Udder immune response and bacterial virulence factors relating to persistence dynamic of intramammary infection in dairy cattle with chronic mastitis

การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเต้านมและปัจจัยความรุนแรงทางแบคทีเรียที่สัมพันธ์กับจลศาสตร์การคงอยู่ของการติดเชื้อเข้าสู่เต้านมในโคนมที่เป็นโรคเต้านมอักเสบแบบเรื้อรัง

Name: Anyaphat Srithanasuwan

ThaSH: Dairy cattle

ThaSH: Dairy cattle -- Infection

ThaSH: Immune response

Abstract: Bovine mastitis is an inflammatory condition of the udder tissue in the mammary gland, typically caused by microbial infections. Duration and severity of mastitis are determined by a combination of the following three components: udder defense efficiency, the quantity and virulence of invading microbes, and environmental risk factors. An effective immune response can completely remove the invading bacteria, resulting in a short-term infection, defined as a transient infection. If the bacteria are not successfully eliminated, persistent infections may occur, lasting longer than two months and classified as persistent infections. Most mastitis pathogens are characterized by either transient infection from environment pathogens such as E. coli and streptococci or persistent infection from contagious pathogens such as Streptococcus agalactiae and Staphylococcus aureus. In contrast to other bacteria, Streptococcus uberis frequently characterizes both persistent and transient. Therefore, this dissertation studied mainly mastitis from S. uberis. Streptococcus uberis is frequently isolated from milk collected from dairy cows with mastitis. This bacterium has been reported to cause intramammary infections (IMI) with a wide range of durations. Due to the high variability of S. uberis IMI depending on their existing virulence factors, within-strain variation in the immune response to and pathogenicity of S. uberis has not been reported previously. Accordingly, advancing knowledge about the specific characteristics of S. uberis IMI and local immune responses was needed to contribute to the development of efficient strategies for preventing and controlling this pathogen in dairy herds. To understand the persistence dynamic of IMI from S. uberis, the first study (Chapter 2) explored bacterial infection characteristics, such as the transmission dynamics and duration of S. uberis IMI. Quarter milk samples were aseptically collected for bacterial culture from all lactating cows once a month over 10 months. Molecular typing of S. uberis was performed using pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) to identify episodes of IMI. Comparisons of spontaneous cure rates among PFGE types were performed using Fisher’s exact chi-squared tests. PFGE results revealed eight main PFGE types (A–H). Some PFGE types caused only one episode, indicating no evidence of transmission. In contrast, other PFGE types caused at least two infection episodes involving the same strain in different quarters or cows, suggesting that these strains could be transmitted between quarters or cows. At least three types of contagious S. uberis IMI were identified: (1) short-duration IMI that are likely to cure spontaneously, (2) longduration IMI that are unlikely to cure spontaneously, and (3) IMI with variable durations (transient or persistent) where spontaneous cure may depend on host defense capacity. The udder immune response and bacterial virulence factors relating to the persistence dynamic of intramammary infection in mastitis dairy cattle were studied in Chapter 3 and Chapter 4. Based on another study, transient and persistent IMI of S. uberis are related to the gene expression of virulence factors (VF), especially VF related to capsular and noncapsular of persistent and transient S. uberis strains, respectively. Chapter 3 investigated the cellular and molecular immune responses of milk-white blood cells (mWBCs) in response to persistent and transient S. uberis strains with the known different virulence were examined. Quarter milk samples were aseptically collected for bacterial culture from all lactating cows once a week over 10 weeks. A transient, noncapsular strain with a one-week IMI duration was selected from this herd, while a persistent, capsular S. uberis strain with an IMI lasting longer than two months was selected based on an identical PFGE pattern during the IMI episode. Cellular and molecular responses of mWBCs were tested, and the data were analyzed using repeated measures analysis of variance. Results show that the immune responses differ significantly between transient and persistent strains. Transient strains elicited elevated expression of Toll-like receptors (TLR-1, TLR-2, TLR-6) and proinflammatory cytokines, such as tumor necrosis factor-alpha (TNF-α). Furthermore, the persistent strain was able to reduce mWBCs apoptosis compared to the transient strain. Altogether, these results focus on the immune function of mWBCs, which demonstrate that a persistent strain can elicit a weaker local immune response, reduced mWBCs ROS production, thereby attenuating mWBCs apoptosis through anti-apoptosis, and, subsequently, lead to mild and prolonged inflammation and delayed recovery from mastitis. Chapter 4 continued to study the effect of strain difference on apoptosis at the early stage of infection. Persistent and transient S. uberis infections were studied to explore the apoptotic mechanisms of mWBCs during the early stages of inflammation. Initially, the early apoptotic phenotype increased but significantly decreased thereafter. mWBCs stimulated by persistent or transient S. uberis had lower levels of ROS. While proapoptotic genes (CASP3, CASP9) in mWBCs remained unchanged across treatments, anti-apoptotic genes (BCL2, BCL2L1) were upregulated in response to the persistent strain. Our data indicate that treatment with a persistent S. uberis strain reduced mWBCs ROS production, thereby attenuating mWBCs apoptosis through anti-apoptotic genes (BCL2, BCL2L1) and protein (bcl-2). This suggests that persistent S. uberis strains prolong the lifespan of mWBCs by delaying the onset of inflammation, slowing mWBCs migration, and postponing apoptosis. These adaptations make mWBCs suitable host cells for prolonged bacterial survival and multiplication following an IMI. In conclusion, the immune response and apoptosis of mWBCs differ between persistent and transient mastitis-causing strains of S. uberis. This knowledge underscores the need for further strain-specific response studies, enabling the development of effective control strategies to reduce the impact of S.uberis mastitis.

