Phát triển vắc-xin vi khuẩn sống bằng cách chọn lọc kháng kháng sinh

Với sự gia tăng thuốc kháng sinh thì cần nhiều hơn các biện pháp kiểm soát thay thế.

Các bệnh do vi khuẩn chủ yếu ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản bao gồm liên cầu khuẩn do vi khuẩn hình cầu Gram dương như Streptococcus agalactiae và S. iniae

Nuôi trồng thủy sản là ngành sản xuất thực phẩm phát triển nhanh nhất trên thế giới. Tuy nhiên, các căn bệnh đang gậy hại đến lĩnh vực này, gây thiệt hại kinh tế ước tính lên tới hàng tỷ đô la trên toàn thế giới. Các bệnh do vi khuẩn gây ra chủ yếu ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản bao gồm liên cầu khuẩn gây ra bởi các vi khuẩn hình cầu Gram dương như liên cầu khuẩn nhóm B và S. iniae, nhiễm trùng đường ruột do vi khuẩn hình que Gram âm như Edward-siella tarda và nhiễm khuẩn aeromonad gây ra bởi vi khuẩn Gram âm như Aeromonas hydrophila.

Để kiểm soát các bệnh ở cá do vi khuẩn thì việc cho cá bị nhiễm bệnh ăn thức ăn có thuốc kháng sinh cần được phê chuẩn là một thông lệ chung. Tuy nhiên, thông lệ như vậy vừa tốn kém lại thường không có hiệu quả, vì cá bị bệnh không thích ăn. Ngoài ra, chỉ có ba loại thuốc kháng sinh hiện đang được chấp thuận sử dụng cho nuôi trồng thủy sản ở Hoa Kỳ: oxytetracycline, sulfadimethoxine và florfenicol.

Việc sử dụng rộng rãi số lượng thuốc kháng sinh bị hạn chế để điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra trong nuôi trồng thủy sản đã dẫn đến sự phát triển của tình trạng kháng kháng sinh đối với nhiều mầm bệnh trên toàn thế giới. Do đó, các biện pháp kiểm soát thay thế là rất cần thiết đối với ngành nuôi trồng thủy sản.

Vắc-xin

Việc sử dụng vắc-xin là một biện pháp kiểm soát thay thế để ngăn ngừa bệnh do vi khuẩn gây ra trong nuôi trồng thủy sản. Vắc-xin cho cá được nghiên cứu rộng rãi nhất là các vi khuẩn bao gồm vi khuẩn phoóc-môn hoặc vi khuẩn chịu nhiệt của các chủng gây bệnh. Ngoài ra, vắc-xin protein tái tổ hợp và dịch thủy phân vi khuẩn đã được chứng minh để kích thích sự bảo vệ chống lại thách thức độc lực của vi khuẩn. Hơn nữa, vắc-xin suy yếu sống đã được báo cáo có khả năng bảo vệ đáng kể chống lại thách thức độc lực của vi khuẩn.

Để chế tạ vắc-xin vi khuẩn sống hiệu quả thì một chiến lược kháng kháng sinh rifampicin đã được sử dụng thành công để làm suy yếu vi khuẩn E. ictaluri và Flavobacterium columnare. Tuy nhiên, không rõ liệu các hóa chất khác cũng có thể được sử dụng để làm suy yếu vi khuẩn nhằm mục đích chế tạo vắc-xin mới này hay không.

Gossypol là một hợp chất tự nhiên có nguồn gốc từ cây bông, được biết là có tác dụng gây đột biến trên DNA. Novobiocin và ciprofloxacin là thuốc kháng sinh. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là xác định xem gossypol, proflavine hemisulfate, novobiocin hoặc ciprofloxacin có hiệu quả trong việc làm suy yếu vi khuẩn nhằm mục đích chế tạo vắc-xin hay không.

Cảm ứng kháng vi khuẩn

Tất cả các vi khuẩn được sử dụng trong nghiên cứu đã được phát triển kháng kháng sinh gossypol từ 250 đến 800 lần một cách nhanh chóng, với nồng độ lựa chọn ban đầu là 2 µg/mL. Tuy nhiên, chỉ có 33% (6 trong số 18) và 50% (10 trong số 20) tương ứng với vi khuẩn Gram âm và vi khuẩn Gram dương tạo ra sức đề kháng đối với vi khuẩn proflavine hemisulfate.

Sáu vi khuẩn gram âm đã tạo ra sức đề kháng kháng từ 16 đến 1000 lần đối với vi khuẩn proflavine hemisulfate, trong khi đó, 10 vi khuẩn gram dương đã tạo ra sức đề kháng 20,000 đến 80,000 lần đối với vi khuẩn proflavine hemisulfate. Khi novobiocin được sử dụng để lựa chọn làm kháng thể thì các vi khuẩn gram âm cũng như các chủng S. agalactiae gram dương có thể tạo ra sức đề kháng.

Vi khuẩn gram âm đã tạo ra sức đề kháng gấp 64 đến 2.000 lần đối với vi khuẩn novobiocin. Các chủng S. agalactiae gram dương đã tạo ra sức đề kháng gấp 256 đến 16,000.000 lần so với vi khuẩn novobiocin. Tuy nhiên, chủng S. iniae rất nhạy cảm với novobiocin. Chỉ có hai chủng S. iniae đã tạo ra sức đề kháng lần lượt là 256,000 lần và 2,000,000 lần đối với vi khuẩn novobiocin. Tương tự, khi ciprofloxacin được sử dụng để lựa chọn làm kháng thể thì tất cả các vi khuẩn gram âm cũng như phần lớn các chủng S. agalactiae đã tạo ra sức đề kháng, trong khi chỉ có một chủng S. iniae có khả năng tạo ra sức đề kháng gấp 128 lần đối với ciprofloxacin.

