Staphylococcus aureus in bovine intramammary infection : molecular, clinical and epidemiological characteristics

Staphylococcus aureus, yksi yleisimpiä lypsylehmän utaretulehduksen aiheuttajia, aikaansaa usein kroonisen, lehmästä toiseen helposti tarttuvan tulehduksen. S. aureuksen kyky tuottaa jopa kymmeniä virulenssi- ja mikrobilääkeresistenssitekijöitä tekee siitä hyvin sopeutuvaisen ja selviytymiskykyisen. Nämä tekijät vaihtelevat S. aureus -kantojen välillä, jolloin eri kantojen kliininen merkityskin voi olla erilainen. Työn tavoitteena oli kartoittaa S. aureuksen aiheuttaman utaretulehduksen esiintyvyyttä suomalaisilla lypsykarjatiloilla, tutkia S. aureuksen mikrobilääkeresistenssiä, erityisesti penisilliini- ja metisilliiniresistenssiä, sekä selvittää utaretulehduksia aiheuttaneiden kantojen kirjoa ja kliinistä merkitystä. Kannat tyypitettiin pulssikenttägeenielektroforeesilla sekä tunnistamalla virulenssi- ja resistenssitekijöitä. Eri kantojen kliinistä merkitystä tutkittiin vertailemalla kliinisten oireiden voimakkuutta, tulehdusindikaattorien pitoisuuksia tulehdusneljännesten maidosta, sekä arvioimalla tulehduksen persistointia hoidon jälkeen otettujen seurantanäytteiden perusteella. Lisäksi vertailtiin kahden erityyppisen lypsykarjan lehmien utaretulehduksista, iholta ja navettaympäristöstä peräisin olevia kantoja, tarkoituksen tutkia eri S. aureus -populaatioiden eroavaisuuksia, reservoaareja ja tarttumista. Kartoitustutkimuksessa havaittiin S. aureuksen suhteellisen osuuden bakteeripositiivisista näytteistä laskeneen, mutta S. aureus – utaretulehduksen yleisyyden, keskimäärin 1,3 infektoitunutta neljännestä noin 10 %:lla lehmistä, säilyneen ennallaan. S. aureusta esiintyi 2/3:lla kartoitustutkimuksen tiloista. Vuosina 1993-1997 kerätyssä 116 lehmän kenttäaineistossa eristettiin kaikkiaan 22 utaretulehdusta aiheuttanutta kantaa, joista viisi aiheutti yli 90 % tapauksista ja 17 vain yksittäisiä sairastumisia. Kahdessa tarkemmin seuratussa tutkimuskarjassa 85 %:lla lehmistä oli S. aureusta neljännesmaidossa, utareiholla, vedinkanavissa tai haavoissa. Myös tutkimuskarjoissa vallitsi vain yksi tai kaksi kantaa, ja näitä eristettiin paitsi utaretulehduslehmistä, myös terveiden lehmien iholta, lypsyvälineistöstä sekä lypsäjistä. Kantojen kirjo oli suurempaa karjassa, joka osti eläimiä, verrattuna karjaan, joka kasvatti omat lehmänsä itse. S. aureus oli harvoin resistentti useammalle kuin yhdelle tutkitulle mikrobilääkkeelle, mutta penisilliiniresistenssi oli yleistä; se todettiin yli 50 %:lla kartoitustutkimuksen S. aureus-kannoista ja lähes puolessa karjoista. Penisilliiniresistenssiä koodaava geeni esiintyi usein kahden enterotoksiinigeenin (sed, sej) kanssa samanaikaisesti, mikä viittaa resistenssiplasmidin läsnäoloon. Kyseinen geeniyhdistelmä oli tyypillistä vain tietyille kannoille, joten resistenssiplasmidin horisontaalinen, ts. kannalta toiselle leviäminen lienee harvinaista. Metisilliiniresistenttejä kantoja ei todettu. Yleisimpien S. aureus -kantojen aiheuttamien utaretulehdusten kliiniset oireet, maidon tulehdusindikaattorien pitoisuudet ja tulehduksen persistoiminen erosivat toisistaan merkitsevästi. Penisilliiniresistentit S. aureukset aiheuttivat penisilliiniherkkiä merkitsevästi useammin persistoivan tulehduksen. Penisilliiniresistenteistä kannoista ne, joilla oli mahdollinen resistenssiplasmidi, aiheuttivat persistoivan tulehduksen useammin kuin ne kannat, joilla oli yksinomaan penisilliiniresistenssigeeni. Tämä viittaa siihen, että penisilliiniresistenteissä kannoissa olisi erotettavissa alaryhmä, joka muita todennäköisemmin aiheuttaisi kroonisen tulehduksen. Tämän tutkimuksen tuloksia voidaan käyttää hyväksi suunniteltaessa S. aureuksen aiheuttaman utaretulehduksen ennaltaehkäisyä lypsykarjoissa. Tulevaisuudessa