Lo sviluppo del microbioma e del sistema immunitario nei vitelli neonati è caratterizzato da un’intricata interazione con diversi fattori materni. Nei bovini, c’è una generale mancanza di ricerca che indentifichi l’effetto materno sul processo di colonizzazione precoce dei vitelli neonati (intestino, tratto respiratorio) e il suo impatto sull’innesco del sistema immunitario. Studi precedenti hanno indagato principalmente gli effetti materni sul trasferimento passivo dell’immunità alla nascita, ma non si sono mai spinti oltre. La ricerca sul microbioma dei vitelli ha evidenziato che la colonizzazione da parte di diverse comunità batteriche nei neonati, è influenzata dal metodo di somministrazione del colostro subito dopo la nascita, e che l’esposizione materna promuove la colonizzazione di batteri benefici nei vitelli neonati. Tuttavia, ulteriori studi non hanno dimostrato, al momento, collegamenti con lo sviluppo precoce del sistema immunitario. Gli aspetti ancora da indagare sono molteplici, e riguardano fattori che caratterizzano sia il periodo prenatale che postnatale della coppia vacca-vitello. In questa sinossi, liberamente tratta da una pubblicazione apparsa in questi giorni sul Journal of Dairy Science, si passano in rassegna gli studi attualmente disponibili inerenti l’impatto che la salute e la nutrizione materna può avere sul microbioma e sullo sviluppo immunitario del vitello neonato.
Introduzione
In generale, il periodo neonatale rappresenta una finestra temporale cruciale durante la quale il microbiota e l’immunità dell’ospite si sviluppano congiuntamente in modo complesso, con un processo fortemente influenzato da diversi fattori perinatali. I fattori prenatali ( Figura 1 ) sono i fattori materni, come dieta e nutrizione, salute o stress, interventi (antimicrobici, pre e probiotici) ed esposizione (igiene, sostanze chimiche) che alterano i programmi di sviluppo fetale, il microbiota materno e i metaboliti a cui feti e neonati sono esposti durante il processo di parto (Jeong, 2022 ). Nel periodo postnatale (Figura 1), il microbioma neonatale viene ulteriormente perfezionato dalla dieta (latte materno vs. formula), dall’esposizione (animali domestici, spazi verdi, madre, fratelli), interventi (antimicrobici, pre o probiotici), attività (esercizio fisico) e stress (Arrieta et al., 2014 ; Renz et al., 2017 ; Jeong, 2022). Lo stesso processo di nascita, inteso come modalità ( Arrieta et al., 2014 ), durata del travaglio ( Rai, 2018 ) e somministrazione di antibiotici intrapartum ( Chen et al., 2021b ), rappresenta un fattore cruciale nella modulazione della trasmissione microbica.
Figura 1: Fattori prenatali e postnatali che influenzano il processo di colonizzazione microbica intestinale nei neonati
Facilitare la colonizzazione di microbiota benefico che promuove un equilibrio tra risposte protettive e infiammatorie è fondamentale per la salute di tutti gli esseri viventi, e quindi anche per i vitelli. E’ importante valutare gli effetti di varie strategie di gestione precoce sul microbioma neonatale e sull’immunità. L’entità dell’esposizione precoce dei vitelli neonati è influenzata da vari fattori come strategie di stabulazione, materiali di lettiera, metodi di alimentazione ed entità del contatto con la madre o con altri vitelli.
Diverse esposizioni possono portare a diversi modelli di colonizzazione microbica nell’intestino e nel tratto respiratorio e allo sviluppo del sistema immunitario nei vitelli. Uno studio che confronta la composizione batterica nelle feci di vitelli sani (1–30 giorni di età) provenienti da diversi allevamenti ha rivelato differenze significative nell’abbondanza relativa di taxa batterici in particolare tra animali raggruppati e alloggiati individualmente ( Gomez et al., 2017 ). Gli animali alloggiati in gruppo, ad esempio, hanno mostrato una maggiore abbondanza di Fusobacteria e una minore abbondanza di Proteobacteria nelle feci rispetto a quelli alloggiati individualmente (Gomez et al., 2017). Inoltre, l’abbondanza di Actinobacteria era inferiore nei vitelli diarroici alloggiati in gruppo rispetto ai vitelli sani. Tuttavia, non sono state riscontrate differenze nell’abbondanza relativa di taxa batterici tra vitelli sani e diarroici provenienti da alloggi individuali. L’età è un fattore determinante della composizione della comunità batterica intestinale dei vitelli neonati così come le condizioni di stabulazione. Tuttavia, vi è una generale mancanza di studi che valutino diversi metodi di stabulazione (individuale vs. collettiva) sulla colonizzazione microbica, sulla trasmissione di agenti patogeni o sull’innesco precoce del sistema immunitario dei vitelli da latte.
