Investigations on the significance of the gastrointestinal flora for the immune system of chickens

7. Zusammenfassung Untersuchungen zur Bedeutung der Magen-Darm-Flora auf das Immunsystem von Hühnern Nasser Ali Abou Hashem Elsayed Instiut für Bakteriologie und Mykologie, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig Leipzig, Juli, 2002 (128 Seiten, 60 Abbildungen, 21 Tabellen und 227 Referenzen) Viele komplexe bakterielle Kontrollmechanismen der Darmmikroflora sind am Ausschluss pathogener Keime beteiligt. Dysregulationen im gastrointestinalen Ökosystem können den schützenden Effekt der indigenen Mikroflora schwächen, was die Kolonisation von pathogenen Keimen im Darmkanal begünstigt. Dysregulationen im gastrointestinalen Ökosystem treten bei Jungtieren hauptsächlich unter Stress, bei der Futterumstellung oder Verdauungsstörungen in Erscheinung. Alle diese Situationen kommen bei Jungvögeln vor. Dem zu Folge ist es nicht überraschend, dass Jungvögel empfindlicher für die Kolonisation von pathogenen Darmerregern wie Salmonellen sind. Das Verstehen der gastrointestinalen Mikroflora ist nicht nur für die Entwicklung von Probiotika sondern auch für das Entwickeln neuer Präbiotika wichtig. 1. Effekt von 0.5% Inulin im Trinkwasser und 1% Leinsamen im Futter auf die natürliche Besiedlung junger Küken mit S. Enteriditis, die Zugaben von Inulin im Trinkwasser (I-Gruppe) oder Inulin und Leinsamen (IL-Gruppe) an die jungen Küken führte zur Reduzierung der Nachweisrate von S. Enteritidis bei natürlich besiedelten Küken. 2. Effekte von 0.5% Inulin im Trinkwasser und 1% Leinsamen im Futter auf die intestinale bakterielle Besiedlung und den Immunstatus von SPF Hühnern, die bakteriologischen Untersuchungen offenbarten einen signifikanten Abfall der aeroben Gesamtbakterienzahl im Dünndarm und in Zäkum, aber nicht in Kropf und Rektum, insbesondere von der dritten Versuchswoche in den IL- und I-Gruppen gegenüber den Kontrolltieren. Die Zahl der gramnegativen Bakterien war in der zweiten Woche im Kropf und Dünndarm in den IL- und I-Gruppen deutlich rückläufig sowie in der dritten Woche im Zäkum und Rektum aber nicht in der C-Gruppe. Die Bdellovibrionenzahl stieg signifikant nur im Zäkum und im Rektum der IL- und I-Gruppen an, dem gegenüber konnten in der C-Gruppe keine Bdellovibrionen isoliert werden. Bedeutsame Unterschiede der Körpergewichte zwischen all den Gruppen zeigten sich nicht, wobei das signifikante Ansteigen die Quotient aus Bursa Fabricii/Körpergewicht in den IL- und I-Gruppen gegenüber der C-Gruppe auffielen. 3. Effekte von Inulin auf die Darmflora, den Endotoxin- und PC-BP-Blutspiegel und den Immunstatus von Broilern, nach der ersten Woche der Inulin-Verabreichung zeigten sich kaum Unterschiede in den Gesamtzahlen der aeroben Bakterien im Zäkum in der I-Gruppe (mit Inulin) und C-Gruppe (ohne Inulin). Hingegen stieg die Gesamtkeimzahl in der I-Gruppe gegenüber der C-Gruppe deutlich an. Gramnegative Bakterien fielen zahlenmäßig nach 2 Wochen deutlich bei der I-Gruppe ab. Die Bdellovibrionen steigen nach einer Woche in dieser I-Gruppe etwas an. Ab der zweiten Woche bis zum Ende des Versuchs (also nach 5 Wochen) stieg die Bdellovibrionenzahl in der I-Gruppe signifikant gegenüber der C-Gruppe. Dem gegenüber fiel die C. perfringens-Zahl in dieser I-Gruppe ab, welches in der ersten Versuchswoche von geringer Signifikanz war. In der dritten Woche fielen die zäkalen C. perfringens-Zahlen deutlich in der I-Gruppe gegenüber der C-Gruppe ab, wobei die Clostridien negativ zu den Bdellovibrionen im Zäkum korrelierten. Die Entwicklungen der Körpergewichte im Vergleich der beiden Gruppen zeigten insbesondere ab der 5.Woche signifikante Vorteile in der I-Gruppe. Die Quotienten aus Bursa Fabricii/Körpergewicht und Pankreas/Körpergewicht nahmen deutlich 2 Wochen nach der Inulin-Verabreichung bis zum Versuchsende zu. Die Endotoxin-Blutspiegel reduzierten sich in der I-Gruppe im Vergleich zu den Kontrolltieren besonders deutlich zum Ende des Experiments in der 6. Woche. Ebenso war eine Reduktion des PC-BP-Blutspiegels in der I-Gruppe in der zweiten Woche feststellbar in der 5.Woche. Die PC-BP-und Endotoxin-Blutspiegel korrelierten negativ zu den Körpergewichtzunahmen. Ebenso wirkten sich Zunahmen der aeroben Gesamtkeimzahl, gramnegativen- und Clostridien-Zahlen ungünstig auf die Körpergewichtszunahmen aus. Andererseits zeigt sich hierbei eine positive Korrelation zwischen der Bdellovibrionenzahl und der Körpergewichtzunahme. 