Sydney R. Kinstler, Eric A. Wong, Charles Hofacre, Margie D. Lee, Frederic J. Hoerr, Matthew K. Jones, John J. Maurer
Avian Diseases 68 (4), 299-313, (27 December 2024) https://doi.org/10.1637/aviandiseases-D-24-00018
KEYWORDS: necrotic enteritis, Notch signaling, stem cells, Wnt signaling
Necrotic enteritis (NE) is a significant intestinal disease that negatively impacts producer economics and animal welfare. Chickens are predisposed to this disease by infection with the parasite Eimeria, resulting in coccidiosis and subsequent Clostridium perfringens overgrowth. Pathology is caused by damage to enterocytes of the small intestine and blunting of the villus. The hypothesis of this study was that NE results in disruption of cell–cell communication crucial for intestinal stem cell proliferation, differentiation, and restoration of absorptive function. Developmental Wnt and Notch signaling pathways fate stem cells towards formation of specialized secretory or absorptive cell types, shaping intestinal epithelium composition and morphology. The objective of this study was to use a subclinical NE challenge model to analyze effects of C. perfringens and Eimeria maxima on intestinal morphology and developmental signaling pathways. Chicks were placed, at hatch, in battery cages, and they were orally administered Eimeria maxima alone (EM) at 14 days of age, C. perfringens alone (CP) at 19 days of age, or E. maxima at 14 days of age, followed 5 days later with C. perfringens (EM/CP). Uninfected chickens served as the nonchallenged control (NC) group. Gene expression was measured using in situ hybridization and quantitative PCR in the small intestine of chickens at 14, 17, 19, 21, and 23 days of age. Intestinal tissues were histologically scored for lesions, inflammation and coccidia. Statistical analysis was performed using Tukey's Honestly Significant Difference test, Steel-Dwass All Pairs, Kruskal-Wallis, or Dunn's multiple-comparisons tests. EM and EM/CP infections considerably impacted jejunum morphology by increasing crypt depth and shortening villi (P < 0.05). Crypt depth elongation was observed exclusively in chickens inoculated with EM or EM/CP, but villus blunting was apparent in EM, CP, and EM/CP chickens compared to NC. Histological observations of the chicken's small intestine revealed an increase in the cumulative pathology scores in chickens with EM or EM/CP (P < 0.05). Expression of hairy and enhancer of split-1 (Hes1) messenger RNA (mRNA) that regulates stem cell differentiation and inflammation decreased in EM-, CP-, and EM/CP-infected chickens. Hes1 mRNA was localized to intestinal crypts and lymph within the villi using in situ hybridization, indicating that the decrease in expression could be related to intestinal stem cells or macrophages in the lymph that contribute to the immune response. Increased goblet cell density and relative expression of mucin 2 mRNA was observed in CP-infected chickens compared to co-infection with EM/CP. The contribution of each pathogen to altered villus height, crypt depth, stem cell proliferation and differentiation, and developmental signaling in the jejunum of broiler chickens was revealed by single infection. Further research into mechanisms that influence Notch and Wnt signaling in broilers could aid in restoring intestinal homeostasis after infection and lowering economic and animal welfare costs.
La enteritis necrótica subclínica afecta la vía señalización de Notch y Wnt en el desarrollo y la morfología intestinal en el intestino delgado de pollos de engorde.
La enteritis necrótica (EN) es una enfermedad intestinal importante que afecta negativamente la economía de los productores y el bienestar animal. Los pollos están predispuestos a esta enfermedad por la infección con el parásito Eimeria, que provoca coccidiosis y el posterior sobrecrecimiento de Clostridium perfringens. La patología es causada por daño a los enterocitos del intestino delgado y atrofia de las vellosidades. La hipótesis de este estudio fue que la enteritis necrótica produce una interrupción de la comunicación entre células, crucial para la proliferación de células madre intestinales, diferenciación y restauración de la función de absorción. Las vías de señalización de Wnt y Notch en el desarrollo influyen en las células madre hacia la formación de tipos de células secretoras o de absorción especializadas, lo que determina la composición y la morfología del epitelio intestinal. El objetivo de este estudio fue utilizar un modelo de desafío subclínico de enteritis necrótica para analizar los efectos de C. perfringens y Eimeria maxima en la morfología intestinal y las vías de señalización del desarrollo. Al momento de la eclosión, los pollos se colocaron en jaulas en batería, y se les administró por vía oral Eimeria maxima por sí sola (EM) a los 14 días de edad, C. perfringens por sí sola (CP) a los 19 días de edad, o E. maxima a los 14 días de edad, seguido 5 días después con C. perfringens (EM/CP). Los pollos no infectados sirvieron como grupo de control no desafiado (NC). La expresión génica se midió utilizando hibridación in situ y PCR cuantitativa en el intestino delgado de los pollos a los 14, 17, 19, 21 y 23 días de edad. Los tejidos intestinales se calificaron histológicamente para lesiones, inflamación y coccidios. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba de diferencia honestamente significativa de Tukey, Steel-Dwass para comparar las medias de todos los pares, Kruskal-Wallis o las pruebas de comparaciones múltiples de Dunn. Las infecciones con E. maxina y E. maxima/C. perfringens afectaron considerablemente la morfología del yeyuno al aumentar la profundidad de las criptas y acortar las vellosidades (P < 0.05). La elongación de la profundidad de las criptas se observó exclusivamente en pollos inoculados con E. maxima o E. maxima/C. perfringens, pero el acortamiento de las vellosidades fue evidente en los pollos E. maxima, C. perfringens y la combinación E. maxima/C. perfringens en comparación con el control no desafiado. Las observaciones histológicas del intestino delgado del pollo revelaron un aumento en las puntuaciones de patología acumuladas en pollos con E. maxima y E. maxima/C. perfringens (P < 0.05). La expresión del ARN mensajero (ARNm) del gene Hes1 que regula la diferenciación de células madre y la inflamación disminuyó en los pollos infectados con E. máxima, C. perfringens y E. maxima/C. perfringens. El ARNm de Hes1 se localizó en las criptas intestinales y vasos linfáticos dentro de las vellosidades mediante hibridación in situ, lo que indica que la disminución de la expresión podría estar relacionada con las células madre intestinales o los macrófagos en vasos linfáticos que contribuyen a la respuesta inmunitaria. Se observó un aumento de la densidad de células caliciformes y la expresión relativa del ARNm de Muc2 en los pollos infectados con C. perfringens en comparación con la coinfección con E. maxima/C. perfringens. La contribución de cada patógeno en la alteración de la altura de las vellosidades, la profundidad de las criptas, la proliferación y diferenciación de células madre y la vía de señalización del desarrollo en el yeyuno de los pollos de engorde se reveló mediante una sola infección. Una mayor investigación de los mecanismos que influyen en la señalización de Notch y Wnt en los pollos de engorde podría ayudar a restablecer la homeostasis intestinal después de la infección y reducir los costos económicos y de bienestar animal.