The anaerobic intestinal spirochaete Brachyspira pilosicoli is the causative agent of “intestinal spirochaetosis” (IS), a disease of humans and a number of animal species. IS has been reported in adults and children worldwide but the prevalence in people living in poor hygienic conditions, indigenous populations, homosexual males, and in immunocompromised people is much higher than in other populations. IS is also widespread in pigs and chickens, and causes significant economic impact in the associated industries. To date attempts to develop a vaccine against B. pilosicoli to protect humans and animals have not been successful. In this study a reverse vaccinology approach was used, in which 24 putative open reading frames (ORFs) derived from a partial genome sequence of B. pilosicoli were subjected to in silico and laboratory screening processes to identify potential efficacious vaccine antigens. In silico analysis of the ORFs using a range of bioinformatics algorithms assigned 12 ORF products as periplasmic, outer membrane, or secretory proteins, and these were given a high priority as potential vaccine candidates. The 12 selected ORFs were amplified from a human strain of B. pilosicoli (Wes-B) and cloned. Products from nine ORFS were successfully over-expressed in an Escherichia coli expression system, and then purified using affinity chromatography. In an in vitro immunogenicity trial all the recombinant proteins except for NAV-P27 were strongly recognised in Western immunoblots by a mouse serum raised against B. pilosicoli strain WesB, and by a subset of convalescent sera from pigs naturally and experimentally infected with B. pilosicoli. In an analysis of in vivo immunogenicity, the post-immunisation mouse sera raised against each recombinant protein reacted strongly with each specific proteins, and also recognised the native protein in extracts of B. pilosicoli strain WesB. Sequence analysis of four randomly selected ORFs showed that these were highly conserved amongst the genomes of different human and swine strains of B. pilosicoli. Evaluation of all the data obtained in the reverse vaccinology approach resulted in selection of four ORF products (NAV-P3, NAV-13, NAV-22 and NAV-31) as being potentially protective antigens to be analysed for their further efficacy. These four recombinant proteins were assessed for their efficacy as vaccine components in a mouse model of IS, where the animals were challenged with a human strain of B. pilosicoli. The proteins all induced systemic and local antibody responses, and tended to reduce spirochaete colonisation following experimental infection. These proteins used individually or in combination now have the potential to be further developed into a new vaccine to prevent B. pilosicoli infections.

The work described in this thesis was concerned with identifying the prevalence and risk factors associated with colonisation by the intestinal spirochaete Brachyspira pilosicoli in: humans: long term residents of Perth, Western Australia (WA) and Indonesians either living temporarily in Perth or as long term residents in urban and rural areas of Bali, Indonesia, animals: domestic animals including alpacas, birds, cattle, cats, chickens, dogs, doves, ducks, goats, horses, pigs, and sheep (housed at a wide variety of places around Perth), and a range of wild animals housed in various Zoos and wildlife centres in WA. This study shows that for humans: • Brachyspira pilosicoli was significantly more prevalent in Indonesians of all sub groups, be they temporary residents of Perth (9.4% - 216 faecal samples from 180 individuals), or long term residents of Indonesia (12.6% - 992 faecal samples from 617 individuals) compared with long term residents of Australia living mainly in Perth (0.2% of 766 sampled), even in those with gastrointestinal complaints. This suggests a relationship between a high prevalence of B. pilosicoli and living in Indonesia; • In Bali, B. pilosicoli was significantly more prevalent in the impoverished urban area of Sesetan (20.3-23.4%) where the husbandry of pigs is poor and effluent treatment is non-existent compared to four traditional farming villages (Badung, Karang Suwung, Melinggih, Payangan Desa) (3.3-22.6%). In the latter villages effluent and drainage is better and there is less likely to be contamination of drinking water • There was no significant association between the presence of B. pilosicoli and the presence of clinical symptoms including headaches, abdominal pains, diarrhoea, joint/muscular pain and constipation. • Amongst Indonesians living in Indonesia, there was no significant difference in the prevalence of B. pilosicoli between people with and without contact with animals and between farmers and other occupational groups. • Indonesians visiting Perth who were positive for B. pilosicoli originated from nine cities and five main islands in Indonesia. This suggests that B. pilosicoli is endemic throughout Indonesia. • Strain typing of isolates of B. pilosicoli showed that they were genetically heterogenous and did not show any consistent pattern with respect to geographical location, family of origin or disease status. Isolates from the same individual were sometimes unrelated, suggesting the probability of re-infection with another strain between the samplings. • Some households (~7%) had more than one member positive for B. pilosicoli. Strain analysis suggested transmission between family members, and this could be due to either faecal-oral transmission, or from a common external source, such as contaminated water. • B. pilosicoli was cultured from only 0.2% of Australians. This low prevalence may be a result of little or no exposure to B. pilosicoli due to good personal hygiene and environmental sanitation. • B. pilosicoli strain H1b and H171 that were isolated from healthy Indonesians were able to colonise mice and day-old chickens, and induced clinical signs of pasty faeces in the latter. Histological sections showed mild typhlitis and typical end-on attachment of B. pilosicoli to the caecal epithelial mucosa of the chickens. This finding suggests that the human isolates had pathogenic potential. This study showed that for animals investigated: • Intestinal spirochaetes were cultured from 46.4% (13/28) of bilbies with 14.3% (4/28) positive for B. pilosicoli. Spirochaetes were also cultured from the faeces of two Western Barred bandicoots and one (1.2%) kangaroo. • Intestinal spirochaetes were not isolated from any alpacas, cattle, goats, horses, pigs, and sheep but were detected in 40.5% of ducks, 14.3% of chickens, 14.9% of ostriches and 1.5% of cats. • Few pets that are commonly kept in households (dogs, cats and aviary birds) were colonised, suggesting that they are not an important focus of B. pilosicoli infection in Australia.

