Clinicopathological Changes and Infectious Pathogens in Korean Indigenous Calves with Diarrhea

Abstract

송아지 설사는 다양한 원인에 의해 발병하는 질병으로 소화장기를 통해 수분의 소실을 일으키는 질병이다. 송아지 설사는 송아지의 성장을 저해하고 폐사까지 일으킬 수 있으며, 전세계의 소 산업에 큰 피해를 일으키는 질병이다. 많은 연구자들이 송아지 설사의 원인, 예방과 치료에 대한 연구를 지속하고 있음에도 불구하고, 아직 송아지 설사에 대한 근본적인 해결책을 찾지 못해 지속적으로 피해를 입고 있다. 따라서 본 연구는 국내 한우에서 발생하는 송아지 설사의 이해를 넓혀서 질병의 피해를 저감하고자 하였다. 우선, 첫 번째 연구는 한우 송아지에서 설사의 진단과 예후에 유용한 혈액검사항목에 대해 분석하였다. 국내 10개의 농장으로부터 530마리의 한우 송아지의 분변점수를 0점에서 3점(0점, 정상; 1점, 반고형; 2점, 묽은 변; 3점, 수양성 설사)까지 평가하고, 혈액을 확보하여 혈액검사, 혈청 생화학검사와 급성단백질을 검사하였다. 530마리의 한우 송아지 중 분변점수 0점, 1점, 2점, 3점은 각각 145마리, 185마리, 114마리, 88마리로 분류되었다. 모든 혈액검사결과들은 분변점수에 따라 통계적으로 비교하였을 때, 적혈구(red blood cells), 혈색소(hemoglobin), 평균혈구혈색소농도(mean corp-uscular hemoglobin concentration), 망상적혈구(reticulocytes), 백혈구(white blood cells), 림프구(lymphocytes), 단핵구(monocytes), 알부민(albumin), 혈중질소농도(blood urea nitrogen), 혈당(glucose), 혈중 나트륨농도(sodium), 혈중 칼륨농도(potassium), 섬유소원(fibrinogen), 그리고 합토글로빈(haptoglobin)이 분변점수에 따라 유의적인 변화를 나타내었다(p<0.01). 그 후, 16개의 정상수치의 범위를 계산한 뒤, 정상수취 범위를 기준으로 각 분변 점수별 송아지 마리 수의 변화를 통계적으로 비교하였을 때, 혈액요소질소(blood urea nitrogen), 혈당(glucose), 혈중 나트륨농도(sodium), 혈중 칼륨농도(potassium), 섬유소원(fibrinogen), 그리고 합토글로빈(haptoglobin)에서 유의적인 차이를 나타내었다(p<0.001). 6개의 혈액항목 중에서, 혈당과 혈중나트륨농도는 분변점수가 증가함에 따라 기준치보다 낮은 송아지의 분포가 유의적으로 증가한 반면(p<0.001), 혈중질소농도, 혈중 칼륨농도, 섬유소원과 합토글로빈은 분변점수가 증가함에 따라 기준치보다 높은 송아지의 분포가 유의적으로 증가하였다(p<0.001). 6개의 혈액검사 항목 중에서, 수신자 조작 특성 곡선(receiver operating characteristics curve, ROC curve) 아래 영역(area under ROC curve)이 0.5 이상이었던 혈중질소농도(9.50mg/dL), 혈중 칼륨농도(5.75mmol/L), 섬유소원(650.0mg/dL), 합토글로빈(12.5mg/dL)의 최적의 절사점이 계산되었다. 본 연구의 결과는 한우 송아지가 설사가 있을 때 숙주의 상태를 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 두 번째 연구에서는 한우 송아지에서 송아지 설사증을 일으킬 수 있는 병원체에 대해 조사하고, 농장, 계절, 분변점수와 병원체의 관계를 분석하였다. 2016년부터 2017년까지 국내 10개 농장으로부터 총 544개의 분변샘플을 확보하여 7개의 감염병 원인체(소 로타바이러스(bovine rotavirus), 소 코로나바이러스(bovine coronavirus), 작은와포자충(Cryptosporidium par-vum), 소 바이러스성 설사병 바이러스(bovine viral diarrhea virus), 구포자충 속(Eimeria species), 대장균 K99 (Escherichia coli K99), 살모넬라 속(Salmo-nella species)들을 중합효소연쇄반응으로 조사하였다. 그 결과, 544건의 분변 중에서 분변 점수가 0점, 1점, 2점, 3점인 분변의 수는 각각 153건, 187건, 116건, 88건으로 조사되었다. 