新生仔牛の下痢と消化管微生物叢: 下痢の治療と予防のための原因物質と微生物叢操作

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ジャーナル獣医科学11巻3号10.3390/vetsci11030108
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新生仔牛の下痢と消化管微生物叢: 下痢の治療と予防のための原因物質と微生物叢操作

https://www.mdpi.com/2306-7381/11/3/108



Emma Jessop 1,Lynna Li 1,2ORCID,David L. Renaud 3ORCID,Adronie Verbrugghe 1ORCID,Jennifer Macnicol 4ORCID,Lisa Gamsjäger 5およびDiego E. Gomez 1,*ORCID 著
1
オンタリオ獣医科大学臨床学科、ゲルフ大学、50ストーン・ロード・イースト、ゲルフ、ON N1G 2W1、カナダ
2
コーネル大学獣医学部、602 Tower Road, Ithaca, NY 14853, USA
3
オンタリオ獣医科大学個体群医学部、ゲルフ大学、50 Stone Road East, Guelph, ON N1G 2W1, Canada
4
ゲルフ大学オンタリオ獣医科大学病理生物学教室(50 Stone Road East, Guelph, ON N1G 2W1, Canada
5
ノースカロライナ州立大学獣医学部集団衛生・病理生物学教室、ローリー、ノースカロライナ州27606、USA
*
著者
Vet. Sci. 2024, 11(3), 108; https://doi.org/10.3390/vetsci11030108
投稿受理: 2023年11月8日/改訂:2024年2月19日/受理:2024年2月20日/発行:2024年2月29日
(この論文は獣医内科学に所属しています)
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簡単な要約
新生子牛の下痢は、重大な疾病や死亡につながる世界的な健康上の大きな問題である。しかし、下痢を起こした子牛の腸内細菌の変化とその原因については、まだ理解を深める必要がある。様々な研究から、下痢を起こした子牛の腸内細菌は、同じ月齢の健康な子牛の腸内細菌とは大きく異なることが示されている。重要な疑問のひとつは、子牛の下痢に関連する病原体による腸内炎症に、このような細菌変化が関与しているのか、それとも起因しているのかということである。本総説では、下痢の子牛の腸内細菌の変化と、下痢に関連する病原体がこれらの細菌群集にどのような影響を及ぼすかに関する現在の情報を要約する。ヒトや犬の医療では、プレバイオティクスやプロバイオティクス、初乳給与、糞便微生物叢移植(FMT)といった戦略が、腸疾患の治療や予防に成功している。牛の下痢を予防するためにプロバイオティクスを使用することに関する情報はいくつかあるが、プレバイオティクスやFMTを含め、子牛の下痢の治療にこれらの方法を採用することに関する知識は限られている。本総説の第二の目的は、プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、初乳給与、FMTを子牛の下痢の治療と予防に使用する方法とその効果に関する現在の知識の概要を提供することである。
要旨
新生児子牛の下痢は、世界的に新生児罹患率および死亡率の主要原因である。下痢を経験した新生子牛の消化管微生物叢に関連する変化とその病因は、文献的に完全には解明されておらず、また完全に定義されているわけでもない。いくつかの研究で、下痢を経験した子牛の糞便微生物叢は、年齢をマッチさせた健康な子牛のそれと大きく乖離していることが証明されている。しかし、1つの重要な疑問が残されている。それは、細菌群集に見られる変化(ディスバイオーシスとも呼ばれる)が、子牛の下痢に関連する病原菌によって引き起こされる消化管炎症の素因なのか、それともその結果なのかということである。この文献レビューの第一の目的は、下痢の子牛の糞便微生物叢の変化と、下痢に関連する病原体が糞便微生物叢に及ぼす影響に関する現在の情報を提示することである。プレバイオティクスやプロバイオティクス、初乳給与、糞便微生物叢移植(FMT)を用いた消化管微生物叢の調節は、ヒトやイヌの消化器疾患の治療や予防に用いられてきた。下痢予防のためのプロバイオティクスの使用に関する情報はウシで入手可能であるが、子牛の下痢治療へのこれらの戦略の使用や、下痢予防のためのプレバイオティクスやFMTの使用に関する情報はほとんどない。この文献レビューの第二の目的は、子牛の下痢の治療と予防のためのプレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、初乳給与、FMTの影響に関する現在の知見をまとめることである。
キーワード:乳牛;ディスバイオーシス;腸内病原体;消化管マイクロバイオーム;新生児

  1. はじめに
