Pathogenesis and Vaccination of Porcine Respiratory Disease Complex

Abstract

Porcine Respiratory Disease Complex (PRDC) has been used to describe a complex disease characterized by respiratory symptoms and poor growth in grower and finisher, between the ages of 14 and 22 weeks. PRDC is frequently caused by the interaction and synergy of viral and bacterial pathogens. Major important pathogens, involved are Porcine circovirus-2 (PCV-2), Mycoplasma hyopneumoniae (M. hyopneumoniae) and porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV). The severity of PRDC microscopic lesions varies depending on the type and number of pathogens. However, moderate-to-severe interstitial pneumonia with peribronchiolar lymphoid tissue hyperplasia and fibrosis is the most common lung lesion. In recent years, PRDC has emerged as the most economically devastating disease in the Asian swine industry, including South Korea. PCV-2 and M. hyopneumoniae are two of the most commercially important disease in the swine industry. M. hyopneumoniae is one of the major pathogens, causing the porcine respiratory disease complex. The pathogen adheres to the epithelia cells of the trachea, bronchi, and bronchioles, causing damage on the mucosal clearance system, modulating the immune system, and making the pigs more susceptible to secondary respiratory bacterial pathogens. PCV-2, a virus in the Circoviridae family, is a common virus in pigs that has been linked to porcine circovirus-associated diseases (PCVAD) like postweaning multisystemic wasting syndrome (PMWS), PRDC, porcine dermatitis and nephropathy syndrome (PDNS). Co-infection with PCV-2 and M. hyopneumoniae results in lower average daily weight gain and increased time to market weight, both of which bring significant economic losses. Part Ⅰ study was to reproduce severe pneumonic lesions, similar to those during naturally-occurring porcine respiratory disease complex, in pigs dually inoculated with PRRSV and M. hyopneumoniae at 6 weeks of age, followed by inoculation with PCV-2 virus after two weeks. Time and sequence of infection with three pathogens mirror Asian field conditions. Microscopically, interstitial pneumonia and peribronchiolar lymphoid hyperplasia are considered the most characteristic lung lesions in infected pigs. The results of the present study demonstrate that inoculation of pigs with these three pathogens can lead to severe interstitial pneumonia with peribronchial or peribronchiolar lymphoid hyperplasia and fibrosis. Part Ⅱ study was to compare three different types of combination vaccine: a trivalent vaccine containing Porcine circovirus-2a and -2b (PCV-2a/b), and M. hyopneumoniae, a mixable bivalent vaccine containing PCV-2a and M. hyopneumoniae, and a ready-to-use bivalent vaccine containing PCV-2a and M. hyopneumoniae. Two farms were selected on the basis of their subclinical PCV-2d infection and enzootic pneumonia. A total of 120 pigs in each farm were randomly divided into 4 groups (30 pigs per group). The trivalent-vaccinated group from both farms outperformed each bivalent-vaccinated group in terms of growth performance. Growth performance was significantly improved during the fattening periods (70-175 days of age) of the mixable bivalent-vaccinated group in comparison with the ready-to-use bivalent-vaccinated group in one farm. The trivalent-vaccinated group elicited higher levels of neutralizing antibodies and interferon- secreting cells (IFN--SC) against PCV-2d, while simultaneously decreasing the levels of PCV-2d load in blood when compared against the mixable and ready-to-use bivalent-vaccinated groups. The trivalent-vaccinated group also elicited higher levels of IFN--SC against M. hyopneumoniae and lower levels of M. hyopneumoniae loads in the larynx when compared with the mixable and ready-to-use bivalent-vaccinated groups. The results of the present study demonstrated that a trivalent vaccine containing PCV-2a/b and M. hyopneumoniae resulted in a better productive parameter, higher immune responses, and less blood-viral and mycoplasmal larynx-loads when compared with the mixable and ready-to-use bivalent vaccines despite the presence of ongoing farm subclinical PCV-2d infection and enzootic pneumonia. The results of this study demonstrate a strategic method and effective vaccine regimes against PRDC for swine producers and practitioners.