Brachyspira hyodysenteriae and Brachyspira pilosicoli are anaerobic intestinal spirochaetes that are the aetiological agents of swine dysentery and intestinal spirochaetosis, respectively. As part of this PhD study the genome sequence of B. hyodysenteriae strain WA1 and a near complete sequence of B. pilosicoli strain 95/1000 were obtained, and subjected to comparative genomic analysis. The B. hyodysenteriae genome consisted of a circular 3.0 Mb chromosome, and a 35,940 bp circular plasmid that has not previously been described. The incomplete genome of B. pilosicoli contained 4 scaffolds. There were 2,652 and 2,297 predicted ORFs in the B. hyodysenteriae and B. pilosicoli strains, respectively. Of the predicted ORFs, more had similarities to proteins of the enteric Clostridium species than they did to proteins of other spirochaetes. Many of these genes were associated with transport and metabolism, and they may have been gradually acquired through horizontal gene transfer in the environment of the large intestine. A reconstruction of central metabolic pathways of the Brachyspira species identified a complete set of coding sequences for glycolysis, gluconeogenesis, a non-oxidative pentose phosphate pathway, nucleotide metabolism and a respiratory electron transport chain. A notable finding was the presence of rfb genes on the B. hyodysenteriae plasmid, and their apparent absence from B. pilosicoli. As these genes are involved in rhamnose biosynthesis it is likely that the composition of the B. hyodysenteriae lipooligosaccharide O-sugars is different from that of B. pilosicoli. O-antigen differences in these related species could be associated with differences in their specific niches, and/or with their disease specificity. Overall, comparison of B. hyodysenteriae and B. pilosicoli protein content and analysis of their central metabolic pathways showed that they have diverged markedly from other spirochaetes in the process of adapting to their habitat in the large intestine. The presence of overlapping genes in the two spirochaetes and in other spirochaete species also was investigated. The number of overlapping genes in the 12 spirochaete genomes examined ranged from 11-45%. Of these, 80% were unidirectional. Overlapping genes were found irregularly distributed within the Brachyspira genomes such that 70-80% of them occurred on the same strand (unidirectional, ->->/<-<-), with 16-28% occurring on opposite DNA strands (divergent, <-->). The remaining 4-6% of overlapping genes were convergent (-><-). The majority of the unidirectional overlap regions were relatively short, with >50% of the total observations overlapping by >4 bp. A small number of overlapping gene-pairs were duplicated within each genome and there were some triplet overlapping genes. Unique orthologous overlapping genes were identified within the various spirochaete genera. Over 75% of the overlapping genes in the Brachyspira species were in the same or related metabolic pathway. This finding suggests that overlapping genes are not only likely to be the result of functional constraints but also are constrained from a metabolomic context. Of the remaining 25% overlapping genes, 50% contained one hypothetical gene with unknown function. In addition, in one of the orthologous overlapping genes in the Brachyspira species, a promoter was shared, indicating the presence of a novel class of overlapping gene operon in these intestinal spirochaetes.

