XIII Curso de Experto Universitario en Epidemiología y Nuevas Tecnologías Aplicadas.

Por Jose Ignacio Vitón Asenjo

ESCHERICHIA COLI O157:H7 MODELO DE TRANSMISIÓN DEL PATÓGENO EN UNA GRANJA

 

RESULTADOS:

El modelo demostró que el sistema es invadido fácilmente por el microorganismo E. coli, mediante un proceso dinámico en el que la invasión de E. coli se distribuye por todo el sistema, creciendo de manera exponencial hacia un estado de equilibrio. Se parte del supuesto de que todos los estadios fuera de los huéspedes, mantienen las poblaciones de E. coli viables y por lo tanto contribuyeron directamente a las UFC observadas en las heces del ganado a través de la ingestión y la posterior expulsión.


Gráficos obtenidos con los parámetros iniciales del modelo propuesto.

 

El medio ambiente se ha revelado como un factor importante para la supervivencia de la E. coli O157:H7, gracias a su gran tamaño y baja frecuencia de rotación se torna en un medio necesario para mantener las poblaciones del microorganismo a lo largo y ancho del sistema y sirve como reservorio principal. En el equilibrio el medio ambiente sirvió como reservorio a aproximadamente el 95% del total de UFC del sistema, el ganado un 4,5% aproximadamente siendo un 03% y un 0,2% el pienso y el agua respectivamente.

Asimismo, una reducción de contaminación en el medio ambiente produce un mayor efecto de reducción en todo el sistema.



Otra particularidad al respecto del medio ambiente, es que si se aumenta la ingesta de hierba diaria por parte del ganado, se observa cómo (lógicamente) la carga microbiana aumenta paulatinamente en el propio ganado. Sin embargo, se alcanza un punto de inflexión en el que la carga microbiana general de todo el sistema comienza a reducirse significativamente en todos los compartimentos y los estados de equilibrio descienden. La explicación más plausible a este efecto es que la excesiva frecuencia de rotación del sustrato procedente del medio ambiente, ingerido por los animales, evita que la E. coli O157:H7 pueda reproducirse.

Según el modelo, los altos niveles de crecimiento microbiano en el ganado y su alimento derivan en una mayor concentración de UFC en las heces, por lo que las tasas de intercambio entre compartimentos aumentan significativamente, no ocurre así con el agua de los abrevaderos, que no alteran de manera especial las UFC presentes en las heces del ganado.

Precisamente en cuanto al agua, se observan cambios cualitativos en la dinámica cuando se alteran los valores de crecimiento y mortalidad bacterianos, el volumen del abrevadero, el consumo de agua por animal, o el número de animales. Se puede alterar el sistema hasta el punto que el agua sea el medio predominante para la bacteria.

Los parámetros más influyentes a la hora de determinar una mayor transmisión de microorganismos desde el agua son: el número de animales que acuden al abrevadero y el volumen del abrevadero.

Los resultados de esta dinámica de crecimiento de E. coli O157:H7 muestran que el agua, el medio ambiente y el ganado son huéspedes de gran influencia en la carga microbiana de un establo. Se ha demostrado a su vez que las tasas de crecimiento de E. coli previamente observadas fuera del ganado bovino son adecuadas para mantener los altos niveles de concentración de la bacteria en el ganado, sin necesidad de tener altas tasas de reproducción bacteriana en el propio ganado.

La capacidad de carga del medio ambiente, sus tasas de crecimiento y mortalidad bacterianas, y el nº de cabezas de ganado por establos son factores particularmente vulnerables en el crecimiento y control de la E. coli O157:H7.

Focalizar los esfuerzos de intervención en estos aspectos, así como mayor grado de limpieza y utilización de agentes inhibidores en el medio ambiente y el agua, sería lo más eficaz a la hora de reducir la carga de E. coli O157:H7 en una granja. Como consecuencia de esta reducción se reduciría también la contaminación en alimentos para el consumo humano que se produzcan.
La introducción de ganado contaminado en el modelo, no influye tan significativamente como pudiera ser de esperar. Sin embargo, acompañar la presencia de ganado contaminado con el factor del nº de cabezas de ganado por establo, sí produce un aumento de la carga de E. coli en el propio ganado, no así tanto en el resto de medios.


Run0: Introducción de ganado infectado, valores originales de cabezas de ganado (150). Run 1: cabezas de ganado (300)

 

Uno de los resultados más significativos de este estudio es la habilidad del modelo para mantener la población de E. coli O157:H7, sin necesidad de introducir animales infectados. Los niveles que predice este modelo se comparan de forma favorable con los que se pueden obtener por medio de la literatura.
Este modelo indica que cuando la tasa de rotación de E. coli O157:H7 en agua se incrementa, los niveles de replicación atraviesan un punto que se traduce en un en aumento de la prevalencia de la bacteria en ganado. Por tanto un menor número de animales por establo, experimentaría mayor carga de E. coli en el sistema. Cuanto más ganado bebe de un mismo abrevadero, mayor rotación de agua hay y por tanto el microorganismo no puede replicarse y la carga microbiana es menor en este medio.


 

Existe una correlación negativa entre el tamaño del establo con la eliminación fecal por gramo y puede dar cuenta de las diferencias observadas entre baja y alta contaminación de E. coli O157: H7 en ganado. A mayor tamaño del establo mayor carga total microbiana en el medio pero menor contaminación en ganado.

