Screening functional ingredients for the prevention of diarrhoea caused by ETEC K88 in miniaturized models

Abstract

El objetivo de esta tesis fue el de explorar nuevas estrategias nutricionales para combatir patógenos digestivos durante el periodo post-destete de los lechones y así poder contribuir a la reducción del uso de antibióticos. En un primer momento se evaluó in vitro el potencial de algunos macro-ingredientes (trigo, maíz, avena, centeno, harina de soja 44%, haba de soja extrusionada, colza, harina de pescado, lactosuero dulce y salvados de trigo, espelta, kamut, centeno, avena y arroz) para prevenir la adhesión de ETEC K88 a las células epiteliales intestinales (IPEC-J2). En una segunda etapa, se estudió el potencial de los exopolisacáridos (EPS) microbianos obtenidos a partir de la fermentación industrial de la aceituna verde de mesa, para adherir específicamente ETEC K88 y bloquear su adhesión a las células IPEC-J2. Así mismo se analizó la composición química y la estructura de este co-producto y se exploraron nuevas estrategias para mejorar su funcionalidad mediante la evaluación de diferentes cepas de Lactobacillus pentosus y Candida boidinii como inóculos en la fermentación de la aceituna. Se diseñaron tres pruebas. En la primera se demostró que el trigo, maíz, avena, cebada, centeno, harina de soja 44%, haba de soja extrusionada, así como el lactosuero dulce, poseían una clara afinidad para adherir ETEC K88. El centeno, la avena, y también el trigo, fueron también capaces de reducir la adhesión de ETEC K88 a las células IPEC-J2. Todos los salvados de cereales testados demostraron adherir ETEC K88 y todos ellos, salvo el salvado de arroz, reducir la adhesión de ETEC a IPEC-J2. En la segunda prueba, el análisis mediante GLC, reveló como componentes mayoritarios de los EPS la glucosa seguida de la ramnosa y arabinosa. El espectro 1H NMR mostró la presencia de una alfa-piranosa en la forma α-D-Glcp-(1) y dos alfa-furanosas compatibles con α-D-Glcf a i α-D-Galf. Los tests miniaturizados demostraron la capacidad de los EPS de adherir específicamente ETEC K88 y remover el patógeno tras su adhesión a las células. En la tercera prueba, L. pentosus 119WT y especialmente L. pentosus 119-14MT resultaron ser los inóculos más eficaces para incrementar las propiedades anti-adhesivas de los EPS. En resumen, los resultados de esta Tesis mostraron que algunos ingredientes como el trigo, centeno, avena, y sus salvados podrían tener un potencial para reducir la diarrea post-destete en los lechones, y que los EPS microbianos, co-producto obtenido a partir de la producción industrial de la aceituna verde de mesa, merecerían estudiarse como un posible aditivo para prevenir de la diarrea post-destete.

The aim of this Thesis was to explore new feed strategies to fight digestive pathogens in piglets and contribute to reduce the use of antibiotics at weaning. Firstly we explore in vitro the potential of some common macro-ingredients (wheat, corn, oats, barley, rye, soybean meal 44%, extruded full-fat soybean meal, rapeseed, fish meal, sweet whey powder and brans from wheat, spelt, kamut, rye, oat and rice) to prevent the intestinal adhesion of ETEC K88 to intestinal epithelial cells (IPEC-J2). Secondly we also explore the potential of microbial exopolysaccharides (EPS) isolated from the industrial fermentation of table green olives, to attach specifically ETEC K88 and also to block its adhesion to IPEC-J2 cells. The chemical composition and structure of this by-product is also analyzed in this Thesis and new strategies to improve the functionality of these microbial EPSs are explored testing different mates of Lactobacillus pentosus and Candida boidinii strains as starters in the fermentation of olives. In order to achieve these main objectives a set of three trails were designed. First trial showed that wheat, corn, oats, barley, rye, soybean meal 44%, extruded full-fat soybean meal, as well as sweet whey powder, all demonstrated a clear affinity to attach ETEC K88. Regarding rye, oats and also wheat, all of them could also reduce ETEC K88 adhesion to IPEC-J2 cells. Among differently tested cereal brans, all demonstrated an ability to attach ETEC K88 and also all of them, except rice bran, were able to reduce the pathogen attachment to IPEC-J2 cells. In the second trial the chemical composition of EPS is analyzed by GLC revealing that the main components are glucose and galactose followed by rhamnose and arabinose. The 1H NMR spectrum showed the presence of an α-pyranose in the form of α-D-Glcp-(1) and two different α-furanoses attributed to α-D-Glcf and α-D-Galf. Results from miniaturized tests demonstrated the ability of EPS samples to attach specifically to ETEC K88 and to effectively remove the pathogen once attached to the cells. The third trial showed how L. pentosus 119WT and specially L. pentosus 119-14MT were the most effective starters improving antiadhesive properties of EPSs. In summary results from this Thesis showed that wheat, rye, oat and their brans could be regarded as potential ingredients to prevent diarrhea in weaning piglets and that microbial EPS, obtained as by-products from the industrial production of table green olives, could be regarded as a potential in-feed additive to be used in the prevention of post-weaning diarrhea.