Animal-based stress indicators to assess the effectiveness of nutritional and management strategies that improve animal welfare in nursery pigs

Abstract

L'estrès és una resposta natural dels organismes vius per a recuperar l'equilibri després d'haver estat exposats a un factor estressant. No obstant això, les condicions intenses en els sistemes de producció porcina sovint descuren les necessitats naturals i el benestar dels porcs, la qual cosa genera diversos problemes relacionats amb l'estrès. Aquests factors estressants poden tenir efectes perjudicials en el benestar dels porcs, la productivitat i la sostenibilitat del sistema de producció. És essencial monitorar i comprendre l'impacte de l'estrès en els porcs sense interrompre les seves rutines diàries ni comprometre el seu benestar. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral va ser investigar com els garrins en l'etapa de transició (des del deslletament fins al dia 42 després del deslletament) responen als principals factors d'estrès en els sistemes de producció porcina. L'objectiu és identificar indicadors d'estrès pràctics i sensibles per a monitorar el benestar dels garrins. Els principals factors d'estrès en la producció porcina inclouen temperatures elevades que causen estrès per calor, espais sobrepoblats i alteració de les jerarquies socials que condueixen a l'estrès social, i l'impacte de patògens, al·lergògens i desafiaments del sistema immunològic que causen estrès relacionat amb el sistema immunològic. Per a aconseguir aquest objectiu, es van revisar indicadors d'estrès comuns, mètodes de mesurament i models d'estrès experimentals a través d'una revisió sistemàtica de la literatura. Posteriorment, es van desenvolupar i es van provar models d'estrès experimentals amb càrregues d'estrès lleus, amb l'objectiu d'obtenir respostes d'estrès mesurables i minimitzar els impactes negatius en el benestar i la integritat física dels garrins. A més, es van seleccionar indicadors d'estrès, com biomarcadors i respostes conductuals, de la literatura per a provar la seva sensibilitat i confiabilitat en la detecció de respostes d'estrès causades per estímuls d'estrès lleus. Amb l'objectiu de triar indicadors el menys invasius possible per a la integritat física dels garrins. Per al model d'estrès per calor, els garrins van ser assignats a un grup de control o a un grup d'estrès per calor. Els garrins estressats per calor van ser exposats a condicions càlides i humides, cosa què va resultar en respostes fisiològiques i conductuals observables que reflectien l'impacte de l'estrès. En el model d’estrès social, es van realitzar dos assajos modificant la jerarquia social per a examinar els efectes social dintre del corral dels garrins. Si bé els nivells d'agressió es van monitorar fàcilment, els biomarcadors no van detectar de manera efectiva els efectes de l'estrès causat per l'agressió. Finalment, es van realitzar quatre assajos per a induir estrès immunològic a través de desafiaments oxidatius, amb l'objectiu d'identificar el procediment adequat (és a dir, la dosi de l'estimulador immunològic i l'edat dels garrins en el moment del desafiament) i els indicadors per a monitorar el dany oxidatiu en els garrins. Les respostes conductuals van mostrar una alta sensibilitat per a detectar el dany oxidatiu quan es va provocar. El principal resultat d'aquesta tesi doctoral és la proposta d'un sistema de monitoratge de l'estrès basat en l'aplicació de diferents indicadors, aprofitant la sensibilitat i les mesures remotes, l'especificitat dels biomarcadors i la precisió de l'expressió gènica. Aquest sistema té com a objectiu monitorar amb precisió l'impacte de diferents factors d'estrès en la integritat i el benestar dels porcs.