La tasa de crecimiento de E. coli O157: H7 en el pienso puede afectar a la dinámica general del establo, pero sólo a niveles muy altos, que son poco factibles. De forma general, el efecto causado es una mayor rapidez a la hora de alcanzar los niveles de equilibrio en cada compartimento. En este estudio se ha definido una tasa de crecimiento en el pienso en línea con las observaciones realizadas en otros estudios.

 

COMPORTAMIENTO ENDÉMICO

Este modelo describe ya de por sí un comportamiento endémico entre los distintos compartimentos, en los que se alcanza un estado de equilibrio en las cargas del patógeno en los cuatro hábitats.

 

SIMULACIÓN DE UN BROTE EPIDÉMICO

Si introducimos la contaminación inicial en el ganado, hasta 5000 UFC, la reacción del modelo muestra una aceleración a la hora de alcanzar el estado de equilibrio en ciertos compartimentos. Los más susceptibles son el agua y el ganado.

 

Equilibrio original
Equilibrio con brote epidémico
MEDIO AMBIENTE 29 días 27 días
GANADO 40 días 27 días
PIENSO 35 días 33 días
AGUA 38 días 28 días

*El punto de equilibrio se calculó mediante la derivada de las funciones.

 

COMPORTAMIENTO EN ONDAS

No es posible simular en nuestro modelo un comportamiento en ondas ya que los hábitats que interactúan son de tamaño constante. No existen ampliaciones de hábitats, ni introducción de animales sanos ni nacimientos o defunciones, migraciones ni pérdidas de inmunidad a lo largo del tiempo.

 

INFLUENCIA DEL NÚMERO REPRODUCTIVO BÁSICO

Considerando que ya se dispone de los datos de crecimiento microbiano E. coli O157:H7 y tomando cada hábitat como un posible reservorio con capacidad de recuperación, se introduce la variable “Tasa de recuperación” en cada uno, que actúe directamente sobre la capacidad de reproducción de la bacteria. Se observa cómo se comporta el sistema cuando cambia el valor de dichas tasas.

Si se actúa sobre la tasa de recuperación en cada hábitat individualmente se observa que la reacción en los niveles bacterianos se circunscribe al hábitat donde se esté actuando, con excepción del Medio ambiente. Al aumentar la tasa de recuperación, disminuye el nivel de equilibrio que se alcanza dentro de dicho hábitat, hasta un punto en el que ya no se experimentan más reacciones por mucho que se eleve la tasa de recuperación.


Cambios en el sistema al modificar la Tasa de recuperación del Medio Ambiente que afecta a todo el sistema.

Run_inicial tasa recuperación medio ambiente = 1. Run_cambioRo: tasa recuperación medio ambiente = 2

 

VACUNACIÓN

En el sistema planteado, la vacunación puede considerarse también como un método profiláctico aplicado no directamente a las cabezas de ganado sino en el agua o pienso que consumen o también en el medio ambiente que les rodea.

Por esto, y siguiendo con la observación del apartado anterior, se plantea actuar sobre el medio ambiente pues es el hábitat que más influencia tiene sobre todo el sistema cuando se interviene sobre el número reproductivo básico.

Por tanto, se diseña un modelo en el que el medio ambiente disponga de una tasa de recuperación de 2, lo que reduce a la mitad la capacidad de crecimiento microbiano. Pero además, se decide añadir una sustancia antimicrobiana al agua que consumen los animales, por lo que la tasa de recuperación del agua también aumente.

Estos dos cambios simultáneos resultan en una tendencia a la recuperación total del sistema, pues como puede verse en el gráfico a continuación, la infección tiende a la desaparición en unos 100 días, siendo los primeros el ganado y el pienso.



 

LIMITACIONES:
El modelo parece comportarse adecuadamente y se alinea con los datos empíricos, sin embargo tiene sus limitaciones. Los valores de los parámetros que permiten una invasión significativa de E. coli O157: H7 en el sistema alcanzan un equilibrio positivo de la población pero parte de unas premisas de homogeneidad en los cuatro hábitats descritos que no son reales. No se tiene conocimiento de ningún dato que demuestran las tendencias a largo plazo en el entorno, agua o pienso. Por otro lado el comportamiento en el ganado suele ser muy variable.

Del mismo modo, un cambio biológico significativo en la E. coli O157: H7 de los parámetros más destacados podría dar lugar a un valor de equilibrio de población diferente. Esto podría ser también inducido por cualquier factor intrínseco o extrínseco a la población microbiana (por ejemplo, el tiempo desfavorable para el crecimiento).

 

RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES

En vista de los resultados se recomienda desarrollar estrategias de intervención simultáneas que eviten el crecimiento E. coli O157: H7 en Medio ambiente y agua, pues así se limita la carga bacteriana en el ganado.

Se han identificado como particularmente influyentes el Medio ambiente y el agua, aunque ésta última es de menor influencia si actúa en solitario. Asimismo se han identificado patrones que contradicen comportamientos a prioi lógicos y que se justifican mediante la tasa de renovación del agua y del pienso.

El modelo ha podido demostrar que el contacto y/o contagio entre cabezas de ganado no es el responsable principal para la propagación de E. coli O157: H7 en una granja, como normalmente se considera.