    子牛の新生児下痢症は死亡率と罹患率の主な原因であり、子牛の総死亡数の50%以上を占める [1]。その結果、畜産業における経済的・生産的損失が大きくなる [2]。2003年、英国の国営牛群における腸内疾患の推定コストは、年間1,100万GBPであった[3]。子牛1頭あたりのクリプトスポリジウム感染に関連する費用は、ベルギーで60.62ユーロ、フランスで43.83ユーロ、オランダで58.24ユーロである[4]。先行研究によると、乳牛の子牛における下痢の有病率は、米国で 38.5%、カナダで 23%、韓国で 53%、イランで 58% と様々です [5,6,7]。子牛の下痢は、ウイルス、細菌、原虫などの感染因子によって引き起こされる可能性があり、主な原因菌は牛ロタウイルスA群(BRoV-A)、牛コロナウイルス(BCoV)、サルモネラ属菌、大腸菌(E. coli)、クロストリジウム・パーフリンゲンスC型、クリプトスポリジウム・パルバム(C. parvum)です。子牛の下痢に主に関与している腸内病原体は、健康な子牛でも検出されることがあるため、これらの病原体が検出されたからといって、必ずしも子牛が病気に罹患しているとは限りません [7]。ほとんどの場合、下痢は多因子性であり、様々な腸管病原体が同時に疾患に関与している可能性がある。
    子牛の健康と疾病における重要な因子は、消化管微生物叢である。消化管微生物叢は、細菌を含む多様な微生物群集であり、共生的に作用して消化管と宿主の健康を維持している。具体的には、消化管(GIT)内の微生物は宿主と腸細胞に栄養素を供給し、局所的および全身的な免疫系を制御し、腸の形態学的発達を助ける [2,8]。健康な子牛の腸管を構成する主要な細菌群についてはよく研究されているが、一貫した結果は得られていない。分かっているのは、腸内細菌叢の崩壊(ディスバイオーシス)が消化管疾患と関連していること、そして健康な細菌叢を再確立することが回復に不可欠であることである [2,8]。しかし、腸内細菌叢の異常が、病原微生物が胃腸に侵入する前に起こるのか、それとも侵入した後に起こるのかは、まだ明らかになっていない。本解説では、子牛の「健康な」消化管微生物叢の主要な細菌集団と、子牛の下痢に関連する微生物の変化を要約し、消化管微生物叢の操作に基づく子牛の下痢の新規治療法について述べることを目的とする。

  2. 方法論
    本総説の目的は、下痢の子牛の糞便微生物叢の変化、および下痢に関連する病原体が糞便微生物叢に与える影響に関する現在の情報について文献を収集すること、および子牛の下痢の治療と予防に対するプレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、初乳給与、FMTの影響に関する現在の文献を要約することであった。以下のキーワードで電子検索を行った:酪農子牛、ディスバイオシス、腸内病原体、消化管マイクロバイオーム。2023年の出版時までに出版された論文を本レビューに使用するものとした。本レビューの論文は、以下のオンラインデータベースから収集した: Agricola(https://www.nal.usda.gov/agricola、2023年10月15日アクセス)、Google Scholar(https://scholar.google.ca/、2023年9月25日アクセス)、PubMed(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/、2023年10月1日アクセス)、Science Direct(https://www.sciencedirect.com/、2023年1月12日アクセス)。病因、病態生理、下痢の治療と予防法、および健常者と下痢患者における消化管細菌叢の評価について論じている場合は、各文献の情報を本総説に含めた。

  3. 下痢の病因と病態生理
    3.1. 細菌
    子牛の下痢に関連する細菌病原体には、大腸菌、サルモネラ属、クロストリジウム・ペルフリンゲンス(C. perfringens)、クロストリジウム・ディフィシル(Clostridiodes difficile)がある。大腸菌の腸管病原性株は、新生子牛の下痢と死亡の主な原因である [9]。大腸菌を腸管毒素原性大腸菌(ETEC)、志賀毒素産生性大腸菌(STEC)、腸管病原性大腸菌(EPEC)、付着・排出性大腸菌(AEEC)、腸管出血性大腸菌(EHEC)に分類できる病原グループがある [10] 。腸管毒素原性大腸菌は、特に生後 4 日未満の子牛の新生児下痢の最も一般的な原因である(図 1)[10]。ETEC の上皮細胞への付着は、フィンブリア抗原の存在によって起こり、K99 抗原と熱安定性毒素が優勢である [11]。熱安定性毒素を介するETECは、小腸の絨毛や陰窩に付着し、最終的に腸内への塩化物分泌のアップレギュレーションを引き起こし、腸管内腔への水分分泌を促進し、下痢の発症につながる[10,11]。このように、ETEC は毒素が腸上皮を損傷しないため、肉眼的または病理組織学的変化を生じない;したがって、下痢は出血性ではない。高齢の子牛では、EPEC、STEC、AEEC、EHECが下痢を引き起こすことがあります。ETECとは異なり、これらの病原体は腸管上皮に損傷を与え、下痢は出血性です。しかし、これらの病原体と子牛の下痢との直接的な関連性は、あまり確立されていない。というのも、5日以上経過した下痢の子牛の糞便から検出される大腸菌は、検査機関でほとんど型別されていないからである[12]。