Abstract: การอักเสบของเต้านมในโคนม เป็นภาวะการอักเสบของเนื้อเยื่อเต้านมในต่อมน้ำนม ซึ่งมัก เกิดจากการติดเชื้อของจุลชีพ ทั้งนี้ปัจจัยที่มีผลต่อระยะเวลาและความรุนแรงของการอักเสบของเต้า นมมี 3 องค์ประกอบหลัก ได้แก่ ประสิทธิภาพของระบบภูมิคุ้มกันของเต้านม ปริมาณและความ รุนแรงของเชื้อก่อโรค และปัจจัยเสี่ยงจากสิ่งแวดล้อม ในกรณีที่ระบบภูมิคุ้มกันของเต้านมมี ประสิทธิภาพที่ดีจะสามารถกา จัดแบคทีเรียก่อโรคได้และส่งผลให้มีการติดเชื้อแบคทีเรียในระยะเวลา สั้น หากระบบภูมิคุ้มกันไม่สามารถกำจัดแบคทีเรียได้ จะส่งผลให้เกิดการติดเชื้อเรื้อรัง หรือติดเชื้อ นานกว่า 2 เดือนได้ สาเหตุที่ทำให้เกิดการอักเสบเต้านมส่วนใหญ่จะมาจากการติดเชื้อระยะสั้นโดย เชื้อจุลชีพจากสภาพแวดล้อม เช่น เชื้อสเตรปโตคอคไค หรือการติดเชื้อเรื้อรังที่เกิดจากเชื้อจุลชีพที่ ติดต่อได้ เช่น เชื้อสเตรปโตคอคคัส อะกาแลคเทีย และ สแตปฟิ โลคอคคัส ออเรียส โดยเชื้อ สเตรปโตคอคคัส ยูเบอริสจะแตกต่างจากเชื้อจุลชีพอื่นๆ เนื่องจากสามารถทำให้เกิดการติดเชื้อทั้ง ชนิดเรื้อรังและชั่วคราวได้ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงเน้นศึกษาการอักเสบเต้านมที่เกิดจากเชื้อสเตรปโต คอคคัส ยูเบอริส เป็นหลัก แบคทีเรียก่อโรคเต้านมอักเสบในโคนมที่สาคัญและพบได้บ่อยเชื้อหนึ่ง คือ เชื้อสเตรปโต คอคคัส ยูเบอริส เชื้อเสตรปโตคอคคัส ยูเบอริสมีความหลากหลายสูง โดยแบคทีเรียชนิดนี้มีระยะเวลา ในการติดเชื้อตั้งแต่ไม่กี่วัน จนถึงระยะยาวนานเป็นปี ส่งผลให้พบความหลากหลายของลักษณะการ เกิดโรคเต้านมอักเสบที่มีผลมาจากความหลากหลายของการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันต่อการติดเชื้อใน เต้านม ดังนั้นการเพิ่มองค์ความรู้เกี่ยวกับลักษณะและคุณสมบัติในการติดเชื้อของเชื้อ สเตรปโตคอคคัส ยูเบอริสและความจำเพาะของการตอบสนองต่อเชื้อแบคทีเรีย สามารถประยุกต์ใช้ ในการพัฒนาวิธีการควบคุมและป้องกันโรคเต้านมอักเสบจากเชื้อสเตรปโตคอคัด ยูเบอริสได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ในการศึกษานี้ได้ทำการวิจัยย่อย 3 การวิจัย แบ่งเป็น เพื่อศึกษาคุณสมบัติในการติดเชื้อ กลไก การแพร่เชื้อและระยะเวลาในการคงอยู่ในเต้านมของเชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส (บทที่ 2) และเพื่อ ศึกษาการตอบสนองทางเซลล์และโมเลกุลของระบบภูมิคุ้มกันและการตายของเซลล์เม็ดเลือดขาวใน เต้านม (บทที่ 3 และ บทที่ 4) ในการศึกษาแรกเกี่ยวกับคุณสมบัติในการติดเชื้อ กลไกการแพร่เชื้อและ ระยะเวลาในการคงอยู่ในเต้านม โดยในบทที่ 2 ทำการเก็บตัวอย่างน้ำนมดิบแบบปลอดเชื้อจากโครีด ทุกตัวทุกเต้าภายในฟาร์ม เดือนละ 1 ครั้งอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลา 10 เดือน และทำการระบุการติด เชื้อด้วยวิธีการทางโมเลกุล หรือ pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) จากนั้นจึงทำการคำนวน อัตราการหายเองของเชื้อแบคทีเรียและเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างรูปแบบ PFGE สำหรับ การศึกษาในบทที่ 3 และ 4 เป็นการศึกษาเกี่ยวกับการเปรียบเทียบการทำงานของระบบภูมิคุ้มกันทั้งใน ระดับเซลล์และโมเลกุลระหว่างการกระตุ้นด้วยเชื้อแบคทีเรียที่ติดเชื้อเพียงระยะเวลาสั้นกับติดเชื้อ แบบเรื้อรังในเต้านม โดยทำการแยกชนิดการติดเชื้อของแบคทีเรีย โดยการเก็บตัวอย่างน้ำนมดิบแบบ ปลอดเชื้อจากโครีดทุกตัวทุกเต้าภายในฟาร์ม