Het effect van butyraat op Salmonella

Peggy Vervenne, Bart Boomsma
Palital, Velddriel, the Netherlands
  1. Salmonella

Introductie

Als gevolg van nieuwe Europese regelgeving moeten alle lidstaten van de Europese Unie monitoring- en controleprogramma’s voor Salmonella bij pluimvee uitvoeren (Europees Parlement en Europese Raad, 2003a, b). Bij legkippen kan vaccinatie de uitscheiding en ei-besmetting verminderen (Davies en Breslin, 2003a; Van Immerseel et al., 2005a). Vaccinatie wordt niet aanbevolen voor slachtkuikens, omdat de korte levensduur van deze kippen deze optie minder economisch maakt (Van Immerseel et al., 2005a). Voor slachtkuikens kan een combinatie van maternale vaccinatie, intensieve hygiënische maatregelen en het gebruik van specifieke toevoegingsmiddelen de infectie helpen voorkomen en beheersen (Methner en Steinbach, 1997; Van Immerseel et al., 2002; Davies en Breslin, 2003b).

Korte-keten vetzuren worden op grote schaal gebruikt om Salmonella in slachtkuikens te bestrijden. Er is veel ervaring met het gebruik van deze vetzuurpreparaten om hun antibacteriële werking tegen Salmonella. Verschillende soorten organische zuren en formuleringen zijn op grote schaal gebruikt om Salmonella in slachtkuikens te bestrijden. Deze vetzuurpreparaten hebben behalve voor Salmonella ook een antibacteriële werking tegen andere Gram-negatieve bacteriën. Deze functie is gebaseerd op de zure aard van de producten. In pH-neutrale omstandigheden werkt dit niet meer. Om de zuren goed te laten werken, moeten ze beschikbaar zijn in de voeding en in de maag. Voorbij de zure maag, buffert het dier effectief de voedselbrij en verwijdert hiermee het antibacteriële effect van organische zuren.

Er zijn 2 soorten preparaten op de markt: ongecoate en gecoate zuurproducten. Ongecoate producten zijn poeders of vloeistoffen die worden toegevoegd aan of drinkwater, voornamelijk om eventueel Salmonella dat zich hierin bevindt te doden. Na opname zijn de werkingen van deze zure preparaten beperkt tot de krop vanwege resorptie (Thompson en Hinton, 1997). Alle zuren die antibacterieel zijn tegen Salmonella kunnen mogelijk worden gebruikt in deze niet-gecoate preparaten (Al-Chalaby et al., 1985; Hume et al., 1993; Moore et al., 2004). In de gecoate of ingekapselde producten worden minerale of lipidendragers gebruikt.

Het doel van coating of inkapseling is om de zuren naar het darmkanaal van de kippen te brengen. Op deze manier kunnen ook de darmepitheelcellen worden blootgesteld aan de zuren. De samenstelling van de intestinale microbiota kan mogelijk worden gemodificeerd door de werking van de zuren. Bovendien wordt aangenomen dat de zuren in nauwer contact staan ​​met Salmonella op de plaats waar Salmonella een cruciale stap in de pathogenese maakt, namelijk de invasie van de epitheelcellen. In het geval van gecoate producten, moet men ervoor zorgen dat de ideale zurenverbindingen worden gekozen, omdat complexere interacties dan enkel alleen de antibacteriële activiteit een rol kunnen spelen.

Butyraat en zijn werkingsmechanisme tegen Salmonella

Butyraat is gebaseerd op een organisch zuur; namelijk boterzuur. Het anti-Salmonella-werkingsmechanisme is echter totaal anders. Butyraat werkt tegen Salmonella en andere bacteriën door het gastheerdier robuuster te maken. Het butyraatmolecuul stuurt de weefsels in de darmwand aan om steviger te worden en harder te werken. Om de anti-Salmonella-werking van butyraat samen te vatten: het maakt het gastheerdier veerkrachtiger tegen Salmonella. Dit kan worden gezien als een extra voordeel bovenop de prestatieverbetering van dieren waarvoor butyraat gewoonlijk wordt gebruikt.

Verontreinigd varkensvlees is de tweede belangrijkste bron van menselijke salmonellose geweest (Hauser et al. 2010). Het pathogeen komt veel voor en is persistent in de omgeving van varkens en daarom niet gemakkelijk te bestrijden. In de meeste gevallen zal Salmonella Typhimurium de varkens subklinisch koloniseren, zonder duidelijke symptomen te veroorzaken. Deze dragervarkens vormen een enorm reservoir van Salmonella en vormen een grote bedreiging voor de gezondheid van mens en dier (Boyen et al., 2008).