    Vetsci 11 00108 g001図1. 下痢の子牛の年齢別病原体分布。ETEC:腸管毒素原性大腸菌;C. Parvum:クリプトスポリジウム・パルバム;BRoV:牛ロタウイルス;BCoV:牛コロナウイルス。
    子牛のサルモネラ属菌の主流は S. typhyimurium で、これは急性下痢症に関連している [10](図 1)。サルモネラ属菌の病原性は、消化管の上皮細胞に侵入して炎症性サイトカインの放出を刺激し、炎症反応を引き起こす能力に起因する[13]。さらに、サルモネラ属菌は消化管リンパ組織で増殖し、宿主の免疫系を回避する。これらの反応は粘膜の潰瘍化と破壊を引き起こし、水分や電解質の吸収不良と血漿タンパク質の損失をもたらす。
    クロストリジウム・ペルフリンゲンスは子牛の下痢に関連する細菌であるが(図1)、主な病原体としての役割はまだ議論中である [10]。クロストリジウム・ペルフリンゲンスは、毒素を介した細胞壊死を引き起こし、その結果、腸内に孔が開き、溶質と水分の流入を引き起こし、吸収不良と分泌過多の下痢を引き起こす[13]。まず、C. perfringensは子牛の腸管常在菌である。発見された全ての型が毒素を産生する能力を持つが、毒素Aが最も頻繁に検体から検出される[12]。したがって、罹患動物の糞便検体からこの細菌が検出されたり、毒素遺伝子が検出されたりしても、この細菌が疾患の原因であることを証明することにはならない。腸内容物からトキシンAを検出できるELISAアッセイもあるが、これらのアッセイではC. perfringensの異なるタイプを区別することはできない[12]。
    クロストリジウム・ディフィシル(Clostridium difficile)は、下痢を引き起こすA、B、二価毒素などの毒素を産生する [14,15] 。これらの毒素は、腸管内腔における電解質と水分の分泌を増加させ、腸粘膜の重度の潰瘍化を刺激する。しかし、健康な子牛の糞便サンプルからもC. difficileが検出されており、その有病率は感染源によって2~60%であることから、子牛では病原性の役割を果たしていないようである [10]。さらに、C. difficileが子牛に実験的に下痢を誘発することは確認されておらず、この細菌と特定の疾患を関連付ける報告もない [17]。
    3.2. ウイルス
    子牛の下痢に関与する主なウイルスは、牛コロナウイルス(BCoV)と牛ロタウイル ス(BRoV)の 2 種類です(図 1)。牛コロナウイルスは、新生児下痢、成牛の冬期赤痢、牛や子牛の呼吸器疾患の病因に関与する病原体です [10]。小腸と大腸の両方に感染し、絨毛の破壊と重度の下痢を引き起こす [18]。具体的には、BCoVに感染した腸上皮細胞は死滅し、剥がれ落ち、未熟な細胞に置き換わる。これにより腸は吸収能力と消化酵素の分泌能力を失い、高浸透圧で吸収不良の下痢を引き起こす [18]。BCoVに見られるスパイクタンパク質は、宿主細胞への侵入を可能にし、その病原性に極めて重要である[10]。
    A群BRoVは牛の消化管感染の主な原因である [10]。牛ロタウイルスは、小腸の絨毛の成熟した非分裂腸細胞に感染し、小腸の吸収能力を低下させ、損傷を引き起こす [11,19] 。さらに、BRoVは腸毒素NSP4を産生し、腸内の水分の移動によるカルシウムイオンの流入を上昇させることにより、細胞の恒常性を阻害する [11]。NSP4が放出されると、腸上皮を通過する栄養素と水分の移動が変化し、その結果、分泌過多性の下痢を引き起こす [10,11]。
    3.3. 寄生虫
    クリプトスポリジウム属は世界中の牛に常在しており、子牛の新生児下痢の最も重要な原因のひとつである[20](図1)。牛では、クリプトスポリジウムはC. parvum、C. bovis、C. ryanae、C. andersoniの4種である[20]。子牛の年齢と疾病を引き起こすクリプトスポリジウムの種には関係があり [20]、C. parvum は新生子牛(生後 20 日未満)の臨床疾病に関連し、C. andersoni、C. bovis、C. ryanae は離乳子牛の小腸に感染する(図 1)[20]。C. parvum は世界的に新生仔牛に感染する代表的な病原体で、特に生後2週目に感染する[20]。
    C. parvumのオーシストを摂取すると、胞子虫が放出され、新生仔牛の腸上皮に侵入する [20]。特殊なフィーダー器官により、C. parvumは免疫反応を引き起こすことなく子牛からエネルギーと栄養素を得ることができ、有性生殖と無性生殖が可能になり、最終的に感染して糞便中に寄生虫が排出される [20]。C. parvumは腸上皮を損傷し、絨毛の吸収能力を低下させ、腸の透過性を高めるため、しばしば下痢を引き起こす[21]。具体的には、C. parvumは上皮細胞の絨毛に付着し、絨毛の萎縮と総吸収表面積の減少を引き起こす。最終的には、これが水分の吸収不良を引き起こし、下痢を引き起こす [11] 。C. parvumに感染した子牛の下痢のメカニズムとして、プロスタグラン ジンを介した陰イオン分泌による腸管内腔への水分の過剰分泌も提唱されて いる[11]。上皮の損傷と陰イオン分泌の程度により、臨床症状の重症度は軽度の下痢から重度の出血性下痢まで様々である [11]。

