Diagnosis of blackleg from cattle tissue impregnated in common filter paper / Diagnóstico de carbúnculo sintomático a partir de papel filtro comum impregnado com tecido bovino

ABSTRACT: Blackleg, an acute myonecrosis caused by Clostridium chauvoei, is usually underdiagnosed since the rapid transport of adequate samples for laboratory testing is difficult. This study tested a direct polymerase chain reaction (PCR) technique using common filter paper impregnated with cattle tissue samples obtained from animals suspected with blackleg. Twenty-five samples, belonging to eleven animals from Rio Grande do Sul State, Brazil, were analyzed. The direct PCR technique identified eight positive animals corroborating with results from microbiological culture. Skeletal muscle was the most common tissue type used in this study and when the animal was positive the pathogen was always detected in this tissue. Storage time of the impregnated filter paper at room temperature did not prove to be a limiting factor for the quality of the results indicating that this procedure can be carried out in the field and samples be sent in regular mail. Our results suggested that direct PCR of common filter paper impregnated with cattle tissue is a practical and economical alternative for the diagnosis of blackleg.

RESUMO: Carbúnculo sintomático, uma mionecrose aguda causada por Clostridium chauvoei, costuma ser subdiagnosticada, pois o transporte rápido de amostras adequadas para exames laboratoriais é complicado. O objetivo deste estudo foi testar a técnica de reação em cadeia da polimerase (PCR) direta, utilizando papel filtro comum impregnado com amostras de tecido bovino obtidas de animais suspeitos de carbúnculo sintomático. Foram analisadas 25 amostras, pertencentes a onze animais do estado do Rio Grande do Sul, Brasil. A técnica de PCR direta identificou oito animais positivos, corroborando com os resultados da cultura microbiológica. O músculo esquelético foi o tecido mais utilizado neste estudo e quando o animal foi positivo, o patógeno sempre foi detectado neste tecido. O tempo de armazenamento do papel filtro impregnado, à temperatura ambiente, não se mostrou um fator limitante para a qualidade dos resultados, indicando que esse procedimento pode ser realizado no local e as amostras enviadas por correio normal. Nossos resultados sugerem que a PCR direta usando papel filtro comum impregnado com tecido bovino é uma alternativa prática e econômica para o diagnóstico de carbúnculo sintomático.

Molecular characterization of virulence genes cctA, nanA, and fliC in Clostridium chauvoei from Rio Grande do Sul and São Paulo State, Brazil / Caracterização molecular dos genes de virulência cctA, nanA e fliC em Clostridium chauvoei isolados no Rio Grande do Sul e São Paulo, Brasil

ABSTRACT: Clostridium chauvoei toxin A (CctA), neuraminidase (NanA), and flagellin (FliC) proteins contribute to the pathogenicity of Clostridium chauvoei, the causative agent of blackleg in cattle. The aim of this study was to analyze the genetic variability of cctA, nanA, and fliC genes in C. chauvoei isolates from the Rio Grande do Sul and São Paulo state- Brazil, during different sampling periods. The presence of these genes was verified through PCR amplification and partial gene sequencing of 17 strains. Alignment of PCR amplicons combined with bioinformatics analysis was used in an attempt to study the variability across C. chauvoei solates. The similarity among the partial sequences of cctA and nanA genes was 100%. The sequencing of fliC revealed three different paralog alleles of flagellin, and two strains were seen to be polymorphic, with amino acid alterations in the predicted protein. Overall, this study indicates that strains of C. chauvoei isolated in Brazil are highly conserved with respect to the virulence factors evaluated.

