Over 200 zoonotic diseases have been recognized and it is estimated that every year six out of ten cases of infectious disease afflicting humans originate from animals. Viruses are often responsible for new emerging diseases; however bacteria are also agents of zoonoses with a negative impact on health systems and the economy of our society. Coxiella burnetii is an intracellular bacterium with peculiar characteristics. It is the pathogen of Q Fever, an example of zoonosis in which the interaction between animals, the environment and human populations has led to the onset of large-scale epidemics, even in highly developed territories such as Europe. Domestic ruminants, especially goats and sheep, are considered the main source of infection for humans. Although cattle appear to be of minor zoonotic importance, infection with C. burnetii can impair the efficiency of their reproductive system, resulting in economic losses. The identification of infected subjects shedding C. burnetii is the best strategy to reduce the prevalence of the infection on farms. No gold standard technique is available for the diagnosis of Q fever in cattle, but identification of the bacterium by real-time PCR and ELISA are considered methods of choice. Unfortunately, these methods only allow for an interpretation at the herd level but not on the individual animal. Furthermore, the diagnosis through the detection of the pathogen can only be made after parturition. Indeed, the excretion of the bacterium does not occur during gestation, but only at the time of parturition, especially through fluids and fetal wrappings which represent the main source of infection for humans and animals. The aim of this thesis is to improve the knowledge of the mechanisms leading to the infection and excretion of C. burnetii in first-calf cows. The possibility of identifying excretory subjects before parturition and whether there is a moment of greatest risk of infection during pregnancy was investigated by evaluating the humoral and cell-mediated response during pregnancy, peripartum and lactation. Although further studies are needed, the results obtained suggest the use of traditional serology and assessment of INF-γ production in response to phase I antigen as methods to identify potential first calf excretory cows before calving. A significant immune response in first-calf cows followed during this study was observed starting from the 8th month of gestation, as a result of the management decision to combine the latter together with the multiparous cows in the same box, in the weeks before calving. Therefore, the importance of careful farm management is highlighted to prevent the spread of C. burnetii, limiting the related economic damages but also the possible risks to public health due to the zoonotic characteristics of the bacterium.

Ad oggi sono state riconosciute oltre 200 malattie zoonotiche e si stima che ogni anno sei casi di malattia infettiva su dieci, che affliggono l’uomo, abbiano origine proprio dagli animali. Molto spesso i responsabili di nuove malattie emergenti di grande notorietà mediatica sono virus, tuttavia anche i batteri sono agenti di zoonosi che gravano nella nostra società sia da un punto di vista sanitario, che a livello economico. Coxiella burnetii è un batterio intracellulare dalle caratteristiche peculiari, responsabile della Febbre Q, un esempio di zoonosi in cui l'interazione tra gli animali, l’ambiente e le popolazioni umane ha determinato l’insorgere di epidemie di grande portata anche in territori altamente sviluppati come l’Europa. I ruminanti domestici, in particolare le capre e le pecore, sono considerati la principale fonte di infezione per l’uomo. I bovini sembrano avere una minore importanza dal punto di vista zoonotico, tuttavia l’infezione da C. burnetii può incidere sull’efficienza del loro apparato riproduttore, con conseguenti danni economici in questo settore zootecnico. L'identificazione dei soggetti infetti possibili escretori di C. burnetii è la migliore strategia per diminuire la prevalenza dell’infezione negli allevamenti. Sebbene non sia disponibile alcuna tecnica gold standard per la diagnosi di Febbre Q nel bovino, l’identificazione del batterio mediante real-time PCR ed il test ELISA sono considerati metodi di scelta. Purtroppo questi metodi consentono un'interpretazione solamente a livello di mandria e non sul singolo animale. Inoltre l’escrezione del batterio non avviene durante la gestazione, per cui la diagnosi attraverso il rilevamento dell’agente patogeno può essere fatta solamente dopo il parto, che costituisce il momento di maggior rischio per la trasmissione dell’infezione a causa delle concentrazioni molto elevate del microorganismo nei liquidi ed invogli fetali. Lo scopo di questa tesi è quello di migliorare la conoscenza dei meccanismi che conducono all’infezione e all’escrezione di C. burnetii in bovine primipare. Valutando la risposta umorale e cellulo-mediata, durante la gravidanza, il peri-parto e la lattazione si è indagato se è possibile identificare i soggetti infetti escretori prima del parto e se esiste un momento di maggior rischio di infezione durante la gravidanza. Sebbene siano necessari ulteriori studi, i risultati ottenuti suggeriscono l’utilizzo della sierologia tradizionale e la valutazione della produzione dell’INF-γ in risposta all’antigene di fase I come metodi per individuare prima del parto le bovine primipare possibili escretrici. Una significativa risposta immunitaria nelle bovine primipare seguite durante questo studio si è osservata a partire dall’8° mese di gestazione, in conseguenza della scelta gestionale di unire nello stesso box quest’ultime assieme alle vacche pluripare, nelle settimane prima del parto. Viene pertanto evidenziata l’importanza di un’attenta gestione della mandria per prevenire il diffondersi di C. burnetii, limitandone i danni economici correlati ma anche i possibili rischi sulla salute pubblica, date le caratteristiche zoonotiche del batterio.

