av Maxime Hugonin och Stéphane Frouel, MiXscience, Frankrike

Ubiquitous antimikrobiell aktivitet av en ny fodertillsats mot flera patogener i vattenbrukssystem

Som en potentiell proteinkälla för morgondagen, för en befolkning som alltid växer, vattenbruksnäringen står inför flera utmaningar. För att nå efterfrågan, skördeproduktionen måste maximeras. På det här sättet, bönder ökar alltid sin djurtäthet, gå från intensiv kultur till superintensiv kultur, leder till att nya patogener uppträder och förökar sig med en multiplikation av sjukdomsutbrott.

De första som påverkas av dessa problem är bönderna. Detta patogena tryck påverkar avsevärt jordbrukets ekonomi. Den huvudsakliga lösningen på detta problem är fortfarande användningen av antibiotika, tack vare deras enkla användning i kurativ behandling och deras synliga och snabba effekter. Tyvärr, användning och missbruk av kemikalier väcker folkhälsoproblem, på grund av antibiotikaresistens, och negativa effekter på miljön. Sedan, detta botemedel bidrar till den dåliga image som är förknippad med vattenbruksproduktion och skapar förändringar i den allmänna opinionen.

Aktiva undersökningar pågår i deras hårda arbete för att utforska alternativ. Den här artikeln rapporterar om användningen av ett naturligt fytogen, baserad på specifikt utvalda växtextrakt, att kontrollera ett brett spektrum av patogener i vattenbrukssystem. Historien om produkten började från ett laboratorium, i samband med RID-försök, och slutade i fält i större och kommersiell skala. Således, de antimikrobiella effekterna av detta fytogena ämne har undersökts både in vitro och in vivo, som ger en robust och pragmatisk feedback om dess fördelar.

Verkningsmekanismer

Det stora spektrumet av den antimikrobiella aktiviteten hos denna fodertillsats är baserat på särskilda verkningsmekanismer med gemensamma mål bland patogener:proteinerna. De antimikrobiella egenskaperna hos denna fytogena tillhandahålls av Sulphur Organic Compounds (SOCs) från Alliaceae-extrakt. Familjen Alliaceae omfattar 13 släkten och 600 arter. Huvudrepresentanter är lök, vitlök, purjolök, schalottenlök och gräslök.

Vissa forskningsstudier ger upphov till möjligheten att, i biologiska system, SOC kan penetrera mycket snabbt in i olika fack i cellerna där de utövar sina biologiska effekter. Beroende på patogen, det finns flera sätt för SOC att penetrera celler (se figur 1)

På grund av deras låga molekylvikt, SOC kan lätt diffundera genom olika processer in i den inre volymen av vesikler, i cytoplasman hos bakterier, (Gram – eller Gram +), eller in i virus. Så är fallet i Gram – där peptidoglykanlagret är litet.

SOC ger fytogena antibakteriella egenskaper, på grund av olika interaktioner med cellföreningar. Väl i cellen, SOC kombineras med vissa proteiner för att ändra fixering och för att dislokera tiolfunktioner, ingår i disulfidbroar involverade i strukturen av proteiner och enzymer. Utan deras 3D-konformation, de denaturerade proteinerna fungerar inte längre, (se figur 2).

Bland de ändrade funktionerna, genexpression, energisk metabolism och proteinsyntes är några associerade funktioner, vars förändring leder till ett globalt fel på cellen, till dess slutliga apoptos och sedan patogenens död, (se figur 3).

För bakterier, SOC:er verkar rikta sig mot flera vägar inklusive modulering av enzymaktiviteter (t.ex. glutation S-transferas, involverad i flera viktiga vägar), hämning av DNA-enzymer (gyras, polymeras), tillgivenheten hos den inneboende vägen för apoptotisk celldöd och cellcykelmaskineri. SOC kan också blockera syntesen av polyaminer, samt stör cellulära mikrotubuli (som bildar cytoskelettet och den mitotiska spindeln i cellerna), begärs för celldelning.

De antiproliferativa och antimikrobiella effekterna av SOC-föreningar verkar vara relaterade till induktionen av cellapoptos, som ett resultat av förändringen av patogena celler.

För virus, SOC"s kommer att förändra proteinet i deras kapsid. Utan genomskyddet som tillhandahålls av detta proteinhölje, virusen kommer att dö på samma modell som mikrobiell cellapoptos.

Produktpotential:En utvärdering i tre skalor

In vitro, Produktens effektivitet har utvärderats genom tester med minimal hämmande koncentration (MIC) och minimal bakteriedödande koncentration (MBC).

Med hjälp av mikroutspädningsmetoder, den tillväxthämmande effekten av det fytogena mot ett brett spektrum av patogener, från havsvatten och sötvattens vattenbrukssystem, har jämförts med MIC av naturliga extrakt som är kända för att ha hög antimikrobiell potential såsom carvacrol, från oregano och timjanolja, citral, isolerad från citrusolja och eugenol, från kryddnejlikaolja.

Dessutom, för att utvärdera den verkliga potentialen hos denna produkt som ett antibiotikaalternativ, MIC och MBC jämfördes med vanliga antibiotika som används inom vattenbruk (oxytetracyklin, erytromycin och enrofloxacin).

In vitro-resultat visade att denna fodertillsats visade en bred bakteriedödande verkan, eftersom det uppvisade hög effektivitet mot både grampositiva och gramnegativa bakterier. Dessutom, den visade den starkaste antimikrobiella aktiviteten, jämfört med naturaprodukter. Den experimentella fytogena gav den lägsta MIC från 16 till 125 ppm mot 32 till 250 ppm för carvacrol, 64 till 1, 000 ppm för citral och 64 till 2000 ppm för eugenol (se tabell 1).