RESUMO: Toxina A de Clostridium chauvoei (CctA), neuraminidase (NanA) e flagelina (FliC) são proteínas que contribuem para a patogenicidade de Clostridium chauvoei, o agente causador do carbúnculo sintomático em bovinos. O objetivo deste estudo foi analisar a variabilidade genética dos genes cctA, nanA, e fliC em C. chauvoei isolados em diferentes períodos no Rio Grande do Sul e São Paulo. A presença destes genes foi verificada pela amplificação dos produtos da PCR e sequenciamento parcial dos genes de 17 cepas. Os alinhamentos da amplificação dos produtos da PCR combinados com a análise de bioinformática foram utilizados na tentativa de avaliar a variabilidade dos genes entre os isolados de C. chauvoei. A similaridade do sequenciamento parcial dos genes cctA e nanA foi 100%. O sequenciamento do fliC revelou três alelos paralogos diferentes de flagelina e duas cepas mostraram polimorfismos, causando alterações na sequência de aminoácidos. As cepas de C. chauvoei isoladas no Brasil mostraram-se altamente conservadas em relação aos fatores de virulência avaliados neste estudo.

Blackleg in a free-range brown brocket deer (Mazama gouazoubira) / Carbúnculo sintomático em veado virá de vida livre (Mazama gouazoubira)

A case of blackleg in a brown brocket deer (Mazama gouazoubira) associated with trauma from being hit by a car in southern Rio Grande do Sul is reported. The clinical signs included fever, dehydration and lethargy that worsened progressively until 36 hours after the accident, when the animal died. In the fore right limb, there was a comminuted closed fracture of the radius and ulna but no skin wounds were observed. Grossly, the musculature of the pelvic limbs presented hemorrhage, edema and emphysema. Microscopically, the muscles of both rear legs had necrosis, edema, hemorrhage and mild inflammatory infiltration of neutrophils. Clostridium chauvoei was cultured from affected skeletal muscles, and it was also detected by immunohistochemistry, confirming a diagnosis of blackleg. The overlapping habitat of cattle and brown brocket deer is proposed as a predisposing factor in this case and alerts to spillover cases maybe happening in this region. In addition, blackleg should be included as differential diagnoses of deer with post-traumatic myositis.(AU)

Descreve-se um caso de carbúnculo sintomático em um veado-virá (Mazama gouazoubira), macho, jovem, resgatado após atropelamento em uma rodovia na região sul do Rio Grande do Sul. O cervídeo apresentou febre, desidratação e letargia, progredindo para a morte em 36 horas. No membro torácico direito foi observado fratura cominutiva fechada de rádio e ulna sem a presença de feridas perfurantes. Na necropsia foi observada hemorragia, edema e enfisema na musculatura dos membros pélvicos. Microscopicamente, os músculos dos membros pélvicos apresentaram necrose, edema, hemorragia e discreto infiltrado inflamatório neutrofílico. Houve o isolamento de Clostridium chauvoei e marcação positiva na técnica de IHQ com anticorpo monoclonal anti-C. chauvoei, confirmando o diagnóstico de carbúnculo sintomático. A sobreposição de habitat entre bovinos domésticos e cervídeos pode ser um fator de risco para esta doença e chama a atenção para casos de "spillover" que podem estar ocorrendo na região. Adicionalmente, sugere-se que o carbúnculo sintomático seja incluído nos diagnósticos diferenciais de cervídeos que apresentam miosite pós-traumática.(AU)

Blackleg in cattle in the state Mato Grosso do Sul, Brazil: 59 cases / Carbúnculo sintomático em bovinos em Mato Grosso do Sul: 59 casos

