Epidemiological and genetic analyses of emerging tick-borne pathogens in bovine, caprine and canine

Abstract

국내에는 참진드기매개병원체(tick-borne pathogens, TBPs)가 다양하고 광범위하게 분포되어 있다. 그러나 연구자료가 드물어 이 질병의 역학적 깊은 이해에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구는 TBPs의 발생을 규명하고, 분자, 혈청학 및 계통유전학 기술들을 통해 소, 염소, 개에서 순환하는 병원체 및 종의 유형을 확인하는 것을 목표로 하였다. 국내 각 지방과 수도권에서 총 1,116마리의 전혈 샘플(소 384마리, 염소 302마리, 개 430마리)을 학보하였다. 동물의 진드기 매개 병원체의 식별을 위해 3가지의 독립적인 연구를 수행하였다. 첫 번째는 소와 염소의 Anaplasma spp.을 평가하는 데 초점을 맞추었다. Anaplasma spp.의 유병률 및 유전적 다양성을 조사하기 위해 686 마리의 전혈 샘플(소 384마리, 염소 302마리)에서 중합효소연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)이 수행되었다. 이 연구에서 소의 경우 Anaplasma 감염은 주로 A. phagocytophilum(21.1%)에 기인했고, 염소의 경우, 주로 A. bovis(7.3%)에 기인했다는 것을 밝혔다. 혼합감염의 경우도 발견되었는데, 소의 경우, A. bovis와 A. phagocytophilum의 혼합감염은 16.7%였으며, 염소의 경우, A. bovis와 A. capra의 혼합감염은 1.0%로 나타났다. 참진드기매개병원체인 A. bovis, A. phagocytophilum, A. capra의 3가지 혼합감염의 경우는 특이하게 소 한 마리에서만 확인되었다(0.3% 감염률). 이들 병원체의 유전자 염기서열을 토대로 한 계통발생학적 분석으로 볼 때 소와 염소 사이에서 A. phagocytophilum 16S rRNA 유전자 5개의 유전자와 A. capra gltA 유전자에서 1개를 포함한 새로운 변종이 있음을 밝혔다. 또한 이 연구는 소가 A. capra의 잠재적 보균동물이라는 것을 알 수 있었으며, 국내 반추 동물에서 발견될 수 있는 Anaplasma 혼합 감염 유형을 보여준다. 아나플라마증은 인수공통감염병으로서, 이 연구 결과는 공중보건 정책을 수립을 하는데 있어서 매우 중요할 수 있다. 두 번째로 Babesia gibsoni가 원인체인 개 바베시아증의 임상적 사례에 대한 연구로서 혈액학적 및 생화학적 검사 결과와 주혈기생충에 의해 유발된 바베시아증의 임상증상의 평가를 주요 목표로 하였다. 이 연구를 위해 바베시아증으로 의심되는 개 총 400마리의 전혈 샘플에서 PCR 검사를 수행하였으며, 혈청에서 항체 검사를 위하여 신속진단키트(VetAll Laboratories® 제공)를 이용하여 분석하였다. 개 400마리 중 36마리(9.0%)가 B. gibsoni 항원에 감염되었으며, 24마리(6.0%)에서는 혈청 항체가 검출되었다. 각 개 환자의 임상 증상에 대한 평가에 따르면, 한국에 바베시아증의 세 가지 단계가 존재하며, 급성이(55.8%) 가장 많게 나타났고, 식욕 부진, 혼수, 발열, 위장 증상, 때때로 혈뇨 등으로 임상증상이 있었다. 혈소판감소증(93.3%)과 같은 일반적인 혈액학적 이상과 함께 빈혈(86.7%), 고빌리루빈혈증(53.3%), 저알부민혈증(40.0%), aspartate ami-notransferase(AST) 증가(26.7%) 등의 생화학적 이상이 나타났다. 이 연구결과 감염된 개에서 다양한 임상증상이 나타났으며, 한국에서는 B. gibsoni가 풍토성 주혈원충이며, 정확한 진단을 위하여 혈액학적, 생화학적 검사 및 PCR 분석이 중요하였다. 이 연구의 결과는 개 바베시아증의 발생을 이해하는데 중요한 정보를 제공할 뿐만 아니라 보다 효과적인 예방 전략을 계획하는 데에 도움이 될 것이다. 세 번째 연구는 Anaplasma spp., Borrelia burgdorferi, Ehrlichia canis의 혈청 항체 조사를 통해 참진드기매개병원체의 위험으로부터 개 진드기 감염의 역학 감시에 기여하는 것을 목표로 했다. 총 430마리의 전혈 샘플에서 위에서 언급한 참진드기매개병원체에 대한 항체의 신속한 진단을 위한 신속항원검사키트(VetAll Laboratories®)로 실험하였다. 분석된 병원체 별 혈청 양성률은 Anaplasma spp.가 9.8%, B. burgdorferi 2.8%, E. canis 1.4%였다. 이 연구에서 평가된 위험요인인 성별, 나이, 참진드기 노출경력에서 통계적 유의성은 없었으나, Anaplasma spp.의 혈청 항체에 대한 양성률에서는 위험요인인 진드기 노출이 통계적으로 유의성있는 결과를 나타내었다(p=0.047). 이 혈청학적 조사는 개가 이 지역에서 참진드기에 의한 여러 동물 감염의 신속한 전파와 전염에 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사하며 Anaplasma spp., B. burgdorferi, 그리고 E. canis가 한국 전역에 광범위하게 존재하고 있음을 확인하였다. 이러한 역학적 분석을 통해 일반적으로 소, 염소 및 개가 다른 참진드기매개병원체들의 보균 또는 숙주 동물로 작용하며, 이는 동물 질병을 발생시키거나 감염원으로 노출되어 공중보건에 부정적인 영향을 미친다고 결론 내릴 수 있다. 따라서, 이러한 병원균의 감염률과 함께 지리적 분포의 명확화는 대한민국의 고위험 지역에서 새로운 예방 및 통제 전략의 구현에 긍정적인 기여를 할 것이다.

