Blomstrand, Berit Marie (2023) The impact of bark extracts from Norway spruce and Scots pine on gastrointestinal parasites in ruminants. PhD thesis, University of Copenhagen, Faculty of health and medical sciences . .
![[thumbnail of PhD thesis BMBlomstrand 280123 for print.pdf]](/style/images/fileicons/application_pdf.png) |
PDF
- Published Version
- English
4MB |
Summary
Gastrointestinal parasite infections cause a decrease in animal health and welfare, productivity, and farm profitability worldwide. The development of parasite resistance towards current antiparasitic pharmaceuticals stresses the importance of finding alternative approaches to reducing the impact of parasitism on the hosts. Exploring the antiparasitic traits of bioactive plants, i.e. a plant which has the ability to interact with compounds of the living tissue of animals by presenting a wide range of probable effects, may be a way to contribute to this. Coniferous bark is rich on condensed tannins and other plant secondary metabolites (PSM). Norway has a large forestry industry with bark as an under-exploited by-product. The overall aim of this project was to explore the antiparasitic effects of bark extracts from Norway spruce and Scots pine harvested in Norway as a novel bioactive agent against parasites in ruminants. Bark from Norway spruce and Scots pine was harvested at two seasons (winter and summer) at processing plants using two different debarking methods (ring and drum debarking). The bark was extracted with three different solvents (acetone, methanol, and water), which produced 18 different bark extracts.
In Paper I, we investigated the ability of the bark extracts to inhibit the development of Cryptosporidium parvum in HCT-8 cell cultures. We found that pine bark extracts extracted with methanol and acetone as solvents inhibited C. parvum development in a sigmoid, dosedependent manner. We did not see any parasite inhibition of the water extracts at the tested concentrations.
To assess the anthelmintic activity of spruce and pine bark, 18 different extracts were tested against two important gastrointestinal nematodes in sheep (Paper II). The extracts were tested on the abomasal parasite Teladorsagia circumcincta and the intestinal parasite Trichostrongylus colubriformis at two life stages (egg hatching and 3rd stage larvae). For the egg hatch assay (EHA), the half maximum inhibitory concentration (IC50) was estimated for all extracts. For the larval motility assay, the motility of L3 treated with bark extract was measured with a real time cell analyser and compared to the motility of the dead larvae. The bark extracts were analysed for the content of condensed tannins (CT) as well as for other possible antiparasitic compounds. Putative annotations of identified masses were procured, and the abundance of CT and of the masses were correlated with the EHA IC50. We found that several of the tested extracts inhibited the egg hatching up to 100%. The intestinal parasite was more susceptible to treatment compared to the abomasal parasite, pine bark, winter bark, and bark extracted with organic solvents (acetone or methanol) inhibited the parasites to a larger extent compared to spruce bark, summer 10 bark, and water extracts. CT was negatively correlated to EHA IC50 for T. colubriformis but not for T. circumcincta, and several putative annotations were obtained, suggesting the identity of novel antiparasitic masses.
In Paper III we explored the anticoccidial properties of water extracted spruce bark. Young preruminant lambs infected with ovine Eimeria spp. were treated with spruce bark extract. The bark extract treated lambs exhibited a lower Eimeria oocyst count and lower rate and severity of
diarrhoea compared to the untreated lambs. Simultaneously, the treated lambs experienced detrimental effects like reduced milk intake with a subsequent lower growth during the treatment period, which subsided after discontinuing the treatment.
When assessing acetone extracted pine bark harvested during the winter using Heligmosomoides bakeri infected mice as a model (Paper IV), we found no significant effects in parasitological parameters, though the bark extract treatment increased the body weight and carcass weight and reduced the feed intake-bodyweight ratio in the most susceptible group only: the infected slow responder mice (C57BL/6). Furthermore, the treatment reduced the tolerance to the parasite of the more resistant, fast responder mice (BALB/c). These results indicate that the host responses to PSM may be sensitive to variation in the genetic susceptibility to the parasite.