  4. 健康な子牛の消化管微生物叢の発達
    出生前の子牛の胃腸は一般的に無菌環境と考えられており、微生物のコロニー形成は分娩直後から始まる [22,23]。出産中、子牛は膣、糞便、皮膚、乳腺の微生物叢にさらされ、新生児のGITにコロニーを形成し始める [22]。例えば、分娩から6時間後に得られた糞便サンプルには、通常、乳房の皮膚に存在する細菌、例えばロイコノストック(Leuconostoc)やシトロバクター(Citrobacter)が含まれていた [24]。子牛の生後数時間以内に初乳を与え、栄養を補給し、さらに重要なこととして、病原微生 物から子牛を守る免疫学的因子を補給する [25]。それ以外にも、初乳は生後早期の腸内常在菌のコロニー形成を調節するようである。特に、低温殺菌された初乳を与えられた子牛は、ビフィドバクテリウムのような消化管 の健康に関連する細菌が増加する。しかし、初乳を与 えられていない子牛の糞便中には、GIT の炎症や疾病に関連する乳酸桿菌や 大腸菌が多く含まれている [26,27]。
    分娩後3日間は、大腸菌、クロストリジウム、ビフィドバクテリウムが子牛の糞便から最も多く検出される細菌である(図1)[28,29,30]。生後4週間の間に、消化管内細菌叢は急速に変化し、ビフィドバクテリウム属、バクテロイデス属、フェーカリバクテリウム属、ブチリシモナス属、クロストリジウム属、ユウバクテリウム属、ラクトバチルス属が増加する[2,31,32,33]。これらの属は、子牛がミルクを適切に消化するために必要であり、固形飼料に移行するにつれてその量は減少する [31,33]。分娩後 4 週間は、乳の消化に関連するバクテロイデス属とラクトバチルス属の 有病率が増加する [33]。しかし、離乳が始まると、これらの属の有病率は徐々に低下する [33]。
    これらの知見は、健康な子牛の胃腸のコロニー形成が、通性嫌気性菌(大腸菌など)から偏性嫌気性菌(バクテロイデス属、フェカリバクテリウム属、クロストリジウム属、ビフィドバクテリウム属など)へのシフトと関連していることを示している。このシフトは、ヒトの乳児や仔馬でも観察される [33,34,35,36,37,38,39]。このシフトは、エネルギー貯蔵と胃腸の健康を助ける酪酸産生菌の増加と関連している [34,37]。健康な子牛では、嫌気性細菌の個体数が多く、酸素濃度が低いことが観察される [30,31,32,33,34]。細菌代謝の副産物である短鎖脂肪酸(SCFA)は、腸管内腔および粘膜内の硝酸塩濃度と同様に、低酸素濃度の維持を助ける[40,41]。腸管内腔内のこの低酸素濃度の重要性は、酸素還元状態を作り出すことであり、その結果、病原体にとって好ましくない環境を作り出すことにある [42]。

  5. 子牛下痢時の腸内細菌叢の変化
    子牛の下痢発症の原因物質が何であるかに関わらず、様々な研究が、「健康な」または「バランスの取れた」微生物叢と考えられているものと比較して、下痢時の腸内細菌叢の細菌群に著しい変化があることを報告している [8]。下痢時には、腸内細菌叢が偏性嫌気性菌から通性嫌気性菌に移行し、その結果、腸内細菌叢の形成異常が生じる [43] 。子牛の下痢時には、胃腸の健康に関連するFaecalibacterium prausnitzii、LachnospiraceaeおよびRuminococcacea菌の存在量が著しく減少する(表1)[33]。同時に、乳酸桿菌、連鎖球菌、腸内細菌科、特に大腸菌の増加が観察される(表1)[42,44]。このような変化が起こる理由はまだ完全には解明されていないが、いくつかの要因が考えられる。消化管内の酸素濃度は、嫌気性菌から通性嫌気性菌への移行に関連する因子であると提唱されている [41,42,45]。健康な子牛では、酸素濃度が低いため、通性嫌気性菌にとって好都合な環境が形成される。しかし、消化管炎症時には、消化管内の酸素と活性酸素種が増加するため、通性嫌気性菌が生態学的に有利になる可能性がある [41]。子牛の下痢では、炎症による消化管粘膜や管腔内の血液やヘモグロビンの存在が、酸素濃度の上昇に関係している可能性がある [11,43] 。ETEC以外の病原体によって引き起こされる下痢では、通常、腸の水様性内容物、浮腫、充血、潰瘍、または出血の程度が異なる [11,43] 。したがって、腸の炎症は、消化管の粘膜と管腔に酸素を運ぶヘモグロビンの増加を促し、酸素緊張の上昇をもたらす可能性がある [42] 。酸素張力の増加は、腸の炎症中の呼吸バースト(酸素種の放出)に伴う好中球による酸素種の産生によっても説明できる [11,46] 。したがって、腸粘膜および管腔内の酸素張力の変化が、子牛の下痢時に観察される微生物の変化と本当に関連しているかどうかを調べるには、さらなる研究が必要である [43]。