Il sistema immunitario dei vitelli che inizia a svilupparsi nella fase fetale precoce ( Barrington e Parish, 2001 ; Chase et al., 2008 ) diventa pienamente in grado di suscitare risposte immunitarie dopo l’induzione. L’uso di vaccini in utero nei ruminanti ha dimostrato che il sistema immunitario fetale può generare anticorpi e risposte immunitarie mediate dalle cellule dopo l’induzione ( Gerdts et al., 2000 ). Inoltre, è stato dimostrato che l’innesco del sistema immunitario fetale con un vaccino in utero induce una memoria immunitaria a lungo termine rilevabile alla nascita ( Gerdts et al., 2002 ). Ciò suggerisce che i ruminanti neonati possiedono un sistema immunitario ben sviluppato che subisce un rapido innesco e induzione immediatamente, in particolare dopo l’esposizione al microbiota. Pertanto, l’esposizione precoce dei vitelli neonati svolge un ruolo fondamentale nell’innesco del sistema immunitario in via di sviluppo per generare una memoria immunitaria per tutta la vita. Comprendere i fattori che influenzano l’esposizione precoce dei vitelli neonati è quindi fondamentale per modulare i percorsi di colonizzazione microbica e la preparazione del sistema immunitario, il che può avere implicazioni significative sulla salute dei vitelli e sulla resistenza alle malattie.
Contributo materno allo sviluppo del microbioma e del sistema immunitario
Una comprensione approfondita degli effetti dei fattori materni sul microbioma neonatale e sull’immunità è utile per gestire al meglio le vacche gravide ed avere dei vitelli sani in futuro. Contrariamente agli studi sugli esseri umani, la ricerca sul microbioma nei bovini non ha però chiarito completamente il contributo del microbiota materno al microbiota dei vitelli neonati.
L’insieme dei principali studi disponibili suggerisce che, confrontando le comunità batteriche intestinali dei vitelli con quelle delle vacche, manca una condivisione di taxa batterici tra loro. Se è vero che i vitelli da latte vengono separati dalle madri subito dopo la nascita, senza contatti tra le coppie vacca-vitello, è anche vero che quelli da carne rimangono con le madri fino allo svezzamento, a 6-7 mesi di età. Nonostante questo, quando Barden et al. (2020) hanno esaminato il microbiota (vacche: fecale, canale del parto, mammella, colostro, latte; vitelli: fecale e orale) di coppie vacca-vitello di bovini da carne e da latte, non hanno trovato alcuna evidenza di trasmissione da vacca a vitello nei bovini da carne.
Non è stato rilevato alcun raggruppamento dei profili batterici fecali dei vitelli e delle madri alla nascita. Al contrario, a 4 settimane dal parto, i profili batterici generati dai vitelli erano raggruppati diversamente dalle vacche. Gli autori non hanno riscontrato differenze significative nelle comunità batteriche orali e fecali tra vitelli da latte e da carne a 4 settimane di età, nonostante le variazioni nel livello di contatto materno. Rispetto agli studi sul microbioma nei vitelli, la ricerca sui neonati e sui bambini si basa attualmente su studi di coorte in cui le coppie madre-neonato vengono seguite per un periodo di tempo per valutare le dinamiche dell’intestino e di altri microbiomi associati all’ospite. L’identificazione dell’influenza materna sul microbioma dei vitelli appena nati rimane una sfida a causa delle dimensioni limitate dei campioni negli studi sui bovini. La nostra comprensione della trasmissione del microbiota dalla vacca al vitello può essere migliorata conducendo studi longitudinali simili su larga scala (multi-istituzionali e multi-geografici) per profilare le comunità microbiche sia della vacca che del vitello dopo il parto.
Per quel che riguarda l’esposizione al microbiota materno alla nascita, è stato dimostrato che svolge un ruolo fondamentale nel successivo innesco e sviluppo del sistema immunitario. Studi sui neonati hanno chiaramente evidenziato un aumento delle patologie legate al microbioma nei neonati nati tramite intervento chirurgico elettivo di taglio cesareo che non sono esposti al microbiota intestinale e del canale del parto materno ( Tun et al., 2018 ; Reyman et al., 2019 ; Morais et al., 2020 ). Tuttavia, gli effetti della distocia sul microbiota intestinale e sull’immunità nei vitelli neonati rimangono ancora poco studiati.