In conclusion, the results obtained in this project have provided new and essential knowledge to the antiparasitic efficacy of bark extracts from P. abies and P. sylvestris against a wide range of gastrointestinal parasite infections in various host species. There was a negative correlation between CT content of the extracts and EHA IC50 of T. colubriformis, and several novel compounds with a significant negative correlation with EHA IC50 were putatively annotated. However, investigations of the chemical compounds in the bark extracts responsible for the antiparasitic effects has only begun. Thus, it is of importance to gain further knowledge into the identification of the actual antiparasitic compounds, their concentrations, and their effect against various parasites, alone or synergistically.
Summary translation
Infeksjoner med gastrointestinale parasitter forårsaker reduksjon i dyrehelse og dyrevelferd samt redusert produktivitet og lønnsomhet over hele verden. Den pågående utviklingen hos parasitter av resistens mot antiparasittære legemidler understreker viktigheten av å finne alternative
tilnærminger for å redusere følgene av parasittisme på vertsdyret. Å utforske de antiparasittære egenskapene til bioaktive planter, en plante som har evne til å samhandle med komponenter i det levende animalske vevet ved å presentere et spekter av sannsynlige effekter, kan være en måte å bidra til dette. Bark fra bartrær er rik på kondenserte tanniner og andre sekundære plantemetabolitter (PSM). Norge har en stor skogindustri hvor furu- og granbark er et underutnyttet biprodukt. Det overordnede målet med dette prosjektet var å utforske de antiparasittære egenskapene til barkekstrakter fra gran (Picea abies) og furu (Pinus sylvestris) høstet i Norge, som et nytt bioaktivt middel mot parasitter hos drøvtyggere. Bark fra gran og furu ble høstet ved to sesonger (vinter og sommer) ved prosessanlegg som brukte to ulike avbarkingsmetoder (ring- og trommelavbarking). Barken ble ekstrahert med tre forskjellige løsemidler (aceton, metanol og vann), og totalt ga dette oss 18 forskjellige barkekstrakter.
I Artikkel I undersøkte vi barkekstraktenes evne til å hemme utviklingen av Cryptosporidium parvum i HCT-8 cellekulturer. Vi fant at furubarkekstrakter ekstrahert med metanol og aceton hemmet utviklingen av C. parvum på en sigmoid, doseavhengig måte. Vannekstraktene hemmet ikke utviklingen av parasitter i de testede konsentrasjonene.
For å vurdere den anthelmintiske aktiviteten til gran- og furubark, ble 18 forskjellige ekstrakter testet mot to viktige gastrointestinale nematoder hos sau (Artikkel II). Ekstraktene ble testet på løpenematoden Teladorsagia circumcincta og tynntarmsnematoden Trichostrongylus
colubriformis, i to livsstadier: egg og 3. stadiums, infektive larver (L3). Under eggklekkingstesten (EHA) ble det for alle ekstraktene fastslått den konsentrasjonen som er nødvendig for å redusere parasittnivået til det halve (IC50). I L3 motilitetsanalysen (LMA) ble bevegeligheten til barkekstraktbehandlede larver målt med en sanntidscelleanalysator og sammenlignet med motiliteten til kontrollen (døde larver). Barkekstraktene ble analysert for
kondenserte tanniner (CT) samt andre komponenter. Resultatene ble interpretert og de oppdagede massene ble forsøkt identifisert ved automatisk og manuell sammenlikning av massevekt i Metlin PLCL-databasen. Til slutt ble komponenter med høy tilstedeværelse i ekstraktene korrelert med EHA IC50. Vi fant at flere av de testede ekstraktene hemmet eggklekkingen med opptil 100%. Tarmparasitten var mer mottakelig for behandling sammenlignet med løpeparasitten, og furubark, bark høstet i løpet av vinteren, og bark ekstrahert 12 med organiske løsemidler (aceton eller metanol) hemmet parasittene i større grad sammenlignet
med granbark, bark høstet i løpet av sommeren og vannekstrakter. CT kunne korreleres til EHA IC50 til T. colubriformis, men ikke til T. circumcincta, og identiteten til nye komponenter med antiparasittær effekt ble antydet.
