Dynamics of staphylococcal intramammary infections and their impact on udder health and quarter-milk yield in dairy cows

Sur les fermes laitières canadiennes, les espèces de staphylocoques sont responsables de la majorité des infections intramammaires (IIM) chez les vaches en lactation ou taries. La prévalence spécifique des espèces de staphylocoques n'est pas la même chez les vaches primipares que chez les multipares. L’objectif général de la thèse était de mieux décrire l’épidémiologie spécifiques à l’espèce des IIM aux staphylocoques et leur impact sur le compte de cellules somatiques (CCS) et la production laitière de quartiers infectés de la glande mammaire pendant les périodes de tarissement et de la lactation chez les vaches primipares et multipares. Le MALDI-TOF (spectrométrie de masse par temps de vol suite à la désorption/ionisation laser assisté par matrice) est un outil fiable pour l'identification précise, au niveau de l'espèce, de nombreux micro-organismes isolés du lait bovin. Ces microorganismes ne sont pas tous des agents pathogènes potentiels. Le premier objectif de cette thèse était de décrire les microorganismes, y compris les espèces de staphylocoques, qui ont été identifiés à partir d'échantillons de lait à l'aide du MALDI-TOF et leur association avec l’augmentation du compte de cellules somatiques (CCS), ainsi que les lacunes de connaissances concernant leur pertinence pour la santé de la mamelle. Un modèle d'étude mixte (méta-analyse et revue de recensement) a été choisi. Pour la méta-analyse, deux ensembles de données multi-pays de résultats d'échantillons de lait de quartiers (apparemment en santé, n=50 429 vs. cas de mammite clinique (MC), n=43 924) ont été organisés. Chaque espèce répertoriée dans nos ensembles de données a fait l'objet d'une recherche sur PubMed afin de déterminer si une augmentation du CCS ou des signes de MC étaient associés à l’identification de microorganismes dans le lait. Deux cent quatre-vingt-quatorze espèces différentes de micro-organismes ont été identifiées. Il n'existe aucun rapport scientifique concernant l'association avec la MC ou le CCS pour 70 % de ces espèces. Dans notre ensemble de données de MC, certaines d'entre elles ont été fréquemment isolées dans le lait des quartiers atteints de MC. Certaines des espèces de staphylocoques non-aureus (NAS) non-signalées auparavant comme agents pathogènes de la mammite (Staphylococcus agnetis, S. arlettae, S. auricularis, S. capitis, S. devriesei, S. equorum, S. gallinarum, S. haemolyticus, S. hominis, S. microti et S. succinus) ont été associées à un CCS élevé ou à des cas de MC. Pour répondre aux trois objectifs suivants de la thèse, une étude observationnelle longitudinale avec collecte de données sur cinq fermes laitières commerciales équipées d'un système de traite automatisé (QC, Canada) a été réalisée. Les fermes ont été visitées une fois aux 2 semaines pour collecter de manière aseptique des échantillons de lait de quartier de chaque vache. Environ 450 vaches ont été recrutées au tarissement (entre 28 et 14 jours avant le tarissement) ou au début de la lactation (3 à 14 jours en lait) et suivies pendant les périodes respectives (tarissement et lactation), en fonction de l'objectif. Les espèces de staphylocoques ont été identifiées dans les échantillons de lait par culture bactériologique suivie de MALDI-TOF. Le deuxième objectif était de décrire la prévalence spécifique à l'espèce des IIM aux staphylocoques lors du premier vêlage et des vêlages suivants, ainsi que leur incidence et leur persistance au cours de la période de tarissement. La prévalence des IIM aux staphylocoques varie en fonction de la parité et du stade du cycle de production (lactation ou tarissement). Les vaches primipares avaient une prévalence légèrement plus élevée d'IIM aux staphylocoques au vêlage que les vaches multipares. Staphylococcus chromogenes était l'espèce la plus fréquemment isolée au début de la première lactation. Chez les vaches plus âgées, S. aureus, S. xylosus, S. chromogenes, S. simulans, S. epidermidis et S. haemolyticus ont pu persister tout au long de la période de tarissement. Le troisième objectif de la recherche était de décrire la prévalence, l'incidence et les taux d'élimination des infections aux staphylocoques spécifiques à chaque espèce pendant la lactation. Les IIM aux staphylocoques les plus fréquentes pendant la lactation chez les vaches primipares étaient causées par S. chromogenes, tandis que les IIM de S. aureus, S. epidermidis et S. haemolyticus étaient plus fréquentes chez les vaches multipares. En général, au cours de la lactation, S. aureus, S. chromogenes, S. simulans et S. epidermidis ont surtout causé des IIM persistantes, et les IIM de S. auricularis, S. equorum, S. haemolyticus, S. hominis et S. xylosus ont surtout été transitoires. Le quatrième objectif de cette thèse était d'étudier les changements au niveau des quartiers du score de cellules somatiques du lait (SCS) et de la production de lait à la suite d'IIM causées par les espèces de staphylocoques les plus fréquentes. Chez les vaches primipares, seules les IIM post-vêlage causées par S. aureus et S. chromogenes ont été associées à une inflammation mesurable dans les quartiers infectés au cours de la lactation qui a suivi. Aucun changement mesurable de la production laitière au niveau des quartiers en relation avec les IIM aux staphylocoques post-vêlage ou en lactation n'a été observé chez les vaches primipares. Chez les vaches multipares, seules les IIM causées par S. aureus et S. epidermidis en début de lactation ont été associées à un SCS plus élevé au niveau du quartier et à une perte de production laitière au niveau du quartier au cours de la lactation qui a suivi. Malgré l'inflammation mesurable associée à de nombreuses IIM aux NAS, il n'y avait généralement pas de corrélation négative avec la production laitière. Par conséquent, la lutte contre ces infections dans les exploitations laitières n'est probablement pas une priorité, mais elle peut avoir un impact positif sur la qualité du lait de réservoir (c'est-à-dire, le contrôle du niveau de CCS).

