Assessment of the safety and efficacy of an oral probiotic-based vaccine against Aspergillus infection in captive-bred Humboldt penguins (Spheniscus humboldt).

Abstract

Aspergillosis is a fungal infection caused mainly by Aspergillus fumigatus that often results in respiratory disease in birds. Aspergillosis is a major cause of morbidity and mortality in captive-bred penguin species. Currently, there is no registered vaccine to prevent aspergillosis. Recent research demonstrated that oral administration of gram-negative bacteria expressing high levels of galactose-a-1,3-galactose (a-Gal) modulates anti-a- Gal immunity and protects turkeys from clinical aspergillosis caused by experimental A. fumigatus infection. The role of anti-a-Gal immunity in penguins has not been studied. Here, we tested the distribution of a-1,3-galactosyltransferase (a1,3GT) genes in the fecal microbiome of Humboldt penguins (Spheniscus humboldti). The occurrence of natural anti-a-Gal antibodies (Abs) in sera and eggs of healthy Humboldt penguins was also assessed. A trial was then conducted to test whether oral administration of Escherichia coli Nissle, expressing high a-Gal levels, modulates anti-a-Gal immunity in a colony of Humboldt penguins. Animals in the vaccination and placebo groups were evaluated before the trial and followed for one year for aspergillosis detection using a diagnostic panel including computed tomography scans, capillary zone electrophoresis, 3- hydroxybutyrate levels, and anti-A. fumigatus Abs. Anti-a-Gal Abs were detected in sera (IgM and IgY) and eggs (IgY) of healthy penguins. Microbiota analysis and functional predictions revealed the presence of a1,3GT genes in the microbiota of Humboldt penguins and other penguin species. A strong decrease in anti-a-Gal IgM levels was observed in all animals in the placebo group three months after vaccination protocol. This decrease was not observed in E. coli Nissle-treated penguins. After the vaccination protocol, we found a positive correlation between anti-E. coli IgY and anti-a-Gal IgY in the E. coli Nissle group, suggesting a correlation between the presence of the bacteria and these Abs. During the study period, three penguins exhibited respiratory signs consistent with aspergillosis. Two were from the placebo group whose symptoms resolved with specific treatments, while a single vaccinated individual developed fatal respiratory aspergillosis eight months after the trial. We conclude that E. coli Nissle represents a safe potential probiotic with a protective effect against aspergillosis in Humboldt penguins that deserves to be further explored for therapeutic uses in these animals.

La aspergilosis es una infección fúngica causada principalmente por Aspergillus fumigatus que suele provocar enfermedades respiratorias en las aves. La aspergilosis es una de las principales causas de morbilidad y mortalidad en las especies de pingüinos criados en cautividad. En la actualidad, no existe ninguna vacuna registrada para prevenir la aspergilosis. Investigaciones recientes han demostrado que la administración oral de bacterias gramnegativas que expresan altos niveles de galactosa-a-1,3-galactosa (a-Gal) modula la inmunidad anti-a-Gal y protege a los pavos de la aspergilosis clínica causada por una infección experimental de A. fumigatus. No se ha estudiado el papel de la inmunidad anti-a-Gal en los pingüinos. En este caso, hemos comprobado la distribución de los genes de la a-1,3-galactosiltransferasa (a1,3GT) en el microbioma fecal de los pingüinos de Humboldt (Spheniscus humboldti). También se evaluó la presencia de anticuerpos naturales anti-a-Gal (Abs) en sueros y huevos de pingüinos de Humboldt sanos. A continuación se realizó un ensayo para comprobar si la administración oral de Escherichia coli Nissle, que expresa altos niveles de a-Gal, modula la inmunidad anti-a-Gal en una colonia de pingüinos de Humboldt. Los animales de los grupos de vacunación y placebo fueron evaluados antes del ensayo y seguidos durante un año para la detección de aspergilosis mediante un panel de diagnóstico que incluía tomografías computarizadas, electroforesis de zona capilar, niveles de 3-hidroxibutirato y Abs anti-A. fumigatus. Se detectaron Abs anti-a-Gal en sueros (IgM e IgY) y huevos (IgY) de pingüinos sanos. El análisis de la microbiota y las predicciones funcionales revelaron la presencia de genes a1,3GT en la microbiota de los pingüinos de Humboldt y otras especies de pingüinos. Se observó una fuerte disminución de los niveles de IgM anti-a-Gal en todos los animales del grupo placebo tres meses después del protocolo de vacunación. Esta disminución no se observó en los pingüinos tratados con E. coli Nissle. Tras el protocolo de vacunación, encontramos una correlación positiva entre los niveles de IgY anti-E. coli y de IgY anti-a-Gal en el grupo de E. coli Nissle, lo que sugiere una correlación entre la presencia de la bacteria y estos Abs. Durante el periodo de estudio, tres pingüinos mostraron signos respiratorios compatibles con aspergilosis. Dos eran del grupo placebo, cuyos síntomas se resolvieron con tratamientos específicos, mientras que un solo individuo vacunado desarrolló una aspergilosis respiratoria mortal ocho meses después del ensayo. Concluimos que E. coli Nissle representa un probiótico potencialmente seguro con un efecto protector contra la aspergilosis en los pingüinos de Humboldt que merece ser explorado más a fondo para usos terapéuticos en estos animales.