Salmonella Enteritidis has become a major burden in human health due to emergence of multiple-antibiotic resistant strains that has made antibiotic treatment difficult. Today, there is urgency to develop efficacious alternatives to the utilization of sub-therapeutic antibiotics in poultry. We, therefore, hypothesized that, in contrast to sub-therapeutic antibiotics, mannose-rich oligosaccharides (MOS), a natural prebiotic, would improve intestinal innate defense mechanisms in healthy and Salmonella-infected chickens, and abrogate S. Enteritidis invasion of intestinal epithelium, thus mitigating Salmonella-induced intestinal and systemic inflammation. In contrast to virginiamycin (VIRG) and bacitracin (BACT) antibiotics, dietary MOS (0.2%) significantly improved intestinal innate defensive mechanisms in chickens raised under good sanitary conditions, as demonstrated by increased development of mucin-secreting goblet cells that ultimately secretes higher amounts of mucins, and microflora enrichment with beneficial bacteria, especially bifidobacteria. Moreover, MOS was equally effective as VIRG and BACT in the control of intestinal E. coli. But, at higher (0.5%) than the recommended (0.2%) dosage, MOS conferred no additional intestinal health benefits. To examine whether MOS may control S. Enteritidis through improvement of host's innate defense mechanisms, young chicks were deliberately infected with S. Enteritidis. Interestingly, whereas control (CTL) chicks suffered from drowsiness, diarrhea, starvation, exfoliation of epithelial cells and damaged villi integrity, such classic signs of Salmonella-induced enteric inflammation were abrogated by MOS and VIRG. However, IL 12 down-regulation by MOS revealed that MOS terminated S. Enteritidis-induced enteric inflammation earlier than VIRG. Whereas VIRG relied mostly on its bactericidal properties, MOS significantly improved host's mucins-mediated defense mechanism against S. Enteritidis. MOS increased secretions of neutral and acidic mucins through increased numbers of neutral and acidic goblet cells, rather than increased mucins-secreting capacity of goblet cells, as indicated by non-differential MUC 2 expressions between infected chicks fed VIRG and MOS. MUC 1 down-regulation by MOS indicated that MOS more significantly reduced S. Enteritidis damage of epithelial cells than VIRG. Evidently, intestinal villi were longer and healthier in S. Enteritidis-infected chicks fed MOS than VIRG. S. Enteritidis invasion of the intestinal epithelium triggers extra-intestinal infections and systemic inflammation. A Salmonella LPS-induced systemic inflammation chicken model and microarray analysis approach was employed to determine whether MOS, in contrast to VIRG, may potentially mitigate systemic inflammation, and reduce glucose mobilization during late systemic inflammation. MOS inherently induced IL 3 expression in non-challenged control hosts. However, consequent to LPS challenge, IL 3 was induced in VIRG hosts but not differentially expressed in MOS hosts, therefore revealing that MOS counteracted LPS's detrimental inflammatory effects. Indeed, the lower energy demands of LPS-challenged birds fed MOS were sufficiently met through TCA citrate-derived energy, as indicated by ATP citrate synthase (CS) up-regulation. Contrastingly, VIRG host's elevated energy requirements increased gene expressions for intestinal gluconeogenesis (PEPCK) and liver glycolysis (ENO2). In conclusion, this study revealed the mechanisms by which MOS, in contrast to VIRG, i) enhanced host's intestinal innate defense mechanisms against Salmonella; ii) terminated Salmonella-induced intestinal and systemic inflammation earlier; iii) and modulated innate immunity to markedly reduce glucose mobilization during late systemic inflammation. Therefore, MOS represents a biological strategy that can prevent or treat S. Enteritidis infections in poultry and humans, without posing the risk of developing antibiotic-resistance. / Le développement des souches de S. Enteritidis résistantes aux antibiotiques compromet le traitement de la salmonellose avec des antibiotiques thérapeutiques dans la