA) and Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB), on ETEC F4 colonization and attachment, accumulation of intestinal fluid and cytokines expression in weaned pig’s ileum. At birth, different litters of pigs were allocated to the following treatments: PA, SCB, PA + SCB, control (CTRL) and control with antibiotics (ATB). Probiotics (1 × 109 CFU) were administered daily to probiotics group during the lactation period and after weaning. One week after weaning, at 28 days of age, all F4-receptor-positive pigs were orally challenged with an ETEC F4 strain. Pigs were slaughter 24 hours later (day 29) and different intestinal samples were collected. In pigs treated with PA or SCB, the attachment of ETEC F4 to the ileal mucosa was significantly reduced in comparison with the ATB group. Finally, intestinal cytokines were upregulated in PA + SCB group in comparison with the CTRL group. In conclusion, these results suggest that administration of probiotics could be an alternative to attenuate ETEC F4 infection in pigs.

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Les diarrhées post-sevrages causées par des infections à Escherichia coli entérotoxinogène positif pour le fimbriae F4 (ETEC F4), entraînent des pertes économiques importantes chez les producteurs de porc. Depuis quelques années, l’utilisation de probiotiques, comme additif alimentaire pour prévenir ce type d’infection entérique et réduire les traitements aux antimicrobiens, suscite un intérêt grandissant en production porcine. Le but du présent travail est de déterminer l’influence de l’administration des probiotiques Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB) sur la colonisation et l’attachement des ETEC F4, l’accumulation de fluide intestinal et l’expression de cytokines dans l’iléon de porcelets sevrés. Dès la naissance, différentes portées de porcelets ont été affectées aux traitements suivants : PA, SCB, PA + SCB, témoin et témoin avec antibiotiques (ATB). Une dose quotidienne de probiotiques (1 × 109 UFC) a été administrée aux porcelets des groupes probiotiques durant la lactation et après le sevrage. Sept jours après le sevrage, à 28 jours d’âge, des porcelets positifs pour le récepteur intestinal spécifique pour F4 ont été infectés oralement avec une souche ETEC F4. Les porcelets ont été euthanasiés 24 heures après l’infection (jour 29) et différents échantillons intestinaux ont été prélevés. Chez les porcelets recevant des probiotiques, l’attachement des ETEC F4 à la muqueuse iléale était significativement diminué chez les groupes PA ou SCB en comparaison avec le groupe ATB. Finalement, l’expression de cytokines intestinales était plus élevée chez les porcs du groupe PA + SCB en comparaison avec les porcelets témoins. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que l’administration de probiotiques pourrait être une alternative pour limiter les infections à ETEC F4 chez le porc. / Postweaning diarrhea (PWD) associated with F4-positive enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC F4) causes important economic losses in swine production. Since a couple of years, the use of probiotics as feed additives to prevent such enteric infections and reduce the use of antimicrobial treatments, has gained in interest. The aim of the present study is to evaluate the effects of Pediococcus acidilactici (PA) and Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB), on ETEC F4 colonization and attachment, accumulation of intestinal fluid and cytokines expression in weaned pig’s ileum. At birth, different litters of pigs were allocated to the following treatments: PA, SCB, PA + SCB, control (CTRL) and control with antibiotics (ATB). Probiotics (1 × 109 CFU) were administered daily to probiotics group during the lactation period and after weaning. One week after weaning, at 28 days of age, all F4-receptor-positive pigs were orally challenged with an ETEC F4 strain. Pigs were slaughter 24 hours later (day 29) and different intestinal samples were collected. In pigs treated with PA or SCB, the attachment of ETEC F4 to the ileal mucosa was significantly reduced in comparison with the ATB group. Finally, intestinal cytokines were upregulated in PA + SCB group in comparison with the CTRL group. In conclusion, these results suggest that administration of probiotics could be an alternative to attenuate ETEC F4 infection in pigs.