    pHは細菌の増殖と代謝に影響するため、腸管内腔のpHの変化も、下痢の子牛の腸管の細菌群集に変化をもたらす可能性がある[43]。具体的には、急性下痢の間、子牛の糞便pHは、D-およびL-乳酸が増加するにつれて低下する [43,47]。D-およびL-乳酸の増加は、Lactobacillusなどの乳酸産生菌の増加に起因する [43]。これは周期的なプロセスであり、管腔pHが低下し続けると、乳酸桿菌種や他の酸性安定性細菌の継続的な増殖に好都合な条件が生じる。乳酸桿菌が増殖し続けると、消化管内の乳酸レベルがさらに上昇し、腸を損傷したり、腸内の電解質輸送能力を低下させたりする可能性があり [47] 、高浸透圧性下痢や吸収不良性下痢の一因となる。
    下痢の子牛では、腸内細菌科の細菌数の増加が常に報告されている [48,49]。炎症に伴うディスバイオーシスにより、子牛の消化管内の細菌が利用できる代謝産物や細菌に由来する代謝産物が変化し、その結果、腸内細菌科の細菌が増殖しやすい環境になる [2,8]。例えば、サルモネラ属菌や大腸菌は、腸内細菌叢の形成異常の際に、エタノールアミン、乳酸、グルカレート/ガラクタル酸、1,2、プロパンジオール、コハク酸、L-セリンの産生から恩恵を受ける[50,51,52,53]。メタボロミクス研究では、炎症時に消化管内腔のアミノ酸組成が変化することも指摘されている。子牛の場合、糞便中のアミノ酸濃度(セリン、アラニン、バリン、イソロイシン、グリシン、ロイシンなど)や、様々なビタミンや炭水化物の代謝に関連する遺伝子は、下痢の際に減少する [8]。このような消化管内腔におけるアミノ酸の利用可能性の変化は、一部の通性嫌気性菌の増殖を促進する可能性がある。
    まとめると、下痢の子牛で起こる主な微生物の変化は、偏性嫌気性菌から通性嫌気性菌へのシフトである。このシフトの正確な原因はまだ解明されていない。しかし、腸管内腔の酸素張力の変化と栄養の利用可能性が、一部の分類群が他の分類群よりも増殖しやすくする上で重要な役割を果たしているようである。子牛が下痢になりやすいのはどの微生物の変化なのかを理解するためには、下痢になる前の糞便微生物叢の変化を調べる縦断的研究が必要である。同様に、子牛の疾病からの回復期の糞便微生物叢を調査することで、消化管 炎の回復に重要な役割を果たす微生物を特定することができる。下痢をした子牛の微生物および代謝の変化を調査する研究により、子牛の腸内細菌異常症のメカニズムに関する現在の理解が進む可能性がある。
    表1. 生後数週間の健常子牛と下痢性子牛の消化管内で濃縮された細菌分類群。

  6. 特定の病因に感染した子牛における微生物叢の変化
    特定の病原体に感染した子牛の微生物相の変化を扱った研究はほとんどなく、入手可能な情報のほとんどは、十分に管理された実験的研究ではなく、集団発生に由来するものである。
    6.1. 牛ロタウイルス
    BRoVが消化管微生物叢に及ぼす影響は、以前、少数の下痢子牛で研究された [54]。BRoVに感染すると、糞便微生物叢の豊かさと均等性が低下し、糞便微生物叢の細菌構成(各集落に存在する分類群)と構造(群集における各分類群の存在量)が変化する [54]。ロタウイルス性下痢の子牛は、健康な子牛と比較して、ファーミキューテス属とバクテロイデーテス属の相対的存在量が低く、プロテオバクテリア属の存在量が高かった。属レベルでは、Escherichia属、Clostridium属、Streptococcus属がBRoVに感染した子牛で増加し、Blautia属、Bacteroides属、Lactobacillus属、Coprococcus属が減少した[54]。この研究の限界のひとつは、健常群とロタウイルス感染群の子牛の サンプル数が5頭と少なかったことである [54]。さらに重要な点として、この研究には、細菌 群の特異的な変化がBRoVによるものか、下痢の発症に関連する他の病原 体によるものかを判断するために、他の病原体に関連して自然発生した 下痢の子牛のグループが含まれていないことが挙げられる[54]。さらに、BRoVに誘発された下痢の子牛で観察された微生物 群の変化が、BRoV感染の原因なのか結果なのかはまだ不明であ る。従って、下痢前、下痢中、下痢からの回復後の消化管 細菌叢を評価する縦断的研究が必要である。
    6.2. 腸管毒素原性大腸菌
    子牛の微生物叢に対するETECの影響を評価する研究は不足している。ブタでは、ETEC誘発性の下痢はバクテロイデス/ファーミキューテス比の減少と関連しており、これはイヌなど他の動物種で観察された変化と一致している [57] 。子豚のETEC誘発性下痢は、空腸および糞便中の微生物多様性を減少させ、健康な子豚と比較してプレボテラの存在量を低下させる [55,57] 。子豚のETECはまた、空腸のラクトコッカスおよび糞便のエシェリヒア・シゲラの増加とも関連している。興味深いことに、ETECを子豚に経口接種したところ、6頭の子豚で下痢を誘発できなかったことから、既存の微生物叢を含む特定の条件が、子豚のETEC感染の促進または予防に役立つ可能性が示唆された [57].ETEC誘発性下痢の子豚に血管作動性腸管ペプチド(VIP)を投与すると、罹病期間と子豚の体重減少が減少した[56]。ブタの下痢に対するVIPの効果は、消化管微生物叢のシフトと関連しており、神経内分泌-免疫反応の調節が消化管微生物叢も変化させ、腸の炎症の解消を促進することを示唆している[56]。
