Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH 35392 Gießen · Friedrichstraße 17 · Tel. 0641 / 24466 · Fax: 0641 / 25375
E-Mail: info@dvg.de · Internet: www.dvg.de Franziska Koop Hannover 2013
Deutschen Nationalbibliografie;
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1. Auflage 2013
© 2013 by Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH, Gießen
Printed in Germany
ISBN 978-3-86345-188-2
Verlag: DVG Service GmbH Friedrichstraße 17
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Untersuchungen zur Bedeutung der Mischfutterstruktur bei experimenteller Infektion von Absetzferkeln mit Salmonella Derby bzw. mit Streptococcus suis
INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin
der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -
( Dr. med. vet. )
vorgelegt von Franziska Koop
Hoya (Weser)
Hannover 2013
Institut für Tierernährung
PD Dr. C. G. Baums Institut für Mikrobiologie
1. Gutachter: Prof. Dr. J. Kamphues
PD Dr. C. G. Baums
2. Gutachter: Prof. Dr. M. Wendt
Tag der mündlichen Prüfung: 15.11.2013
Die Förderung des Vorhabens erfolgte aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft erfolgte über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Programmes zur Innovationsförderung. Weitere finanzielle Unterstützung wurde dankenswerterweise durch folgende Unternehmen gewährt: Amandus Kahl GmbH &
Co. KG (Hamburg), Bühler AG (Uzwil) und Wolking GmbH & Co. KG (Vechta).
MEINER FAMILIE UND
DAVID
17th Congress of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition Gent, Belgien, 19. – 21.09.2013
KOOP, F., S. J. SANDER, C. G. BAUMS u. J. KAMPHUES (2013)
Comparative in vitro study on survival of Salmonella Derby and Streptococcus suis Serotype 2 and 9 in compound feed and stomach contents of pigs
Proc. 17th ESVCN Congress, Ghent, S. 80
2. Schrifttum ... 13
2.1 Physiologie des Magen-Darm-Traktes beim Schwein... 13
2.1.1 Verdauungsphysiologie und Einflussfaktoren ... 13
2.1.2 Mikroflora und ihre Bedeutung ... 19
2.2 Salmonellen ... 25
2.2.1 Taxonomie, Epidemiologie und rechtliche Regelungen ... 26
2.2.2 Pathogenese der Salmonelleninfektion ... 30
2.2.3 Infektionen beim Menschen ... 32
2.2.4 Beeinflussung von Salmonelleninfektionen ... 34
2.3 Streptococcus suis ... 44
2.3.1 Taxonomie und Epidemiologie ... 44
2.3.2 Klinik, pathohistologische Veränderungen und Pathogenese... 47
2.3.3 Infektionen beim Menschen ... 50
2.3.4 Beeinflussung von Infektionen mit Streptococcus suis... 51
2.4 Ableitung der Aufgabenstellung... 53
3. Material und Methoden ... 55
3.1 Infektionsversuch mit Salmonella Derby ... 55
3.1.1 Versuchsaufbau ... 55
3.1.2 Versuchsfutter und Fütterung... 59
3.1.3 Untersuchung der eingesetzten Mischfutter ... 60
3.1.4 Allgemeine Untersuchungen während des Versuchs... 65
3.1.5 Infektion mit Salmonella Derby... 67
3.1.5.1 Verwendeter Infektionsstamm... 67
3.1.5.2 Herstellung der Bakteriensuspension ... 68
3.1.5.3 Experimentelle Infektion ... 69
3.1.6 Bakteriologie ... 69
3.1.7 Sektion zur Untersuchung einer Infektion mit S. Derby ... 76
3.1.8 Untersuchung von Sektionsproben ... 78
3.1.8.1 Bakteriologie... 78
3.1.8.2 Serologie ... 80
3.2.3 Infektion mit Streptococcus suis... 84
3.2.3.1 Herstellung der Bakteriensuspension ... 84
3.2.3.2 Experimentelle Infektion ... 85
3.2.4 Untersuchungen während des Versuchs... 85
3.2.5 Sektion zur Untersuchung einer Infektion mit Sc. suis ... 88
3.2.6 Untersuchungen der Sektionsproben ... 91
3.3 Überleben von S. Derby/Sc. suis in vitro (Mischfuttermittel/Zusatzstoffe)... 95
3.3.1 Mischfuttermittel ... 95
3.3.2 Einfluss von organischen Säuren und Kupfer ... 97
3.3.2.1 Herstellung der Säurelösungen ... 97
3.3.2.2 Herstellung der Kupferlösungen... 98
3.3.2.3 Herstellung der Bakteriensuspension ... 99
3.3.2.4 Versuchsablauf... 100
3.4 Überleben von S. Derby und Sc. suis ex vivo (Mageninhalt) ... 100
3.4.1 Herstellung der Bakteriensuspensionen... 104
3.4.2 Versuchsablauf ... 105
3.5 Statistische Auswertung der Daten... 107
4 Ergebnisse ... 110
4.1. Infektionsversuch mit Salmonella Derby ... 110
4.1.1 Mischfuttermittel ... 110
4.1.1.1 Chemische Zusammensetzung ... 110
4.1.1.2 Partikelgrößenverteilung ... 111
4.1.1.3 Schüttdichte... 114
4.1.2. Klinische Untersuchungen... 114
4.1.2.1 Zootechnische Parameter... 114
4.1.2.2 Tiergesundheit... 118
4.1.2.3 Kotparameter ... 119
4.1.3 Bakteriologie ... 121
4.1.3.1 Umgebungsproben... 121
4.1.3.2 Mischfuttermittel... 122
4.1.4 Serologie... 128
4.2 Infektionsversuch mit Streptococcus suis ... 129
4.2.1 Mischfuttermittel ... 130
4.2.1.1 Chemische Zusammensetzung ... 130
4.2.1.2 Partikelgrößenverteilung ... 131
4.2.2 Klinische Untersuchung auf Anzeichen einer akuten Sc.-suis- Infektion ... 131
4.2.3 Serologische Untersuchung auf anti-MRP-IgG (IgG-ELISA) ... 132
4.2.4 Kulturell-bakteriologische Untersuchung auf Sc. suis ... 134
4.2.5 Pathohistologische Untersuchung... 135
4.3 Überleben von S. Derby/Sc. suis in vitro (Mischfutter/Zusatzstoffe).. 137
4.3.1 Überleben von Sc. suis und S. Derby in Mischfuttermitteln... 137
4.3.2 Spezifische Wirkung von organischen Säuren und Kupfer ... 139
4.4 Überleben von S. Derby und Sc. suis im Mageninhalt ex vivo... 144
5 Diskussion ... 153
5.1 Kritik der Methode... 154
5.1.1 Tiere und Haltung... 154
5.1.2 Futter und Fütterung... 156
5.1.3 Infektionsstämme... 158
5.1.4 Untersuchungsmethoden... 159
5.2 Untersuchungen zu S. Derby ... 160
5.2.1 Futterstruktur und Leistung ... 160
5.2.2 Infektionsverlauf im Infektionsversuch mit S. Derby... 161
5.2.3 Überleben von S. Derby ex vivo (Futter/Magenchymus)... 167
5.3 Untersuchungen zu Sc. suis ... 176
5.4 Schlussfolgerungen... 183
6 Zusammenfassung... 185
7 Summary ... 189
8 Literaturverzeichnis ... 193
9 Anhang ... 222
µl Mikroliter
a.exp. ante expositionem a.inf. ante infectionem Abb. Abbildung
ABTS 2,2'-Azino-di-(3-ethylbenz- thiazolin-6-sulfonsäure)
adiS Arginin Deiminase System (Gen) ADS Arginin Deiminase System
(Protein) B Brösel
BfR Bundesamt für Risikobewertung bp Basenpaare
BPLS Brilliantgrün-Phenolrot-Laktose- Saccharose-Agar
BSA Bovines Serum Albumin BVL Bundesamt f.Verbraucherschutz
und Lebensmittelsicherheit CCK Cholecystokinin
CPS engl.: capsular polysaccharide CTAB Cetytrimethylammoniumbromid
d Tag
d. h. das heißt
dATP 2'-Desoxy-Adenosin- 5'-Triphosphat dCTP 2'-Desoxy-Cytosin-
5'-Triphosphat dGTP 2'-Desoxy-Guanosin-
5'-Triphosphat
DNA engl.: desoxyribonucleic acid dNTP 2'-Desoxy-Nuleotid-
5'-Triphosphat dTTp 2'-Desoxy-Thymidin-
5'-Triphosphat E. coli Escherichia coli
EDTA Ethylendiamintetraessigsäure EF engl.: Extracellular Factor
of Sc. suis (Protein)
Agency EG Expandat grob ELISA engl.: Enzyme Linked
Immuno Sorbent Assay epf engl.: Extracellular Factor
of Sc. suis (Gen) et al. et alii
EU Europäische Union evt. eventuell
fbl engl.: final bleeding FBPS engl.: Fibronectin and
Fibrinogen Binding Proteine of Sc. suis
g Gramm
G Erdbeschleunigung (~ 9,81 m/s2)
GDH Glutamatdehydrogenase ggr. geringgradig
GIT Gastrointestinaltrakt GMD Geometric Mean Diameter HCl Salzsäure
hgr. hochgradig IFF Internationale
Forschungsgemeinschaft Futtermitteltechnik Ig Immunglobulin IPTG Isopropyl-β-D-
thiogalactopyranosid IVD Gesellschaft für innovative
Veterinärdiagnostik, Hannover
KBE Kolonie bildende Einheiten KCl Kaliumchlorid
kDa Kilodalton
kg Kilogramm
KH2PO4 Kaliumdihydrogenphosphat KM Körpermasse
MgCl2 Magnesiumchlorid mgr. mittelgradig
MHK Minimale Hemmstoff Konzentration min Minute(n) ml milliliter mM Millimol MP-PCR Multiplex-PCR
MRP engl.: Muramidase Released Proteine
Na2CO3 Dinatriumcarbonat
Na2HPO4 Dinatriumhydrogenphosphat NaCl Natriumchlorid