สัปดาห์ละ 1 ครั้งอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลา 10 สัปดาห์ ทั้งนี้เชื้อที่ใช้ในการทดสอบทั้ง 2 ประเภท ได้แก่ เชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส ที่ไม่พบการสร้าง แคปซูลและติดเชื้อในระยะเวลาสั้นน้อยกว่า 1 สัปดาห์ และเชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส ที่สามารถ ติดเชื้อแบบเรื้อรังในเต้านมที่วินิจฉัยได้จากรูปแบบ PFGE จากการศึกษาก่อนหน้า จากนั้นจึงทา การ ทดสอบเซลล์และโมเลกุลของระบบภูมิคุ้มกันและการตายของเซลล์เม็ดเลือดขาวต่อเชื้อแบคทีเรียทั้ง 2 ชนิด ก่อนวิเคราะห์ผลการทดสอบด้วยวิธีการทางสถิติ ผลจากการศึกษาด้วยวิธี PFGE พบว่า เชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส มีรูปแบบ PFGE ทั้งหมด 8 รูปแบบตั้งแต่ รูปแบบ A-H โดยรูปแบบที่พบการติดเชื้อเพียงครั้งเดียว และไม่พบการติดเชื้อในเต้า นมอื่น หมายถึงไม่มีการแพร่เชื้อผ่านจากโคสู่โค ในขณะที่รูปแบบที่สามาถพบได้ในเต้านมอื่น ทั้งใน โคตัวเดียวกันและโคตัวอื่น แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแพร่ผ่านของเชื้อจากโคสู่โค ทั้งนี้สามารถสรุปรูปแบบการติดเชื้อของเชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส ได้ 2 รูปแบบคือ การติดเชื้อจาก สิ่งแวดล้อม และการติดเชื้อจากโคสู่โค โดยการติดเชื้อจากโคสู่โคสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ย่อย ได้แก่ (1) ติดเชื้อเพียงระยะสั้นและสามารถกำจัดเชื้อได้เอง (2) ติดเชื้อแบบเรื้อรังจากการไม่ สามารถกำจัดเชื้อได้เอง และ (3) ติดเชื้อที่อาจเป็นได้ทั้งระยะสั้นและระยะยาว ขึ้นอยู่กับความสามารถ ของระบบภูมิคุ้มกันของเต้านมโคในการกำจัดเชื้อ และทำให้เกิดการหายเอง ในส่วนของการศึกษา เซลล์และโมเลกุลของระบบภูมิคุ้มกันและการตายของเซลล์เม็ดเลือดขาวต่อเชื้อแบคทีเรียที่ติดเชื้อ ระยะสั้นและติดเชื้อแบบเรื้อรัง โดยพบว่าระดับการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเชื้อทั้ง 2 ชนิด แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ จากการทดสอบพบว่าเชื้อแบคทีเรียที่ติดเชื้อระยะเวลาสั้น สามารถ กระตุ้นภูมิคุ้มกันได้ดีกว่า พบการแสดงออกที่เพิ่มมากขึ้นของ Toll-like receptors (TLR-1, TLR-2, TLR-6) และสารอักเสบ (TNF-α) นอกจากนี้ในบทที่ 4 ยังพบว่า เชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริส ที่ติด เชื้อแบบเรื้อรัง มีการเหนี่ยวนำเซลล์เม็ดเลือดขาวเข้าสู่สภาวะการตายได้ช้ากว่า โดยกระตุ้นการสร้าง ROS เพียงระดับต่ำ และมีการแสดงออกของยีนส์และโปรตีนที่ยับยั้งการตายของเซลล์มากกว่าเชื้อ แบคทีเรียที่ติดระยะสั้น โดยสรุปแล้วองค์ความรู้เกี่ยวกับการตอบสนองแบบจำเพาะต่อเชื้อแบคทีเรีย ในสายพันธุ์เดียวกัน สามารถประยุกต์ใช้ในการพัฒนาวิธีการในการป้องกันและควบคุมโรคเต้านม อักเสบจากเชื้อสเตรปโตคอคคัส ยูเบอริสได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Witaya Suriyasathaporn

Role: Advisor

Name: Phongsakorn Chuammitri

Role: Advisor

Name: Montira Intanon

Role: Advisor

Created: 2568

Modified: 2025-08-21

Issued: 2025-08-21

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Veterinary Science

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	611455903.pdf	1.47 MB

ใช้เวลา

0.035292 วินาที