Genetic Diversity, Population Structure, and Intra-Host Variation of Mycobacterium avium subsp. hominissuis in Fattening Pigs

In den stillen Ecken der natürlichen Welt leben mikroskopisch kleine Bakterien in der Erde, im Wasser und im Staub, der uns umgibt. Die meisten dieser Organismen sind harmlos, aber einige können Probleme verursachen, wenn sie es in die Körper von Tieren oder Menschen schaffen. Ein solches Bakterium, bekannt als Mycobacterium avium subspecies hominissuis, ist ein opportunistischer Erreger. Das bedeutet, dass es normalerweise darauf wartet, eine Chance zur Infektion zu finden, und in Umgebungen gedeiht, in denen es in Schweine, Menschen und gelegentlich auch andere Tiere gelangen kann. Bei Schweinen verbirgt sich diese Infektion oft, ohne offensichtliche Krankheiten zu verursachen, bis das Tier in einem Schlachthof landet, wo Kontrolleure nach Anzeichen von Krankheiten in den Lymphknoten suchen. Für Landwirte bedeutet das Finden dieser Anzeichen einen finanziellen Verlust, da das Fleisch entsorgt werden muss. Für die öffentliche Gesundheit ist das Verständnis darüber, wie dieses Bakterium sich durch die Lebensmittelversorgung bewegt, entscheidend, da es zwischen verschiedenen Arten springen kann. Die große Frage für Wissenschaftler war schon immer: Woher kommen diese Bakterien und wie verbreiten sie sich durch das komplexe Netzwerk der Schweinemasken?

Ein Team von Forschern der Universität Zürich beschloss, dies zu beantworten, indem sie die genetische Beschaffenheit der in Schweizer Schweinen gefundenen Bakterien genau untersuchten. Sie sammelten Gewebeproben von 120 Schweinen, die zwischen 2015 und 2022 geschlachtet wurden. Diese Tiere stammten von 64 verschiedenen Geburtsfarmen und 75 verschiedenen Mastbetrieben aus 13 Regionen der Schweiz. Die Forscher waren an Schweinen interessiert, die granulomatöse Läsionen zeigten – das sind kleine, knotenartige Klumpen im Gewebe, die oft auf eine Infektion hindeuten. Sie nahmen Proben aus verschiedenen Teilen des Körpers, darunter die Lymphknoten im Kiefer und im Bauch sowie die Leber, die Lunge und sogar Muskelgewebe. Ihr Ziel war es nicht nur, das Vorhandensein der Bakterien zu bestätigen, sondern auch die genetische Vielfalt der gefundenen Stämme abzubilden, was im Wesentlichen dem Erstellen eines Stammbaums gleicht, um zu sehen, wie eng die Bakterien miteinander verwandt sind.

Um dies zu tun, verwendeten die Wissenschaftler eine Methode namens Variable-Number Tandem Repeat Typing. Stellen Sie sich die bakterielle DNA wie einen langen Code vor. An bestimmten Stellen entlang dieser Kette wiederholt das Bakterium eine bestimmte Sequenz von Buchstaben immer und immer wieder. Die Anzahl der Male, die diese Sequenzen wiederholt werden, kann von einem Bakterium zum anderen variieren und wirkt wie ein einzigartiger Fingerabdruck. Durch das Zählen dieser Wiederholungen an fünfzehn verschiedenen Stellen und das Lesen eines spezifischen Gens namens hsp65 konnten die Forscher verschiedene Stämme mit hoher Präzision unterscheiden. Sie fanden heraus, dass es von den 342 erfolgreich im Labor gezüchteten Bakterienproben 84 unterschiedliche genetische Typen gab. Dies offenbarte eine unglaublich vielfältige Population, die aus vielen seltenen Varianten bestand, die nur einmal oder zweimal auftauchten, neben einer Handvoll dominanter Stämme, die immer wieder vorkamen.