NaHCO3 Natriumhydrogencarbonat
Ni Nickel
nM Nanomol
nm Nanometer
OD Optische Dichte OFS engl.: Opacity Factor of
Sc. suis
p.exp. post expositionem p.inf. post infectionem p.os per os
PBS engl.: phosphate buffered saline
PBST PBS plus Tween20 PCR engl.: Polymerase Chain
Reaction
PCV-2 Porzines Circovirus-2 PF Pellet fein
PG Pellet grob POD Peroxidase
PRRSV Porzines Respiratorisches und Reproduktives Syndrom Virus
QS Qualität und Sicherheit
Rfe Rohfett Rp Rohprotein
rpm engl.: rounds per minute RV Rappaport-Vassiliadis
s. siehe
S. Derby Salmonella Derby s.c. subkutan
SAS Statistical Analysis System for Windows
Sc. suis Streptococcus suis SCFA engl.: Short Chain Fatty
Acid
SDS engl.: sodium dodecylsulfate SDS-
PAGE
engl.: sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis SG Schrot grob SLY Suilysin St. Serotyp Tab. Tabelle
Taq Thermus aquaticus TBG Tetrathionat-Brilliantgrün-
Galle-Bouillon
TEMED Tetramethylethylendiamin TEN Tris EDTA NaCl
THB engl.: Todd Hewith Broth TS Trockensubstanz Tween 20 Polysorbat 20 U engl.: Unit ÜNK Übernachtkultur uS ursprüngliche Substanz vs. versus (verglichen mit) z. B. zum Beispiel
ZNS Zentrales Nervensystem
1. Einleitung
Das Absetzen der Ferkel von der Muttersau und die darauf folgende Phase der Aufzucht stellen durch die neue Gruppenzusammensetzung, Futterumstellung und andere soziale/umweltbedingte Stressfaktoren einen äußerst empfindlichen Zeitraum dar, in dem es – verstärkt durch den fortschreitenden Verlust maternaler Antikörper – häufig zu Infektionen mit pathogenen Mikroorganismen kommt. Der Verdauungstrakt ist hier ganz besonders oft betroffen.
Es ist bekannt, dass auch Salmonellen, denen in Deutschland immer noch eine große Bedeutung als Erreger lebensmittelbedingter Zoonosen zukommt (ROBERT- KOCH INSTITUT 2013), häufig über infizierte Absetzferkel in die Mastbetriebe gelangen (VISSCHER 2006; OFFENBERG 2007). Günstige Effekte des Einsatzes eines groben, schrotförmigen Mischfutters gegenüber diesen Erregern wurden schon vielfach beobachtet, da es in Betrieben, die ein solches Mischfutter einsetzten, auch allgemein zu geringeren Seroprävalenzen von Salmonellen-Antikörpern kam (u. a.
VON ALTROCK et al. 2000; VONNAHME 2005; VISSCHER 2006). Als Erklärung für diese günstigen Effekte wird auf der einen Seite eine Steigerung der Effizienz der Magenbarriere durch die Ausbildung eines pH-Gradienten und damit niedrigere minimale pH-Werte im Mageninhalt gesehen (u. a. MIKKELSEN et al. 2004;
KÖTTENDORF 2009), während andererseits auch ein invasionshemmender Effekt der im Dickdarm nach Einsatz eines groben Mischfutters vermehrt entstehenden kurzkettigen Fettsäuren, vor allem des Butyrates, bekannt ist (GANTOIS et al. 2006;
VISSCHER 2006). Welcher dieser beiden Mechanismen hauptverantwortlich für die geringere Seroprävalenz nach Verwendung grober Mischfutter zeichnet, ist bislang ungeklärt.
In vorangegangenen Untersuchungen von BULLERMANN (2012) und ARLINGHAUS (2013) konnte bereits gezeigt werden, dass eine gröbere Futterstruktur ganz wesentlichen Einfluss auf die Milieubedingungen und die Zusammensetzung der Mikroflora sowie die Immunologie im Magen-Darmtrakt junger Schweine nimmt. Die vorliegende Untersuchung stellt eine Fortsetzung dieser Arbeiten mit besonderem Augenmerk auf die Beeinflussung von Infektionen mit Salmonellen im Rahmen des
Im asiatischen Raum kommt aber auch Sc. suis eine erhebliche Bedeutung als Erreger lebensmittelassoziierter Zoonosen zu (HUI et al. 2005; MAI et al. 2008).
Während beim Menschen auch ein oraler Infektionsweg als wichtige Eintrittspforte des Erregers bekannt ist, galt beim Schwein bislang die Annahme, dass es nach Replikation des Erregers in den Tonsillen zu einem Übertritt in die Blutbahn kommt (WERTHEIM et al. 2009; GOTTSCHALK et al. 2010). Nachdem jedoch eine Translokation von Sc. suis aus dem Darm bei Absetzferkeln nachgewiesen werden konnte (SWILDENS et al. 2004), stellt sich vor allem die Frage, ob der Verdauungstrakt des Schweines ebenfalls eine Eintrittspforte für den Erreger darstellt.
Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war es also, folgende Fragestellungen zu überprüfen:
1. Welchen Effekt hat eine unterschiedliche Vermahlung/Konfektionierung bei Absetzferkeln nach experimenteller Infektion mit S. Derby auf den Infektionsverlauf?
2. Ist eine experimentelle Infektion von Absetzferkeln mit Sc.-suis-Serotyp 2 bzw. 9 auf oro-gastro-intestinalem Wege möglich und dabei sogar über die Mischfutterform beeinflussbar?
3. Welchen Effekt hat eine unterschiedliche Mischfutterstruktur bei Absetzferkeln auf das Magenmilieu und wie wirken hier mögliche Veränderungen auf das Überleben von S. Derby und Sc.-suis-Serotyp 2 bzw. 9 ex vivo?
Ergebnisse und Erkenntnisse aus dieser Studie zielen nicht zuletzt auf ein tieferes Verständnis zur Bedeutung des Mischfutters für verschiedene Infektionen junger Schweine in der Flat-Deck-Phase, sodass womöglich Fütterungskonzepte erarbeitet werden können, die Absetzferkel vor einem größeren Spektrum pathogener Mikroorganismen zu schützen vermögen und so einen wichtigen Beitrag zur Tiergesundheit leisten.
2. Schrifttum
Die hier vorliegende, im Rahmen des vom Bundesministerium für Landwirtschaft und Verbraucherschutz geförderten Verbundprojektes „GrainUp“ entstandene Dissertationsschrift befasst sich mit dem möglichen Einfluss der Futterstruktur auf den Verlauf einer experimentellen Infektion mit Salmonella (S.) Derby und Streptococcus (Sc.) suis beim Schwein.
Um die dem Versuchsaufbau zugrunde liegenden Zusammenhänge zu verstehen, soll im Folgenden zunächst die Physiologie von Verdauungsvorgängen im Gastrointestinaltrakt (GIT) des Schweines beleuchtet und dann auf Infektionen mit Salmonella Derby und Streptococcus suis beim Schwein und beim Menschen sowie deren Beeinflussung näher eingegangen werden.
2.1 Physiologie des Magen-Darm-Traktes beim Schwein
2.1.1 Verdauungsphysiologie und Einflussfaktoren Kopfdarm
Der Kopfdarm, bestehend aus Maulhöhle, Schlund und Speiseröhre mit den zugehörigen Organen und Strukturen, hat in erster Linie eine Bedeutung für die Aufnahme und Zerkleinerung der Nahrung. Die Dauer der Zerkleinerung der einzelnen Futterbissen durch die Zähne, bei der eine Vermischung mit dem Speichel stattfindet, wird wesentlich durch die Grobstruktur des Futters beeinflusst (BREVES 2010). Je gröber ein Futter ist, desto länger dauert der Kauvorgang (SOLÀ-ORIOL et al. 2009). Eine intensivere Vermengung mit dem Speichel, der aus dem Sekret der Ohrspeichel-, Mandibular- und Sublingualdrüsen sowie diverser kleiner Speicheldrüsen besteht, ist die Folge. Der Speichel stellt beim Schwein eine hypotone Flüssigkeit dar, die hauptsächlich aus Wasser, Elektrolyten und Muzinen sowie verschiedenen Proteinen besteht. Er hat zum einen verdauungsphysiologische Funktionen wie die Durchfeuchtung der Nahrung und damit eine Erleichterung des
Säurewirkung und beim Schwein wie beim Menschen durch die vorhandene α- Amylase darüber hinaus den beginnenden Stärkeaufschluss. Zum anderen hat der Speichel aber auch eine immunologische Bedeutung, und zwar als erste Barriere für pathogene Mikroorganismen (BREVES 2010). So sind unter anderem Lysozym, Carboanhydrasen, Lipocaline, sekretorische IgA sowie Laktoferrin Bestandteile des Speichels, die direkt oder indirekt reduzierend auf oral aufgenommene Krankheitserreger einwirken (KAPLAN u. BAUM 1993; BREVES 2010; GUTIÉRREZ et al. 2011). Die zerkleinerten und mit Speichel vermengten Nahrungsbissen gelangen nach dem Abschlucken durch den Ösophagus in den Magen.