Nhiễm trùng đường ruột do vi khuẩn hình que Gram âm.

Vi khuẩn gây nhiễm độc cho cá rô phi, cá da trơn

Tất cả các vi khuẩn kháng kháng sinh gossypol hoặc là có độc lực cao hơn đối với cá rô phi hoặc là ít độc tính hơn so với bố mẹ tương ứng của chúng. Trong số 20 chủng vi khuẩn kháng kháng sinh proflavine hemisulfate thì có 18 trường hợp đã được tìm thấy không có khả năng lây bệnh cho cá rô phi khi tiêm trong màng bụng. Trong số 18 chủng vi khuẩn kháng kháng sinh novobiocin thì có bốn loại không có khả năng lây bệnh cho cá nheo Mỹ.

Trong số 13 loại vi khuẩn gram dương kháng kháng sinh novobiocin thì có ba loại không có khả năng lây bệnh cho cá rô phi. Trong số 12 chủng S. iniae hoặc S. agalactiae kháng kháng sinh ciprofloxacin thì có 5 loại được tìm thấy là không có khả năng lây bệnh. Trong số 11 chủng vi khuẩn kháng kháng sinh ciprofloxacin thì có ba loại không có khả năng lây bệnh cho cá nheo Mỹ.

Cá rô phi đã được tiêm phòng, cá da trơn được thử thách phân lập

Tất cả các phân lập kháng kháng sinh proflavine hemisulfate đều bị thất bại trong việc tạo ra kháng thể bảo vệ đáng kể cho cá rô phi sông Nin trước những thách thức với các chủng vi khuẩn có độc lực, với tỷ lệ sống sót tương đối dưới 33%. Trong số chín chủng S. iniae hoặc S. agalactiae kháng kháng sinh novobiocin đã được thử nghiệm thì có hai loại được tìm thấy có khả năng bảo vệ 100%. Trong số bảy chủng S. iniae hoặc S. agalactiae kháng kháng sinh ciprofloxacin đã được thử nghiệm thì chỉ có hai loại được bảo vệ 88 và 63%.

Hai phân lập kháng kháng sinh novobiocin có thể bảo vệ 100% cho cá da trơn chống lại các thách thức với phân lập vi khuẩn có độc lực. Trong số năm chủng vi khuẩn A. hydrophila hoặc E. tarda kháng kháng sinh ciprofloxacin đã được thử nghiệm thì có ba loài đã được tìm thấy có thể bảo vệ 100% cho cá nheo Mỹ.

Nghiên cứu quy mô lớn hơn

Khi cá da trơn được tiêm vắc-xin bị thử thách bởi vi khuẩn E. tarda 30305, E. tarda 30305-novobiocin đã thể hiện khả năng bảo vệ 100% cho cá nheo Mỹ. Tương tự như vậy, khi cá rô phi sông Nin được tiêm vắc-xin đã bị thử thách bởi vi khuẩn E. tarda 30305 có độc lực, tỷ lệ sống sót tương đối của cá được tiêm vắc-xin ở mức 14 và 28 ngày sau thử thách lần lượt là 100% và 92%. Tỷ lệ tử vong tích lũy của cá được tiêm vắc-xin E. tarda 30305-novobiocin tại các thời điểm khác nhau thấp hơn đáng kể so với cá đã được tiêm vắc-xin nước dùng đậu nành tryptic.

Để đảm bảo an toàn cho trực tràng, tất cả các loài cá tiếp xúc với vắc-xin E. tarda 30305-novo thông qua tiêm trong màng bụng, không có trường hợp tử vong hoặc có các dấu hiệu bệnh tật hay hành vi bất lợi nào được quan sát thấy. Không có con cá nào chết trong các nghiên cứu an toàn trực tràng sau khi tiếp xúc với E. tarda 30305-novo.

Quan điểm

Bốn hóa chất đã được sử dụng trong nghiên cứu này để sửa đổi 38 chủng vi khuẩn thông qua chiến lược kháng hóa chất. Tất cả các vi khuẩn được sử dụng trong nghiên cứu này có thể tạo ra sức đề kháng cao đối với vi khuẩn gossypol. Tuy nhiên, không có phân lập kháng kháng sinh gossypol nào bị suy yếu. Mặc dù phần lớn các phân lập kháng kháng sinh proflavine hemisulfate đã bị suy yếu nhưng tất cả chúng đều bị thất bại trong việc tạo ra kháng thể bảo vệ đáng kể cho cá.

Tám vi khuẩn Gram dương kháng kháng sinh novobiocin hoặc ciprofloxacin đã được tìm thấy bị suy yếu. Tuy nhiên, không loại nào trong số chúng tạo ra kháng thể bảo vệ cao hơn 70%. Trong số bảy chủng phân lập vi khuẩn Gram âm kháng kháng sinh novobiocin hoặc ciprofloxacin bị suy yếu thì chỉ có một phân lập vi khuẩn (E. tarda 30305 kháng kháng sinh novobiocin) tương đối an toàn và có hiệu quả cao.

Khi cá rô phi sông Nin được tiêm vắc-xin E. tarda 30305-novo bị thử thách bởi độc lực E. tarda 30305 thì tỷ lệ sống sót tương đối của cá được tiêm vắc-xin sau 14 và 28 ngày sau tiêm vắc-xin lần lượt là 100% và 92%. Tương tự, E. tarda 30305-novo tạo ra kháng thể bảo vệ 100% cho cá nheo Mỹ chống lại các thách thức với phân lập bố mẹ độc hại của E. tarda 30305.

Kết quả cho thấy rằng việc chế tạo vắc-xin vi khuẩn suy yếu sống an toàn và hiệu quả là khả thi mặc dù nó còn nhiều thách thức.