Bovine mastitis caused by coagulase-negative staphylococci : host response and bacterial factors

Coagulase-negative staphylococci (CNS) are the most common bacteria isolated in bovine subclinical mastitis in many countries, and also a frequent cause of clinical mastitis. The most common species isolated are Staphylococcus (S) chromogenes, S. simulans, S. epidermidis, and S. xylosus. One half of the intramammary infections (IMI) caused by CNS persist in the udder. The pathogenesis of IMI caused by CNS is poorly understood. This dissertation focuses on host response in experimental intramammary infection induced by S. chromogenes, S. epidermidis and S. simulans. Model for a mild experimental CNS infection was developed with S. chromogenes (study I). All cows were infected and most developed subclinical mastitis. In study II the innate immune response to S. epidermidis and S. simulans IMI was compared in eight cows using a crossover design. A larger dose of bacteria was used to induce clinical mastitis. All cows became infected and showed mild to moderate clinical signs of mastitis. S. simulans caused a slightly stronger innate immune response than S. epidermidis, with significantly higher concentrations of the interleukins IL-1beta and IL-8 in the milk. The spontaneous elimination rate of the 16 IMIs was 31%, with no difference between species. No significant differences were recorded between infections eliminated spontaneously or remaining persistent, although the response was stronger in IMIs eliminated spontaneously, except the concentration of TNF-α, which remained elevated in persistent infections. Lactoferrin (Lf) is a component of the humoral defence of the host and is present at low concentrations in the milk. The concentration of Lf in milk is high during the dry period, in colostrum, and in mastitic milk. The effect of an inherent, high concentration of Lf in the milk on experimental IMI induced with S. chromogenes was studied in transgenic cows that expressed recombinant human Lf in their milk. Human Lf did not prevent S. chromogenes IMI, but the host response was milder in transgenic cows than in normal cows, and the former eliminated infection faster. Biofilm production has been suggested to promote persistence of IMI. Phenotypic biofilm formation and slime producing ability of CNS isolates from bovine mastitis was investigated in vitro. One-third of mastitis isolates produced biofilm. Slime production was less frequent for isolates of the most common mastitis causing species S. chromogenes and S. simulans compared with S. epidermidis. No association was found between the phenotypic ability to form biofilm and the persistence of IMI or severity of mastitis. Slime production was associated with persistent infections, but only 8% of isolates produced slime.

Koagulaasi-negatiiviset stafylokokit (KNS) ovat yleisimpiä lehmän piilevän utaretulehduksen aiheuttajabakteereita useissa maissa. Tavallisimmat utaretulehdusta aiheuttavat KNS-lajit ovat Staphylococcus (S). chromogenes, S. simulans, S. epidermidis, ja S. xylosus. Noin puolet KNS:n aiheuttamista utaretulehduksista paranee itsestään ilman antibioottihoitoa. KNS-utaretulehduksen patogeneesi tunnetaan huonosti. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin lehmän luontaista puolustusvastetta S. chromogenes-, S. epidermidis- ja S. simulans -bakteereiden aiheuttamassa kokeellisessa utaretulehduksessa. Lisäksi tutkittiin utaretulehdusta aiheuttavien KNS-lajien biofilmin- ja limantuottokykyä sekä niiden vaikutusta tulehduksen paranemiseen. Kokeellisessa utaretulehduksessa kaikki kolme KNS-lajia saivat aikaan lievän utaretulehduksen, joka käynnisti yleisen ja paikallisen puolustusvasteen. Kokeellinen malli kehitettiin S. chromogenes -bakteerin avulla. Toisessa tartutuksessa vertailtiin S. epidermidis- ja S. simulans -bakteerien aiheuttamaa luontaista puolustusvastetta. S. simulans sai aikaan voimakkaamman vasteen ja nosti erityisesti kahden interleukiinin (IL-1-beta ja IL-8) pitoisuutta maidossa. Lehmistä parani spontaanisti 31 % ilman lajien välisiä eroja. Lehmien luontaisessa puolustusvasteessa ei parantuneiden ja ei-parantuneiden välillä ollut tilastollisesti merkitseviä eroja, joskin parantuneilla lehmillä puolustusvaste, TNF-α -sytokiinia lukuun ottamatta, ilmeni hieman voimakkaampana. Laktoferriini on osa utareen luontaista puolustusvastetta. Se on antibakteerinen, rautaa sitova glykoproteiini. Normaalissa maidossa laktoferriiniä on vähän, mutta sen pitoisuus nousee utaretulehduksessa nopeasti. Muuntogeenisillä lehmillä, joiden maidossa oli synnynnäisesti korkea laktoferriinipitoisuus, kokeellinen S. chromogenes -tulehdus ilmeni lievempänä ja eliminoitui nopeammin kuin normaaleilla lehmillä. Se ei kuitenkaan estänyt utareen infektoitumista. Bakteereiden muodostaman biofilmin on arveltu edistävän utaretulehduksen kroonistumista. Utaretulehduksesta eristettyjen KNS-kantojen biofilmin- ja limanmuodostusta tutkittiin erityyppisillä kasvatusalustoilla. Kolmannes tutkituista kannoista tuotti biofilmiä. Verrattuna muihin KNS-lajeihin, S. epidermidis -lajin liman- ja biofilminmuodostus oli yleisempää ja voimakkaampaa, kun taas muilla yleisillä lajeilla vähäisempää. Bakteerikannan biofilmintuottokyky ei ollut yhteydessä sen aiheuttaman utaretulehduksen vakavuuteen tai paranemiseen, kun taas sen limanmuodostuskyky oli yhteydessä tulehduksen kroonistumiseen. Limaa tuottavia bakteerikantoja oli kuitenkin suhteellisen vähän, vain noin 8 % kannoista.