O presente trabalho objetivou avaliar diferenças na patogenicidade de 19 cepas de B. pilosicoli isoladas de casos de diarréia em suínos no Estado do Rio Grande do Sul. Foi utiliza o modelo experimental em pintos de um dia, que possui boa eficiência quando usado para a infecção oral com a B. pilosicoli, pois permite a consistente colonização cecal dos animais inoculados. Através dessa infecção experimental, buscou-se estabelecer diferenças de patogenicidade entre cepas de referência da B. pilosicoli e cepas dessa espécie isoladas previamente de casos de diarréia em leitões no Rio Grande do Sul. Foram inoculadas 21 cepas de origem suína e duas cepas controle (uma a referência da espécie, P43/6/78 e um isolado humano, P16). Os animais foram inoculados por via oral com uma suspensão de bactérias vivas multiplicadas em meio líquido, num inóculo de 0,8 mL contendo 1x106 espiroquetas na fase logarítmica de crescimento. Decorridos 21 dias após a infecção experimental, os animais foram sacrificados e os cecos fixados em formalina 10% tamponada, processados para exame histológico e os cortes examinados através da coloração pela prata e com uma técnica imunohistoquímica. Com o uso da coloração pela prata, 65% dos animais mostraram colonização pela B. pilosicoli do epitélio do cecal. Houve diferenças no tipo de colonização, consistindo de aderência contínua, aderência focal ou presença de bactérias livres na luz intestinal. Com a técnica de imunohistoquímica, 76,2% das cepas mostraram colonização. Dessa forma, concluiu-se que a imunohistoquímica foi superior à coloração pela prata para a avaliação da colonização intestinal dos pintos, pois foi capaz de detectar 11,2% de cepas colonizadoras a mais do que a coloração pela prata Um segundo experimento visou avaliar a transmissão horizontal da infecção por B. pilosicoli. Para tal, foram mantidos em contato na mesma gaiola, pintos inoculados com a bactéria e animais chamados “contatos”, não inoculados. Com o uso da coloração pela prata, 23,8 % apresentaram-se positivos e, pela imunohistoquímica, 54,2 % foram positivos. Aqui também a imunohistoquímica revelou-se mais eficiente do que a coloração pela prata. Como conclusão desse experimento, as cepas de campo analisadas mostraram alta capacidade de difusão horizontal. Um achado inesperado foi a presença de figuras elongadas dentro do citoplasma das células epiteliais cecais entre alguns animais inoculados. Essas estavam presentes em 33,3 % das cepas, quando analisadas através da coloração pela prata. Pelos dados obtidos, não foi possível concluir que as figuras fossem Brachyspira pilosicoli, pois poderia tratar-se de outra bactéria intracelular ou artefato. Entretanto, como recentemente (no ano de 2003) foi realizado o primeiro registro por microscopia eletrônica de um achado de Brachyspira spp. intracelular, esse achado poderia significar uma alta capacidade invasiva entre as cepas analisadas. Novos estudos serão realizados e, caso comprovado, esse fato poderia auxiliar em muito o entendimento da patogenia da infecção pela B. pilosicoli, pouco clara até o momento.

O presente trabalho objetivou avaliar diferenças na patogenicidade de 19 cepas de B. pilosicoli isoladas de casos de diarréia em suínos no Estado do Rio Grande do Sul. Foi utiliza o modelo experimental em pintos de um dia, que possui boa eficiência quando usado para a infecção oral com a B. pilosicoli, pois permite a consistente colonização cecal dos animais inoculados. Através dessa infecção experimental, buscou-se estabelecer diferenças de patogenicidade entre cepas de referência da B. pilosicoli e cepas dessa espécie isoladas previamente de casos de diarréia em leitões no Rio Grande do Sul. Foram inoculadas 21 cepas de origem suína e duas cepas controle (uma a referência da espécie, P43/6/78 e um isolado humano, P16). Os animais foram inoculados por via oral com uma suspensão de bactérias vivas multiplicadas em meio líquido, num inóculo de 0,8 mL contendo 1x106 espiroquetas na fase logarítmica de crescimento. Decorridos 21 dias após a infecção experimental, os animais foram sacrificados e os cecos fixados em formalina 10% tamponada, processados para exame histológico e os cortes examinados através da coloração pela prata e com uma técnica imunohistoquímica. Com o uso da coloração pela prata, 65% dos animais mostraram colonização pela B. pilosicoli do epitélio do cecal. Houve diferenças no tipo de colonização, consistindo de aderência contínua, aderência focal ou presença de bactérias livres na luz intestinal. Com a técnica de imunohistoquímica, 76,2% das cepas mostraram colonização. Dessa forma, concluiu-se que a