Magen
Die Magenschleimhaut des Schweines wird in insgesamt 4 Zonen eingeteilt: In die mit kutaner Schleimhaut ausgekleidete Pars nonglandularis direkt am Mageneingang sowie in 3 weitere mit sekretorischem Epithel ausgestattete Bereiche (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010a). Die Cardia- sowie die Pylorusdrüsenzone setzen sich hauptsächlich aus Zellen zusammen, die durch Exozytose Muzine und Bikarbonat sezernieren. Die dadurch entstehende Mukusschicht liegt dem Magenepithel direkt auf und dient diesem in erster Linie als Schutzschicht. In der Fundusdrüsenzone kommen 3 verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Sekreten vor. Die Nebenzellen produzieren, ähnlich wie die Zellen in Cardia- und Pylorusdrüsenzone, Bikarbonat und Muzine, die ebenfalls an der Bildung der Mukusschicht beteiligt sind.
Das Sekret der Hauptzellen besteht zum überwiegenden Teil aus Pepsinogen, einer inaktiven Form des Pepsins. Des Weiteren ist die gastrale Lipase, ein fettspaltendes Enzym, das der lingualen Lipase des Kalbes ähnelt, im Sekret enthalten. In den Belegzellen, auch Parietalzellen genannt, wird durch eine K+/H+-ATPase sowie Cl-- Kanäle Salzsäure sezerniert. Diese führt zu einer Absenkung des pH-Wertes, sodass in Magenwandnähe Werte um pH 1 gemessen werden. Eine Spaltung und damit
Aktivierung des Pepsinogens zu Pepsin ist die Folge. Bei einem pH-Optimum von 1- 3 werden vor allem aromatische Aminosäureverbindungen gespalten, während der Mukus nicht angegriffen wird (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010a). Ein weiterer wichtiger Effekt der Salzsäure ist die Abtötung eines Großteils der oral aufgenommenen Mikroorganismen (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010a).
Die Sekretion von HCl und Pepsinogen wird durch die Nahrungsaufnahme und die damit verbundene Ausschüttung von Acetylcholin sowie durch Gastrin, das in den G-Zellen der Pylorusdrüsen gebildet wird, reguliert. Die genannten Transmitter führen wiederum zu einer Ausschüttung von Histamin aus chromaffinen Zellen in der Fundusdrüsenzone. Da dieses ebenfalls eine Steigerung der Sekretionsrate bewirkt, potenziert sich der Effekt der genannten Substanzen. Weiterhin sorgen Aminosäuren und Peptide im Magenlumen für eine erhöhte Sekretion. Auch die Ausschüttung von Cholecystokinin (CCK) und Sekretin, ausgelöst durch einen erhöhten Fett- und Aminosäurengehalt bzw. einen niedrigen pH im Lumen des proximalen Dünndarms, führt zu einer vermehrten Freisetzung von HCl und Pepsinogen. Im Sinne eines negativen Rückkopplungsmechanismus hat ein niedriger Magen-pH hingegen eine hemmende Wirkung. Die Sekretion von Mukus und Bikarbonat ist im Gegensatz dazu weitaus weniger durch die Futteraufnahme beeinflusst. Wichtigster Einflussfaktor ist hier ein niedriger pH-Wert im Mageninhalt, der zu einer Sekretionssteigerung führt (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010a).
Eine Resorption von Nährstoffen aus dem Magen findet nur in sehr begrenztem Umfang statt. Es kommt lediglich zu einer geringen Resorption kurzkettiger Fettsäuren (Short Chain Fatty Acids; SCFA).
Die Verweilzeit der Ingesta im Magen wird u. a. durch die Magenperistaltik bestimmt.
Diese ist auf die Verdauungs- und Resorptionsvorgänge abgestimmt und wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Im Magen selbst führt u. a. die Dehnung der Magenwand zu einer gesteigerten Peristaltik. Flüssige Futterbestandteile verlassen so sofort nach Beginn der Nahrungsaufnahme den Magen, während eine Futtermasse mit eher breiiger Konsistenz längere Zeit verweilt und linear entleert wird. Bei Aufnahme sehr grober und/oder faserhaltiger Nahrungsbestandteile kommt
Verflüssigung der Partikel erfolgt (EHRLEIN 2010a). Ein höherer TS-Gehalt des Mageninhalts bei Verfütterung eines groben Mischfutters wurde von verschiedenen Autoren beschrieben (u. a. KIDDER u. MANNERS 1978; KAMPHUES 1987;
KÖTTENDORF et al. 2008; WINTERMANN 2011). Eine schnellere Entleerung des Magens nach Aufnahme eines feinen Futters ist die Konsequenz (MAXWELL et al.
1970; KÖTTENDORF 2008). Gleichzeitig wird eine stärkere Schichtung der Mageningesta und ein damit einhergehender pH-Gradient von relativ hohen Werten um etwa 5,16 im Bereich der Pars nonglandularis zu niedrigen Werten im Bereich des Fundus und Pylorus um etwa 2,96 (WINTERMANN 2011) beschrieben, wohingegen ein fein vermahlenes Futter für einen „suppigen“ Magenchymus mit homogenen pH-Werten um 4,94 (Pars nonglandularis) bzw. 4,93 (Fundus;
WINTERMANN 2011) sorgt.
Über einen Feedback-Mechanismus nimmt auch der Darm Einfluss auf die gastrale Entleerungsrate. Mit steigender Menge resorbierbarer Nährstoffe im proximalen Dünndarm, fallenden pH-Werten sowie verringerter Osmolalität des Chymus an dieser Stelle sinkt die Entleerungsrate. Gesteuert werden diese Mechanismen durch enterogastrische Reflexe sowie intestinale Hormone, hier in erster Linie das CCK.
Die verschiedenen Nährstofffraktionen führen in unterschiedlichem Umfang zu einer Freisetzung von CCK. Die in der Ingesta enthaltene Energiemenge, die pro Zeiteinheit ins Darmlumen abgegeben wird, ist jedoch annähernd konstant (EHRLEIN 2010a).
Dünndarm
Im proximalen Dünndarm wird die aus dem Magen anflutende saure Ingesta zunächst durch Bikarbonat, das von den Brunnerschen Drüsen und dem Duodenalepithel sezerniert wird, neutralisiert. Der von den Becherzellen sezernierte Mukus schützt die Schleimhaut des Duodenums vor der Säurewirkung und bildet eine Barriere gegenüber Schadwirkungen, die von Bakterien, Viren und Parasiten ausgehen können (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010b).
Die Hauptaufgabe des Dünndarms besteht in der Aufspaltung von Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten. Zu diesem Zweck werden die von den Acinuszellen des
Pankreas gebildeten und über den Ductus pancreaticus in inaktiver Form ins Darmlumen abgegebenen Enzyme durch Endopeptidasen sowie Trypsin aktiviert.
Eine Stimulation der Sekretabgabe erfolgt bereits durch Geruch und Geschmack der Nahrung, setzt sich über die Magendehnung durch vago-vagale Reflexe fort und gipfelt dann in der intestinalen Phase, in der ein niedriger pH des anflutenden Chymus sowie die Spaltprodukte der Protein- und Fettverdauung über eine Ausschüttung von Sekretin und CCK ebenfalls zu einer gesteigerten Sekretion führen. Bei Betonung einzelner Nährstofffraktionen in der Ration findet eine Adaptation des Sekretionsmusters des Pankreas statt. Neben den Spaltprodukten von Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten sowie großen Mengen Flüssigkeit werden auch Mengen- und Spurenelemente im Dünndarm resorbiert (MOEßELER et al.
2006; WOLFFRAM u. SCHARRER 2010b).
Gallensalze, Lysozym und Defensine stellen Vertreter der im Dünndarm vorkommenden antimikrobiellen Substanzen dar (BOYEN et al. 2008). Die Mukusschicht, die das Darmepithel überzieht, fungiert als eine erste Verteidigungslinie gegenüber Pathogenen, indem sie nicht nur als Schutzschicht durch Abschirmung der Enterozyten gegen Chemikalien und Krankheitserreger wirkt, sondern diese auch binden und damit unschädlich machen kann. In der Darmwand selbst kommen weiterhin Plasmazellen vor, die zu 90 % IgA enthalten. Dieses wird dann mit einer sekretorischen Komponente versehen (sIgA) und erreicht so die luminale Seite der Darmwand, wo es die Anheftung von Bakterien und Viren an das Darmepithel verhindert (TIZARD 2004).
