Background: The human nares are one of the main interfaces between the inner body and the external environment. The bacterial communities present in the noses of healthy individuals consist of commensal and opportunistic bacteria that maintain an ecological equilibrium. However, previous studies have shown that an increasing amount of bacteria in our environment can alter the nasal microbiota. Pig farms are known to be charged with particular high concentrations of bacteria (about 107 times more than normal indoor environments). In addition, the presence and spread of antimicrobial résistant bacteria in these farms has been shown to be an important public health concern. Most prominently, pig-associated Staphylococcus aureus are readily transmitted from pigs to humans. However, most of our current knowledge is derived from culture-based approaches, which have some limitations. Until now, no study has investigated how pig farming may alter the overall human nasal microbiota. The main focus of this research project is therefore to assess the impact that close and frequent contact with farm animais has on the human nasal microbiota.
Methods: We visited pig farms in Switzerland four times throughout one year and collected nasal samples from pigs and pig farmers, and air samples from inside the pig house. As controls, nasal swabs from cow farmers and individuals with no contact to farm animais (non-exposed) were collected. Analysis of the microbiota was performed based on 16S rRNA high-throughput sequencing. In brief, DNA was extracted from the sample and a PCR was performed targeting the variable région V4 of the 16S rRNA gene. Paired-end sequencing was conducted utilizing the Illumia MiSeq (2x250bp] platform. Reads were analyzed using the DADA2 package and workflow in R. Additional samples were collected from pig farmers, pigs and air to screen for Methicillin-resistant Staphylococcus aureus [MRSA] and extended-spectrum beta-lactamase-producing Enterobacteriaceae [ESBL-E] using conventional culture techniques. Results: We were able to show that the nasal microbiota of pig farmers harbors a higher number of species than the microbiota of individuals who do not interact with farm animais. The alpha-diversity [diversity within samples) was consistently higher in farmers compared to non-exposed individuals in ail four seasons (winter, spring, summer, fall), even though there was a noticeable drop of alpha-diversity in summer for samples from cow farmers and samples originating from pig farms. Beta-diversity (diversity between samples) revealed that the microbial nasal communities of pig farmers are clearly separate from the communities of cow farmers and non-exposed individuals. In fact, pig farmers are more similar to pigs and air from inside pig houses than to other human hosts. In winter, we detected a very pronounced farm-specific microbiota, i.e. samples that originated from the same farm were more similar to each other than to samples from other farms. However, this strong specifkity was lost in the subséquent seasons, indicating that the impact that air, pigs and pig farmers have on each other is strongest in winter. We also demonstrated the presence of ESBL-E in 24% and MRSA in 31% of the investigated pig farms in Switzerland with a corrélation between antibiotic use and résistant bacteria carriage.
Conclusion: We present an insight into the extensive effect of pig farming on the human nasal microbiota and how it changes throughout the seasons. To our knowledge, we performed 16S rRNA characterization of human, animal and environmental microbiota simultaneously for the first time. We revealed a remarkable similarity between pigs and pig farmers and a core pig farm microbiota which goes far beyond the known S. aureus colonization. Moreover, we provided recent information on the prevalence of MRSA and ESBL-E in pig farms in Switzerland.
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Contexte: Les narines humaines sont l'une des interfaces principales entre l'intérieur du corps et l'environnement externe. Les communautés bactériennes présentes dans les nez des individus sains consistent en des bactéries commensales et opportunistes qui maintiennent un équilibre écologique. Cependant, des études antérieures démontrent que les bactéries de notre environnement peuvent altérer le microbiote nasal. Les fermes porcines sont connues pour contenir des concentrations particulièrement élevées de bactéries (environ 107 fois plus qu'un environnement intérieur normal]. De plus, la présence et la dissémination de bactéries résistantes aux antibiotiques dans ces élevage s'est avéré être une problématique majeure de santé publique. Ainsi, la transmission de l'animal à l'homme de souches de Staphylococcus aureus associées aux porcs est devenue une grande préoccupation sanitaire. Cependant, la plupart de nos connaissances actuelles sont dérivées d'approches basées sur la culture des microorganismes, ce qui présente certaines limites. Jusqu'à présent, aucune étude n'a examiné de quelle manière l'élevage porcin pourrait altérer le microbiote nasal humain global. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'examiner l'impact d'un étroit contact avec des animaux d'élevage sur le microbiote nasal humain. Méthodes: Nous avons visité des fermes porcines en Suisse à quatre occasions durant une année et récolté des échantillons nasaux de porcs, d'éleveurs de porcs ainsi que des échantillons d'air de l'intérieur de la porcherie. En tant que témoin, des prélèvements nasaux ont été faits sur des éleveurs de vaches et des individus sans aucun contact avec des animaux d'élevage (non-exposés). L'analyse du microbiote a été effectuée par séquençage à haut débit de l'ARNr 16S. En bref, de l'ADN a été extrait de l'échantillon et une PCR a été faite ciblant la région variable V4 du gène de l'ARNr 16S. Le séquençage a été réalisé en utilisant la plateforme Illumia MiSeq (2x250bp). Les séquences obtenues ont été analysées en utilisant le package DADA2 et le logiciel R. Des échantillons additionnels ont été récoltés sur les éleveurs de porcs, les porcs et l'air pour dépister du Staphylococcus aureus résistant à la Méticilline (MRSA) et des entérobactéries productrices de bêta-lactamases à spectre étendu (ESBL-E) en utilisant des techniques de culture conventionnelles.
Résultats: Nous avons pu démontrer que le microbiote nasal des éleveurs de porcs abrite un plus grand nombre d'espèces que le microbiote d'individus qui n'interagissent pas avec des animaux d'élevage. La diversité alpha (la diversité à l'intérieur des échantillons) était systématiquement plus élevée chez les éleveurs en comparaison avec les individus non-exposés pour les quatre saisons (hiver, printemps, été, automne), même s'il y avait une diminution de cette diversité en été pour les échantillons des éleveurs de vaches et les échantillons venant des fermes porcines. La diversité béta (la diversité entre les échantillons) a révélé que les communautés des microbiotes nasaux d'éleveurs de porcs sont clairement séparées des communautés des éleveurs de vaches et des individus non-exposés. En hiver, nous avons détecté une spécificité intra-ferme du microbiote, c.à.d. que les échantillons venant d'une même ferme étaient plus similaires entre eux qu'entre les échantillons de même type (animal, homme ou air) d'autres fermes. Cependant, cette grande spécificité n'a plus été observée avec les échantillons des autres saisons. Ceci montre que l'influence mutuelle des communautés bactériennes de l'air, des porcs et des éleveurs de porcs est plus marquée en hiver. Nous avons aussi démontré la présence d'ESBL-E et de MRSA dans respectivement 24% et 31% des fermes examinées avec une corrélation entre l'utilisation d'antibiotiques et le nombre de porteurs de bactéries résistantes.
Conclusion: Nous avons montré que le fait de travailler dans un élevage porcin a une influence non-négligeable sur le microbiote nasal des travailleurs. De plus, nous avons décrit de quelle manière ce microbiote change au cours des saisons. A notre connaissance, cette analyse simultanée du microbiote des travailleurs, des animaux et de l'environnement est inédite. Ceci nous a permis de révéler une similarité évidente entre le microbiote des porcs et des éleveurs de porcs ainsi que l'existence d'un microbiote spécifique au niveau de la ferme. De plus, nous avons documenté la fréquence de portage de MRSA et d'ESBL-E dans les élevages de porc en Suisse.