Esposizione e contatto materno: impatto sulla comunità microbica intestinale e sulla salute
Sebbene i meccanismi precisi della trasmissione microbica dalle vacche ai vitelli debbano ancora essere completamente chiariti, l’esposizione dei neonati agli individui adulti nelle prime settimane potrebbe influenzare significativamente la composizione del microbiota intestinale dei vitelli neonati. Uno studio recente di Beaver et al. (2021) ha riportato differenze nelle comunità batteriche fecali di vitelli di 4 settimane allevati in modo convenzionale (separati dalle madri alla nascita) rispetto a quelli esposti al contatto materno (almeno 24 ore di contatto fisico ma senza allattamento). I vitelli con contatto materno avevano un’abbondanza relativa maggiore del genere Lactobacillus rispetto ai vitelli allevati in modo convenzionale a 4 settimane di età. Analogamente, Wenker et al. (2022) hanno osservato cambiamenti nella composizione delle comunità batteriche fecali di vitelli neonati esposti a diversi livelli di contatto materno durante il periodo pre-svezzamento (nessun contatto; contatto parziale: contatto fisico senza allattamento; o contatto completo: allattamento + contatto fisico). L’abbondanza relativa di Lactobacillus era più alta nei vitelli di 1 settimana e di 4 settimane esposti a contatto materno completo rispetto a quelli con contatto materno parziale o assente. Il Lactobacillus, un batterio benefico pioniere nei vitelli neonati ( Schwaiger et al., 2020 ), è stato collegato all’innesco del sistema immunitario in via di sviluppo. Inoltre, l’abbondanza di Lactobacillus nelle feci era inferiore nei vitelli con diarrea rispetto ai vitelli sani ( Schwaiger et al., 2022 ). Nel complesso, questi risultati suggeriscono che il contatto materno durante la prime settimane di vita può promuovere la colonizzazione di batteri benefici nell’intestino dei vitelli neonati.
Quando i vitelli sono stati esposti al contatto materno completo durante il periodo pre-svezzamento, si è verificato però un aumento dei trattamenti antibiotici rispetto a quelli senza contatto ( Wenker et al., 2022 ). Inoltre, i parametri ematologici come le conte di eritrociti, epatociti e leucociti e i livelli di emoglobina erano più alti nei vitelli con contatto completo rispetto a quelli senza contatto. Ciò suggerisce che, nonostante i cambiamenti osservati nella colonizzazione dei batteri intestinali benefici, l’esposizione dei ruminanti neonati ad animali adulti più a lungo (nello stesso recinto o in un recinto separato) potrebbe esporli a patogeni adulti. È interessante notare che Beaver et al. (2021) hanno osservato un aumento della colonizzazione di Lactobacillus nei vitelli solo quando sono stati esposti alle vacche per un periodo più breve durante le prime 24 ore di vita, suggerendo che il contatto materno immediatamente dopo la nascita per una durata più breve è sufficiente a promuovere la colonizzazione di batteri benefici nell’intestino.
Dieta e nutrizione materna: impatto sullo sviluppo congiunto del microbiota intestinale neonatale e del sistema immunitario
La maggior parte degli studi disponibili per i bovini hanno indagato principalmente gli effetti della nutrizione materna sulla salute dei vitelli (trasferimento passivo dell’immunità alla nascita), in particolare per quanto riguarda la sovra e la sottonutrizione. Gli effetti della nutrizione materna sulla salute dei vitelli sono stati indirizzati principalmente sui bovini da carne, mentre pochi studi sui bovini da latte hanno esaminato la qualità del colostro (principalmente IgG colostrale) per comprendere gli effetti della nutrizione materna sul trasferimento passivo dell’immunità. La maggior parte di questi studi si è concentrata sulla nutrizione materna durante l’ultimo trimestre di gestazione, quando la crescita fetale progredisce rapidamente. Tuttavia, lo sviluppo del sistema immunitario inizia nelle prime fasi dello sviluppo fetale e continua per tutto il periodo neonatale (Chase et al., 2008 ). Diversi studi condotti sui bovini da carne hanno evidenziato come la restrizione nutrizionale materna durante la gestazione tardiva può influenzare l’immunità dei vitelli in diverse fasi della vita (alla nascita, prima e dopo lo svezzamento) alterando l’espressione dei geni correlati al sistema immunitario e le risposte anticorpali ai vaccini. Ciò influisce sulla capacità di allevare una prole sana. Gli attuali standard nutrizionali per le vacche si basano principalmente sulle loro prestazioni e mancano di informazioni sulla salute dei vitelli, in particolare sugli effetti della nutrizione materna sullo sviluppo immunitario nella prima infanzia. Lo sviluppo immunitario nella prime settimane plasma la memoria per tutta la vita. Pertanto, una comprensione approfondita dell’innesco immunitario dei vitelli è essenziale per migliorare la nutrizione delle vacche gravide e garantire una rimonta sana.