Die Motorik des Dünndarms wird vom enterischen Nervensystem durch enterische Reflexe und Hormone (insb. CCK) gesteuert. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind Dehnungsreize sowie luminale Nährstoffkonzentrationen. Sind alle Nährstoffgruppen im Chymus enthalten, kommt es zu einem Zusammenspiel von Durchmischung und Weitertransport, während ein nährstofffreier Chymus ausschließlich Durchmischungswellen hervorruft (EHRLEIN 2010b). Eine zunehmende Füllung distaler Darmbereiche sowie steigende Nährstoffkonzentrationen an dieser Stelle wirken als Feedback-Regulation über extrinsische vago-vagale Reflexe modifizierend
auf die Dünndarmmotorik ein, sodass es zu einer Reduktion der peristaltischen Wellen und einer Steigerung der stationären Bewegung kommt (EHRLEIN 2010b).
Dickdarm
Der Dickdarm stellt bei Schwein und Pferd die „Gärkammer“ des GIT dar. So findet hier in erster Linie eine Verdauung der noch im Chymus enthaltenen Nährstoffe durch die angesiedelte Mikroflora statt (siehe 2.1.2). Außerdem kommt es zu einer Resorption und Sekretion von Flüssigkeit und Elektrolyten. Während keine nennenswerte Aufnahme von Aminosäuren oder Monosacchariden beobachtet wird (BREVES u. DIENER 2010), werden die aus dem mikrobiellen Stoffwechsel stammenden kurzkettigen Fettsäuren (Essig-, Propion- und Buttersäure) in hohem Umfang resorbiert. Diese können beim Schwein zwischen 15 und 30 % des Energiebedarfs der Tiere decken. Die Resorption dieser Substanzen erfolgt zum Großteil passiv, da sie als lipophile Substanzen die Zellmembran leicht überwinden können. Zusätzlich kommt es durch die Sekretion von Protonen durch die Dickdarmepithelzellen zur Bildung eines „sauren Kompartimentes“ in unmittelbarer Nähe des Bürstensaums. Hier gehen dissoziiert vorliegende Fettsäuren in ihre undissoziierte Form über. Darüber hinaus existieren auch aktive Transportmechanismen, die bis zu 50 % zum Transport der kurzkettigen Fettsäuren beitragen können. Ein bekannter Transporter ist ein Anionenaustauscher (BREVES u. DIENER 2010).
Insbesondere die Buttersäure dient den Dickdarmepithelzellen als Nährsubstrat und hat so auch einen trophischen Effekt auf die Darmschleimhaut (BREVES u. DIENER 2010).
Durch das große Volumen und die starke Durchfeuchtung des Dickdarminhaltes ist dieser beim Schwein sehr schwer und macht 5 % der Körpermasse aus. Der Dickdarminhalt des Menschen beträgt hingegen nur etwa 1 % der Körpermasse (BREVES u. DIENER 2010).
Der Ileuminhalt gelangt beim Schwein durch die Ileozäkalklappe ins Zäkum. Diese Entleerung findet etwa 7 bis 9 mal pro Stunde durch eine kräftige Riesenkontraktion statt (EHRLEIN 2010c). Nach einer mehrmaligen Durchmischung im Zäkum gelangt
der Nahrungsbrei ins proximale Kolon. Auch hier kommt es durch die geringe Einschnürungstiefe der peristaltischen Wellen in erster Linie zu einer Durchmischung des Chymus, der Weitertransport findet nur sehr langsam statt. Am Tag passieren durchschnittlich 4 bis 6 l Nahrungsbrei den Dickdarm. Das durch die mikrobielle Fermentation gebildete Gas wird hingegen schnell in aborale Richtung transportiert.
Die Verweilzeit der Ingesta im gesamten Kolon ist somit wesentlich länger als in den anderen Darmabschnitten (EHRLEIN 2010c).
2.1.2 Mikroflora und ihre Bedeutung
Während der Geburt kommt das bis zu diesem Zeitpunkt unter physiologischen Bedingungen „sterile“ Ferkel zum ersten Mal mit den Mikroorganismen der Umgebung in Kontakt und nimmt diese auf (AMTSBERG 1984). Im Magen liegen direkt nach der Geburt noch relativ hohe pH-Werte um 4,7 bis 5 vor (SCHULZE 1978), sodass die in dieser Zeit aufgenommenen Mikroorganismen den Magen mit nur relativ geringen Verlusten passieren können (SMITH u. JONES 1963). Der Magen-pH sinkt nun innerhalb von 3 Tagen auf Werte um 3,5 bis 3,8 und die Entwicklung der stabilen residenten Flora des Saugferkels ist etwa am 4. Lebenstag abgeschlossen (SCHULZE 1978).
Zum Zeitpunkt des Absetzens kommt es vor allem durch die Futterumstellung zu einer erneuten Veränderung der Milieubedingungen in Magen und Darm der Ferkel.
Im Vergleich zum Saugferkel konnten hier im Magen wesentlich höhere pH-Werte beobachtet werden, während die Werte im Darm gegenüber der Säugeperiode abnahmen. Die quantitative Zusammensetzung der Mikroflora ist in diesem Zeitraum daher starken Veränderungen unterworfen (CASTILLO et al. 2007; SU et al. 2008;
vgl. 2.3.1).
Im GIT kommen bis zu 400 verschiedene Bakterienarten vor (SIMON 2007).
Befinden diese sich bezüglich ihrer quantitativen Anteile im Gleichgewicht, spricht man von Eubiose (HAENEL 1960). Kommt es zu Störungen dieses Gleichgewichts, wie zum Beispiel durch antibiotische Behandlungen, plötzliche Umstellungen der Fütterung oder auch Funktionsstörungen im GIT selbst (AMTSBERG 1984), kann
nicht zwangsläufig zu einer Besiedelung mit pathogenen Mikroorganismen, auch eine Verschiebung der quantitativen Zusammensetzung der Flora kann durch vermehrt anfallende Stoffwechselprodukte der Bakterien eine schädigende Wirkung haben (SAVAGE 1977; KNOKE u. BERNHARD 1980).
Bei den am häufigsten im GIT von Schweinen vorkommenden Bakteriengattungen handelt es sich um Laktobazillen, Bacteroides, Streptokokken, Escherichia und Clostridien. Im Magen herrschen Laktobazillen vor (AMTSBERG 1984). Die Keimzahlen steigen von relativ niedrigen Werten um 107 bis 109 KBE/g Chymus im Magen in Richtung aboral kontinuierlich bis auf Werte von etwa 1012 KBE/g Chymus im Dickdarm an (SCHULZE u. BATHKE 1977; SIMON 2007). Neben den genannten Bakterienarten, die allesamt der autochthonen - also residenten - Flora des GIT angehören, kommen weitere transiente Bakterien, wie beispielsweise Klebsiellen, Pseudomonaden und Staphylokokken als allochthone Flora vor (AMTSBERG 1984).
Bei diesen Keimen handelt es sich um nicht oder fakultativ pathogene Spezies, die sich nicht fest im GIT ansiedeln, sondern wieder ausgeschieden werden.
Ist die residente Flora stabil, verhindert sie die Ansiedelung potentiell pathogener Erreger und somit eine Infektion. Dieses als „colonization resistance“ bezeichnete Phänomen wurde schon früh erkannt und von VAN DER WAAIJ et al. (1971) beschrieben. Faktoren, die diese Stabilität beeinflussen können, werden wiederum in allogene, vom Wirtsorganismus ausgehende und autogene, die von der Darmflora selbst ausgehen, eingeteilt. Tab. 1 zeigt eine Zusammenfassung dieser Faktoren (AMTSBERG 1984).
Tab. 1: Faktoren, die regulierend auf die Zusammensetzung der Darmflora wirken (nach FULLER 1980; SAVAGE 1980 und AMTSBERG 1984)
Faktoren Wirtsorganismus
allogen
Darmflora autogen
Verfügbare Nährstoffe + +
Konkurrenz um Nährstoffe + +
pH-Wert + +
Redoxpotential + +
Gallensäuren + +
Peristaltik +
Temperatur +
Turnover der Epithelzellen +
Antikörper +
Phagozytose +
Muzin +
Lysozym +
langkettige Fettsäuren +
kurzkettige Fettsäuren +
Schwefelwasserstoff +
Bacteriocine +
Bacteriophagen +
Magen
Der Besatz des Magens mit Mikroorganismen ist generell geringer als in den folgenden Abschnitten des GIT. Bei den hier vorkommenden Mikroorganismen handelt es sich in erster Linie um Laktobazillen. E. coli, Strepto- sowie Enterokokken und Clostridien, Hefen der Gattung Candida sowie Clostridium perfringens kommen in sehr viel geringerer Zahl vor (SMITH u. JONES 1963; TANNOCK u. SMITH 1970).