This study aimed to review cases of blackleg (Clostridium chauvoei infection) diagnosed in cattle from Midwestern Brazil from 1994 to 2014 considering epidemiological, clinical, necropsy and histopathological findings. Also the following laboratory tests were used for the diagnosis of some cases of blackleg: microbiological culture and identification of the agent, microbiological culture and identification of the agent by the polymerase chain reaction (PCR), and identification of the agent in formalin fixed paraffin embedded tissues (FFPE). Criteria for presumptive diagnosis of blackleg included necrohemorrhagic emphysematous myositis consisting of inflammatory infiltrate, coagulative necrosis of myofiber, interstitial edema, hemorrhage, and gas bubbles between myofibers. Fifty nine cases from 51 outbreaks of blackleg were found, which corresponded to 1.1% of 5,375 cattle deaths investigated. In five of those outbreaks, samples of affected muscles cultures for the identification of pathogenic clostridia were made. Another three samples of similar material were cultured for clostridia with subsequent identification of the isolate by PCR. Twelve samples of FFPE affected muscle fragments were submitted to PCR for identification of the etiological agent. Except for January, cases were observed in each month of the year, with higher numbers in July-October. Most affected cattle were in the age of 7-12 years, but calves younger than 6 month-old and older than 24 months were also observed. Vaccination histories were scarce. In 32 outbreaks some vaccination history was available, but only in two of those vaccination has been carried out properly. In 56 six cases the skeletal muscles were involved. Muscles of the hind limbs were the most affected. In ten cases muscles of the tongue, myocardium and diaphragm were also affected. In three of the cases the visceral form was observed. Deaths occurred after a clinical course of 6-24 hours, but in most cases cattle were found death. Sudden death was the outcome in visceral cases (cardiac) blackleg. Clostridium chauvoei was confirmed to be the cause by culturing in 5 cases, and by PCR and histopatology in 8 cases. Bacterial culture followed by PCR did not demonstrate C. chauvoei. Calculation of the economic impact indicates that blackleg is a frequent disease in the state of Mato Grosso do Sul (MS) that inflicts significant economic loss. The amount of these losses would be reduced through proper vaccination programs against the prevalent strains of C. chauvoei in the region.(AU)

Este estudo foi realizado com o objetivo de descrever casos de carbúnculo sintomático (infecção por Clostridium chauvoei) diagnosticados em bovinos do Centro-Oeste brasileiro de 1994-2014, avaliando a epidemiologia, os sinais clínicos, os achados de necropsia e a histopatologia; objetivou-se também avaliar os seguintes testes laboratoriais para o diagnóstico de carbúnculo sintomático: cultura microbiológica e identificação do agente, cultura microbiológica e identificação do agente por reação em cadeia de polimerase (PCR) e identificação do agente em material fixado em formol e incluído em parafina (FFIP). Os critérios para o diagnóstico presuntivo de carbúnculo sintomático incluíram miosite necro-hemorrágica enfisematosa, caracterizada por infiltrado inflamatório, necrose de coagulação de miofribras, edema intersticial, hemorragia e bolhas de gás em meio às miofribras. Cinquenta e nove casos oriundos de 51 surtos foram encontrados, o que corresponde a 1,1% das 5.375 mortes de bovinos investigadas. Em cinco desses casos, amostras do músculo afetado foram cultivadas para clostrídios patogênicos. Amostras semelhantes de outros três animais foram cultivadas para clostrídios e os isolamentos identificados subsequentes por PCR. Doze fragmentos de músculo afetado FFIP foram submetidos a PCR para identificação do agente etiológico. Com exceção de janeiro, os casos de carbúnculo sintomático foram observados em todos os meses do ano com uma maior incidência em junho-outubro. A faixa etária da maioria dos bovinos afetados era de 7-12 anos de idade, mas bovinos mais jovens que 6 meses e mais velhos que 24 meses foram também afetados. Os históricos de vacinação eram escassos nesses surtos. Em 32 surtos havia alguma informação sobre a vacinação, mas em apenas dois casos a vacinação tinha sido realizada adequadamente. Cinquenta e seis casos de carbúnculo sintomático deste estudo eram casos clássicos afetando os músculos esqueléticos. Os músculos mais afetados foram os dos membros pélvicos. Em dez casos os músculos da língua, miocárdio e diafragma estavam também afetados. Apenas três dos casos apresentaram a forma visceral (cardíaca). O curso clínico foi de 6-24 horas, mas na maioria dos casos os bovinos foram encontrados mortos. Em casos da forma visceral ocorria morte súbita. Clostridium chauvoei foi confirmado como o agente causal por cultura em cinco casos e por PCR em amostra FFIP em 8 casos. Cultura bacteriana seguida de PCR do isolado não demonstrou C. chauvoei. Carbúnculo sintomático é uma doença frequente em bovinos no Mato Grosso do Sul podendo provocar importantes prejuízos para os produtores rurais. Esses prejuízos podem ser reduzidos através de um programa de vacinação adequado usando-se vacinas eficazes contra cepas de C. chauvoei prevalentes na região.(AU)

