パルスNMRで乳牛の乳房炎を早期診断 -難治性の黄色ブドウ球菌乳房炎をいち早く察知-

ad
ad

2019-10-24 理化学研究所,農業・食品産業技術総合研究機構

理化学研究所(理研)光量子工学研究センター先端光学素子開発チームの田島右副専任研究員、農業・食品産業技術総合研究機構(農研機構)動物衛生研究部門の菊佳男上級研究員、長澤裕哉研究員らの共同研究チーム※は、乳汁を小型のパルス核磁気共鳴装置(NMR)[1]で観測をすることで、黄色ブドウ球菌(SA)[2]感染による乳牛の乳房炎を簡便かつ迅速に診断できることを発見しました。

本研究成果は、酪農分野において深刻な被害をもたらす乳牛の難治性乳房炎の非侵襲的な早期診断を可能にし、乳房炎被害の削減に貢献すると期待できます。

今回、共同研究チームは、パルスNMRを用いた乳汁のスピン-スピン緩和時間[3]の測定により求めた乳汁に含まれる微粒子の比表面積[4]と、乳房炎の炎症症状の指標である乳汁中の体細胞数の関係を調べました。その結果、SAに感染した乳房の乳汁の比表面積は、健常乳房の乳汁よりも低い値を示すことが分かりました。これは、乳房内でSAが増殖する際に、乳酸発酵[5]によって乳タンパク質(主にカゼイン)の微粒子が凝集し、見かけの比表面積が減少したからだと考えられます。これにより、SA増殖の初期段階を察知することができ、乳房炎の早期治療が可能になります。

本研究は、10月26日に仙台市で開催される『第24回日本乳房炎研究会学術集会』で発表されます。なお理研および農研機構は、「家畜の乳房炎の検査方法及び検査システム」として特許を共同出願しています。

黄色ブドウ球菌に感染した乳房と健常乳房における乳汁の体細胞数と比表面積値の観測例の図

図 黄色ブドウ球菌に感染した乳房と健常乳房における乳汁の体細胞数と比表面積値の観測例

背景

乳牛の乳房炎は乳汁生産に関わる重要な疾患で、さまざまな病原微生物が乳房に感染することで発症します。日本では乳牛の乳房炎は、年間800億円に上る経済損失注1)、生産者には乳質や乳量の低下、消費者には飲用乳汁の安全性低下の脅威をもたらします。

酪農の大規模経営化に伴い、日本においても搾乳作業などのロボット化が加速しています。今後は、個体単位の乳牛の管理から群単位の管理への移行がさらに進むことが予想され、多頭数の乳牛の健康状態を把握する必要が高まっています。そのため人に代わって、個体や乳房単位で乳牛の乳房炎の早期診断を可能にする新たな自動早期診断技術の開発が求められています。

そこで、共同研究チームは、パルス核磁気共鳴(NMR)を用いた非侵襲的な自動乳房炎診断技術の開発を試みました。

  • 注1)生産病の今日的課題、日本獣医師会会誌61、論説、165.

研究手法と成果

共同研究チームはまず、農研機構動物衛生研究部門(北海道研究拠点)に供試された乳用牛(No.348)から採取した乳汁の体細胞数(SCC)を測定しました。SCCは乳房炎の炎症程度の指標であり、30万/mLを超える場合に乳房炎と判断されます。測定の結果、右前および左後の乳房の乳汁中SCCは、それぞれ60万/mL、224万/mLを示し、乳房炎を発症していましたが、いずれの乳汁からも黄色ブドウ球菌(SA)という難治性のグラム陽性菌[2]は検出されませんでした。一方で、右後と左前の乳房はいずれも5万/mL以下で、健常乳房であることが分かりました。

次に、パルスNMRを用いて、各乳房から搾乳した乳汁のスピン-スピン緩和時間(T2緩和時間)を26日間にわたって計測し、それらの値からそれぞれの比表面積(S-Area)を計算によって求めました。比表面積は乳汁に含まれる微粒子の単位質量あたりの表面積を表し、同じ質量なら粒子が細かいほど大きな値を示します。測定・計算の結果、乳房炎を発症した乳房から採取した乳汁では、全期間にわたってSCCが多いときは比表面積値も高い値を示しました(図1)。これは乳房炎発症乳房から得た乳汁には、健常乳にはない異質な微粒子状成分が混入したためと考えられます。

無菌性乳房炎を発症した乳牛から採取した乳汁の比表面積値と体細胞数の経日変化の図

図1 無菌性乳房炎を発症した乳牛から採取した乳汁の比表面積値と体細胞数の経日変化

乳房炎は発症しているが黄色ブドウ球菌(SA)には感染していない乳汁における、比表面積値(S-Area)と体細胞数(SCC)の26日間の経日変化を示す。S-Areaは○、SCCは棒グラフで示す。乳房炎を発症した、青で示した右前乳房(RF)と赤で示した左後乳房(LB)については、1~3日目、26日目のように、SCCが多いときはS-Areaも高い値を示すことが分かる。なおRBは右後乳房、LFは左前乳房を指す。

一方、実験的に黄色ブドウ球菌(SA)を別の乳牛(No.341)の左後乳房にのみ注入して、他の健常乳房から採取した乳汁とともに、SCCおよび比表面積を測定しました。その結果、注入後3日目に左後乳房の乳汁はSCCが253万/mLに達し、SA感染乳房炎を発症していましたが、比表面積値は健常乳房から採取した乳汁よりも低い値を示しました(図2)。これは、SA非感染乳房炎を発症したNo.348とは逆の結果です。

SA感染乳房炎を発症した乳牛から採取した乳汁の比表面積値と体細胞数の経日変化の図

図2 SA感染乳房炎を発症した乳牛から採取した乳汁の比表面積値と体細胞数の経日変化

タイトルとURLをコピーしました