Stress metabolico e immunità: che cosa possiamo apprendere dalle razze bovine autoctone?
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CREA-ZA, Monterotondo
“Stress metabolico e immunità:
che cosa possiamo apprendere
dalle razze bovine autoctone?”
Massimo Amadori
Laboratory of Cellular Immunology, Istituto Zooprofilattico Sperimentale della
Lombardia e dell’Emilia-Romagna, Brescia, Italy.
11/1/2019
Alta produzione e
prevalenza di malattie
Chiara correlazione con prevalenza di mastite, ma anche
chetosi e zoppia (Ingvartsen et al., 2003).
Immunosoppressione – Disregolazione delle risposte
flogistiche.
Correlazione malattia / fase
produttiva
IMI !!
Trattamenti per mastite
su bovine Frisone
(Lorenzi V., CReNBA, 2018)
Osservazione raccolta (solo stal e con frisone) 2016 2017 2018
Numero di trat amenti superiore all’80% del numero di bovine in lat azione 8,5% 5,60% 3,04%
Numero di trat amenti compreso tra il 40 e l'80% del numero di bovine in lat azione 29,7% 23,30% 17,72%
Numero di trat amenti inferiore al 40% del numero di bovine in lat azione 61,8% 71,10% 79,24%
AZIENDE: 309 nel 2016 / 604 nel 2017 / 1316 nel 2018
NYS: 40% in media (Moroni P., comunicazione personale)
Il sistema immunitario funziona !
100
90
80
70 Nulla
60 Amoxi
50 Cefa I
40 Cloxa
30 Peni
20 Pirli
10
0
Str.agal S.aur. Str.amb. SCN
Y axis: % curing rates . Red bars: no antibiotic treatment. SCN: coagulase-
negative staphylococci Wilson, 1999
Lo stress metabolico
Stress metabolico:
1. Uno squilibrio nell’omeostasi di un organismo vivente
conseguente ad un utilizzo anomalo dei nutrienti.
2. Gli animali di interesse zootecnico sono soggetti a
stress metabolico quando I requisiti energetici non
vengono coperti dalle diete disponibili.
(Lacetera, 2016)
Quesiti centrali • Come viene rilevato lo stress metabolico dall’ospite ? • Quale relazione intercorre tra stress metabolico e incidenza di malattia ? • Quale relazione sussiste tra stress metabolico ed immuno-competenza ? • Come possiamo valutare e monitorare i rischi sanitari connessi allo stress metabolico ?
Stressori non-infettivi: un libro «One Health»
Concetto centrale
Sensing, signaling and effector mechanisms of the innate
immune system are remarkably similar for both
infectious and non–infectious stimuli,
albeit differently modulated
(Amadori, M. , 2016, preface to the book)
Impatto degli stressori
Riconoscimento dello stress
metabolico
Metabolic changes (acidosis, osmolarity, hypoxia, ROS,
ATP/AMP, a.a.), NEFA
Pi3 / Akt / TLR4
eIF2α mTOR
inflammasome IL-1β / IL18
Expression of IL-12
P38 MAPK and IL-10 in myeloid
cells
TLR ligands,
cytokines, Regulation of pro and
physico-chemical anti-inflammatory
stressors responses in tissuesMissing self e induced self: lymphoid cells go into action !
In quale contesto si colloca la risposta
dell’ospite ?
Inflammation: fundamental component of homeostasis
Badly needed for readiness and effectiveness of the immune systemCorrelazione citochine / metabolismo
• IFN-alfa umano per os a dosi «omeopatiche» altera
profondamente il metabolismo energetico delle bovine
da latte (BCS, - produzione di latte, aptoglobina,
ceruloplasmina, risposta –APP) (Trevisi et al., 2009, J.
Anim. Sci. 87, 3020-3029).
• TNF-alfa: aumento di NEFA plasmatici in bovine da latte,
antagonismo di IGF-1 in muscolo di suini.