Die Studie deckte ein überraschend hohes Maß an Komplexität in der Art und Weise auf, wie sich diese Infektionen verbreiten. Fast die Hälfte der Schweine, 56 von 117, war mit zwei oder mehr verschiedenen Bakterienstämmen gleichzeitig infiziert. In einigen Fällen trug ein einzelnes Tier bis zu sechs verschiedene Stämme in sich. Dies deutet darauf hin, dass Schweine nicht einfach nur einen Keim einfangen und ihn behalten, sondern einem ständigen Strom verschiedener Bakterienvarianten aus ihrer Umgebung ausgesetzt sind. Die Forscher fanden heraus, dass diese Mischinfektionen nicht nur bei verschiedenen Tieren, sondern sogar innerhalb desselben Tierkörpers häufig vorkamen. Sie entdeckten, dass derselbe Stamm in mehreren Organen zu finden war, was auf eine weit verbreitete Infektion hindeutet, fanden aber auch, dass verschiedene Stämme im selben Gewebe koexistierten. Dieses Muster deutet stark auf die Vorstellung hin, dass Schweine wiederholt den Bakterien aus Boden, Wasser oder Einstreu auf ihren Farmen ausgesetzt sind, anstatt eine einzige Infektion von einem anderen Schwein aufzunehmen und sie wie eine Kettenreaktion weiterzugeben.

Als das Team die Geografie des Ausbruchs untersuchte, stellte es fest, dass die häufigsten Stämme nicht an eine bestimmte Region gebunden waren. Stattdessen wurden dieselben dominanten Stämme auf Farmen gefunden, die über verschiedene Kantone und Jahre verteilt waren. Während Farmen, die näher beieinander lagen, etwas wahrscheinlicher dieselben Stämme teilten, war der Unterschied nicht signifikant genug, um zu beweisen, dass die Entfernung der Hauptfaktor war. Die Bakterien schienen überall zu sein und bewegten sich durch das hoch vernetzte System der Schweizer Schweinemast. Die Forscher verglichen ihre Ergebnisse auch mit Daten von Rindern und Menschen aus anderen Ländern. Sie entdeckten, dass einige der exakt gleichen Bakterienstämme, die in Schweizer Schweinen gefunden wurden, auch in Rindern in der Schweiz sowie in Menschen in den Niederlanden und in Japan vorhanden waren. Diese gemeinsame genetische Identität untermauert das Konzept der „One Health“, welches anerkennt, dass die Gesundheit von Tieren, Menschen und der Umwelt tief miteinander verknüpft sind.

Einer der beeindruckendsten Funde war, dass die Bakterien nicht auf die Lymphknoten beschränkt waren, in denen Krankheiten normalerweise entdeckt werden. Die Forscher konnten die Bakterien erfolgreich aus fünf Muskelproben kultivieren, die mit bloßem Auge vollkommen gesund aussah. In jedem dieser Fälle wurden die Bakterien auch in anderen Organen wie der Leber oder der Lunge gefunden. Dies bestätigt, dass die Infektion auf essbares Muskelgewebe übergehen kann, selbst wenn keine sichtbaren Anzeichen einer Erkrankung vorliegen. Obwohl die Studie nicht beweist, dass der Verzehr dieses Fleisches beim Menschen Krankheiten verursacht, hebt sie einen potenziellen Expositionspfad hervor, den Fleischkontrolleure möglicherweise übersehen könnten. Die Studie merkte auch an, dass zwar einige andere Arten von Bakterien gefunden wurden, die überwiegende Mehrheit der Läsionen jedoch durch diesen spezifischen Mycobacterium-Stamm verursacht wurde, was dessen Rolle als primärer Verursacher in diesen Fällen bestätigt.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Population dieses Bakteriums in Schweizer Schweinen durch wiederholte Exposition gegenüber der Umwelt angetrieben wird. Die hohe genetische Vielfalt, das Vorhandensein vieler seltener Stämme und die häufige Vermischung verschiedener Stämme innerhalb eines einzelnen Tieres deuten alles darauf hin, dass Schweine die Bakterien aus ihrer Umgebung während ihres gesamten Lebens aufnehmen. Die wenigen dominanten Stämme, die überall erscheinen, lassen darauf schließen, dass einige Varianten besonders gut darin sind, in der landwirtschaftlichen Umgebung zu überleben und sich zu verbreiten, aber sie sind von einem Meer aus einzigartigen, lokalen Varianten umgeben. Diese Studie liefert ein klareres Bild davon, wie sich diese Bakterien bewegen, und zeigt, dass es sich nicht nur um eine einfache Infektionskette von einem Schwein zum nächsten handelt, sondern um ein komplexes Netz aus Umweltexposition, das Farmen, Tiere und potenziell Menschen auf der ganzen Welt berührt. Durch das Verständnis dieser Vielfalt können Wissenschaftler und Landwirte diese unsichtbaren Bedrohungen besser verfolgen und Strategien entwickeln, um die Lebensmittelversorgung sicher zu halten.