Blackleg in cattle: current understanding and future research needs / Carbúnculo sintomático: compreensão atual e futuras necessidades de pesquisa

ABSTRACT: Blackleg is an endogenous acute infection that principally affects cattle, whose etiologic agent is the anaerobic bacterium Clostridium chauvoei. In recent years, the major virulence factors of C. chauvoei have been discovered and described. However, the pathogenesis of blackleg in cattle, and in particular, the movement of the pathogen from the point of entry to the affected tissues is not yet fully elucidated. Disease control is based on appropriate management and vaccination. This review summarizes the latest research findings that contribute toward the understanding of the disease in cattle, provide a foundation to preventive strategies, and identify future research needs.

RESUMO: O carbúnculo sintomático é uma infecção endógena, aguda, que acomete principalmente bovinos, cujo agente etiológico é a bactéria anaeróbica Clostridium chauvoei. Recentemente, os principais fatores de virulência do C. chauvoei foram descobertos e descritos. Contudo, a patogênese do carbúnculo sintomático em bovinos, especialmente a circulação do patógeno desde o ponto de entrada até os tecidos acometidos ainda não está completamente elucidada. O controle desta enfermidade é baseado em medidas adequadas de manejo e vacinação. Esta revisão reúne as mais recentes descobertas que contribuíram para o entendimento da doença em bovinos, fornece embasamento para medidas preventivas e aponta futuras necessidades de pesquisa.

Histopathological, immunohistochemical and biomolecular diagnosis of myocarditis due to Clostridium chauvoei in a bovine / Diagnóstico anatomopatológico, imuno-histoquímico e biomolecular de um caso de miocardite por Clostridium chauvoei em um bovino

The aim of this study was to report a case of clostridial myocarditis in a bovine in Brazil with emphasis on the pathological findings, isolation and molecular identification associated with the in situ localization of C. chauvoei. The animal, a male Brangus bull with nine months of age, was found dead without prior clinical signs. Multifocal and coalescent areas of necrosis were observed in the myocardium. Rod cells in the cardiac muscle fibers were positive immunostaining for C. chauvoei, while this bacterium was also isolated and identified by polymerase chain reaction (PCR).

O objetivo deste estudo foi relatar um caso de miocardite clostridial em um bovino no Brasil, com ênfase nos achados patológicos, isolamento e identificação molecular do agente e visualização in situ de C. chauvoei. O animal, um macho da raça Brangus com nove meses de idade, foi encontrado morto sem sinais clínicos prévios. Foram observadas áreas de necrose multifocal e coalescente no miocárdio, com a presença de bastonetes imunomarcados para C. chauvoei nas fibras musculares cardíacas. Uma estirpe de C. chauvoei foi isolada do tecido e sua identidade foi confirmada por reação em cadeia da polimeras (PCR).

Diseño de un medio de cultivo a base de peptonas vegetales para el cultivo de Clostridium chauvoei / Design of a medium based on vegetable peptones for the culture of Clostridium chauvoei