Ontsteking is een bijdragende factor in kolonisatie van Salmonella

Winter et al. toonden in 2010 aan dat darmontsteking eigenlijk een cruciale stap is in de pathogenese van Salmonella typhimurium. Naar het blijkt activeert Salmonella de ontsteking, waarna het deze ontstekingsreactie ook  gebruikt om te concurreren met andere bacteriën. Drumo et al (2009) hebben biggen blootgesteld aan S typhimurium en hebben aangetoond dat dit leidt tot ontsteking en een vermindering van nuttige (butyraatproducerende) bacteriën. Dit roept de conclusie op dat het verminderen van de ontsteking leidt tot een betere natuurlijke weerstand tegen de kolonisatie van de darm door Salmonella. En dat is precies wat supplementair butyraat doet.

Butyraat en salmonella-onderzoek in vleeskuikens

Aangetoond is dat gecoat boterzuur beter is in het reguleren van de kolonisatie van Salmonella in slachtkuikens, vergeleken met gecoat mierenzuur en in het bijzonder azijnzuur (Van Immerseel et al., 2004a). Van boterzuur is bekend dat het virulentie-genexpressie en invasie van Salmonella in epitheelcellen in vitro vermindert; azijnzuur heeft tegengestelde effecten (Lawhon et al., 2002; Van Immerseel et al., 2004b).

Verschillende onderzoeksrapporten zijn gepubliceerd over het effect van butyraat op Salmonella-uitscheiding bij slachtkuikens. Van Immerseel et al. (2005b) heeft positieve resultaten getoond met het geven van natriumbutyraat als een zuivere verbinding en in de vorm van een gecoat additief (beide met een effectieve dosis van 0,63 g boterzuur/kg voer). 10 Ross vleeskuikens werden geïnfecteerd op dag 5 met 105 kve S. enteritidis en samen gehuisvest met 40 niet-geïnfecteerde slachtkuikens. Een controlegroep kreeg voer zonder butyraat. De groep slachtkuikens die gecoat boterzuur toegediend kregen, had een significant lager aantal slachtkippen die Salmonella-bacteriën uitscheden, maar de cecale kolonisatie op de slachtleeftijd was voor beide groepen gelijk. Ze concludeerden dat boterzuur de blindedarmkolonisatie kort na infectie verlaagt, de fecale uitscheiding vermindert en als gevolg daarvan de contaminatie van de omgeving door met S. enteritidis geïnfecteerde slachtkuikens vermindert. Volledige eliminatie kan echter waarschijnlijk alleen worden bereikt met een gecombineerde aanpak waarbij zowel hygiënische maatregelen als verschillende beschermingsmaatregelen worden gebruikt, aangezien de slachtkuikens nog steeds S. enteritidis-bacteriën in de ceca droegen tijdens de slachtleeftijd, zij het op een zeer laag niveau.

Ook Fernandez-Rubio et al. (2009) toonde een significante verlaging (P <0,05) van Salmonella Enteritidis-infectie bij vogels vanaf de 27e dag bij het testen van twee verschillende soorten butyraat (één vrij en één gecoat, beide gedoseerd met een effectieve dosis van 0,92 g natriumbutyraat/kg). Het gedeeltelijk beschermde butyraatadditief was effectiever in de late fase van de infectie. Gedeeltelijk beschermde butyraatbehandeling verminderde de infectie niet alleen succesvol in de krop en blinde darm, maar ook in de lever. Er waren geen verschillen in de milt. Deze resultaten suggereren dat natriumbutyraat, gedeeltelijk beschermd met plantaardige vetten, een unieke balans biedt van vrije en beschermde werkzame stoffen die effectief zijn langs het hele maagdarmkanaal, omdat het langzaam vrijkomt gedurende de spijsvertering.

Butyraat en salmonella-onderzoek in varkens

Barba-Vida et al. (2016) lieten veelbelovende resultaten zien voor een dosis van 3 g/kg van een licht beschermd natriumbutyraat bij biggen. Ze vonden een significante reductie in de kolonisatie en excretie van salmonella bij biggen die oraal werden geprovoceerd met een pathogene stam van de bacterie. Ook vonden ze een trend in cryptediepte op dag 4 na infectie.