• IFN-gamma: inibitore di PPAR-gamma e influisce così sul
metabolismo lipidico e la resistenza all’insulina
•CHETOSI !!Citochine -APP fattore
prognostico di rischio
g/L Negative APP: albumin (PRisposta NK in bovine da latte:
cellule NKp46+ in PBMC
Accumulo di cellule NKp46+ (NK) in PBMC di
bovine da latte sane.“Memoria” del sistema immunitario innato
DIFFERENTE DALLA MEMORIA DEL SISTEMA IMMUNITARIO ADATTATIVO
CELLULE DEL COSTRUISCONO UNO STATO
STIMOLATE DA SISTEMA CONOSCIUTO COME
STRESSORI IMMUNITARIO “TRAINED IMMUNITY”
INNATO
RIPROGRAMMAZIONE EPIGENETICA
Cambiamento dell’attività trascrizionale
Senza cambiamenti genetici permanenti
(Natea et al., 2016)
Cambiamenti della
PROGRAMMAZIONE FUNZIONALE
Finalità: Natea et al., 2015
Arts et al., 2016
si prolungano nel tempo Crisan et al.,2016
Berrien-Elliott et al., 2015
Van der Meer et al., 2015
rendono queste cellule più reattive nei confronti di una seconda stimolazione Quintin et al., 2014
Rolle et al., 2013
Natea et al., 2015Impatto a lungo termine degli stressori ambientali: le bovine in asciutta
Local cattle breeds can teach us a lot
Ovvero……
Le razze bovine autoctone possono fornire
indicazioni utili su meccanismi
efficaci di adattamento e risposta a stressori
infettivi e non-infettivi.
« Che cosa abbiamo perso ?»Il calo autunnale della produzione di latte
Italia
L’andamento della produzione
media si ripete in modo simile GML
PRIM
GML
PLUR
ogni anno..…
Europa
Paesi a sud dell’equatore
USAMeno latte in autunno:
lo stress termico aggrava lo stato infiammatorio ?
NON RIESCE AD
STRESS ADATTARSI
TERMICO AL CLIMA CALDO
UMIDO
RISCHI SANITARI La bovina genera
calore metabolico
immunodepressione, aumentata calore dal movimento
suscettibilità nei confronti di laminiti, La bovina
mastiti, metriti, prolasso utero assorbe calore
dall’ambiente
DISFUNZIONI METABOLICHE
acidosi, dislocazione dell’abomaso
EFFETTI SULLA PRODUZIONE
calo della quantità di latte prodotto,
peggioramento della qualità del latte
CONFORT TERMICO
tra -5 °C e 25°C
EFFETTI SULLA RIPRODUZIONE
aumento calori silenti, diminuzione Animali in lattazione:
tasso di concepimento, aumento tra -14°C, e 20°C
intervallo interparto
STRESS TERMICO
GLI EFFETTI POSSONO PERMANERE THI (fonte CRA)
PER SUCCESSIVI PERIODI PIÙ O MENO LUNGHI (Temperature Humidity Index)
NOSTANTE IL RITORNO A CONDIZIONI CLIMATICHE FAVOREVOLI superiore a 72
(Sordillo e Raphael, 2013)
(Pierre et al., 2003)Analisi comparativa Frisona/Reggiana 2014 2015
La regolazione del processo
infiammatorioRipercussioni sulla risposta ai patogeni
della mammella ?Tre stadi nella risposta ai batteri patogeni in mammella
!
Stage 1. Host resistance factors in milk Stage 3.
Keratins / complement / defensins / Release of chemotactic factors, influx of
lysozyme / lactoferrin / calprotectin / granulocytes, strong inflammatory response
sCD14 / SAA / NAGse.
Leukocytes: PMN, Lymphocytes ,
Monocytes
Stage 2.