I Artikkel III utforsket vi de koksidiostatiske egenskapene til vannekstrahert granbark for å redusere koksidiebelastningen i spedlam de første ukene på beite. Unge melkefôrede lam infisert med et feltisolat av Eimeria spp. ble behandlet med granbarkekstrakt daglig i 11 dager. De behandlede lammene hadde lavere oocystetall i avføringen og lavere frekvens og alvorlighetsgrad av diaré sammenliknet med lammene som ikke ble behandlet. Samtidig så vi at de behandlede lammene fikk redusert melkeinntak med påfølgende lavere tilvekst under behandlingsperioden, noe som gikk over da behandlingen ble seponert.
Den anthelmintiske effekten av acetonekstrahert furubark høstet om vinteren ble vurdert ved bruk av Heligmosomoides bakeri-infiserte mus som modell (Artikkel IV). Vi så ingen
signifikant parasittreduserende effekt. Likevel så vi at behandlingen økte kroppsvekten og skrottvekten, og bedret fôrutnyttelsen i den mest utsatte gruppen: infiserte mus som bare langsomt utviklet immunitet mot parasitten (C57BL/6). Videre reduserte behandlingen toleransen mot parasitten til de mer resistente musene (BALB/c). Disse resultatene indikerer at vertens respons på sekundære plantemetabolitter kan være følsom for variasjon i vertens genetiske mottakelighet for parasitten.
Samlet sett har resultatene fra dette prosjektet gitt ny og essensiell kunnskap om den antiparasittære effekten av barkekstrakter fra P. abies og P. sylvestris mot et bredt spekter av gastrointestinale parasitter i ulike vertsdyr. Vi kunne demonstrere en negativ korrelasjon mellom CT-innholdet i ekstraktene og EHA IC50 til T. colubriformis, og flere nye komponenter med en signifikant negativ korrelasjon med EHA IC50 ble identifisert. Imidlertid har undersøkelser av de kjemiske komponentene i barkekstraktene som er ansvarlige for de antiparasittære effektene bare akkurat begynt. Det er derfor viktig å få ytterligere kunnskap om identifisering av de faktiske antiparasittære komponentene, deres konsentrasjoner og deres effekt mot ulike parasitter, alene eller synergistisk.
| EPrint Type: | Thesis |
|---|---|
| Thesis Type: | PhD |
| Keywords: | BarkCure, ruminants, parasites, bark extracts, spruce, pine, plant secondary metabolites, barkeekstrakt, parasitter, |
| Agrovoc keywords: | Language Value URI English bark extracts http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_35304 English parasite control http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_e9cceff4 English parasites http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_5574 English ruminants http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_6695 English spruce -> Picea http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_5851 English Pine (tree) -> Pinus http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_5890 |
| Subjects: | Animal husbandry Animal husbandry > Health and welfare |
| Research affiliation: | European Union > Horizon 2020 > Organic-PLUS Denmark > KU - University of Copenhagen Norway > RCN - Research Council of Norway Norway > NIBIO – Norwegian Institute of Bioeconomy Research Norway > NVI - National Veterinary Institute Norway > Regional Research Fund Mid-Norway Norway > SINTEF Norway > NORSØK - Norwegian Centre for Organic Agriculture UK > Scottish Rural Colleges (SRUC - previously SAC) |
| Horizon Europe or H2020 Grant Agreement Number: | 774340 |
| ISBN: | 978-82-8202-166-1 |
| Related Links: | https://doi.org/10.1007/s00436-021-07220-w, https://doi.org/10.1186/s13028-022-00629-y |
| Deposited By: | Blomstrand, Ms Berit Marie |
| ID Code: | 49877 |
| Deposited On: | 08 Jun 2023 06:25 |
| Last Modified: | 01 Aug 2023 06:24 |
| Document Language: | English |
| Status: | Published |
| Refereed: | Peer-reviewed and accepted |
Repository Staff Only: item control page
Download Statistics
Download Statistics
