Avian pathogenic E. coli in Norwegian broiler Production - characterisation, identification of risk factors and prevention

Den første leveuken er en kritisk periode i slaktekyllingproduksjonen. Norsk fjørfenæring har et felles mål om å redusere dødeligheten i første leveuke i slaktekyllingflokker til under 0,8 %. Forskningsprosjektet APEC-Seq har hatt som mål å redusere forekomsten av colibacillose i slaktekylling gjennom et tett samarbeid med aktører fra fjørfenæringen og forskere innen dyrehelse, bakteriologi og epidemiologi. Prosjektet har gjort en systematisk innsamling av prøver i perioden september 2018 til juni 2021. Det ble samlet inn prøver fra 51 kasusflokker (flokker med høy dødelighet i første leveuke), 22 kontrollflokker, 21 foreldredyrflokker og 14 samleprøver fra rugeri. Det er utarbeidet standardiserte protokoller og innsendelsesskjema for harmonisert prøvetaking og innsamling av data fra fjørfehusene. Innsamlingen har inkludert feltobduksjon, registrering av patologiske funn, prøvetaking til bakteriologiske undersøkelser og registrering av data fra flokken og miljøet som settes i sammenheng med helgenomsekvensdata og en kasus-kontrollundersøkelse. Et pilotprosjekt ble gjennomført for å gi et bedre grunnlag for vurdering av antall E. coli isolater som bør helgenomsekvenseres per individ og per flokk. Målet var å øke sannsynligheten for å identifisere sykdomsfremkallende varianter av E. coli. Totalt ble tre E. coli isolater fra ulike organer i ett individ og fra til sammen fem individer per flokk (totalt 15 E. coli isolater per flokk) sekvensert. Det ble gjort et utvalg på tre flokker, og vi konkluderte med at det i all hovedsak var samme E. coli variant innad i et individ. For å vite om det er samme E. coli variant innad i en flokk anbefalte vi å sekvensere ett E. coli isolat fra minst tre individer i en flokk. I henhold til inklusjonskriteriene i studien ble det besluttet at flokkdiagnosen colibacillose settes på grunnlag av samlede resultater fra helgenomsekvensering (WGS), bakteriologiske undersøkelser og patologiske undersøkelser. Basert på pilotforsøket ble det valgt ut ett E. coli isolat per individ (fem individer per flokk) til WGS. Vi har sekvensert E. coli isolater fra colibacillose-tilfeller både fra kasus og kontrollflokker, henholdsvis 218 og 80 isolater. Bioinformatiske analyser viser at det er høy diversitet innad i begge gruppene. E. coli isolatene fra kasusflokkene er publisert i en egen artikkel hvor to utbrudd som involverer flere flokker er beskrevet. E. coli ST429, O2/O50:H1 forårsaket et utbrudd i tidsperioden sept.2018-jan.2019 i seks av de prøvetatte flokkene. Dette utbruddet ble identifisert retrospektivt i forbindelse med analyse av WGS-data. Våren 2021 var det et utbrudd av colibacillose i slaktekylling i Norge og det ble påvist E. coli ST23, O78:H4, i 17 kasusflokker. I tillegg ble det identifisert høy dødelighet mot slutten av innsettsperioden og/eller høye kassasjonstall på slakteriet for flere av flokker. Utbruddet ble fulgt tett opp med sporing tilbake til foreldredyr og besteforeldredyr. E. coli isolater fra slaktekylling og foreldredyr ble isolert og sekvensert fortløpende i regi av APEC-Seq prosjektet. Bioinformatiske analyser viser at isolatene er relativt like og at det er sannsynlig at de har samme opprinnelse. WGS og bioinformatiske analyser sammen med epidemiologiske data antyder at denne E. coli varianten er spredt fra et høyere nivå i avlspyramiden, antagelig fra besteforeldredyrene. Alle innsamlede data fra prøvetakingen i 2018-2021 er samlet og transkribert. For hver kasusflokk ble det identifisert to kontrollflokker retrospektivt, og ikke alle data var mulig å samle inn retrospektivt. Innsamlede data ble brukt for videre analyse og identifisering av risikofaktorer assosiert med økt dødelighet i første leveuke, hvor to variable kom ut som signifikante; «høy dødelighet i første leveuke i foregående flokk» og «flokkstørrelse». Resultatene er skrevet sammen til et manuskript som er planlagt publisert. Stipendiaten ansatt i APEC-Seq gjennomførte og forsvarte doktorgraden sin i juli 2023. Gjennom APEC-Seq er det bygget opp kunnskap og erfaringer med WGS av E. coli og hvilke muligheter det gir for fjørfenæringen. Etter prosjektslutt vil det følges opp muligheten for å lage et overvåkningssystem for å overvåke og kontrollere sykdomsfremkallende E. coli i fjørfe i regi av Animalia. Det er vanskelig å definere tydelige tiltak for å redusere dødelighet i første leveuke på bakgrunn av de risikofaktorene som er identifisert i prosjektet. Prosjektdeltakerne er enige om at management i en fjørfeflokk er en svært viktig faktor for å lykkes, og spesielt viktig er de første dagene etter at slaktekyllingene har kommet i hus. I tillegg viser resultatene våre, sammen med eksisterende kunnskap om E. coli, at vask, desinfeksjon og tomtid kan være avgjørende faktorer. Det vil avholdes et webinar for veterinærer og rådgivere med fokus på hva som kreves for å gi en god oppstart, samt rutiner og anbefalinger for vask og desinfeksjon.