Die Zusammensetzung der gastralen Mikroflora kann durch die Struktur des verwendeten Mischfutters erheblich beeinflusst werden. So führte die Verfütterung
sukzessive auch zu einer erhöhten Konzentration des Stoffwechselproduktes Laktat im Mageninhalt von Absetzferkeln gegenüber gleichaltrigen Tieren, denen ein feines Pellet vorgelegt wurde (BULLERMANN 2012). Ähnliche Beobachtungen wurden von MIKKELSEN et al. (2004, 2007), PAPENBROCK (2004) und KAMPHUES (1987) beschrieben. Als ein möglicher Grund für dieses Phänomen wird unter anderem die längere Verweilzeit der Ingesta im Magen bei Einsatz eines groben Futters diskutiert, welche den Mikroorganismen ein größeres Zeitfenster für die Proliferation verschafft (MIKKELSEN et al. 2004).
Ein niedriger pH-Wert im Fundusbereich des Magens, der ohne eine Schichtung des Mageninhaltes und eine entsprechende Verweilzeit des Chymus nicht zu Stande kommt, ist so ein wesentlicher Bestandteil der Magenbarriere, die eine erste, äußerst effektive Verteidigungslinie gegenüber oral aufgenommenen Mikroorganismen bilden kann (MAXWELL et al. 1970; MIKKELSEN et al. 2004).
Auch die erhöhte Laktatkonzentration selbst trägt zu einer effektiveren Abtötung der eindringenden Mikroorganismen bei. Ein bakterizider Effekt der Milchsäure konnte in verschiedenen In-vitro-Studien gezeigt werden (PRESSER et al. 1997;
KNARREBORG et al. 2002)
Dünndarm
Die mikrobielle Aktivität steigt - wie auch über den gesamten GIT - insgesamt von oral nach aboral an. So findet man im proximalen Dünndarm nur etwa 106 bis 107 KBE/g Chymus, während im Ileum bereits bis zu 109 KBE/g Chymus vorkommen (WOLFFRAM u. SCHARRER 2010b). Es handelt sich hier - wie auch im Magen - in erster Linie um Laktobazillen und Streptokokken. Im Ileum, das den letzten Dünndarmabschnitt darstellt, sind bereits in größerem Umfang Dickdarmbakterien wie E. coli und Bacteroides spp. anzutreffen. Insgesamt ist hier eine Zunahme der aeroben wie anaeroben Gesamtkeimzahl zu beobachten (AMTSBERG 1984).
Auch im Dünndarm werden Effekte einer groben Futterstruktur auf die Mikroflora beschrieben. So konnte BULLERMANN (2012) zeigen, dass nach Verfütterung eines groben Schrotes signifikant niedrigere Keimzahlen von Streptokokken/Enterokokken und auch coliformen Bakterien im Dünndarmchymus zu finden waren als nach
Verfütterung eines feinen Pellets. Ähnliche Beobachtungen wurden von MIKKELSEN et al. (2004) gemacht. BULLERMANN (2012) sieht den Grund für diese Reduktion in einer effektiveren Magenbarriere, unter anderem charakterisiert durch einen niedrigen Magen-pH, die so für eine drastische Reduktion und ein niedriges Anfangslevel für die Proliferation der Enterobacteriaceae im Dünndarm sorgt.
Weiterhin war ein Anstieg der Stoffwechselprodukte der grampositiven Mikroflora (flüchtige Fettsäuren, Laktat) bei Tieren, die grobvermahlene Mischfutter erhielten gegenüber solchen, denen ein feines Pellet angeboten wurde, zu beobachten (BULLERMANN 2012). Hier vermutet der Autor einen zusätzlichen reduzierenden Effekt auf die coliformen Keime. Der bakterizide Effekt des Laktats wurde - wie bereits erwähnt - schon von mehreren Autoren beschrieben (PRESSER et al. 1997;
KNARREBORG et al. 2002) und untermauert diese Theorie.
Dickdarm
Der Dickdarm, und hier vor allem das Zäkum sowie das Kolon, stellen bei den pflanzenfressenden Monogastriern - ganz ähnlich zum Pansen bei wiederkäuenden Spezies - die Gärkammer für den mikrobiellen Aufschluss von Polysacchariden mit β- glykosidischer Bindung dar. Das Spektrum der hier vorkommenden Bakterien, das mehr als 400 Arten umfasst, ist daher demjenigen im Pansen sehr ähnlich (BREVES u. DIENER 2010). Im Vergleich zu den proximalen Abschnitten, des GIT kommt es hier – bedingt durch die anaeroben Verhältnisse – zu einer Zunahme von Bacteroides-Keimen. Weiterhin kommen E. coli in großer Zahl vor. Auch Laktobazillen und Streptokokken sind ein wichtiger Bestandteil der Dickdarmflora (SCHULZE u. BATHKE 1977). Mit 1010 bis 1012 KBE/g Chymus ist hier der höchste Keimgehalt des ganzen GIT zu finden (BREVES u. DIENER 2010).
Die flüssige Phase, die partikulären Strukturen in der Digesta sowie die Darmwand stellen die 3 Verteilungsräume im Dickdarm dar, deren mikrobielle Besiedlung sich qualitativ wie auch quantitativ unterscheidet. Daher ist aus dem Keimbesatzmuster im Kot kein Rückschluss auf die Verhältnisse im Dickdarm möglich (BREVES u.
DIENER 2010)
Neben den β-glykosidisch gebundenen Polysacchariden können auch Mono-, Di- oder Trisaccharide sowie Stärke als Kohlenhydrate mit α-glykosidischer Bindung der Dickdarmflora als Substrat dienen. Diese erreichen den kaudalen GIT, wenn die Verdauungskapazitäten des Dünndarms überschritten werden (BREVES u. DIENER 2010). Das auch eine grobe Vermahlung kohlenhydrathaltiger Futtermittel zu einem vermehrten Stärkeeinstrom ins Zäkum führt, wurde in zahlreichen Studien beobachtet (CANIBE et al. 2005; VISSCHER et al. 2009; BETSCHER 2010;
WINTERMANN 2011; BULLERMANN 2012).
Die kurzkettigen Fettsäuren Essig-, Propion- und Buttersäure stellen die im Dickdarmchymus und auch im Kot detektierbaren Stoffwechselprodukte der Mikroflora des Dickdarms dar. Sie kommen in einer Gesamtkonzentration von etwa 100 mmol/l Chymusflüssigkeit vor, ihr Mengenverhältnis zueinander kann je nach Zusammensetzung der Ration variieren (KAMPHUES et al. 2007a). Durchschnittliche Werte für das Verhältnis von Acetat:Propionat:Butyrat variieren um 65:25:10 (BREVES u. DIENER 2010). MIKKELSEN et al. (2004) beobachteten, dass eine geringere Vermahlungsintensität des Mischfutters mit einem höheren Stärkeeinstrom ins Zäkum bei Absetzferkeln zu einer Zunahme der anaeroben Flora sowie der Laktatbildner führte. Gleichzeitig wurde eine vermehrte Bildung von Butyrat im kaudalen Dickdarm von verschiedenen Autoren beobachtet (u. a. MIKKELSEN et al.
2004, VISSCHER et al. 2009) Zusätzlich können einige Butyrat-bildende Bakterien Laktat als Substrat nutzen (DUNCAN et al. 2004). SCHNABEL et al. (1990) konnten zudem zeigen, dass auch bei einer hohen Futteraufnahme die Butyratkonzentrationen im Zäkum- und Koloninhalt von Sauen anstiegen.
Das Butyrat gelangt nur in geringem Maße in den Blutkreislauf, vielmehr kommt ihm im Dickdarm eine wichtige Rolle als bevorzugtes Nährsubstrat für die Kolonozyten zu (SCHEPPACH 1994). Außerdem haben verschiedene Studien (u. a. VAN IMMERSEEL et al. 2005; GANTOIS et al. 2006) gezeigt, dass Buttersäure wesentlich zu einer Reduktion der Invasionsfähigkeit von Salmonellen beitragen kann (s. 2.2.4).
Eine Beeinflussung der Dickdarmflora ist weiterhin über sogenannte Präbiotika möglich. Hierbei handelt es sich um „spezifische unverdauliche Stoffe, die selektiv
Bifidobakterien und möglicherweise auch andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum im Darm fördern und dadurch positive gesundheitliche Wirkungen erzielen“ (BfR 1999). Von körpereigenen Enzymen nicht zu verdauende Kohlenhydrate wie Inulin, Lactulose, Stachyose oder auch Raffinose gelangen in den Dickdarm, wo sie als fermentierbares Substrat den Mikroorganismen zur Verfügung stehen. Vor allem Laktobazillen, Bifidobakterien und auch Streptokokken sind an der Verstoffwechselung der Präbiotika beteiligt (GIBSON u. RODERFROID 1995).
Auch durch Probiotika, bei denen es sich um „definierte lebende Mikroorganismen, die in ausreichender Menge in aktiver Form in den Darm gelangen und hierbei positive gesundheitliche Wirkungen erzielen“ (BfR 1999) handelt, kann ein positiver Effekt auf Leistung, Infektionsfrequenz und -verlauf intestinaler Erkrankungen beim Schwein ausgeübt werden (u. a. LODEMANN et al. 2006; TARAS et al. 2006;
PIEPER et al. 2010). Wichtig ist hier, dass die Präparate in der Tierernährung stabilisiert werden müssen, um eine längere Lagerfähigkeit zu gewährleisten. Auch SIMON und FLACHOWSKY (2006) haben wichtige Beiträge zur Forschung auf diesem Gebiet geleistet.