Salute materna e stress: impatti sul microbioma intestinale e sull’immunità del vitello
Le vacche gravide sono esposte a vari fattori di stress, tra cui stress metabolico, da caldo e freddo e da trasporto ( Lucy, 2019; Ghaffari, 2022 ). Uno stato di stress metabolico può essere generato da un mancato adattamento alle maggiori esigenze nutrizionali durante la gravidanza. Anche la mancanza di interazioni tra animali e tra animali e esseri umani, le infezioni e il parto possono generare stress nelle vacche gravide (Lucy, 2019). Gli effetti dello stress durante la gravidanza sono stati studiati principalmente in termini di prestazioni di lattazione, riproduzione e salute di vacche e vitelli. I vitelli di vacche con livelli di stress metabolico più elevato avevano un peso corporeo inferiore e specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, aptoglobina e TNFα nel sangue più elevati rispetto ai quelli nati da vacche con stress metabolico inferiore (Ling et al., 2018 ). Ciò suggerisce che lo stress materno altera le risposte immunitarie sistemiche dei vitelli durante il periodo precedente lo svezzamento. stato anche dimostrato che lo stress da calore materno influisce sulla salute dei vitelli ( Tao et al., 2012 ; Ahmed et al., 2021 ). Anche per lo stress da caldo è stato dimostrato che vacche che hanno subito condizioni ambientali non idonee durante gli ultimi 45 giorni di gestazione, partoriscono vitelli con un peso alla nascita e allo svezzamento inferiore agli altri ( Tao et al., 2012 ). Ahmed et al. (2021) hanno riferito che lo stress da caldo durante gli ultimi 45 giorni di gestazione ha ridotto il peso alla nascita dei vitelli, il peso del timo e della milza alla nascita e le IgG sieriche durante i primi 28 giorni di vita, ma ha aumentato l’apoptosi delle cellule epiteliali nel digiuno ( Ahmed et al., 2021 ).
Conclusioni
Questa revisione completa evidenzia la necessità di una comprensione più approfondita dei fattori materni che modellano il microbioma intestinale e lo sviluppo e la maturazione immunitaria dei vitelli neonati (vedi Figura 2 ). Evidenziamo l’attuale lacuna di conoscenza, in particolare durante il periodo gestazionale, e la relativa scarsità di studi sui bovini rispetto a specie ampiamente studiate come esseri umani e topi. La ricerca futura sui bovini deve adottare un approccio olistico e longitudinale esplorando un’ampia gamma di fattori materni che alterano i microbiomi e i metaboliti materni. Gli studi longitudinali sono essenziali per osservare coppie vacca-vitello per un periodo prolungato per chiarire l’interazione dinamica tra le prime traiettorie di colonizzazione intestinale e lo sviluppo del sistema immunitario. Ciò include un’indagine approfondita delle diverse fonti di microbiota materno (vaginale, intestinale, colostro e latte), dieta (componenti dietetici, potenziali carenze) ed esposizione precoce al microbiota intestinale e respiratorio del vitello.
Figura 2: Influenza dei fattori materni sullo sviluppo congiunto del microbioma e dell’immunità dei vitelli neonati
Inoltre, è estremamente necessario studiare i diversi effetti delle condizioni di salute materna, tra cui stress e vaccini, durante la gravidanza e i loro successivi effetti sul microbioma intestinale e sull’immunità dei vitelli neonati. La collaborazione tra ricercatori di diversi campi come microbiologia, immunologia, nutrizione, scienza veterinaria ed epidemiologia è essenziale per affrontare la complessità dei fattori materni che influenzano il microbiota e lo sviluppo immunitario dei vitelli neonati. Sviluppare e valutare strategie per ottimizzare la salute e la nutrizione materna e valutare la loro influenza a lungo termine sulla salute e la produttività dei vitelli sono di fondamentale importanza. Affrontare queste aree di ricerca avanzerà in modo significativo la nostra comprensione dell’influenza materna sulla salute dei vitelli e aprirà la strada al miglioramento della salute, del benessere e della crescita dei vitelli neonati.
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