본 연구에서는 여름에 확보된 분변들의 점수가 다른 계절에 비해 유의적으로 높게 나타났으며(p<0.05), 병원체가 있는 분변 점수가 병원체가 없는 분변 점수보다 유의적으로 높게 나타났다(p<0.01). 7개의 병원체 중에서, 6개의 병원체가 검출되었으며, 각 병원체별 검출율과 평균 분변점수는 다음과 같다: 구포자충속(27.4%, 1.36), 소 로타바이러스(8.8%, 1.85), 소 코로나바이러스(8.5%, 1.36), 작은와포자충(4.4%, 1.91), 소 바이러스성 설사병 바이러스(0.7%, 0.5), 대장균 K99 (0.2%, 3). 이 중에서 작은와포자충(p<0.01)과 소 로타바이러스(p<0.001)만 송아지의 분변점수가 증가함에 따라 유의적으로 높게 되었으며, 소 코로나바이러스는 작은와포자충(p<0.01)과 소 로타바이러스(p<0.05)와 동시에 감염되어 있을 확률이 유의적으로 높게 나타났다. 이러한 연구 결과는 한우 송아지 설사병의 숙주-병원체 상관관계와 역학을 이해하고 백신 개발 등 예방연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 세 번째 연구는 송아지 설사와 관련된 7가지 병원체(소 로타바이러스, 소 코로나바이러스, 소 바이러스성 설사바이러스 1, 2형, 작은와포자충, 편모충 속(Giardia species), 구포자충 속의 유병률을 중합효소연쇄반응으로 조사하고, 그 외 다른 바이러스들을 조사하기 위해 차세대염기서열분석 방법을 이용하였다. 2022년 한우 송아지 분변 총 810건을 채취하였고, 분변의 상태는 정상 분변 526건(분변 점수 0점 267건, 분변 점수 1점 259건)과 설사 분변 284건(분변 점수 2점 178건, 분변 점수 3점 106건)으로 나누어졌다. 분변에서 중합효소연쇄반응으로 7가지 병원체 모두 검출되었으며, 각 병원체별 검출율과 평균 분변점수는 다음과 같다: 소 로타바이러스(14.0%, 1.41), 소 코로나바이러스(3.2%, 1.42), 바이러스성 설사병 바이러스 1형(2.1%, 1.35), 바이러스성 설사병 바이러스 1형 (4.9%, 1.33), 작은와포자충(9.8%, 1.66), 구포자충 속(1.9%, 1.73), 편모충 속(0.9%, 0.71). 그 중 소 로타바이러스(p<0.01), 작은와포자충(p<0.001), 구포자충 속(p<0.05)만 분변점수가 증가함에 따라 검출율이 유의적으로 증가하였다. 분변 중 위의 병원체 7종에 대해 음성이었던 21건의 분변을 대상으로 송아지 설사와 관련된 바이러스 병원체를 확인하기 위해 차세대 염기서열 분석을 하였으며, 그 결과 소 코부파이러스(bovine kobuvirus), 부세피바이러스 B(boosepivirus B), 소 아스트로바이러스(bovine astrovirus), 소 파레코바이러스(bovine parechovirus), 소 토로바이러스(bovine torovirus), 작은와포자충 바이러스 1, 소 엔테로바이러스(bovine enterovirus), 소 네보바이러스(bovine nebovirus), 소 노로바이러스(bovine norovirus), 후니바이러스(hunni- virus)의 거의 완전한 유전자 서열을 확보하였다. 본 연구에서 부세피바이러스, 작은와포자충 바이러스 1과 후니바이러스의 존재와 10개의 신, 변종바이러스의 전체 유전자 서열을 국내 한우 송아지의 설사변에서 처음으로 검출하였다. 본 연구의 결과는 국내 송아지 설사와 관련된 병원체들의 역학과 분자생물학적 특징에 대한 이해도를 넓히는데 기여할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 한우 설사 송아지의 전염성 병원체와 임상병리학적 변화에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구는 송아지 설사의 임상수의학과 예방수의학의 관점을 접목하여 질병을 연구하였으며, 본 연구를 통해 우리는 한우 송아지에서 설사 질병의 이해를 깊게 하고, 이를 바탕으로 보다 효과적인 예방 및 치료 전략을 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 추후 다양한 바이러스와 병원체들, 동시감염과 예방방법 등의 연구를 더 진행하여, 한우 송아지의 건강과 생산성을 증진시켜 축산농가의 경제적 손실을 줄이는데 기여할 것이다.