4. In den Untersuchungen zur Dynamik der normalen Darmflora im Zäkum der jungen Broiler und erwachsenen Zuchthühner, fanden wir eine umgekehrte Beziehung zwischen dem zahlenmäßigen Vorkommen von Bdellovibrionen und C. perfringens. Die Anzahl der Bdellovibrionen korrelierte negativ zu den aeroben Gesamtkeimzahlen, den gramnegativen und C. perfringens-Bakterienzahlen sowie Endotoxin- und PC-BP (phosphoryl choline-binding protein)-Blutspiegeln. Andererseits korrelierten sie positiv zu den Quotienten aus Bursa Fabricii/Körpergewicht und Pankreas/ Körpergewicht. Die Endotoxin- und PC-BP-Blutspiegel korrelierten positiv mit dem Anstieg der Gesamtkeimzahlen. Das Pankreas/Körpergewicht-Verhältnis korrelierte positiv zum Verhältnis Bursa Fabricii/Körpergewicht. Die Resultate der vorliegenden Untersuchungen weisen darauf hin, dass Inulin für Hühner schützende Effekte offeriert: 1) Deutlich abnehmende intestinale Keimzahlen von C. perfringens. 2 ) Anstieg der Bdellovibrionenzahl. 3 ) Abfall des Endotoxin-Blutspiegels. 4 ) Abfall des PC-BP-Blutspiegels. 5 ) Verbesserung des Immunstatus der Vögel. Aus unseren Resultaten und vorhergehenden Studien können wir feststellen, dass Inulin- und Leinsamen als Funktionelle Futtermittel bei Geflügel eingestuft werden können, weil sie das Risiko einiger Erkrankungen verringern (z.B. durch Salmonellen). Inulin und Leinsamenl besitzen förderliche Effekte auf die intestinale Mikroflora und verbessern den Immunstatus der Tiere. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Erhaltung der Homöostase in den ökologischen Systems des Magen-Darm-Traktes. Weiterführende Untersuchungen wären wünschenswert in Bezug auf die diätetischen Effekte des Inulins auf die anderen wichtigen Vertreter der Darmflora bei Hühnern wie Laktobazillen und Bifidobakterien. Auch die Kombination von Inulin mit Probiotika (Synbiotika) und deren Rolle zur verbesserten lokalen Immunität des Gastrointestinaltrakts und der kompetiven Exclusion pathogener Bakterien wie Salmonella-Serovare wären zu untersuchen.6. Summary Investigations on the significance of the gastrointestinal flora for the immune system of chickens Nasser Ali Abou Hashem Elsayed Institute of Bacteriology and Mycology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig. Leipzig, July, 2002 (128 pages, 60 figures, 21 tables and 227 references) Many complex bacterial control mechanisms are involved in regulating the composition of the gut microflora and in excluding intestinal pathogens. Imbalances in the gastrointestinal ecosystem can weaken the protective effect of the indigenous microflora which gives enteric pathogen a better chance to colonize in the gut. Imbalances in the ecosystem mainly occur in the young animal, during periods of stress, changes in the periods of nutritive application and/ or digestive disorders. The young bird combines all these situations. It therefore not surprise that the young bird is prone to the colonization with enteric pathogens such as salmonellae. Understanding the gastrointestinal microflora is essential not only for the development of probiotics but also for developing new prebiotics. 1- Effect of inulin 0.5% via drinking water and feed supplement with 10% linseed on the natural colonization of young chicks with S. Enteritidis was examined; the addition of inulin to the drinking water (I-group) or inulin and linseed to the young chicks (IL-group) reduced the incidence of a naturally intestinal colonization with S. Enteritidis. 2- Effect of inulin 0.5 % via drinking water and food supplemented with 1% linseed on the intestinal bacterial population and the immune status of SPF chicken was investigated, the bacteriological examinations revealed a significant decrease in total aerobic bacterial count in the small intestine and caecum only but not in the crop and rectum of the IL-group and I-group respectively at the third week of the trial in comparison with control birds. Gram-negative bacterial counts also were significantly decreased in crop and small intestine of IL-group and I-group at the second week and in the caecum and rectum at the third week but not in the C-group. Bdellovibrio bacteriovorus counts were significantly increase only in the caecum and rectum of the IL-group and I-group respectively at the second week but can not be isolated from the C-group. There was no important difference in BW between all groups but there was a significant increase in BF/BW ratio in the I- group and in the IL-group than in C-group indicated increase immune capacity of IL-group and I-group. 