2.2 Salmonellen
Salmonellen sind insbesondere als Erreger von Magen-Darm-Erkrankungen, einige wenige Serovare aber auch als Erreger von generalisierten Infektionen, weltweit von Bedeutung. Neben wirtsspezifischen Serovaren, wie S. Cholerasuis, kommen auch solche vor, die verschiedene Spezies einschließlich des Menschen infizieren können und so ein hohes Zoonosepotential haben (SELBITZ 2007). Aus diesem Zusammenhang ergibt sich die besondere lebensmittelhygienische Bedeutung der Salmonellen mit breitem Wirtsspektrum wie S. Typhimurium, S. Enteritidis und S. Derby.
2.2.1 Taxonomie, Epidemiologie und rechtliche Regelungen Taxonomie
Die Gattung Salmonella wird traditionell nach dem Kauffman-White-Schema anhand der O- und H-Antigene in die verschiedenen Serovare eingeteilt. Das WHO Collaborating Centre for Reference and Research am Pariser Pasteur Institut ist für die regelmäßige Akualisierung dieser international verbindlichen Grundlage verantwortlich.
Salmonella enterica mit 6 Subspezies (arizonae, diarizonae, enterica, houtenae, indica, salamae) und Salmonella bongori bilden das Genus Salmonella mit insgesamt mehr als 2500 Serovaren. Nur noch die Serovare der Subspezies Salmonella enterica ssp. enterica werden mit Eigennamen versehen. Häufig wird nur der Gattungsname Salmonella und die nachfolgende Serovarenbezeichnung, beginnend mit einem Großbuchstaben, angegeben. Jedes Serovar ist durch eine bestimmte Antigenformel definiert (SELBITZ 2007). Das Serovar Salmonella Derby hat die Antigenformel O 1, 4, [5], 12; H:f,g, [1,2]. Bei den O-Antigenen handelt es sich um Bestandteile der Polysaccharidkapsel, während H-Antigene in Geißeln vorkommen. Die Antigenformel für S. Derby sagt also aus, dass bei diesem Serovar die O-Antigene 1, 4 und 12 sowie die H-Antigene f und g regelmäßig vorkommen, während das O-Antigen 5 und die H-Antigene 1 und 2 nie vorgefunden werden.
Epidemiologie und Tenazität
Salmonellen sind weltweit verbreitet. Ihr Reservoir ist der Verdauungstrakt warm- und kaltblütiger Tiere, wobei Salmonella enterica ssp. enterica hauptsächlich bei homoiothermen Lebewesen vorkommt, während die anderen Serovare vor allem bei poikilothermen Tieren gefunden werden (SELBITZ 2007) Eine grobe Unterteilung der verschiedenen Serovare basierend auf ihrer Wirtsspezifität und Invasivität wird von SELBITZ (2007) wie folgt vorgenommen:
1. Invasive, an den Menschen angepasste Serovare
Hierzu gehören S. Typhi und S. Paratyphi, die Erreger von Typhus und Paratyphus. Für Tiere sind diese Serovare bedeutungslos.
2. Invasive, an bestimmte Tierarten angepasste Serovare
Zu dieser Gruppe zählen zum Beispiel das an das Rind angepasste Serovar S. Dublin und das an das Schwein angepasste Serovar S. Cholerasuis.
Infektionen treten selten auf, sind aber dann durch schwere septikämische Verläufe gekennzeichnet. Menschen sind nur selten betroffen, zeigen dann aber ebenfalls durchaus schwere Verläufe.
3. Zum Teil invasive, an keine bestimmte Tierart angepasste Serovare Hierzu zählen S. Typhimurium und S. Enteritidis. Sie sind die Haupterreger von Zoonosen. Beim Menschen verursachen sie zumeist die sogenannte enteritische Salmonellose mit Durchfällen, Erbrechen und einem deutlich verschlechterten Allgemeinbefinden. Beim Tier kommen latente Verläufe bis hin zu schweren seuchenhaften Erkrankungen vor.
S. Derby gehört auch zu dieser Gruppe. Es wird beim Schwein häufig nachgewiesen (BfR 2009) und verursacht beim Menschen ebenfalls Magen- Darm-Infektionen (MCCULLOUGH u. EISELE 1951).
4. Nicht invasive, an keine bestimmte Tierart angepasste Serovare
In diese Gruppe gehören mehr als 2000 Serovare. Sie verursachen beim Tier zum Großteil latente Infektionen und haben beim Menschen nur selten als Zoonoseerreger Bedeutung.
Da Salmonellen in der Umwelt zumeist in einer nicht kultivierbaren Form vorkommen, ist das wahre Ausmaß der Kontamination fraglich. Die fehlende Wirtsspezifität der Mehrheit der Serovare hat zur Folge, dass die Infektionsketten häufig nur schwer zu überschauen sind (SELBITZ 2007). Durch die Vielzahl von Reservoirwirten, die effiziente fäkale Ausscheidung, die hohe Tenazität und eine effektive Nutzung von Vektoren sind optimale Voraussetzungen für die weite Verbreitung von Salmonellen in der Umwelt geschaffen (CARLSON et al. 2012).
Symptomlose Infektionen mit Salmonellen, die keine Wirtsspezifität aufweisen, sind in Schweinebeständen weit verbreitet. Die wahre Salmonellen-Prävalenz innerhalb eines Betriebes ist durch Kotuntersuchungen nicht zu ermitteln, da die Erregerausscheidung nur zeitweilig oder gar nicht stattfindet. Durch Stresseinwirkung, wie etwa den Transport zum Schlachthof erhöht sich die Zahl der Ausscheider. Eine mögliche Kontamination der Schlachtkörper während des Schlacht- und Zerlegeprozesses wird so wahrscheinlicher (WALDMANN u. PLONAIT 2004)
Bei Untersuchungen der European Food Safety Agency (EFSA) aus dem Jahre 2010 zeigten sich EU-weit 30,9 % der untersuchten schweinehaltenden Betriebe serologisch salmonellen-positiv (EFSA 2012).
Salmonellen können sowohl vertikal als auch horizontal übertragen werden, wobei beim Schwein durch das im Vergleich zum Rind wesentlich längere Verbleiben der Jungtiere beim Muttertier der vertikalen Übertragung eine größere Bedeutung zukommt. Die Einschleppung von Salmonellen in die Mastbestände erfolgt zumeist über latent infizierte Tiere (u. a. BLAHA 2005; VISSCHER 2006). Kontaminierten Futtermitteln sowie belebten und unbelebten Vektoren wird ebenfalls eine nicht zu vernachlässigende Rolle zugesprochen (BLAHA 1993), wobei deren Bedeutung für Salmonellen, die bei Mensch und Tier zu klinisch-manifesten Erkrankungen führen (S. Enteritidis und S. Typhimurium), weniger groß zu sein scheint (KAMPHUES et al.
2007a). Es ist davon auszugehen, dass in jedem Schweinehaltungsbetrieb ein gewisser Anteil von (unerkannten) Salmonellenträgern vorhanden ist (WALDMANN u. PLONAIT 2004). So wurden in Untersuchungen des BfR auch in Betrieben, die im Rahmen des Salmonellen-Monitorings der Kategorie I zugeordnet wurden, 5,3 % der untersuchten Proben als positiv bewertet.
Sogenannte „Carrier“, die den Erreger tragen, aber keine Klinik aufweisen, zeigen zumeist eine intermittierende Erregerausscheidung (CARLSON et al. 2012). Dem Carrier-Status muss nicht zwingend eine klinische Erkrankung vorausgehen.
Gemeinhin wird eine Klinik eher bei Jungtieren im Alter zwischen 4 Wochen und 4 Monaten beobachtet, während Adulte zumeist latente Keimträger sind. Eine noch
instabile Magen-Darm-Flora ist ein Grund für die häufigere Erkrankung jüngerer Tiere (BARROW et al. 2010; SELBITZ 2007). Nicht verwunderlich ist daher, dass aktuell eine vermehrte Prävalenz der Erreger bei jüngeren Tieren beobachtet wurde (HARTUNG u. KÄSBOHRER 2013).
Verschiedene Faktoren wie Transport, Umstallen und auch sozialer Stress provozieren die Erregerausscheidung. Der Anstieg der Katecholamine in Stresssituationen führt zu einer verminderten Magensäureproduktion und damit zu einem Anstieg des Magen-pH-Wertes, was zu einer erhöhten Überlebensrate der Salmonellen bei der Magenpassage beitragen kann (CARLSON et al. 2012).
Rechtliche Regelungen
Salmonellen-Bekämpfungsprogramme in der Primärproduktion von Schweine- und Geflügelfleisch sind in der EU durch die Verordnung (EG) Nr. 2160/20031 Pflicht. In Deutschland erfolgte die Umsetzung durch die Einführung der „Verordnung zur Verminderung der Salmonellenverbreitung durch Schlachtschweine“ (Schweine- Salmonellen-Verordnung)2 im Jahr 2007. Sie schreibt eine Untersuchungspflicht auf Antikörper gegen Salmonellen für Endmastbetriebe mit mehr als 50 Mastplätzen vor.