키워드: Anaplasma spp., Babesia gibsoni, Borrelia burgdorferi, Ehrlichia canis, 중합효소연쇄반응(유전자 증폭), 계통발생학적 분석, 혈청학

학번: 2019-28961

The Republic of Korea (ROK) has a diverse and widespread distribution of tick-borne pathogens (TBPs); however, the scarcity of published research limits the exhaustively understanding of their epidemiology. Therefore, the present study aimed to identify the prevalence of TBPs circulating among cattle, goats and dogs using molecular, serological and phylogenetic techniques, thus providing essential information that may assist in elucidating the epidemiology of these infectious agents in the country. A total of 1,116 whole blood samples (384 cattle, 302 goats and 430 dogs) were collected in different provinces and metropolitan cities of the ROK, with which three independent studies were conducted: The first one focused on evaluating the role that Korean cattle and goats may play in the maintenance of Anaplasma infection. Polymerase chain reaction (PCR) was performed to investigate the prevalence and genetic diversity of Anaplasma spp. from 686 whole blood samples (384 cattle and 302 goats). This study revealed that Anaplasma infection in cattle was mostly caused by A. phagocytophilum (21.1%), while in goats was mainly due to A. bovis (7.3%). Cases of co-infection were also found, being for cattle the type involving A. bovis and A. phagocytophilum (16.7%), while for goats was A. bovis and A. capra (1.0%). A special case of triple co-infection caused by the pathogens A. bovis, A. phagocytophilum and A. capra, was identified in only one cow (0.3%). Phylogenetic analysis revealed new variants that are circulating among Korean cattle, including five novel strains of the A. phagocytophilum 16S rRNA gene and one from A. capra gltA gene. Moreover, this research contributes to the ratification of cattle as a potential reservoir of A. capra and demonstrates Anaplasma co-infection types that may be found in Korean domestic ruminants. As anaplasmosis is a zoonotic disease, this study could be crucial in making important decisions for public health policy. The second study had as its main objective the evaluation of the clinical presentation of canine babesiosis caused by the hemo-parasite Babesia gibsoni, based on the anamnesis, and from the comparison of hematological and biochemical test results. For this study, a total of 400 whole blood samples of dogs suspected for babesiosis were analyzed by PCR and by a rapid diagnostic test kit (VetAll Laboratories®) for the detection of antibodies against to this hemo-parasite. Out of the 400 dogs, 36 (9.0%) of them resulted to be B. gibsoni-infected, while 24 (6.0%) were found to be seroreactive animals. The evaluation of the clinical symptomatology of each canine patient revealed that the three courses of canine babesiosis are present in the country, being the acute course (55.8%) the most predominant, that tend to consist of inappetence, lethargy, pyrexia, gastrointestinal symptoms and, occasionally, hematuria; along with common hematological abnormalities, such as thrombocytopenia (93.3%) and anemia (86.7%), and in lower degree of presentation the biochemical abnormalities, such as hyperbilirubinemia (53.3%), hypoalbuminemia (40.0%) and increased aspartate aminotransferase (AST) enzyme activity (26.7%). This research has shown that B. gibsoni is an endemic hemo-parasite in the ROK, capable of producing a variable clinical manifestation in infected dogs, in which for its accurate diagnosis, a descriptive history of the clinical signs, hematology and biochemical profile, along with the performance of the PCR assay are of essential importance. The results of this study not only provide a better understanding of the clinical occurrence of canine babesiosis, but will also help to plan pragmatic preventive strategies against this potent threat in the ROK. The third research aimed to contribute to the epidemiological surveillance of canine tick-transmitted infections with zoonotic risk in the ROK by investigating the seroprevalence of the pathogens Anaplasma spp., Borrelia burgdorferi and Ehrlichia canis. A total of 430 whole blood samples were tested with immunochromatographic kits (VetAll Laboratories®) for rapid diagnosis of antibodies against the abovementioned TBPs. The seroprevalence rates found were as follows: 9.8% for Anaplasma spp., 2.8% for B. burgdorferi and 1.4% for E. canis. There was no statistical significance in any of the risk factors evaluated in this study, such as sex, age and history of tick exposure, that could be associated with the development of humoral immune response in the seroreactive dogs. However, there was only one exception for dogs seroreactive to Anaplasma spp., where the risk factor tick exposure resulted statistically significant (p=0.047). This serosurvey reveals the widespread presence of Anaplasma spp., B. burgdorferi and E. canis throughout the ROK, and suggests that dogs may play a key role as reservoirs and sentinel animals for multiple zoonotic infectious agents in the country. Through these epidemiological analyses it can be generally concluded that cattle, goats and dogs in the ROK act as carriers or host animals of dif-ferent TBPs, which in turn are frequently co-exposed to multiple combinations of infectious agents with zoonotic potential, leading to a negative impact on public health. Therefore, the elucidation of the geographic distribution along with the infection rates of these pathogens contributes positively to the implementation of new prevention and control strategies in high-risk areas of this country.

Keywords: Anaplasma spp., Babesia gibsoni, Borrelia burgdorferi, Ehr-lichia canis, PCR, phylogenetic analysis, serology

Student number: 2019-28961