Kunnskapsoverføring til fjørfenæringen om helgenomsekvensering (WGS) og bruk av ny teknologi særlig med tanke på karakterisering av sykdomsfremkallende E. coli og smittesporing har vært fokus gjennom hele prosjektperioden og ble demonstrert for gjennom utbruddet av colibacillose våren 2021. APEC-Seq har bygget en basis for diagnostikk og overvåkning for APEC basert på detaljert karakterisering gjennom WGS. Etter prosjektets slutt er det et ønske om å teste ut muligheten for overvåkning av APEC basert på WGS for å monitorere utviklingen APEC og fange opp mulige utbrudd så tidlig som mulig, og dermed kunne redusere sykdom og tap av dyr. Gjennom APEC-Seq prosjektet har forskerne på Veterinærinstituttet og fjørfenæringen lært mye av hverandre gjennom kunnskapsdeling, som gjør at vi lettere kan diskutere/identifisere problemstillinger vi bør/kan studere nærmere. For forskningsfeltet har APEC-Seq gitt økt detaljkunnskap om APEC. Det har også gitt en økt forståelse for hvor like/ulike bakterieisolater innad i et individ eller en flokk er, og om utvikling/evolusjon av APEC. Vi har bygget opp en database av helgenomsekvensdata for sykdomsfremkallende E. coli fra fjørfe som er systematisk innsamlet, som vil ha forventet virkning og effekt for fremtidig overvåkning nasjonalt og eventuelt internasjonalt. Databasen av helgenomsekvenser vil være relevant for forståelse av evolusjon av bakterier og for hvordan man definerer utbrudd i store dyrepopulasjoner sammenliknet med utbrudd av zoonotiske agens på mennesker. Økt detaljkunnskap om APEC, norsk fjørfeproduksjon og en relevant database av helgenomsekvenser vil være relevant og fordelaktig for internasjonalt forskningssamarbeid. I videre forstand har APEC-Seq prosjektet gitt oss økt kunnskap og kompetanseutvikling med tanke på bruk av helgenomsekvensering i smittesporing og karakterisering av sykdomsfremkallende bakterier i dy generelt. Det vil også ha en effekt for utvikling av helgenomsekvensering, bioinformatikk og forståelse av bruken av ny teknologi i relevante problemstillinger for forskerne på Veterinærinstituttet. En annen viktig virkning i prosjektet er en stipendiat som har fullført PhD utdannelse og som bidrar til økt kompetanse innen fjørfehelse, fjørfesykdommer og sekvensering og bioinformatisk analyse.

By whole genome sequencing (WGS) of avian pathogenic Escherichia coli (APEC) combined with advanced statistical modelling of complex data APEC-Seq aims to reduce the overall occurrence of colibacillosis in broilers. Important gaps of knowledge are clonality and dissemination of APEC strains through the breeding pyramid and significance of risk factors linked to management and environment. The Norwegian poultry industry has an aim of keeping first-week mortality (FWM) in broilers below 0.8 %. However, during the last couple of years broiler flocks in Norway, other Nordic countries and elsewhere in Europe have experienced periods of sudden and inexplicable increase in FWM due to colibacillosis. APEC-Seq joins actors from research and industry working with clinical bacteriology, epidemiology, poultry health management and broiler production in order to improve the evidence-based knowledge on APEC and predisposing factors. By systematic sampling in high mortality flocks, APEC-Seq will characterize and compare APEC isolates by WGS, identify potential risk factors from production, management and environment and quantify their relative contribution in advanced statistical modelling. Results will be used to develop a framework for monitoring APEC in broilers, i.e. identification of APEC with strong disease-inducing properties at an early phase and implementation of best practice guidelines for prevention of colibacillosis in broiler production. APEC-Seq will have a significant impact on animal health and welfare, enable sustainable and cost-effective food production and increase consumer confidence in poultry meat.