Den visade också en minimal inhiberande och bakteriedödande koncentration i samma storleksordning (mindre än en logaritmisk enhet av skillnad) än testade antibiotika (tabell 2).

Baserat på dessa lovande studier, produkten applicerades sedan i utmaningsförsök.

Laboratorieförsöken in vivo har utförts på olika arter:sötvattensfisk (Seabass), varmvattenfisk (Tilapia) och marina räkor (White Leg Shrimp) som har utmanats för olika patogener i ett förebyggande användningsprotokoll av produkten.

Till att börja med, djuren har acklimatiserats till experimentellt tillstånd (från mellan en till fyra veckor), innan de matas kontinuerligt med försöksfodret, som innehåller fytogena, vid en koncentration av 1-2 kg/ton foder (se figur 4).

Efter en period på tre eller fyra veckor, beroende på art, fisken och räkorna har utmanats med den utvalda patogenen och matats med produkten i minst två veckor efter utmaningen. Överlevnad observerades sedan (se figur 5).

Resultaten som presenteras i figur 5 visar tydligt en signifikant överlevnadsförbättring (ANOVA p<0,05), oavsett odlad art och associerade patogener (bakterier eller virus). Användningen av det fytogena ökade räkornas överlevnadsgrad med 54 procent mot Vibrio Parahaemolyticus, och 52 procent mot vita fläcksyndromet, de två huvudsakliga sjukdomarna som industrin stöter på.

Hos fisk, även om resultaten är lite mindre imponerande (på grund av befintligt immunsystem för fisk och sedan lägre dödlighet för kontroll), de är fortfarande betydelsefulla, och dödlighetsminskningen kan också representera en tillförlitlig ekonomisk vinst med en överlevnadsökning på 18 procent för havsabborre mot Pasteurella och 19 till 12 procent för tilapia mot Streptococcus och Francissella, respektive.

Under forskningsförsök, de signifikanta resultaten bekräftade den antimikrobiella effekten av det fytogena som observerats i laboratorieskala. För att definitivt validera dessa fördelar, ett sista men inte minst steg har tagits:försök under verkliga jordbruksförhållanden.

Kommersiell fältskala

Effekten av fytogenet testades under kommersiella jordbruksförhållanden för två arter i Vietnam, (räkor och tilapia), och i Turkiet för havsruda och havsabborre. För dessa sista fiskar, fem försök har genomförts för att utvärdera effekterna av fytogenet på sjukdomskontroll, slumpmässigt träffade under naturliga förhållanden, och jämför dem med antibiotika. Fiskar har drabbats av antingen Vibrios, Flexibakterios eller parasitinfektioner (se tabell 3). Intressant, användningen av produkten vid 5 kg/ton foder, under 20 dagar efter de första symtomen, leda till en fullständig kontroll av sjukdomen (minst lika effektiv som antibiotika) och en total återhämtning med en återgång till det initiala metaboliska tillståndet hos djuren.

För tilapia i burar, fytogenet applicerades tillfälligt i en sjukdomsbekämpningsdos på 4 kg/ton foder under 14 dagar efter uppkomsten av en streptokockinfektion. Det applicerades till samma mängd, under en varaktighet av 35 dagar, i räkor odlade i utomhusdammar efter uppkomsten av Vibriosis. Antimikrobiell effekt av fytogena bekräftades, under jordbruksförhållanden, där det signifikant stödde resistens hos tilapia och räkor (ANOVA p <0,05) när den utmanades med Streptococcus spp. och Vibrio spp. (se figur 6 och 7).

Vi drog slutsatsen att denna nya fodertillsats ger effektiv kontroll mot en mängd olika patogener och kan betraktas som en holistisk och naturlig metod för att minska användningen av antibiotika i vattenbrukssystem. Försöksdata visade också effektiviteten av den funktionella tillsatsen för att motverka sjukdomsutbrott och för att upprätthålla en pålitlig tillväxtprestanda och gårdsvinst.

Dessutom, denna nya fytogena kan appliceras i ett brett spektrum av förhållanden, antingen kontinuerligt som ett profylaktiskt medel, eller under vissa kritiska perioder som botande medel. Den optimala varaktigheten för appliceringen är minst 14 dagar före en känd kritisk period, eller efter det första uppkomsten av sjukdomssymtom.

Nyligen, Produktens effektivitet utökades till nya arter mot nya patogener:Rickettsia (Salmonid RickettsialSepticaemia) i Chile. Storskalig användning av produkten har visat fördelar, när det gäller överlevnadsgrad, och sedan ekonomisk avkastning på investeringen.

Nya försök har också genomförts mot det förödande och framväxande Tilapia lake Virus (TiLV) och har visat positiva resultat som bekräftas under fältförhållanden. I Vietnam, av 219 räkdammar av 219 dammar som använder fytogena, 75 procent visade ingen dödlighet och bara 15 procent har visat dödlighet på grund av EMS, 4 procent på grund av WSSD och endast 2 procent vitt feces syndrom.

Framgångssagan pågår, vi måste hålla farten uppe!

Figur 1:( Nedan) Typen av potentiella sätt att penetrera SOC i cellen

Figur 2: (Överst till höger) Denaturering av mikrobiella proteiner genom fixering av SOC på disulfidbryggor

Bild 3: (Nedre höger) Funktionella metaboliska förändringar av SOCs som finns i fytogena

Figur 4: Förebyggande produktapplikationsprotokoll för in vivo laboratorieförsök för tre testade vattenbruksarter

Figur 5: Övergripande effekt av det fytogena på den slutliga överlevnaden (kontroll kontra förebyggande dosering)

Bild 6: Botande effekt av fytogen på tilapia efter streptokockutmaning

Bild 7: Botande effekt av fytogen på räkor efter Vibriosis-utmaning