On Canadian dairy farms, staphylococcal species are responsible for the majority of intramammary infections (IMI) in lactating and non-lactating dairy cows. The staphylococci species-specific prevalence is not the same in primiparous cows as compared to multiparous. The overall thesis objective was to better describe staphylococci IMI species-specific epidemiology and their impact on somatic cell count (SCC) and milk production in infected mammary gland quarters during the non-lactating and lactating periods in primiparous and multiparous cows. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF) is a reliable tool for accurate species-level identification of many microorganisms isolated from bovine milk. Not all of these microorganisms are potential pathogens. The first objective of this thesis was to describe the microorganisms, including staphylococci species, that have been identified from milk samples using MALDI-TOF and their association with increased SCC, along with the knowledge gaps regarding their udder health relevance. A mixed study design (meta-analysis and mapping review) was chosen. For the meta-analysis, two multi-countries datasets of quarter milk samples’ results (apparently healthy, n=50,429 vs. clinical mastitis (CM) cases, n=43,924) were organized. Each species listed in our data sets was searched through PubMed to investigate whether increased SCC or signs of CM were associated with microorganism recovery from milk. Two hundred ninety-four different species of microorganisms were identified. There were no scientific reports regarding the association with CM or SCC for 70% of these species: in our CM data set, some of them were frequently isolated from the milk of quarters with CM. Some of the non-aureus staphylococci (NAS) species that were not reported before as udder health pathogens (Staphylococcus agnetis, S. arlettae, S. auricularis, S. capitis, S. devriesei, S. equorum, S. gallinarum, S. haemolyticus, S. hominis, S. microti, and S. succinus) were associated with high SCC or CM cases. To address the next three thesis objectives, a longitudinal observational study design with data collection on five commercial dairy farms equipped with automated milking systems (QC, Canada) was performed. Farms were visited once every two weeks to aseptically collect quarter-milk samples from each cow. Approximately 450 cows were recruited at dry-off (between 28 and 14 d prior to dry-off) or at early lactation (3 to 14 days in milk) and followed for the respective periods (dry period and lactation), depending on the objective. Staphylococcal species were identified in milk samples using bacteriological culture followed by MALDI-TOF. The second objective was to describe species-specific staphylococci IMI prevalence at first and subsequent calving and their incidence and persistence during the dry period. Staphylococcal IMIs prevalence varied as a function of parity and stage of the production cycle (lactating vs. dry periods). Primiparous cows had a slightly higher prevalence of staphylococcal IMIs at calving than multiparous cows. Staphylococcus chromogenes was the most prevalent species isolated in early first lactation. In older cows, S. aureus, S. xylosus, S. chromogenes, S. simulans, S. epidermidis, and S. haemolyticus were able to persist throughout the dry period. The third research objective was to describe species-specific staphylococci IMI prevalence, incidence and elimination rates during lactation. The most prevalent lactational staphylococcal IMIs in primiparous cows were caused by S. chromogenes, while S. aureus, S. epidermidis and S. haemolyticus IMIs were more frequent in multiparous cows. In general, during lactation, S. aureus, S. chromogenes, S. simulans, and S. epidermidis mostly caused persistent IMIs, and S. auricularis, S. equorum, S. haemolyticus, S. hominis, and S. xylosus IMIs were mostly transient. The fourth objective addressed in this thesis was to investigate quarter-level changes in milk somatic cell score (SCS) and production following IMIs caused by the most common staphylococci species. In primiparous cows, only post-calving IMIs caused by S. aureus and S. chromogenes were associated with measurable inflammation in infected quarters during the ensuing lactation. No measurable quarter-level milk production changes in association with post-calving or lactational staphylococcal IMIs were observed in primiparous cows. In multiparous cows, only early lactation S. aureus and S. epidermidis IMIs were associated with both higher quarter milk SCS and lower quarter milk yield during the ensuing lactation. Despite the measurable inflammation associated with many NAS IMIs, there was generally no negative correlation with milk production. Therefore, controlling these infections on dairy farms is not likely to be a priority, but it may have a positive impact on bulk milk quality (i.e., control of SCC level).