Boyen et al. (2008) heeft meerdere organische zuren getest, gecoat en ongecoat bij varkens. Wanneer het als additief werd toegediend aan varkens die experimenteel waren geïnfecteerd met Salmonella Typhimurium, verminderde het gecoate boterzuur de niveaus van fecale uitscheiding en darmkolonisatie, maar had het geen invloed op de kolonisatie van amandelen, milt en lever. Ongecoate vetzuren hadden echter geen invloed op fecale uitscheiding, intestinale of tonsillaire kolonisatie bij varkens. Dit werk toonde aan dat het aanvullen van voer met 2 g/kg gecoat boterzuur de Salmonella-belasting bij varkens kan verminderen. Boyen et al. laten zien dat directe antimicrobiële effecten niet de oorzaak zijn van dit effect, maar eerder de neerwaartse regulatie van pathogeniciteitsgenen in Salmonella spp.

Een mengsel van organische zuren werd ook getest tegenover gecoat calciumbutyraat en vaccinatie door De Ridder et al. (2013). Opnieuw vertoonde butyraat de meest veelbelovende resultaten tegen uitscheiding van Salmonella spp. in de feaces en gaf de laagste transmissie. De conclusie van dit werk was daarom “… dat vaccinatie en suppletie van het voer met gecoat calciumbutyraat Salmonella-overdracht bij varkens beperkt en mogelijk nuttige controlemaatregelen zijn.”

De dosering van het mild beschermde butyraat dat werd gebruikt in het onderzoek bij varkens is hoger in vergelijking met die bij slachtkuikens; tot 3 g/kg. Dit is niet verrassend, omdat de transittijden in de spijsverteringskanalen van varkens langer zijn dan in pluimvee, dus het zou een grotere dosis kunnen vergen om de meer distale delen van het GIT te bereiken.

  1. Research based conclusion and recommendation for use of butyrate

Butyraat is gunstig voor het verminderen van Salmonella bij zowel slachtkuikens als varkens, hoewel het bij varkens een hoger gebruiksniveau kan vereisen dan bij pluimvee. Het mechanisme is geen directe antimicrobiële werking van het butyraat. Integendeel, de twee mechanismen die spelen zijn de vermindering van de pathogeniciteit van de Salmonella en de toegenomen robuustheid van de gastheer. De combinatie van hygiënische maatregelen en suppletie van butyraat in het voer, is het recept voor de afname van Salmonella in de veehouderij.

Aanbevelingen voor butyraatsuppletie

Suppletie doseringen van butyraat in de literatuur tonen aan dat zelfs bij een lage dosering goede resultaten kunnen worden bereikt bij slachtkuikens. Van Immerseel et al. (2005b) toonde aan dat 0,63 g natriumbutyraat / kg voer de fecale uitscheiding aanzienlijk verminderde. Deze dosering is vergelijkbaar met de dosering die wordt gebruikt door Fernandez-Rubio et al. (2009), die 0,92 g natriumbutyraat / kg voer gebruikte.

Naast de dosering is de juiste formulering van het butyraat van groot belang. Elke diersoort heeft een specifiek releasepatroon nodig. Natrium, calcium en een combinatie van beiden, als ook de mate van coating zullen specifieke realease-patronen geven om verschillende delen van het GIT te targeten.

 

  1. Literature

Al-Chalaby, Z A,M H Hinton, and A H Linton. 1985. Failure of drinking water sanitisation to reduce the incidence of natural Salmonella in broiler chickens. Vet. Rec. 116:364–365.

Barba-Vida E, Martín Orúe S M, Castillejos L, Puyalto M, Mallo J J, 2016. International Pig Topics, Volume 30 Number 2.

Boyen, F. Haesebrouck, A. Vanparys, J. Volf, M. Mahu, F. Van Immerseel a, I. Rychlik b, J. Dewulf, R. Ducatelle, F. Pasmans, 2008. Veterinary microbiology, 132 (2008) 319–327

Davies R and Breslin M. 2003a. Effects of vaccination and other preventive methods for Salmonella enteritidis on commercial laying chicken farms. Vet. Rec. 153:673–677.

Davies R and Breslin M. 2003b. Observations on Salmonella contamination of commercial laying farms before and after cleaning and disinfection. Vet. Rec. 152:283–287.