Die Betriebe werden in 3 verschiedene Kategorien eingeteilt, wobei sich in Kategorie I Betriebe mit niedrigem (0-20 % positve Befunde), in Kategorie II Betriebe mit mittlerem (20-40 % positive Befunde) und in Kategorie III Betriebe mit hohem Status (über 40 % positive Befunde) wiederfinden. Für Betriebe, die in Kategorie III eingestuft werden, müssen umfangreiche Maßnahmen zur Verbesserung des Salmonellenstatus wie z. B. epidemiologische und bakteriologische Untersuchungen zusammen mit dem betreuenden Tierarzt sowie verschiedene Hygiene-Maßnahmen (Reinigung und Desinfektion, Schadnagerbekämpfung etc.) durchgeführt werden.
1 Verordnung (EG) Nr. 2160/2003 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. November 2003 zur Bekämpfung von Salmonellen und bestimmten anderen durch Lebensmittel übertragbaren
Im 4. Viertel des Jahres 2008 befanden sich 81,9 % der Betriebe in Kategorie I, 14,0 % in Kategorie II und 4,1 % in Kategorie III (MERLE et al. 2011). Dieser hohe Prozentsatz der Betriebe in Kategorie I deckt sich mit den Erhebungen der Firma QS, wie HARTUNG u. KÄSBOHRER (2013) in ihrem Bericht darstellen.
In Deutschland ergaben bundesweite Untersuchungen des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR), dass im Jahr 2011 17,5 % der untersuchten schweinehaltenden Betriebe positive Ergebnisse bei der serologischen Untersuchung auf Salmonellen aufwiesen. Bei isolierter Betrachtung der Mastbetriebe war sogar eine Prävalenz von 20,3 % festzustellen. Das am häufigsten isolierte Serovar war hier S. Typhimurium (84,9 % der isolierten Erreger), S. Enteritidis und auch S. Derby wurden im Vergleich dazu wesentlich seltener nachgewiesen. Daten bezüglich der Salmonellen-Prävalenz in Mastschweinebetrieben auf nationaler Ebene für die Vorjahre fehlen. Der Vergleich der von MERLE et al. (2011) ausgewerteten Daten mit denen von HARTUNG und KÄSBOHRER (2013) zeigt, dass in 2011 mehr untersuchte Proben aus den Mastbetrieben ein positives Ergebnis hervorbrachten, als dies im Jahr 2008 in Zuchtschweinebetrieben der Fall war (9.2 % vs. 6,2 %).
2.2.2 Pathogenese der Salmonelleninfektion
Die Infektion mit Salmonellen erfolgt zumeist fäkal-oral. Kontaktinfektionen (konjunktival, aerogen) konnten nachgewiesen werden, sind aber in der Praxis vergleichsweise selten (SELBITZ 2007). Experimentelle Infektionsversuche waren bei Infektionsdosen um 108-1010 KBE pro Tier erfolgreich, diese dürften jedoch im Feld wesentlich niedriger liegen, da es durch Tierpassagen scheinbar zu einer Potenzierung der Erregermenge kommt (CARLSON et al. 2012). Nach der Aufnahme gelangen die Erreger in den Magen, wo sie zunächst das vorherrschende saure Milieu überleben müssen. Durch die Produktion sogenannter Säureschutzproteine ist Salmonellen auch ein Überleben bei pH 3 noch möglich (AUDIA et al. 2001). Nach der Magenpassage gelangen die Erreger in den Darm, wo sie mit weiteren antibakteriellen Faktoren wie Lysozym, Gallensalzen und Defensinen konfrontiert werden. BOYEN et al. (2008) vermuten in der hohen Konzentration dieser Stoffe im
proximalen Dünndarm eine Ursache für die bevorzugte Invasionsstelle der Salmonellen im terminalen Ileum. Durch Chemotaxis anhand ihrer Geißeln erreichen die Erreger hier die Darmwand, heften sich an und durchdringen das Epithel (STECHER et al. 2004; BARROW et al. 2010). Die Glykokalix ist über dem Darmepithel hier besonders dünn, was ein leichteres Eindringen zur Folge hat (CARLSON et al 2012). Die Peyerschen Platten sind von einem besonderen follikelassoziierten Epithel überzogen, dass sogenannte „M-Zellen“ (membranous epithelial cells) enthält. Es handelt sich um Antigen-präsentierende Zellen, die Partikel aus dem Darmlumen aufnehmen, von apikal nach basal transportieren und so dem darunter liegenden Lymphgewebe für die Auslösung einer Immunantwort zugänglich machen. Diese Zellen werden von Salmonellen bevorzugt für eine Invasion genutzt (JEPSON U. CLARK 2001). Die genetische Grundlage für die Invasionsfähigkeit der Salmonellen ist auf der Salmonella-Pathogenicity-Island-1 (SPI-1) verankert (GANTOIS et al. 2006). Durch die Injektion von bakteriellen Effektor-Proteinen ins Zytosol der Darmepithelzellen kommt es zu einem Umbau der Aktin-Filamente, was in der Folge eine Aufnahme der Salmonellen möglich macht (ZHOU u. GALÁN 2001). Nach dem Einschluss in eine Vakuole werden die Erreger durch die Enterozyten transportiert. Eine Degeneration dieser Zellen und - durch die verminderte Epithelerneuerung - auch eine Atrophie der Villi sind Begleiterscheinungen. In der Lamina propria führt die Invasion der Salmonellen zu einer Ansammlung von Granulozyten, auch im Darmlumen sowie den Peyerschen Platten kommen diese Entzündungszellen vor und können dort neben den Erregern nachgewiesen werden (BARROW et al. 2010). Für die Invasion der M-Zellen konnte jedoch gezeigt werden, dass auch ohne die SPI-1 eine Invasion in diese Zellen möglich war (JEPSON u. CLARK 2001). Während des Eindringens von Salmonellen kommt es zu einer vermehrten Produktion von Proteinen durch die Bakterien, die ihnen ein intrazelluläres Überleben auch in Makrophagen ermöglichen, wodurch sie dieser ersten Immunantwort entgehen können (CARLSON et al. 2013).
Nach dem Durchbrechen der Darmschranke erreichen die Erreger die regionalen Lymphknoten und können auf Blut- und Lymphwegen zu generalisiert-
Gefäßen führen. Solch gravierende Verläufe mit Todesfällen sind jedoch selten.
Häufiger treten intestinale Symptome in Form von Durchfall auf. Sie werden zum einen durch eine vermehrte Flüssigkeitsansammlung im Darmlumen verursacht, die auch durch die Malabsorption der geschädigten Enterozyten bedingt ist. Zum anderen führen die sezernierten Enterotoxine zu Gefäßschäden und damit einem gesteigerten Flüssigkeitsverlust ins Darmlumen (BARROW et al. 2010). Die Krankheitssymptome treten nach 1-4 Tagen auf und umfassen neben dem beschriebenen profusen Durchfall auch Fieber. Todesfälle durch Erschöpfung können vorkommen, ansonsten erscheint eine Besserung nach etwa 1-7 Tagen.
Überlebende sind häufig Kümmerer und bleiben Dauerausscheider (WALDMANN u.
PLONAIT 2004).
Bei Untersuchungen von FEDORKA-CRAY et al. (1994) schieden Schweine nach experimenteller Infektion für 10 Tage Erreger aus, danach war für 4 bis 5 Monate eine intermittierende Ausscheidung zu beobachten. Zum Zeitpunkt der Schlachtung fanden sich bei 90 % der Tiere immer noch Salmonellen im Ileozäkallymphknoten.
Meist tritt die Infektion im Feld nach der Ankunft im Mastbetrieb auf, die Prävalenz kann dann nach 2 Wochen 80-100 % betragen (CARLSON et al. 2012).
2.2.3 Infektionen beim Menschen
Erkrankungen, die durch die humanadaptierten Serovare S. Typhi und Paratyphi ausgelöst werden, äußern sich als fieberhafte Allgemeinstörungen, sind aber in Deutschland selten geworden. Die Übertragung erfolgt hier durch fäkal-orale Infektionen von Mensch zu Mensch. Im Jahr 2012 traten in Deutschland 58 Fälle von Typhus und 43 Fälle von Paratyphus auf (ROBERT KOCH-INSTITUT 2013).
Häufiger kommt die sogenannte Enteritis-Salmonellose vor, die durch nicht- wirtsadaptierte Vertreter der Gattung ausgelöst wird. Hier ist der Verzehr kontaminierter Lebensmittel der hauptsächliche Infektionsauslöser (ROBERT KOCH- INSTITUT 2013). Das Auftreten der Erkrankung in mehreren epidemiologisch zusammenhängenden Fällen ist nach Infektionsschutzgesetz meldepflichtig3.
3 § 6 Abs. 1 Nr. 2 IfSG
Nach einer Inkubationszeit von 5-72 h können gastrointestinale Symptome wie wässriger Durchfall, Abdominalschmerzen und Übelkeit beobachtet werden, Fieber kann auftreten. Relativ selten kommen typhöse Verläufe oder Manifestationen außerhalb des GIT vor. Nach 3-6 Wochen endet die Salmonellenausscheidung, Dauerausscheider entwickeln sich im Gegensatz zu Infektionen mit den humanadaptierten Serovaren nicht (SELBITZ 2007). Kinder sind weitaus häufiger betroffen als Erwachsene. Außerdem werden oft Infektionen ganzer Gruppen von Menschen beobachtet, die Nahrungsmittel aus einer kontaminierten Herstellungscharge zu sich genommen haben, wie etwa im Jahr 2012, als der Verzehr von Mett bzw. Rohwurstprodukten in Thüringen, Niedersachsen und Hessen zu 3 Ausbrüchen von Salmonellose mit 144, 56 bzw. 47 Betroffenen führte.