Objetivo: se diseñó un medio de cultivo a base de peptonas vegetales para la producción de biomasa de Clostridium chauvoei. Métodos: se seleccionaron nueve peptonas vegetales y dos caldos con peptona vegetal para sustituir la peptona de origen animal en el medio Clostridium modificado. Se desarrolló una fermentación relacionada con la producción de masa celular, verificando la absorbancia y el porcentaje de transmitancia (%T), la segunda etapa involucró los ensayos de patogenicidad, determinando el titulo de DL50. Resultados: las peptonas vegetales 1-B, 8-M, 10-M, 11-M fueron seleccionadas por presentar un % T cercano al del medio Clostridium modificado. Luego se realizó una prueba de letalidad (DL50) en cobayos. Los cultivos con estas peptonas vegetales presentaron DL50 entre diluciones 10-8 y 10-9, en contraste con los cultivos realizados con el medio control que fue de 106.5 Conclusiones: las peptonas vegetales 1-B, 8-M, 10-M y 11-M favorecieron la producción de biomasa de Clostridium chauvoei a pH 8,2. Las peptonas vegetales probadas mostraron una letalidad mayor comparada con la del medio base.

Objective: a culture medium based on vegetable peptones was designed for the production of Clostridium chauvoei biomass.Methods: nine vegetable peptones and two vegetable peptone broths were selected to substitute animal peptone in the modified Clostridium medium. A fermentation process was developed which was related to the production of cell mass, and absorbance and transmittance percentage (%T) were verified. The second stage included pathogenicity assays to determine LD50 titers. Results: vegetable peptones 1-B, 8-M, 10-M, 11-M were selected, for their % T was close to that of the modified Clostridium medium. A lethality test (LD50) was then performed on guinea pigs. Cultures with these vegetable peptones presented LD50 between 10-8 and 10-9 dilutions, in contrast to the 106.5 obtained in cultures with the control medium. Conclusions: vegetable peptones 1-B, 8-M, 10-M and 11-M stimulated the production of Clostridium chauvoei biomass at pH 8.2. The vegetable peptones tested showed greater lethality than the base medium.

Vaccination protocol and bacterial strain affect the serological response of beef calves against blackleg / Esquemas de vacinação e cepa bacteriana influenciam na resposta sorológica contra o carbúnculo sintomático em bezerros de corte

The serological response of beef calves was evaluated with different vaccination regimens against blackleg, using an official strain (MT) and a field-collected strain of Clostridium chauvoei as antigens. Sixty calves were randomly allocated to four different groups and were submitted to distinct vaccination protocols with a commercial polyvalent vaccine. Group G1 was first vaccinated at four months of age and a booster shot was given after weaning, at eight months. Group G2 was given the first dose at eight months and a booster shot 30 days later. Group G3 was vaccinated only once at eight months and the control group was not vaccinated. These alternative vaccination regimens were proposed in an effort to adequately protect cattle under open-field farming conditions. Serological evaluations were made by Elisa at 4, 8, 9 and 10 months of age. Both groups receiving booster shots had a significantly increased serological response 30 days later. However, the serum IgG levels against C. chauvoei were significantly higher in the calves that were first vaccinated at four months. At 10 months, the two booster shot groups (G1 and G2) had similar serological responses, while the calves that were treated with a single dose of vaccine at weaning (G3) had a response that was similar to that of the control group. The serological response of the calves was significantly inferior at several of the evaluation times when the field strain of the bacteria was used as a challenge antigen instead of the official MT strain. The serological response of calves that are vaccinated twice was found to be satisfactory, independent of the first injection being made at four or eight months of age. It was also concluded that it would be useful to include local bacterial strains in commercial vaccine production.