Further release of antibacterial peptides by
mammary gland epithelial cells after
contact with bacterial pathogensBovine Frisone / autoctone • I meccanismi di immunità innata sono meno efficienti nelle bovine da latte ad alta produzione. • Le uniche differenze significative tra Frisone ed autoctone sono osservate nel periodo colostrale. • Correlazione con assetto del microbiota. • Correlazione evidente con il livello di stress metabolico (livelli di NEFA). • Nel periodo colostrale si realizza probabilmente un «priming» cruciale di meccanismi immunitari innati in mammella
Parametri di difesa immunitaria nel colostro
(Bruna, Frisona,
Frisona, Rendena)
Rendena)
Rendena 1330 (AD) 1:10
Rendena 1329 (PD) 1:10
Rendena 1330 (PD) 1:10
Rendena 1329 (PS) 1:10
Rendena 1330 (PS) 1:10
Holstein 2422 (AD) 1:10
T1 (post-partum)
Bruna 7277 (AD) 1:10
Bruna 7277 (PS) 1:10
250
150
Xanthine dehydrogenase/oxidase
100
75 Lactoferrin
50 Ig heavy chain
37
Caseins
25 Ig light chain
20
Alpha lactalbumin
15
Beta lactoglobulin
10
Same amount of milk
loaded in each lane
Curone et al., 2018Geni PTX3 e TIR-8 in MFG (Curone et al., 2018)
Razze autoctone: diversa attività
batteriostatica / battericida di colostro e latte
Incubation of log phase
Addition of Syto9 / PI and Analysis in a Guava
bacteria in BHI + skim
incubation at RT, 15’ EasyCyte HT Cytometer
milk for 2 hours
• 64 and 32 single quarter samples were collected from MOD and HF cows,
respectively, at 4 different time points and frozen at -80°C.
• Bacteriological examination, NAGse test (Kitchen et al., 1978).
• Centrifuged, skimmed samples: flow cytometry-based killing assay on E.coli and S.
aureusGating strategy • FSC x SSC cytogram with a SSC threshold • Discrimination from unspecific particles
Killing di S. aureus
in citometria a flusso
A) Log phase S. aureus in B) Log phase S. aureus in medium
medium at 2 hours + 50% skim milk at 2 hours
R4: dead cells; R5: live cells; R6: sub-vital cells% Killing: E. coli e S. aureus strains
Frisone / Modenesi
E. coli S. aureusNAGse activity (units) in milk from single quarters of MO and HF cows
Che cosa succede in campo? • Diversa dinamica di IMI in bovine Frisone ed autoctone. • Bovine Frisone: lunga persistenza di IMI da S. aureus (e anche S. uberis) con parallela risposta in SCC. • In bovine autoctone (Modenesi e Rendene): 1. Andamento transitorio di tali IMI (3-4 settimane) 2. Correlazione scarsa o nulla con i livelli di SCC 3. Assenza di riscontri clinici e produttivi Il segnale dei PAMPs batterici è percepito differentemente ? E’ un problema di regolazione della risposta ? Linfociti T γδ ? Bisogna allora ridefinire il concetto di batteri patogeni per la ghiandola mammaria: il caso S. aureus !
Conclusioni 1. Lo stress metabolico può determinare alterazioni gravi dell’omeostasi nelle bovine da latte ad alta produzione. 2. Tali alterazioni non sono evidenziate nelle bovine di razze autoctone, che dispiegano maggiore adattamento e resilienza nella fase del periparto 3. I dati forniti da tali razze possono utilmente indirizzare i ricercatori nella valutazione dei parametri metabolici ed immunologici del periparto (funzioni adattative perse o ridimensionate). 4. I dati possono essere funzionali alla valutazione di interventi di immunomodulazione e di gestione differenziale della mungitura nelle bovine ad alta produzione.
Riconoscimenti • M.F. Addis, V. Bronzo, G. Curone, P. Moroni, C. Pollera, F. Riva, J.F. Felipe- Soares, L. Turin, D. Vigo: microbiology, proteomics and molecular diagnostics (Università degli Studi, Department of Veterinary Medicine, Milan) • B. Castiglioni, P. Cremonesi : metagenomics (Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria, Lodi) • E. Trevisi, A. Minuti: animal science, clinical chemistry (Università Cattolica del Sacro Cuore, Facoltà di Scienze Agrarie, Alimentari ed Ambientali, Piacenza)
Ringraziamenti
• CREA-ZA per l’invito
• Giovanna De Matteis, Francesco
Grandoni per la preziosa
collaborazione
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