Campylobacter epidemiology and host-pathogen interactions in broiler chickens

Abstract

Campylobacter és la principal causa mundial de gastroenteritis d’origen alimentari, amb les aus de corral com a font principal d’infecció. Tradicionalment s’ha considerat un comensal inofensiu en aquests animals, però hi ha proves que demostren que poden afectar negativament la salut i el rendiment de les aus, mostrar resistència als antimicrobians (AMR) i colonitzar teixits extraintestinals, suposant una amenaça per a la salut pública i animal. Aquesta tesi amplia el coneixement sobre l’epidemiologia de Campylobacter en vísceres de pollastre i la seva biologia en pollastres d’engreix.

Mitjançant el mostreig de fetges (superfície i interior) i continguts cecals de 56 lots al nord-est d’Espanya (3 canals per lot; n = 168), es va observar una elevada prevalença de Campylobacter, especialment a la superfície del fetge (77,9 %) i en menor grau a l’interior (35,7 %). A més, el 40,1 % de les superfícies presentaven >10³ UFC/fetge, i només el 6,6 % dels interiors presentaven càrregues elevades. Senyalant com risc principal per al consumidor una manipulació inadequada (contaminació creuada) més que el consum de fetge poc cuinat. L’anàlisi genotípica va demostrar que algunes soques es translocaven des del cec cap a l’interior hepàtic, mentre que d’altres contaminaven la superfície durant el sacrifici, fet que subratlla la necessitat de mesures de control tant a nivell de granja (reduir prevalença i translocació) com a l’escorxador (evitar contaminació creuada).

La presència de Campylobacter en teixits comestibles és rellevant des del punt de vista de la seguretat alimentària, i també per l’aparició de resistència als antimicrobians, representant una amenaça addicional per a la salut pública. Caracteritzant la resistència de 39 aïllats de C. jejuni del teixit hepàtic fenotípicament (per microdilució) i genòmicament (mitjançant seqüenciació del genoma complet), es va trobar que més del 80 % eren resistents almenys a un antibiòtic. Les resistències més comunes van ser a ciprofloxacina (71,8 %) i tetraciclina (64,1 %). Es van identificar determinants de resistència, com la mutació puntual gyrA T86I i el gen tet(O), i d’altres possiblement associats a multiresistència. Això posiciona el fetge de pollastre com a font rellevant de C. jejuni resistent i destaca el valor del WGS com a eina per la vigilància genòmica.

Per comprendre la interacció hoste-patogen, es va dur a terme un experiment in vivo amb pollastres d’engreix infectats amb tres soques de C. jejuni de potencial patogènic diferent. Les soques nociva i invasiva van causar empitjorament del rendiment (pitjor conversió alimentària), reducció de la relació VH:CD, augment de citocines proinflamatòries (IFNγ) i perfil de disbiosi caracteritzat per la reducció de bacteris productors d’SCFA (com Bifidobacterium) i alteracions en els metabòlits microbians (com acetat i format). Això qüestiona la hipòtesi històrica que els pollastres són només portadors asimptomàtics demostrant que C. jejuni pot alterar la integritat intestinal i la homeòstasi microbiana de manera depenent de la soca. En conjunt, aquests resultats demostren que el comportament de Campylobacter en aus de corral és complex i està influenciat per múltiples variables: respostes de l’hoste i la variabilitat de les soques. El patogen ja no pot considerar-se només un comensal, sinó un agent capaç de disseminar-se sistèmicament, provocar inflamació i contribuir potencialment a la pèrdua de rendiment en les aus.

Aquests resultats defensen la necessitat d’un control específic a les granges, una millora de la higiene durant el sacrifici i l’aplicació d’estratègies de control integrades que incloguin la modulació de la microbiota i una millor comprensió de la patogenicitat específica de cada soca, a més de mesures de bioseguretat. Amb l’avenç del coneixement sobre l’epidemiologia i la biologia de Campylobacter en aus de corral, aquest treball estableix bases per estratègies de control eficaces que protegeixin tant la salut animal com la seguretat del consumidor.

Campylobacter es la principal causa mundial de gastroenteritis de origen alimentario, con las aves de corral como fuente principal. Tradicionalmente visto como un comensal inofensivo, evidencias recientes demuestran que puede afectar negativamente a la salud y el rendimiento aviar, mostrar resistencia antimicrobiana (AMR) y colonizar tejidos extraintestinales, constituyendo una amenaza para la salud pública y animal. Esta tesis amplía el conocimiento sobre la epidemiología de Campylobacter en vísceras de pollo y la biología en pollos de engorde.