    6.3. クリプトスポリジウム・パルバム
    C. parvumは子牛の下痢の主な原因菌の1つであるが、この原虫が消化管微生物 叢に及ぼす影響についてはほとんど知られていない[58]。子牛がC. parvumに感染すると、微生物の多様性が減少し、この減少は糞便中に検出される卵母細胞の量に比例する[59]。さらに、C. parvumに感染した下痢の子牛では、感染していない子牛やBRoV下痢の子牛と比較して、糞便中のFusobacteriumの量が増加することが報告されている[58,59]。C. parvum と Fusobacterium の多さは、両微生物に感染した子牛の下痢の重症度 と関連している[59]。これらの結果は、フソバクテリウムの増殖が子牛のC. parvumによる下痢の病態生理に重要な役割を果たしている可能性を示唆している。しかし、この関連性の原因と子牛の健康への影響を明らかにするためには、実験的研究が必要である。

  7. 下痢子牛の消化管微生物叢を回復させるための代替アプローチ
    現在、プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、初乳の補給、糞便微生物叢移植(FMT)など、様々な種で健康な微生物叢を回復させる方法が数多く提案されている。しかし、これらのアプローチ(初乳の補給、FMT)の潜在的な有益性を評価する研究は、食用動物では限られている。
    7.1. プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス
    プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクスの投与は、子牛およびヒトの新生児における下痢、過敏性腸症候群、炎症性腸疾患、潰瘍性大腸炎などの多くの消化器疾患において、微生物の多様性を回復させ、乱れた腸内細菌叢を変化させることにより、ディスバイオシスを治療する方法として提案されている[9,59]。プレバイオティクスには、有益な微生物叢の増殖を促進し、潜在的に有害な病原体から腸を保護するのに役立つ難消化性の栄養素が含まれている [60]。プロバイオティクスは、生きた有益な微生物群であり、患者に十分に投与されれば、宿主の全体的な健康利益につながる [60]。しかし、死菌やその成分もプロバイオティクスの特性を示すことがある [59]。シンバイオティクスは、宿主に有利と考えられるプレバイオティクスとプロバイオティクスの混合物を含み、有益な細菌の増殖と代謝を促進する [60]。
    プレバイオティクスの多くはオリゴ糖を含み、最も一般的なものはマンナンとフラクトオリゴ糖であり、有害な病原体のコロニー形成を阻止し、疾患や下痢の重症度を軽減するのに役立つ可能性がある [61]。これらの難消化性炭水化物は、消化管内の細菌によって発酵され、細菌群集とその機能を変化させる。細菌群によるプレバイオティクスの発酵により、SCFAが産生される [62] 。最も利用されているプレバイオティクスはオリゴ糖であり、β-グルカンを含む様々なプレバイオティクスを包含している [62]。これらのオリゴ糖は、腸内細菌科、大腸菌、サルモネラ菌が腸管上皮に付着してコロニー形成するのを防ぐ糖類を含んでいる [61]。しかしながら、プレバイオティクスが消化管微生物叢に及ぼす影響と、それに関連するメカニズムについては、十分に解明されていない [60]。
    プロバイオティクスは、病原体を競合的に排除し、有害物質の代謝に関連する酵素活性を調節し、末梢組織のエネルギー恒常性維持に役立つ脂肪酸の産生を助けると考えられている [63,64] 。プロバイオティクスが腸の健康を改善するメカニズムはまだ正確には解明されていないが、プロバイオティクスが抑制物質、有機酸、過酸化水素、バイオフィルムを産生し、病原体の増殖を抑え、腸内壁の治癒を促進するという仮説がある [9,60,63] 。最も重要なことは、新生児において、プロバイオティクスは微生物の多様性と種の豊富さを増加させることにより、消化器系と免疫系の発達を促進することと関連していることである [9,61,65]。
    子牛の下痢予防策としてのプロバイオティクスの効果を調査した研究がある。プロバイオティクスの下痢発症率および腸内微生物バランスに対する効果を評価したメタアナリシスでは、乳酸産生菌を含むプロバイオティクスの投与により、全乳を給与した子牛の下痢発症率が低下することが示された [66]。しかし、この効果は多菌種の乳酸菌プロバイオティクスを投与した場合にのみ観察された[66]。下痢の治療に関しては、子牛の下痢に対する支持療法として、ペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、エンテロコッカス・フェシウム(Enterococcus faecium)、ラクトバチルス・アシドフィルス(Lactobacillus acidophilus)、ラクトバチルス・カゼイ(Lactobacillus casei)、ビフィドバクテリウム・ビフィダム(Bifidobacterium bifidum)を含む多種類のプロバイオティクスを評価した1件の無作為化臨床試験がある [67]。この試験には合計 148 頭の子牛が登録され、全ての子牛が下痢の発症時お よび連続 3 日間、プロバイオティクスを投与された。下痢が治まるまでの平均時間は、プロバイオティクス群では 5.1 日、対照群では 5.9 日であった [67]。この研究では、下痢をした子牛に多種のプロバイオティクスを投与することで、下痢の期間が短縮されることが示されたが、統計学的に有意な差は認められなかったため、この短縮の臨床的関連性はおそらく無関係であろう [67,68]。