Infezione da Coxiella burnetii nelle bovine da latte primipare: valutazione della risposta immunitaria e dell’escrezione dell’agente eziologico nel post-parto in corso di infezione naturale

BASTON, RICCARDO
2021/2022

Abstract

Over 200 zoonotic diseases have been recognized and it is estimated that every year six out of ten cases of infectious disease afflicting humans originate from animals. Viruses are often responsible for new emerging diseases; however bacteria are also agents of zoonoses with a negative impact on health systems and the economy of our society. Coxiella burnetii is an intracellular bacterium with peculiar characteristics. It is the pathogen of Q Fever, an example of zoonosis in which the interaction between animals, the environment and human populations has led to the onset of large-scale epidemics, even in highly developed territories such as Europe. Domestic ruminants, especially goats and sheep, are considered the main source of infection for humans. Although cattle appear to be of minor zoonotic importance, infection with C. burnetii can impair the efficiency of their reproductive system, resulting in economic losses. The identification of infected subjects shedding C. burnetii is the best strategy to reduce the prevalence of the infection on farms. No gold standard technique is available for the diagnosis of Q fever in cattle, but identification of the bacterium by real-time PCR and ELISA are considered methods of choice. Unfortunately, these methods only allow for an interpretation at the herd level but not on the individual animal. Furthermore, the diagnosis through the detection of the pathogen can only be made after parturition. Indeed, the excretion of the bacterium does not occur during gestation, but only at the time of parturition, especially through fluids and fetal wrappings which represent the main source of infection for humans and animals. The aim of this thesis is to improve the knowledge of the mechanisms leading to the infection and excretion of C. burnetii in first-calf cows. The possibility of identifying excretory subjects before parturition and whether there is a moment of greatest risk of infection during pregnancy was investigated by evaluating the humoral and cell-mediated response during pregnancy, peripartum and lactation. Although further studies are needed, the results obtained suggest the use of traditional serology and assessment of INF-γ production in response to phase I antigen as methods to identify potential first calf excretory cows before calving. A significant immune response in first-calf cows followed during this study was observed starting from the 8th month of gestation, as a result of the management decision to combine the latter together with the multiparous cows in the same box, in the weeks before calving. Therefore, the importance of careful farm management is highlighted to prevent the spread of C. burnetii, limiting the related economic damages but also the possible risks to public health due to the zoonotic characteristics of the bacterium.
2021
Coxiella burnetii natural infection in first-calf cows: immune response and pathogen shedding assessment in the post-partum
Ad oggi sono state riconosciute oltre 200 malattie zoonotiche e si stima che ogni anno sei casi di malattia infettiva su dieci, che affliggono l’uomo, abbiano origine proprio dagli animali. Molto spesso i responsabili di nuove malattie emergenti di grande notorietà mediatica sono virus, tuttavia anche i batteri sono agenti di zoonosi che gravano nella nostra società sia da un punto di vista sanitario, che a livello economico. Coxiella burnetii è un batterio intracellulare dalle caratteristiche peculiari, responsabile della Febbre Q, un esempio di zoonosi in cui l'interazione tra gli animali, l’ambiente e le popolazioni umane ha determinato l’insorgere di epidemie di grande portata anche in territori altamente sviluppati come l’Europa. I ruminanti domestici, in particolare le capre e le pecore, sono considerati la principale fonte di infezione per l’uomo. I bovini sembrano avere una minore importanza dal punto di vista zoonotico, tuttavia l’infezione da C. burnetii può incidere sull’efficienza del loro apparato riproduttore, con conseguenti danni economici in questo settore zootecnico. L'identificazione dei soggetti infetti possibili escretori di C. burnetii è la migliore strategia per diminuire la prevalenza dell’infezione negli allevamenti. Sebbene non sia disponibile alcuna tecnica gold standard per la diagnosi di Febbre Q nel bovino, l’identificazione del batterio mediante real-time PCR ed il test ELISA sono considerati metodi di scelta. Purtroppo questi metodi consentono un'interpretazione solamente a livello di mandria e non sul singolo animale. Inoltre l’escrezione del batterio non avviene durante la gestazione, per cui la diagnosi attraverso il rilevamento dell’agente patogeno può essere fatta solamente dopo il parto, che costituisce il momento di maggior rischio per la trasmissione dell’infezione a causa delle concentrazioni molto elevate del microorganismo nei liquidi ed invogli fetali. Lo scopo di questa tesi è quello di migliorare la conoscenza dei meccanismi che conducono all’infezione e all’escrezione di C. burnetii in bovine primipare. Valutando la risposta umorale e cellulo-mediata, durante la gravidanza, il peri-parto e la lattazione si è indagato se è possibile identificare i soggetti infetti escretori prima del parto e se esiste un momento di maggior rischio di infezione durante la gravidanza. Sebbene siano necessari ulteriori studi, i risultati ottenuti suggeriscono l’utilizzo della sierologia tradizionale e la valutazione della produzione dell’INF-γ in risposta all’antigene di fase I come metodi per individuare prima del parto le bovine primipare possibili escretrici. Una significativa risposta immunitaria nelle bovine primipare seguite durante questo studio si è osservata a partire dall’8° mese di gestazione, in conseguenza della scelta gestionale di unire nello stesso box quest’ultime assieme alle vacche pluripare, nelle settimane prima del parto. Viene pertanto evidenziata l’importanza di un’attenta gestione della mandria per prevenire il diffondersi di C. burnetii, limitandone i danni economici correlati ma anche i possibili rischi sulla salute pubblica, date le caratteristiche zoonotiche del batterio.
Coxiella burnetii
Q fever
dairy cow
immune response
shedding
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