santé humaine. Donc, il y a urgence de développer des remplaçants efficaces aux antibiotiques de croissance chez la volaille. Notre hypothèse était que contrairement aux antibiotiques sous-thérapeutiques, l'utilisation d'oligosaccharides riches en mannose (MOS), un prébiotique naturel, améliorerait les mécanismes de défense intestinale innés chez les poulets sains et infectés par la Salmonelle, prévenant ainsi l'invasion de l'épithélium intestinal par S. Enteritidis et atténuant de ce fait l'inflammation intestinale et systémique induite par la Salmonelle. Contrairement aux antibiotiques tels que la virginiamycine (VIRG) et la bacitracine (BACT), le MOS (0.2%) a amélioré les mécanismes de défense intestinale innés chez les poulets, tel que démontré par la prolifération des cellules à gobelet sécrétant ainsi plus de mucines, et l'enrichissement de la flore microbienne avec des bactéries bénéfiques, particulièrement bifidobacteria. Le MOS était aussi efficace que la VIRG et BACT dans le contrôle intestinal d'E. coli. Mais, à une dose plus élevée (0.5%) que le dosage recommandé (0.2%), le MOS n'a démontré aucun bénéfice additionnel dans la santé intestinale. Afin d'examiner si le MOS pourrait mieux contrôler le S. Enteritidis intestinale tout en améliorant les mécanismes de défense innés, des poussins ont été infectés avec S. Enteritidis. Les poussins infectés alimentés avec la diète témoin ont souffert de somnolence, diarrhée, perte d'appétit, exfoliation des cellules épithéliales et endommagement des villosités, tandis que ces symptômes ont été abrogés par le MOS et la VIRG. Cependant, une réduction dans l'expression de IL 12 par le MOS relatif à la VIRG démontra que le MOS termina l'inflammation induite par S. Enteritidis plus tôt. Le MOS augmenta la sécrétion des mucines neutres et acides en augmentant les nombres de cellules à gobelet neutres et acides plutôt que par une sécrétion accrue de mucines par chaque cellule à gobelet; l'expression de MUC 2 était inchangé entre les poussins infectés et alimentés avec la VIRG ou MOS. En revanche une diminution dans l'expression du MUC 1 induite par le MOS indiqua que le MOS a réduit les dommages des cellules épithéliales causés par S. Enteritidis. Les villosités intestinales étaient plus longues et saines chez les poussins infectés et alimentés avec le MOS que la VIRG. L'invasion de l'épithélium intestinal par S. Enteritidis cause l'inflammation systémique. Pour déterminer si le MOS, contrairement à la VIRG, pourrait atténuer l'inflammation systémique et réduire la mobilisation de glucose pendant la phase avancée de l'inflammation, nous avons utilisé un modèle d'inflammation systémique et des analyses de microréseaux d'ADN. Le MOS induit l'expression d'IL 3 chez les poulets non soumis au LPS. Mais, suite à l'injection de LPS, l'expression d'IL 3 a été augmentée chez les poulets alimentés avec la VIRG que le MOS, indiquant que le MOS a aboli les effets inflammatoires du LPS. En effet, une augmentation dans l'expression de l'ATP citrate de synthase (CS) indiqua que les demandes énergétiques inférieures des poulets injectés avec du LPS et alimentés avec le MOS ont été suffisamment satisfaites par l'énergie dérivée par le cycle de l'acide citrique. Par contre, les besoins énergétiques plus élevés chez les poulets alimentés avec la VIRG ont entrainé une augmentation de l'expression des gènes de la néoglucogenèse intestinale (PEPCK) et de la glycolyse du foie (ENO2). En conclusion, cette étude a démontré les mécanismes par lesquels le MOS, contrairement à la VIRG, i) a augmenté les mécanismes de défense intestinaux innés contre la Salmonelle; ii) a mis fin à l'inflammation intestinale et systémique causée par la salmonelle plus tôt; iii) et a réduit la mobilisation du glucose pendant une phase avancée dans l'inflammation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106385 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Baurhoo, Bushansingh |
| Contributors | Xin Zhao (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Animal Science) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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