    子牛に最も頻繁に投与されるプロバイオティクスのひとつに、生きた酵母、特にSacchromyces cerevisiaeがある。子牛に酵母を含むプロバイオティクスを投与すると、穀物消費量が増加する。これは、酵母が食物繊維の消化を促進し、腸の発達を助けるためと考えられる[69,70]。Saccharomyces cerevisiae(SCY)由来の酵母は、様々な食用動物に使用され、パフォーマンスと健康状態を改善する [70]。In vitroの研究では、酵母の代謝物が病原性生物を抑制し、揮発性脂肪酸の生産に不可欠な常在細菌叢の増殖を促進する能力が実証されている [71]。子牛では、SCYは細菌の多様性を増加させ、酪酸産生微生物であるRuminococcaceae科の細菌の存在量を増加させる [72]。これらの知見は、SCYが消化管内微生物叢を変化させ、下痢からの回復を早める可能性があることを強調している。しかし、下痢をした子牛にSCYを投与することによる臨床的・経済的メリットはまだ検討されていない。
    7.2. 初乳の給与
    新生仔牛に良質で十分な量の初乳を適切に与えることで、生後数週間の下痢の 発生率が減少する [25]。牛の初乳は、分娩直後に牝牛から分泌される乳汁であり、栄養素、ホルモン、成長因子、そして最も重要なこととして、生後数時間に不可欠な抗体や免疫因子など、多くの有益な化合物が含まれていることが判明している [73]。初乳やスプレードライ初乳に含まれる抗体、ホルモン、成長因子、オリゴ糖、脂肪酸は、子牛の健康を自然に最適化し、免疫力を強化することが提唱されている [73]。生後 1 日目以降に天然初乳を投与すると、子牛に有益な効果があることが示されている。例えば、分娩後 14 日間まで天然初乳を投与された子牛は、対照群の子牛よりも下痢が少なく、抗菌薬投与回数も少なかった [74]。
    離乳前の乳用子牛の子牛の成長、疾病の期間と重症度に関して、下痢の発症時に母 牛由来の初乳をスプレードライで補充することの有益性は、1 件の研究でのみ調査され ている。この研究では、下痢をした子牛に初乳を投与することで、下痢からの回復が 0.75 日早まり、対照群と比較して 1 日平均増体量が 100 g/ 日増加したことが示されている [74]。興味深いことに、下痢の子牛に初乳を投与しても、消化管内の細菌群に変化はみられなかった [73]。しかし、別の研究では、高品質のウシ初乳を毎日補充することで、C. parvum に実験的に感染した子牛の臨床症状を改善し、胃腸の免疫反応と微生物叢を、感染していない健康な子牛に近いパターンに調整した [75]。これらの結果から、初乳の給与は経済的にも生理学的にも新生子牛に有益な効果をも たらすと考えられる。しかし、初乳が子牛の消化管免疫系と消化管微生物叢に及ぼす影響について、さらなる研 究が必要である。
    7.3. 糞便微生物叢移植
    糞便微生物叢移植 (FMT) は、健康なドナーの糞便をレシピエントの腸管に投与し、レシピエ ントの消化管微生物叢を直接変化させる方法である [76]。その目的は、レシピエントの消化管内の「健康な」または「バランスのとれた」微生物群集を回復させ、疾患を緩和し回復を促進することである [21] 。FMTのプロセスは、4世紀の中国において、下痢や消化器疾患の治療のために、ヒトの医学において初めて記述された [76]。糞便移植は、ヒトのC. difficile感染症の治療に用いられており、その成功率は90%である[77,78]。ヒト医療におけるFMTの成功は主にC.ディフィシルの症例で報告されているが、FMTは過敏性腸疾患、潰瘍性大腸炎、慢性疲労症候群、代謝障害や心血管障害を患うヒトの患者にも有望な効果を示している[78]。犬では、標準治療に加えてFMTを行うと、標準治療のみを受けた子犬に比べて、パルボウイルス性下痢症に罹患している子犬の下痢の解消が促進される[21]。さらに、FMTは若齢豚の下痢を予防し、未熟豚の壊死性腸炎を予防する [79,80]。