Foi avaliada a resposta sorológica de bezerros de corte submetidos a diferentes esquemas de vacinação contra o carbúnculo sintomático, empregando-se como antígenos duas cepas distintas de Clostridium chauvoei: uma oficial (MT) e a outra uma cepa de campo. Os animais (n=60) foram randomizados em quatro grupos (G1, G2, G3 e Controle) e submetidos a três protocolos distintos de vacinação com um produto comercial polivalente. O G1 foi primovacinado aos 4 meses de idade e recebeu o reforço após desmama (8 meses de idade). O G2 recebeu a primeira dose aos 8 meses de idade e reforço 30 dias após. O G3 foi vacinado somente aos 8 meses de idade e o Controle não foi vacinado. As avaliações sorológicas pelo ensaio imunoenzimático (Elisa) foram realizadas aos 4, 8, 9 e 10 meses de idade dos bezerros. Nos dois esquemas em que os animais receberam o booster (G1 e G2), houve um aumento significativo (p<0,05) da resposta sorológica quando foram avaliados 30 dias após. No entanto, os valores séricos de IgG contra C. chauvoei foram significativamente maiores nos animais primovacinados aos 4 meses de idade. Aos 10 meses, os dois grupos que receberam o reforço vacinal (G1 e G2) não diferiram entre si na resposta sorológica e os bezerros que receberam uma única dose de vacina na desmama (G3) não diferiu do Controle. A resposta sorológica dos bezerros foi significativamente inferior (p<0,05) em diversos momentos da avaliação, quando a cepa de campo foi empregada como antígeno e quando comparada à da cepa MT. Pode-se deduzir que a resposta sorológica dos bezerros vacinados aos 4 e 8 meses de idade foi satisfatória e que existiram diferenças significativas nos valores séricos de anticorpos contra C. chauvoei quando na avaliação foi empregada cepa de campo.

PCR multiplex para identificação de isolados de Clostridium chauvoei e Clostridium septicum / Multiplex PCR for identification of Clostridium chauvoei and Clostridium septicum

Padronizou-se uma técnica de reação em cadeia da polimerase múltipla (PCR multiplex) para detecção de Clostridium chauvoei e Clostridium septicum em culturas puras. Foram utilizados pares de iniciadores para segmentos específicos dos genes que codificam a flagelina de C. chauvoei e a toxina alfa de C. septicum. Para avaliaçã o da PCR multiplex, foram testados 16 isolados clínicos de C. chauvoei e 15 isolados de C. septicum provenientes de ruminantes, quatro sementes vacinais de cada um desses agentes. Amostras de referência de ambos os microrganismos foram usadas como controle. Para avaliar a especificidade, DNAs genômicos dos seguintes microrganismos foram usados: C. sordellii, C. novyi tipo A, C. novyi tipo B, C. perfringens tipo A, C. haemolyticum, C. botulinum tipo D, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Enterobacter aerogenes, Escherichia coli e Salmonella typhimurium. Todos os isolados e sementes vacinais de C. chauvoei e C. septicum foram detectados pela técnica. Não foram observadas reações cruzadas com as outras espécies de clostrídios, outras espécies bacterianas ou entre C. Chauvoei e C. septicum. As menores concentrações de DNA de C. chauvoei e C. septicum detectadas foram 45pg/µl e 30pg/µl, respectivamente. A PCR multiplex pode ser utilizada para a identificação específica de C. chauvoei e C. septicum em culturas puras.

Multiplex PCR was optimized to detect Clostridium chauvoei and Clostridium septicum in pure cultures. In each reaction, a pair of primers for a specific segment of the flagellin gene of C. chauvoei and a pair of primers for a specific segment of alpha toxin gene of C. septicum were employed. Reference strains of both microorganisms were used as control. The multiplex PCR was evaluated by testing 16 clinical isolates of C. chauvoei from ruminants, 15 clinical isolates of C. septicum from ruminants and, four vaccine strains of each one of these agents. Reference strains of both microorganisms were used as control. To evaluate the specificity, genomic DNA of the following microorganisms was used: C. sordellii, C. novyi type A, C. novyi type B, C. perfringens type A, C. haemolyticum, C. botulinum type D, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Enterobacter aerogenes, Escherichia coli, and Salmonella typhimurium. All the isolates and vaccine strains of C. chauvoei and C. septicum were positive by PCR assay and cross reactions were not observed with the other species of clostridia, the other bacterial species or amongst both investigated agents. The smallest concentrations of DNA detected from C. chauvoei and C. septicum were 45pg/µl and 30pg/µl, respectively. The multiplex PCR was useful for the specific identification of C. chauvoei and C. septicum in pure cultures.