Drumo R, Pesciaroli M, Ruggeri J, Tarantino M, Chirullo B, Pistoia C, Petrucci P, Martinelli N, Moscati L, Manuali E, Pavone S, Picciolini M, Ammendola S, Gabai G, Battistoni A, Pezzotti G, Alborali GL, Napolioni V, Pasquali P and Magistrali CF (2016) Salmonella enterica Serovar Typhimurium Exploits Inflammation to Modify Swine Intestinal Microbiota. Front. Cell. Infect. Microbiol. 5:106. doi: 10.3389/fcimb.2015.00106

European Parliament and European Council. 2003a. Directive 2003/99/EC of the European Parliament and of the Council of 17 November 2003 on the monitoring of zoonoses and zoonotic agents, amending Council Decision 90/424/EEC and repealing Council Directive 92/117/EEC. Off. J. Eur. Union L325:31–40.

European Parliament and European Council. 2003b. Regulation (EC) No 2160/2003 of the European Parliament and of the Council of 17 November 2003 on the control of Salmonella and other specified food-borne zoonotic agents. Off. J. Eur. Union L325:1–15.

Fernandez-Rubio C , Ordonez C , Abad-Gonzalez J, Garcia-Gallego A, Pilar Honrubia M, Jose Mallo J, Balana-Fouce R. Butyric acid-based feed additives help protect broiler chickens from Salmonella Enteritidis infection. 2009 Poultry Science 88 :943–948. doi: 10.3382/ps.2008-00484.

Hauser E, Tietze E, Helmuth R, Junker E, Blank K, Prager R, Rabsch W, Appel B, Fruth A, Malorny B, 2010. Pork contaminated with Salmonella enterica serovar 4,[5],12:i:–, an emerging health risk for humans. Applied and Environmental Microbiology 76, 4601–4610.

Hume ME,  Corrier DE, Ambrus S, Hinton A, Jr. and JR DeLoach. 1993. Effectiveness of dietary propionic acid in controlling Salmonella Typhimurium colonization in broiler chicks. Avian Dis. 37:1051–1056.

Lawhon SD, Maurer R, Suyemoto M, Altier C. 2002. Intestinal short-chain fatty acids alter Salmonella Typhimurium invasion gene expression and virulence through BarA/ SirA. Mol. Microbiol. 46:1451–1461.

Methner U and Steinbach G. 1997. Efficacy of maternal Salmonella antibodies and experimental oral infection of chicks with Salmonella Enteritidis. Berl. Munch. Tierarztl. Wochenschr. 110:373–377.

Moore RW,  Park SY, Kubena LF, Byrd JA, McReynolds JL, Burnham MR, Hume ME, Birkhold SG, Nisbet DJ, Ricke SC. 2004. Comparison of zinc acetate and propionate addition on gastrointestinal tract fermentation and susceptibility of laying hens to Salmonella Enteritidis during forced molt. Poult. Sci. 83:1276–1286.

De Ridder L, Maes D, Dewulf J, Pasmans F, Boyen F, Haesebrouck F, Méroc E, Butaye P, Van der Stede Y, 2013. Evaluation of three intervention strategies to reduce the transmission of Salmonella Typhimurium in pigs. The Veterinairy Journal 197 (2013) 613-618.

Thompson JL and Hinton M. 1997. Antibacterial activity of formic acid and propionic acid in the diet of hens on Salmonellas in the crop. Br. Poult. Sci. 38:59–65.

Van Immerseel F, Cauwerts K, De Vriese LA, Haesebrouck F, Ducatelle R. 2002. Feed additives to control Salmonella in poultry. World’s Poult. Sci. J. 58:501–513.

Van Immerseel F, Fievez V, De Buck J, Pasmans F, Martel A, Haesebrouck F, and Ducatelle R. 2004a. Microencapsulated short-chain fatty acids in feed modify colonization and invasion early after infection with Salmonella Enteritidis in young chickens. Poult. Sci. 83:69–74.

Van Immerseel F, De Buck J, De Smet I, Pasmans F,  Haesebrouck F and Ducatelle R. 2004b. Interactions of butyric acid and acetic acid-treated Salmonella with chicken primary cecal epithelial cells in vitro. Avian Dis. 48:384–391.

Van Immerseel F, Methner U, Rychlik I, Nagy B, Velge P, Martin G, Foster N, Ducatelle R, and Barrow PA. 2005a. Vaccination and early protection against non-host-specific Salmonella serotypes in poultry; exploitation of innate immunity and microbial metabolic activity. Epidemiol. Infect. DOI: 10.1017/S0950268805004711.

Van Immerseel F, Boyen F, Gantois I, Timbermont L, Bohez L, Pasmans F, Haesebrouck F,  Ducatelle R. Supplementation of Coated Butyric Acid in the Feed Reduces Colonization and Shedding of Salmonella in Poultry. 2005b Poultry Science 84:1851–1856.