    子牛の場合、新生児下痢の予防と治療におけるFMTの潜在的な役割につい ては、ほとんど知られていない。健康なドナーの子牛からレシピエントの下痢性子牛への糞便移植は、下痢の原因に関係なく、糞便中の水分含量を減少させる [81]。興味深いことに、FMTを受けた子牛の糞便微生物叢は、治療後の健康なドナーのものと類似しており、これは移植された細菌群がGITをコロニー形成することができ、したがって下痢からの回復を促進することを示唆している[81]。FMT後の下痢からの回復は、PorphyromonadaceaeおよびPrevotellaceaeの存在量の増加、SCFA濃度の上昇、およびアミノ酸(アラニン、ロイシン、バリン、イソロイシン、グリシン、アルギニン、オルニチン、およびグルタミン酸)の糞便濃度の低下と関連している[81,82]。これらの知見は、タンパク質およびその他の代謝産物を合成するためのアミノ酸の細菌代謝が、子牛の下痢からの回復に特に重要である可能性を示唆している。しかし、子牛の下痢に対するFMTの有益な効果を立証するためには、異なる農場の多数の子牛を対象とした、さらなる無作為化臨床試験が必要である。同様に、健康を促進する糞便中の有益な微生物を特定するためのさらなる研究や、子牛のレシピエントまたはドナーと見なされる基準を特定するためのさらなる研究が必要である [82]。

  8. 結論と今後の方向性
    多くの病因が関与し、下痢のいくつかの病態生理学的メカニズムが同定さ れているが、新生子牛の健康と病気における消化管微生物叢の影響については、まだ 複数の研究で検証されていない。下痢の病因や原因は数多くあるが、微生物叢への全体的な影響や疾患における消化管微生物群集の役割は不明である。下痢時には細菌組成にいくつかの変化が起こり、厳格嫌気性菌から通性嫌気性菌への移行と乳酸産生菌の増加がみられる。乳酸産生菌の増加はpHを低下させ、酸素張力を増加させるようである。これらの影響を調査する研究は、研究に登録された人数が少ないこと、単一時点のサンプリングであること、下痢の原因に関する病因が不明であることなどの理由で制限されている。
    全体として、下痢の子牛で確認された変化が、下痢の原因なのか結果なのか、 あるいはその変化が病原体特異的なものなのかを判断することは、適切な診断検査 を行わない限り不可能です。さらに、子牛の下痢に対する治療法として、微生物叢を調整することに重点を置 くと、多くの利点があり、さらなる研究が必要である。下痢前、下痢中、下痢からの回復時の消化管微生物叢を評価する縦断的研究が必要である。同様に、特定の病原体による下痢の子牛の消化管微生物叢の特徴を明らかにする研究も必要である。
    著者貢献
    概念化、D.E.G.、E.J.およびL.L.、方法論、D.E.G.およびL.G.、形式的分析、E.J.およびL.L.、調査、E.J.およびL.L.、執筆-原案作成、E.J.およびL.L.、執筆-校閲および編集、L.L.、 D.L.R.、A.V.、J.M.、L.G.およびD.E.G.、視覚化、D.E.G.、監修、D.E.G.、著者全員が本原稿の出版版を読み、同意した。
    資金提供
    本研究は外部資金援助を受けていない。
    施設審査委員会声明
    該当なし。
    インフォームド・コンセント
    該当なし。
    データの利用可能性に関する声明
    本研究で新たに作成または分析されたデータはない。データ共有はこの論文には適用されない。
    利益相反
    著者らは利益相反はないと宣言している。
    参考文献
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著者による© 2024。ライセンシー MDPI, Basel, Switzerland. 本論文は、クリエイティブ・コモンズ 表示(CC BY)ライセンス(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)の条項および条件の下で配布されるオープンアクセス論文である。
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MDPIおよびACSスタイル
Jessop、E.; Li、L.; Renaud、D.L.; Verbrugghe、A.; Macnicol、J.; Gamsjäger、L.; Gomez、D.E. 新生児子牛の下痢と消化管微生物叢: 下痢の治療と予防のための病因物質と微生物叢操作。Vet. Sci. 2024, 11, 108. https://doi.org/10.3390/vetsci11030108

AMAスタイル
ジェソップE、リーL、ルノーDL、Verbrugghe A、マクニコルJ、ガムシェーガーL、ゴメスDE。新生児子牛の下痢と消化管微生物叢: 下痢の治療と予防のための病因物質と微生物叢操作。Veterinary Sciences. 2024; 11(3):108. https://doi.org/10.3390/vetsci11030108

シカゴ/チュラビアンスタイル
Jessop、Emma、Lynna Li、David L. Renaud、Adronie Verbrugghe、Jennifer Macnicol、Lisa Gamsjäger、Diego E. Gomez。2024. 「新生仔牛の下痢と消化管微生物叢: Veterinary Sciences 11, no. 3: 108. https://doi.org/10.3390/vetsci11030108

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