돼지 호흡기 복합 질병(PRDC)은 육성돈과 비육돈 단계에서 호흡기 증상과 성장저하로 인한 생산성 저하가 특징인 한국을 포함한 세계 양돈 산업에 경제적 피해가 큰 돼지 질병이다. 돼지 호흡기 복합 질병은 바이러스 및 세균 병원체들의 상호작용과 시너지 작용에 의해 발생하며, 대표적인 바이러스 원인체로는 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스 (Porcine reproductive and respiratory virus), 돼지 써코 바이러스 2형 바이러스 (Porcine circovirus-2 virus), 돼지 인플루엔자 바이러스 (Swine influenza virus), 돼지 열병 바이러스 (Classical swine fever virus), 돼지 오제스키병 바이러스 (Pseudorabies virus)등이 있다. 대표적인 세균 원인체로는, 마이코플라즈마 (Mycoplasma hyopneumoniae), 파스튜렐라균(Pasteurella multocida), 보데텔라균(Bordetella bronchiseptica), 글래써시균(Glaesserella parasuis), 연쇄상구균(Streptococcus suis), 흉막페렴균(Actinobacillus spp.)등이 있다. 이 중 돼지 써코 바이러스 2형 바이러스와 마이코플라즈마는 돼지 복합 호흡기 질병에 관여하는 대표적인 병원체들이고, 한국내 대부분의 농장에서 해당 병원체들로 인한 피해를 방어하고, 최소화하기 위하여 백신 프로그램을 적용하고 있으나, 농장들은 다양한 상업화된 백신들 중에 농장에 적절한 백신의 선택을 어려워하고 있다. 따라서 본 연구에서는 돼지 복합 호흡기 질병의 실험모델 확립과 대표적인 상업화된 돼지 써코 바이러스 2형과 마이코플라즈마 백신들을 접종 후, 각각의 백신접종 실험군들간에 백신 효능과 농장 생산성 관련 지표들을 비교해 보려고 하였다. 첫번째 실험에서는 농장들에서 돼지 호흡기 복합 질병의 일반적인 감염형태인 6주령 자돈들에게 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스와 마이코플라즈마를 접종하고 2주 후에 돼지 써코 바이러스 2형 바이러스를 접종하여 돼지에 실험적으로 돼지 복합 호흡기 질병을 유발시켰다. 세 가지 병원체의 감염 형태는 한국을 포함한 아시아에서의 양돈장에서의 현장 감염 상황을 반영한다. 해당실험을 통해 돼지 복합 호흡기 질병의 가장 특징적인 병변인 기관지 주변 림프구 과형성 및 섬유화를 동반한 심각한 간질성 폐렴을 유발할 수 있었다. 두번째 실험에서는 PCV-2d 무증상감염과 유행성 폐렴이 발생하고 있는 2개 돼지농장들에서 농장당 각각 120마리의 돼지를 4개 그룹으로 나누어, PCV-2a, PCV-2b, M. hyopneumoniae 항원들을 모두 포함한 3가 혼합백신을 적용한 실험군, 백신사용전 혼합하여 사용할 수 있는 PCV-2a 1가 백신과 M. hyopneumoniae 1가 백신을 혼합적용한 실험군, PCV-2a항원과 M. hyopneumoniae항원이 같이 포함된 2가 혼합백신을 적용한 실험군, 대조군들에 대하여, 각각의 백신들의 효능을 임상증상, 일당증체량, 폐사율, PCV-2d 바이러스 혈중농도, 기관지 스왑에서 마이코플라즈마의 농도, 면역반응, 병변 등의 지표들을 가지고 비교하였다. 3가 혼합백신 접종 그룹은 다른 실험군들에 비교하여, 성장지표, PCV-2d에 대한 더 높은 수준의 중화 항체와 인터페론 감마 분비세포들(interferon- secreting cells)을 유도, 혈중 PCV-2d 농도수준을 낮춘 동시에 마이코플라즈마 인터페론 감마분비세포의 증가와 후두스왑에서 마이코플라즈마 농도수준을 낮추었다. 본 연구의 결과는 양돈장들과 양돈전문가들에게 돼지 써코 바이러스 2형 바이러스와 마이코플라즈마가 연관된 돼지 복합 호흡기 질병에 대한 효과적인 백신 전략을 제시한다.