Mediante el muestreo de hígados (superficie y tejido interno) y contenidos cecales, de 56 lotes, en el noreste de España (3 canales por lote; n = 168), se observó una elevada prevalencia de Campylobacter, especialmente en la superficie hepática (77,9 %) y menor en el interior (35,7 %). Además, el 40,1 % de la superficie de los hígados tenían >10³ UFC/hígado, mientras solo el 6,6 % de los interiores alcanzaban altas cargas. Esto subraya que el principal riesgo para el consumidor proviene más del manejo inadecuado (contaminación cruzada), que no del consumo de hígado poco cocinado. El análisis genotípico demostró que algunas cepas se trasladaban desde el ciego al interior hepático, mientras otras contaminaban la superficie durante el sacrificio, enfatizando la necesidad de controles tanto a nivel de granja (reducir prevalencia y translocación) como en matadero (evitar contaminación cruzada). No solo es relevante desde el punto de vista de la seguridad alimentaria la presencia de Campylobacter en los tejidos comestibles, sino también la aparición de AMR, que supone una amenaza adicional para la salud pública. La caracterización de 39 aislados de C. jejuni del tejido hepático, realizada mediante microdilución y secuenciación genómica completa, reveló que más del 80 % eran resistentes al menos a un antibiótico. Las resistencias más comunes fueron a ciprofloxacina (71,8 %) y tetraciclina (64,1 %). Se identificaron determinantes conocidos de resistencia: mutación gyrA T86I y gen tet(O), junto a otros posiblemente asociados a multirresistencia. Esto posiciona al hígado de pollo como fuente relevante de C. jejuni resistente y destaca el valor de la WGS para vigilancia genómica. Para evaluar la interacción huésped-patógeno, se realizó un experimento in vivo en pollos de engorde con tres cepas de C. jejuni con diferente potencial patogénico. Las cepas nociva e invasiva causaron perjuicios en el rendimiento (peor conversión alimenticia), reducción de la relación VH:CD, aumento de citocinas proinflamatorias (IFNγ) y un perfil de disbiosis caracterizado por la reducción de bacterias productoras de SCFA (como Bifidobacterium) y alteración en metabolitos microbianos (como acetato, formiato). Esto cuestiona la noción de que los pollos son portadores asintomáticos y demuestra que C. jejuni puede alterar la integridad intestinal y la homeostasis microbiana de forma dependiente de la cepa. En conjunto, estos resultados demuestran que el comportamiento de Campylobacter en las aves de corral es complejo y está influenciado por múltiples variables, como las respuestas del huésped y la variabilidad de las cepas. El patógeno ya no puede considerarse únicamente como un colonizador intestinal, sino que es capaz de diseminarse de forma sistémica, provocando inflamación en el huésped y contribuyendo potencialmente a la pérdida de rendimiento en las aves de corral. Estos hallazgos abogan por un control específico en las granjas, una mejora de la higiene en el sacrificio y estrategias de control integradas que incluyan la modulación de la microbiota y una comprensión más profunda de la patogenicidad específica de cada cepa, además de la bioseguridad. Al avanzar en el conocimiento de la epidemiología y la biología de Campylobacter en las aves de corral, este trabajo sienta las bases para estrategias de control más eficaces que protejan tanto la salud animal como la seguridad de los consumidores.

Campylobacter is the leading cause of foodborne gastroenteritis worldwide, with poultry identified as the main source of human infection. Despite being traditionally considered harmless commensal in poultry, growing evidence demonstrates that Campylobacter can impair host health and performance, exhibiting antimicrobial resistance (AMR), and colonizing extraintestinal tissues, posing a multifaceted threat to public and animal health. This thesis aimed to expand the understanding of Campylobacter epidemiology in chicken offal and the biology in broiler chickens.

By sampling 56 flocks (3 carcasses per flock, n = 168 livers and cecal contents) from two slaughterhouses from northeastern Spain, we determined the prevalence and levels of Campylobacter in chicken livers, both from the surface and inner tissue and compared it with that of caeca. Notably, liver samples revealed high contamination rates, particularly on the external surface (77.9%), though inner tissue colonization also occurred in a lower fraction of carcasses (35.7%). This high prevalence, coupled with a high Campylobacter load (>103 CFU/liver) in 40.1% of surface liver samples, points to this offal as a potentially relevant source of human campylobacteriosis. The low proportion (6.6%) of such high load in the inner tissue liver highlights that the risk would be due to improper handling rather than to consumption of undercooked livers. Genotypic analyses of isolates demonstrated that some strains could translocate from the caeca to the liver’s internal tissue, while others contaminated the liver surface during slaughter. These results underscore the importance of both on-farm interventions to reduce Campylobacter prevalence which is expected to minimize extraintestinal translocation, and hygienic measures at slaughter to avoid cross contamination of liver surfaces. Not only is the presence of Campylobacter in edible tissues relevant from a food-safety perspective, but also the occurrence of AMR, which poses an additional threat to public health. Hence, the AMR of 39 C. jejuni isolates from internal tissue livers were phenotypically (broth microdilution method) and genomically (whole genome sequencing) characterized. Over 80% of the isolates were resistant to at least one antibiotic, mainly ciprofloxacin (71.8 %) and tetracycline (64.1 %). Genomic analyses confirmed the presence of well-described resistance determinants to these antibiotics, such as the point mutation gyrA T86I and the tet(O) gene, along with additional genes that could contribute to multidrug resistance. These findings highlight chicken livers as a source of AMR C. jejuni and underscore the added value of WGS in providing additional and meaningful information for surveillance diagnostics. To elucidate host-pathogen dynamics, a controlled in vivo experiment was conducted in which broilers were infected with three C. jejuni strains of varying pathogenic potential. Infections with harmful and invasive strains led to impaired feed conversion, reduced VH:CD ratio, increased pro-inflammatory cytokine expression (IFNγ), and dysbiosis marked by decreased SCFA-producing bacteria (e.g., Bifidobacterium) and altered microbial metabolites (e.g., acetate and formate). These findings contradict the historical assumption of broiler chickens as merely asymptomatic carriers and reveal that C. jejuni can disrupt gut integrity and microbial homeostasis in a strain-dependent manner. Together, these results demonstrate that Campylobacter's behavior in poultry is complex and influenced by multiple variables such as host responses and strain variability. The pathogen can no longer be viewed uniquely as a gut colonizer; rather, it is capable of systemic dissemination, triggering host inflammation and potentially contributing to performance losses in poultry. These findings advocate for targeted control on farm, improved slaughter hygiene, and integrated control strategies including microbiota modulation, and a deeper understanding of strain-specific pathogenicity, besides biosecurity. By advancing knowledge on the epidemiology and biology of Campylobacter in poultry, this work provides a foundation for more effective control strategies to protect both animal health and consumer safety.