El estrés es una respuesta natural de los organismos vivos para recuperar el equilibrio después de haber estado expuestos a un factor estresante. Sin embargo, las condiciones intensas en los sistemas de producción porcina a menudo descuidan las necesidades naturales y el bienestar de los cerdos, lo que genera diversos problemas relacionados con el estrés. Estos factores estresantes pueden tener efectos perjudiciales en el bienestar de los cerdos, la productividad y la sostenibilidad del sistema de producción. Es esencial monitorear y comprender el impacto del estrés en los cerdos sin interrumpir sus rutinas diarias ni comprometer su bienestar. El objetivo principal de esta tesis doctoral fue investigar cómo los lechones en la etapa de transición (desde el destete hasta el día 42 después del destete) responden a los principales factores de estrés en los sistemas de producción porcina. El objetivo es identificar indicadores de estrés prácticos y sensibles para monitorear el bienestar de los lechones. Los principales factores de estrés en la producción porcina incluyen temperaturas elevadas que causan estrés por calor, espacios sobrepoblados y alteración de las jerarquías sociales que conducen al estrés social, y el impacto de patógenos, alérgenos y desafíos del sistema inmunológico que causan estrés relacionado con el sistema inmunológico. Para lograr este objetivo, se revisaron indicadores de estrés comunes, métodos de medición y modelos de estrés experimentales a través de una revisión sistemática de la literatura. Posteriormente, se desarrollaron y probaron modelos de estrés experimentales con cargas de estrés leves, con el objetivo de obtener respuestas de estrés medibles y minimizar los impactos negativos en el bienestar y la integridad física de los lechones. Además, se seleccionaron indicadores de estrés, como biomarcadores y respuestas conductuales, de la literatura para probar su sensibilidad y confiabilidad en la detección de respuestas de estrés causadas por estímulos de estrés leves. Con el objetivo de elegir indicadores con el menor grado de invasividad posible de la integridad física de los lechones. Para el modelo de estrés por calor, los lechones fueron asignados a un grupo de control o a un grupo de estrés por calor. Los lechones estresados por calor fueron expuestos a condiciones cálidas y húmedas, lo que resultó en respuestas fisiológicas y conductuales observables que reflejaban el impacto del estrés. En el modelo de estrés social, se realizaron dos ensayos para examinar los efectos del estrés social resultante de los cambios en la jerarquía social dentro de los corrales de los lechones. Si bien los niveles de agresión se monitorearon fácilmente, los biomarcadores no detectaron de manera efectiva los efectos del estrés causado por la agresión. Por último, se realizaron cuatro ensayos para inducir estrés inmunológico a través de desafíos oxidativos, con el objetivo de identificar el procedimiento adecuado (es decir, la dosis del estimulador inmunológico y la edad de los lechones en el momento del desafío) y los indicadores para monitorear el daño oxidativo en los lechones. Las respuestas conductuales mostraron una alta sensibilidad para detectar el daño oxidativo cuando se provocó. El principal resultado de esta tesis doctoral es la propuesta de un sistema de monitoreo del estrés basado en la aplicación de distintos indicadores, aprovechando la sensibilidad y las mediciones remotas, la especificidad de los biomarcadores y la precisión de la expresión génica. Este sistema tiene como objetivo monitorear con precisión el impacto de diferentes factores de estrés en la integridad y el bienestar de los cerdos.

Stress is a natural response in living organisms to regain balance after being exposed to a stressor. However, the intense conditions in pig production systems often neglect the natural needs and welfare of the pigs, leading to various stress-related issues. These stressors can have detrimental effects on pig welfare, productivity, and the sustainability of the production system. It is essential to monitor and understand the impact of stress on pigs without disrupting their daily routines or compromising their welfare. The primary focus of this Ph.D. thesis was to investigate how piglets in the nursery stage (from weaning to day 42 post-weaning) respond to the main stress factors in pig production systems. The aim is to identify practical and sensitive stress indicators to monitor the piglets' welfare. The main stress factors in pig production include elevated temperatures causing heat stress, crowded spaces and alteration of the social hierarchies leading to social stress, and the impact of pathogens, allergens, and immune system challenges causing immune-related stress. To achieve this goal, common stress indicators, measurement methods, and experimental stress models were reviewed through a systematic literature review. Subsequently, experimental stress models with mild stress loads were developed and tested, aiming to elicit measurable stress responses while minimizing negative impacts on the welfare and fitness of the piglets. Additionally, stress indicators, such as biomarkers and behavioral responses, were selected from the literature to test their sensitivity and reliability in detecting stress responses caused by mild stress stimuli. Aiming to choose indicators with less possible invasiveness of the fitness of the pigs. For the heat stress model, piglets were assigned to either a control group or a heat stress group. The heat-stressed piglets were exposed to warm and humid conditions, resulting in observable physiological and behavioral responses that reflected the impact of the stress. In the social stress model, two trials were conducted to examine the effects of social stress resulting from changes to the social hierarchy within the piglets' pens. While aggression levels were easily monitored, biomarkers did not effectively detect the effects of the stress caused by aggression. Lastly, four trials were conducted to induce immune-related stress through oxidative challenges, aiming to identify the appropriate procedure (i.e. immune stimulator dose, and piglets’ age at challenge) and indicators to monitor oxidative damage in pigs. Behavioral responses showed high sensitivity in detecting oxidative damage when it was provoked. The main outcome of this Ph.D. thesis is the proposal of a stress monitoring system based on the application of various indicators, taking advantage of the sensitivity and remote measurements, the specificity of the biomarkers, and the accuracy of the gene expression. This system aims to accurately monitor the impact of different stress factors on the fitness and welfare of pigs.