Ursächlich konnte hier eine Kontamination der genannten Produkte mit S. Panama nachgewiesen werden (ROBERT KOCH-INSTITUT 2013).
Salmonellen stellen in Deutschland nach Campylobacter die zweithäufigste meldepflichtige Erkrankung dar. Im Jahr 2012 wurden den zuständigen Behörden 20.481 Fälle gemeldet, eine Zahl, die mit einer Reduktion um 15 % gegenüber dem Vorjahr auch den allgemeinen Trend eines Rückgangs der humanen Salmonelleninfektionen widerspiegelt, obwohl die Bedeutung der Infektion ungebrochen ist. Erstmalig stellte in 2012 S. Typhimurium mit 41 % das am häufigsten nachgewiesene Serovar. Das in allen Vorjahren am häufigsten nachgewiesene Serovar S. Enteritidis wurde im Jahr 2012 in 39 % der Fälle ermittelt (ROBERT KOCH-INSTITUT 2013). Unter den lebensmittelbedingten Krankheitsausbrüchen verursachten Salmonellen im Jahr 2011 37,8 % aller gemeldeten Erkrankungen.
Beim Schwein wurden im Jahr 2011 nur auf 4 % der untersuchten Schlachtkörper Salmonellen nachgewiesen, das häufigste Serovar war hier ebenfalls S. Typhimurium. Bei der Untersuchung von Geflügelschlachtkörpern waren 17,8 % der Proben auffällig. Auch die untersuchten Proben aus dem Einzelhandel zeigten beim Geflügel deutlich häufiger ein positives Ergebnis als beim Schwein (HARTUNG
tierischen Produkten im Einzelhandel reicht jedoch nicht zur Erklärung der hohen Zahl der Erkrankungsfälle. Die Handhabung der Lebensmittel durch infizierte Personen ebenso wie Kreuzkontaminationen durch unzureichende Küchenhygiene konnten als häufige Ursachen identifiziert werden. Als Orte der Kontamination wurden in den meisten Fällen die lebensmittel-verarbeitenden Betriebe (Gastronomie) genannt. Die Primärproduktion rangierte weit dahinter (HARTUNG u.
KÄSBOHRER 2013).
Mit dem Verzehr tierischer Nahrungsmittel assoziierte Salmonellosen beim Menschen sind in ihrer Bedeutung also ungebrochen, stellen doch die im Jahr 2011 als Ursprungsquellen ermittelten Nahrungsmittel (1. Fertiggerichte, 2. Fleisch, Fleischerzeugnisse und Wurstwaren, 3. Feine Backwaren) allesamt Produkte dar, die in großem Umfang tierische Erzeugnisse (Fleisch oder Eier) enthalten (HARTUNG u.
KÄSBOHRER 2013).
Eine Reduktion der Kontamination von Lebensmitteln mit Salmonellen – mindestens unter die für den Menschen infektiöse Dosis von 105 bis 106 KBE/g Lebensmittel (SELBITZ 2007) – kann nur durch eine Kombination der Minimierung des Erregereintrags aus der Primärproduktion mit der hygienischen Be- und Verarbeitung von Lebensmitteln durch Betriebe bzw. den Endverbraucher erreicht werden (GREWE 2011).
2.2.4 Beeinflussung von Salmonelleninfektionen
Eine akute klinische Salmonellose beim Schwein muss mit antimikrobiellen Präparaten bekämpft werden. Mittel der Wahl sind hier Enrofloxacin und Aminopenicilline. Die viel häufiger vorkommenden latenten Infektionen mit Salmonellen lassen sich so jedoch nicht sicher aus dem Betrieb eliminieren (SELBITZ 2007). Da sich die Resistenzlage bei Salmonellen zunehmend verschlechtert (BVL 2013), sind alternative Konzepte zur Minimierung der Salmonellenprävalenz gefragt. Die Verschlechterung der Resistenzlage gilt vor allem für Salmonellen aus Schweinebeständen und hier besonders für S. Typhimurium, dem beim Schwein häufigsten Serovar.
Haltung und Hygiene
Um Betriebe aufbauen zu können, die frei von Salmonellen sind, ist es zunächst wichtig, keine Salmonellen-positiven Tiere einzustallen. Der Ausscheider-Status zugekaufter Tiere sollte über noch auf dem Hänger entnommene Rektaltupfer oder Einzelkotproben in einem ausreichend großen Stichprobenumfang überprüft werden.
Ein sicherer Abschluss des Betriebes nach außen ist ebenfalls unbedingt notwendig, um eine Einschleppung der Salmonellen über Vektoren wie Katzen, Hunde, Schadnager oder Wildvögel zu verhindern. Auch sollte eine Fliegenbekämpfung durchgeführt werden (NATHUES u. GROSSE BEILAGE 2013).
Eine regelmäßige und sorgfältige Reinigung und Desinfektion aller Stallbereiche sowie der verwendeten Geräte und der Verladerampe ist weiterhin umzusetzen. Die Einrichtung und ordnungsgemäße Benutzung einer Hygieneschleuse kann nicht nur zu einer Reduktion der Salmonellenprävalenz beitragen, sondern auch insgesamt den Hygienestatus des Betriebes verbessern (NATHUES u. GROSSE BEILAGE 2013). So stellt darüber hinaus ein hoher Personenverkehr einen Risikofaktor für eine erhöhte Ausscheidung von Salmonellen dar (FUNK et al. 2001).
Verendete Tiere müssen umgehend entfernt werden. Außerdem sollte der Kontakt zwischen verschiedenen Altersgruppen durch ein konsequentes Rein-Raus- Verfahren vermieden werden (NATHUES u. GROSSE BEILAGE 2013). Eine Überbelegung einzelner Buchten führt ebenfalls zu einem gesteigerten Risiko für eine Infektion mit Salmonellen. BERENDS et al. (1996) identifizierten die Rolle der Infektionszyklen innerhalb eines Bestandes als wichtigsten Risikofaktor für eine Infektion mit Salmonellen.
Ein Futterentzug vor dem Transport zum Schlachthof wird häufig durchgeführt, da das niedrigere Gesamtgewicht des GIT die Gefahr einer Ruptur und die damit verbundene Kontamination des Schlachtkörpers senkt (MILLER et al. 1997). Ein Futterentzug wirkt jedoch als Stressfaktor auf die Tiere. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass Stress z.B. in Form von Futterentzug, Hitze oder Rangordnungskämpfen zu einer Reaktivierung und damit erneuten
1970; BURKHOLDER et al. 2008; VERBRUGGHE et al. 2011). Das Stresshormon Cortisol scheint eine wichtige Funktion für den Mechanismus dieses Effekts zu haben. VERBRUGGHE et al. (2011) beobachteten, dass es parallel zum Stresslevel ansteigt und außerdem ex vivo die intrazelluläre Proliferation von S. Typhimurium in Alveolarmakrophagen des Schweines induziert. Neben dem Faktor Stress ist mangelnde Hygiene beim Transport ein weiterer Risikofaktor (BERENDS et al.
1996).
Ein Einsatz von Breitbandantibiotika führt ebenfalls zu einem höheren Risiko für eine Infektion mit Salmonellen, da die darmeigene Mikroflora in ihrer Zusammensetzung gestört und so die sog. „colonization resistance“ herabgesetzt wird. Ebenso sind Betriebe, die in schweinedichten Regionen liegen, einem höheren Infektionsrisiko ausgesetzt als solche in Einzellage (BERENDS et al. 1996; VAN DER WOLF et al.
2001).
Impfkonzepte
Da Salmonellen im Wirt einen intrazellulären Parasitismus zeigen, sind nur Vakzinen, die eine zellvermittelte Immunität induzieren, für eine erfolgreiche Infektionsprophylaxe geeignet (SELBITZ 2007).
In Deutschland steht derzeit eine attenuierte Lebendvakzine zur Reduzierung der Salmonellenprävalenz zur Verfügung. Für Sauen ist eine subkutane Injektion zugelassen, während Ferkel und Läuferschweine ab der 4. Lebenswoche oral behandelt werden dürfen. Besonders ist bei Impfungen gegen Salmonellen darauf zu achten, dass die erzeugte humorale Immunität nicht zum falsch-positiven Nachweis von Antikörpern am Schlachthof führt. Der beschriebene Impfstoff sorgt bei Ferkeln nur kurz für serologisch nachweisbare Antikörpertiter, sodass diese Gefahr hier nicht besteht (NATHUES u. GROSSE BEILAGE 2013).
Futter und Fütterung
Das Mischfutter wird häufig als eine der Haupteintragsquellen von Salmonellen in landwirtschaftliche Betriebe betrachtet (MARCIOROWSKI et al. 2006). KAMPHUES