imunohistoquímica foi superior à coloração pela prata para a avaliação da colonização intestinal dos pintos, pois foi capaz de detectar 11,2% de cepas colonizadoras a mais do que a coloração pela prata Um segundo experimento visou avaliar a transmissão horizontal da infecção por B. pilosicoli. Para tal, foram mantidos em contato na mesma gaiola, pintos inoculados com a bactéria e animais chamados “contatos”, não inoculados. Com o uso da coloração pela prata, 23,8 % apresentaram-se positivos e, pela imunohistoquímica, 54,2 % foram positivos. Aqui também a imunohistoquímica revelou-se mais eficiente do que a coloração pela prata. Como conclusão desse experimento, as cepas de campo analisadas mostraram alta capacidade de difusão horizontal. Um achado inesperado foi a presença de figuras elongadas dentro do citoplasma das células epiteliais cecais entre alguns animais inoculados. Essas estavam presentes em 33,3 % das cepas, quando analisadas através da coloração pela prata. Pelos dados obtidos, não foi possível concluir que as figuras fossem Brachyspira pilosicoli, pois poderia tratar-se de outra bactéria intracelular ou artefato. Entretanto, como recentemente (no ano de 2003) foi realizado o primeiro registro por microscopia eletrônica de um achado de Brachyspira spp. intracelular, esse achado poderia significar uma alta capacidade invasiva entre as cepas analisadas. Novos estudos serão realizados e, caso comprovado, esse fato poderia auxiliar em muito o entendimento da patogenia da infecção pela B. pilosicoli, pouco clara até o momento.

O presente trabalho objetivou avaliar diferenças na patogenicidade de 19 cepas de B. pilosicoli isoladas de casos de diarréia em suínos no Estado do Rio Grande do Sul. Foi utiliza o modelo experimental em pintos de um dia, que possui boa eficiência quando usado para a infecção oral com a B. pilosicoli, pois permite a consistente colonização cecal dos animais inoculados. Através dessa infecção experimental, buscou-se estabelecer diferenças de patogenicidade entre cepas de referência da B. pilosicoli e cepas dessa espécie isoladas previamente de casos de diarréia em leitões no Rio Grande do Sul. Foram inoculadas 21 cepas de origem suína e duas cepas controle (uma a referência da espécie, P43/6/78 e um isolado humano, P16). Os animais foram inoculados por via oral com uma suspensão de bactérias vivas multiplicadas em meio líquido, num inóculo de 0,8 mL contendo 1x106 espiroquetas na fase logarítmica de crescimento. Decorridos 21 dias após a infecção experimental, os animais foram sacrificados e os cecos fixados em formalina 10% tamponada, processados para exame histológico e os cortes examinados através da coloração pela prata e com uma técnica imunohistoquímica. Com o uso da coloração pela prata, 65% dos animais mostraram colonização pela B. pilosicoli do epitélio do cecal. Houve diferenças no tipo de colonização, consistindo de aderência contínua, aderência focal ou presença de bactérias livres na luz intestinal. Com a técnica de imunohistoquímica, 76,2% das cepas mostraram colonização. Dessa forma, concluiu-se que a imunohistoquímica foi superior à coloração pela prata para a avaliação da colonização intestinal dos pintos, pois foi capaz de detectar 11,2% de cepas colonizadoras a mais do que a coloração pela prata Um segundo experimento visou avaliar a transmissão horizontal da infecção por B. pilosicoli. Para tal, foram mantidos em contato na mesma gaiola, pintos inoculados com a bactéria e animais chamados “contatos”, não inoculados. Com o uso da coloração pela prata, 23,8 % apresentaram-se positivos e, pela imunohistoquímica, 54,2 % foram positivos. Aqui também a imunohistoquímica revelou-se mais eficiente do que a coloração pela prata. Como conclusão desse experimento, as cepas de campo analisadas mostraram alta capacidade de difusão horizontal. Um achado inesperado foi a presença de figuras elongadas dentro do citoplasma das células epiteliais cecais entre alguns animais inoculados. Essas estavam presentes em 33,3 % das cepas, quando analisadas através da coloração pela prata. Pelos dados obtidos, não foi possível concluir que as figuras fossem Brachyspira pilosicoli, pois poderia tratar-se de outra bactéria intracelular ou artefato. Entretanto, como recentemente (no ano de 2003) foi realizado o primeiro registro por microscopia eletrônica de um achado de Brachyspira spp. intracelular, esse achado poderia significar uma alta capacidade invasiva entre as cepas analisadas. Novos estudos serão realizados e, caso comprovado, esse fato poderia auxiliar em muito o entendimento da patogenia da infecção pela B. pilosicoli, pouco clara até o momento.