3- The effect of inulin on the intestinal flora, endotoxin and PC-BP blood levels and on the immune status of broiler chicken was investigated, There was no significant difference in the total aerobic bacterial counts in the caecum of I-group (with inulin) and C-group (without inulin) after one week of inulin administration but at the second week the total bacterial count by I-group was significantly decreased than in C-group. Gram-negative bacterial counts were also significantly decreased after 2 weeks of inulin administration by I-group, whereas the Bdellovibrio counts were slightly increased in I-group after one week of inulin administration. At the second week and until the end of the experiment (5 weeks) the Bdellovibrio counts were significantly increased in I-group than in C-group. On the other hand, there was a decrease in the C. perfringens caecal counts of I-group, which were slightly significant at the first week of the experiment. At the third week there was a strongly significant decrease in C. perfringens caecal counts of the I-group in comparison with C-group. There was also a negative correlation between C. perfringens and Bdellovibrio caecal counts. There were no significant changes in BW between I-group (with inulin) and C-group (without inulin) during the experiment but at the 5th week, there was a significant increase in the BW of I-group, whereas there was a significant increase in BF/BW ratio in the I-group after 2 weeks of inulin administration until the end of the experiment. The endotoxin level in the blood of I-group was significantly reduced in comparison with control birds especially at the end of the experiment at 6th week. There was also a significant reduction in phosphoryl choline binding protein (PC-BP) at the second week and at the 5th week in the blood of the I-group in comparison with control birds. The PC-BP, endotoxin levels in the blood of birds were negatively related to the growth rates of BW. Also at increasing total aerobic, gram-negative and clostridial bacterial counts there were an adverse effect on the BW, whereas there was a positive correlation between Bdellovibrio count and growth rate of BW of birds. 4- When studying the dynamic of normal caecal flora of young (broilers) and adult (breeders) chicken we have found a conversely relationship between Bdellovibrio and C. perfringens counts. The Bdellovibrio count was negatively related to total aerobic, gram-negative bacterial counts and endotoxin blood level. On the other hand Bdellovibrio caecal counts were positively related with the BF/BW and P/BW ratios and to body weight, whereas the increase in the endotoxin and PC-BP blood levels had negative effect on these immune ratios. The endotoxin blood levels were also found positively related to phosphoryl choline-binding protein (PC-BP) levels and to increasing in the total aerobic and gram-negative bacterial counts. P/BW ratio was positively related with BF/BW ratio. Results of the present studies indicate that inulin offer protection to chickens by: 1- Markedly decreased intestinal colonization by C. perfringens counts. 2- Increase in Bdellovibrio bacteriovorus counts. 3- Decrease in the endotoxin level of blood. 4- Decrease in the PC-BP level of blood. 5- Enhancing the immune status of the bird. From our results and previous studies, we can conclude that inulin and linseed can be classified as functional diat in poultry, because they reduce the risk of some diseases (like Salmonella). Inulin and linseed have enhanced effects on the intestinal microflora and on the immune status of birds and play important role in the maintenance of homeostasis in the ecological system. Additional research is required in order to determine the effect of dietary inulin on the other important intestinal flora of chicken like Lactobacillus and bifidobacteria. Also the combination of inulin with probiotic (synobiotic) and their role in enhancing the local immunity of gastrointestinal tract and the competitive exclusion against pathogenic bacteria like Salmonella