Calf diarrhea is a multifactorial disease that leads to the loss of body fluid through the intestine. It has affected the morbidity and mortality of neonatal calves, impacted their growth performances, and caused worldwide economic loss in cattle industries. Despite comprehensive investigations into the origin, prevention strategies, and treatment methods for calf diarrhea, the disease remains a pervasive issue causing substantial losses worldwide. Therefore, the purpose of this study was to deepen our understanding of calf diarrhea, especially in Korean indigenous calves (KIC) in the ROK, aiming to reduce the damages from diseases. Specifically, the first study was conducted to identify the useful blood parameters in diagnosing calf diarrhea in KIC and good indicators for calf diarrhea. In 530 KIC, fecal scores were recorded on a scale of 0 to 3, and blood samples were collected and analyzed for hematology and serum biochemistry. Among the blood variables, 16 blood variables showed significant differences (p < 0.01) according to fecal scores. After reference intervals of these 16 blood variables were calculated, the distributions of calves by calculated reference intervals showed a significant difference (p < 0.001) and linear associations (p < 0.001) in blood urea nitrogen (BUN), glucose (GLU), blood sodium concentration (Na), blood potassium concentration (K), fibrinogen (Fib), and haptoglobin (Hp). Of 6 blood variables, the optimal cut-off values were calculated for BUN, K, Fib, and Hp, and the area under the curve was 0.5 or more: BUN (9.5 mg/dL, AUC: 0.623), K (5.8 mmol/L, AUC: 0.599), Fib (650.0 mg/dL, AUC: 0.706), and Hp (12.5 mg/dL, AUC: 0.847). The findings of this study not only facilitates early and accurate diagnosis of calf diarrhea but could potentially guide personalized treatment approaches by indicating the severity of the disease. This could in turn enhance the prognosis and reduce the morbidity associated with calf diarrhea. The second study was conducted to investigate the prevalence of seven pathogens causing calf diarrhea: bovine rotavirus (BRV), bovine coronavirus (BCV), C. parvum, bovine viral diarrhea virus (BVDV), Eimeria species, E. coli K99, and Salmonella spp. in 2016 ~ 2017. A total of 544 feces from KIC in 2016~2017 were obtained to investigate selected seven pathogens causing calf diarrhea. Among 544 feces collected in 2016~2017, the number of feces that scored 0, 1, 2, and 3 were 153, 187, 116, and 88, respectively. In this study, fecal scores were significantly higher in summer and pathogens-involved feces (p < 0.05) and the number of detected pathogens (p < 0.01). Among 7 pathogens, the detection rates and mean fecal scores for each were as follows: Eimeria spp. (27.4%, 1.36), BRV (8.8%, 1.85), BCV (8.5%, 1.36), C. parvum (4.4%, 1.91), BVDV (0.7%, 0.50), and E. coli K99 (0.2%, 3.00). Salmonella spp. was not detected in any of the 544 fecal samples from KIC. The detection rates of BRV (p < 0.001) and C. parvum (p < 0.01) were getting increased as fecal scores were increased. Moreover, BCV showed a significant association of concurrent infection with C. parvum (p < 0.01) and BRV (p < 0.05). These results will be fundamental to understanding the host–agent ecology and dynamics of the pathogens in diarrhea in KIC and to developing effective prevention strategies including vaccine development. The third study was conducted to investigate the prevalence of 7 pathogens causing calf diarrhea (BRV, BCV, BVDV type 1 and 2, C. parvum, Giardia spp., and Eimeria spp.) and figure out other viral pathogens associated with calf diarrhea using metagenomic approach in Korea. In total, 810 feces from KIC were collected, composed of 526 normal feces (comprising 267 feces with a fecal score of 0 and 259 feces with a fecal score of 1) and 284 diarrheic feces (comprising 178 feces with a fecal score of 2 and 106 feces with a fecal score of 3). All 7 pathogens were detected by PCR in feces and their detection rates and mean fecal scores for each were as follows: BRV (14.0%, 1.41), BCV (3.2%, 1.42), BVDV1 (2.1%, 1.35), BVDV2 (4.9%, 1.33), C. parvum (9.8%, 1.66), and Eimeria spp. (1.9%, 1.73), and Giardia spp. (0.9%, 0.71). Among 7 pathogens, BRV (p < 0.01), C. parvum (p < 0.001), and Eimeria spp. (p <0.05) increased as fecal scores increased. Among feces, 21 feces that were negative for all pathogens tested in this study were subjected to high-throughput sequencing to identify viral pathogens associated with calf diarrhea. As a result, the nearly full genomic sequences of bovine kobuvirus, bovine boosepivirus B, bovine astrovirus, bovine parechovirus, bovine torovirus, C. parvum virus 1, bovine enterovirus, bovine nebovirus, bovine norovirus and hunnivirus were obtained. This study was the first investigation to identify the presence of BooV, CSpV1, and hunnivirus in KIC and to provide a comprehensive description of the nearly complete genomes of ten novel viruses associated with calf diarrhea in the ROK. The findings of this study would contribute to a better understanding of the epidemiology and molecular characteristics of calf diarrhea-associated pathogens in the ROK. In this research, clinicopathological changes and the infective pathogens in KIC related with diarrhea were examined. The study integrated insights from both clinical and preventive veterinary medicine related to calf diarrhea, with an expectation to enrich our understanding of the disease and inform the creation of more effective prevention and treatment strategies. Further research will focus on a broader spectrum of viruses and pathogens, the interplay of co-infections, and innovative prevention methods, ultimately contributing to the improved health and productivity of KIC.