diagnostiikan ulottaminen kantatasolle ja mahdollisten virulenssitekijöiden tunnistaminen voisi mahdollistaa suunnatut toimenpiteet tiettyjä, patogeenisempia S. aureus –kantoja vastaan. Samoin rokotteiden kehittämisessä tieto bakteerien yleisistä virulenssitekijöistä on hyödyksiStaphylococcus aureus, one of the most common causes of bovine intramammary infections and mastitis in modern dairies, is easily transmissible and respond poorly to treatment. Some S. aureus strains are better adapted to infect the mammary gland, whereas others are less important as a cause of mastitis. Identification of these strains can be possible using the tools of molecular microbiology. The aims of this thesis were to determine prevalence of bovine S. aureus intramammary infection in Finnish dairy herds, to study antimicrobial resistance of bovine S. aureus with focus on methicillin and penicillin resistance, to investigate whether differences in clinical significance exist between S. aureus strains and to establish if certain strain types or determinants for virulence can be specifically linked with mastitis. Finally, reservoirs and transmission of S. aureus in two herds with different management regimes were studied by collecting S. aureus from cases of mastitis and from extramammary sites (teat skin, teat canals and skin lesions, milking liners, hands and nostrils of the milking personnel). The results from a nationwide survey indicated that S. aureus remains a significant mastitis pathogen in Finland as both the prevalence of quarters (3.4%) and the prevalence of cows infected by S. aureus (10.2%) has remained nearly stable. The proportion of S. aureus representing a mastitis-causing agent decreased from the previous survey of 1995, but the total number of quarters that were positive for bacterial growth significantly increased. S. aureus was isolated from two-third of the herds. According to field data collected from 1993 to 1997 among the 22 S. aureus pulsotypes identified, five pulsotypes dominated as the cause of S. aureus mastitis and 17 pulsotypes were sporadic. In the two herds of study IV, S. aureus was isolated from 85% of the cows from intramammary infections, udder skin, wounds, milking equipment, and from hands and nostrils of the milking personnel. One or two strains dominated in these herds. The diversity of strains was higher in the herd, which purchased cattle as compared with the closed herd. Compared with the previous surveys, the proportion of penicillin resistant, β-lactamase producing S. aureus remained almost stabile but was still high, approximately 50%. Penicillin resistant S. aureus were isolated in almost one-half of the survey herds. sed and sej permanently co-existed with the penicillin-resistance gene blaZ, suggesting the presence of a penicillinase plasmid in these strains. Methicillin-resistant isolates was not detected. The clinical signs, acute local response and persistence differed significantly between the predominant strains. S. aureus strains that had the putative penicillinase plamid were overrepresented in persistent mastitis and these persisted significantly more often compared with the strains containing blaZ only. This suggests that among penicillin-resistant blaZ positive strains, a subgroup of strains containing sed and sej may be more likely linked with chronic mastitis than the other subgroups. Information on the ecology, epidemiology and characteristics of S. aureus presented in this thesis may be useful for planning control strategies in herds with problems of S. aureus mastitis. Diagnosis to strain level and determination of certain virulence determinants would be necessary to target measures against infections caused by specific strains. This would require molecular techniques feasible also for field use