Selection and characterization of bacteriophages specific to Salmonella, pathogenic bacteria in swine

Abstract

Salmonella Choleraesuis is the most common serotype in swine that causes salmonellosis. Furthermore, antibiotic-resistant Salmonella has been discovered on swine farms. In the last few years, bacteriophages have increasingly been used as a potential biocontrol strategy. Therefore, the objectives of this study were to isolate and characterize the bacteriophages that were specific to S. Choleraesuis strains associated with swine infection. Additionally, the efficacy of phage treatment against S. Choleraesuis strains in simulated intestinal fluid (SIF) was also evaluated. In this study, nine phages were isolated from natural water sources and drained liquid from a slaughterhouse. Most of them were capable of infecting four Salmonella strains. Phages vB_SCh-RP5i3B and vB_SCh-RP61i4 had a high efficiency in infecting S. Choleraesuis and S. Rissen. All phages remained stable for 1 hour at temperatures ranging from 4 to 45 °C. However, their viability decreased when the temperature was raised to 65 °C. Furthermore, most phages survived for 2 hours in simulated gastric fluid (SGF) at low pH (pH 2.5–4.0). Transmission electron microscopy (TEM) revealed that all phages had a symmetric icosahedral head and a tail. Three phage isolates had a short non-contractile tail, while the other six phages had a long non-contractile tail. Meanwhile, the phage genome analysis using the Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) technique could preliminarily cluster phages into 5 groups. However, the phages that were clustered together into the same group had distinct morphology and effectiveness against other strains. The study of phage efficacy against S. Choleraesuis in SIF at MOI 1 and 10 revealed that both individual phages and a phage cocktail (a combination of 3 phages) effectively reduced S. Choleraesuis in SIF. Phage treatments at MOI 10 started to decrease the number of bacterial cells earlier than those at MOI 1. Additionally, the phage cocktail outperformed individual phages. These findings indicate that the newly isolated phages could be a promising biocontrol agents against S. Choleraesuis infection in pigs and could be used via oral administration. Nevertheless, further in vivo studies are necessary.

Salmonella Choleraesuis เป็นซีโรไทป์ที่พบได้ทั่วไปซึ่งเป็นสาเหตุของโรคซัลโมเนลโลซิสในสุกร นอกจากนี้ ยังพบการดื้อยาปฏิชีวนะของซัลโมเนลลาในฟาร์มสุกรอีกด้วย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การศึกษาการใช้ แบคเทอริโอเฟจชี้ให้เห็นว่าวิธีการนี้มีแนวโน้มที่มีศักยภาพสูงสำหรับการควบคุมทางชีวภาพ ดังนั้นการศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อคัดแยกและศึกษาคุณลักษณะของแบคเทอริโอเฟจที่จำเพาะต่อ S. Choleraesuis ที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อในสุกร ตลอดจนประเมินประสิทธิภาพของเฟจต่อการฆ่าเชื้อ S. Choleraesuis ในสภาวะของเหลวลำไส้จำลอง (simulated intestinal fluid, SIF) ในการศึกษานี้ แยกเฟจได้ทั้งหมด 9 ไอโซเลทจากแหล่งน้ำธรรมชาติ และน้ำทิ้งจากท่อระบายน้ำของโรงฆ่าสัตว์ เฟจส่วนใหญ่สามารถติดเชื้อซัลโมเนลลาได้ 4 สายพันธุ์ โดยเฟจ vB_SCh-RP5i3B และ vB_SCh-RP61i4 มีประสิทธิภาพสูงในการติดเชื้อ S. Choleraesuis และ S. Rissen เฟจทุกไอโซเลทเสถียรที่อุณหภูมิ 4–45 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของเฟจลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 65 องศาเซลเซียส นอกจากนี้เฟจส่วนใหญ่ยังคงมีชีวิตอยู่ได้ที่ pH ต่ำ (pH 2.5–4.0) เป็นเวลา 2 ชั่วโมงในสภาวะของเหลวกระเพาะอาหารจำลอง (simulated gastric fluid, SGF) ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเฟจภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) พบว่า เฟจทั้งหมดมีหัวที่มีลักษณะหลายเหลี่ยมแบบสมมาตร (icosahedral symmetry) และมีหางโดยเฟจ 3 ไอโซเลท มีลักษณะหางสั้น ไม่สามารถยืดหดได้ ในขณะที่อีก 6 ไอโซเลท มีลักษณะหางยาว และไม่สามารถยืดหดได้ ในขณะเดียวกัน การศึกษาจีโนมของเฟจด้วยเทคนิค Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) สามารถจัดกลุ่มเฟจเบื้องต้นได้ทั้งหมด 5 กลุ่ม อย่างไรก็ตามเฟจที่จัดอยู่ในกลุ่มเดียวกันมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา และมีประสิทธิภาพทำลายเชื้อที่แตกต่างกัน ดังนั้นอาจจัดเป็นเฟจคนละชนิดกัน การศึกษาประสิทธิภาพของเฟจต่อการฆ่าเชื้อ S. Choleraesuis ใน SIF ที่ MOI 1 และ 10 พบว่า เฟจเดี่ยว และเฟจผสม (เฟจสามชนิด) มีประสิทธิภาพในการลดปริมาณ S. Choleraesuis ใน SIF และการบำบัดด้วยเฟจที่ MOI 10 แสดงการลดปริมาณเชื้อได้เร็วกว่า MOI 1 และเฟจผสมมีประสิทธิภาพมากกว่าเฟจเดี่ยว จากผลการศึกษาเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่า เฟจที่แยกได้นี้อาจเป็นสารควบคุมทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสำหรับฆ่าเชื้อ S. Choleraesuis ในสุกร และการนำเฟจไปใช้ในสัตว์อาจผ่านการให้ทางปากได้ อย่างไรก็ตาม ควรทำการศึกษาเพิ่มเติมในสัตว์ (in vivo)