In silico Comparison of test-and-cull protocols for bovine tuberculosis control in France

Whole depopulation of cattle herds (WHD) confirmed infected by bovine tuberculosis (bTB) has led since the 1950s to a drop of herd incidence in France below 0.1% in 2000, justifying the current officially bTB free (OTF) status of the country. However, this protocol is expensive, ethically questionable, and difficult for breeders to accept because the number of confirmed animals in an infected herd is often very low. A test-and-cull protocol combining at least three screening sessions of the entire herd followed by the slaughter of all the non-negative animals has been used for some years. The aim of this work was to evaluate in silico the epidemiological effectiveness, the public costs and the acceptability to farmers of this test-and-cull protocol as well as of several ones. A stochastic compartmental model of within-herd bTB spread was used. Six test-and-cull protocols were compared: two versions of the official protocol and four alternatives with varying delays between screenings, and varying tests used. Protocols were simulated for an average French beef herd, and compared to WHD. Three key indicators were computed: the failure probability of the protocol (a failure being defined as an herd recovering its OTF status recovery while still infected, indicator of epidemiological effectiveness), its overall public cost and the percentage of farmers who would have dropped it to switch to WHD (indicator of acceptability to farmers). Failure probability ranged from 1.4 to 12.4% and was null (by definition) for WHD. The median cost varied between 2.7 and 78 K€ for the test-and-cull protocols, vs. 120 K€ for WHD. The percentage of dropout ranged from 7.8 to 22%. The optimal tradeoff between epidemiological effectiveness, public costs, and acceptability to farmers was obtained for protocols with an increased delay (6 months instead of 2 in the currently used protocol) between the last two screening sessions, with either 3 or 2 screening sessions. This study may help improving the official test-and-cull protocol applied in France under European Union regulation, by suggesting alternative protocols, very effective, cheaper, and more acceptable than WHD

Epidemiological and genetic modelling of gastro-intestinal parasites in sheep flock

Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire. De nombreuses recherches ont mené à l’étude de différentes stratégies complémentaires à l’utilisation massive de ces traitements chimiques : nutrition de l’hôte, gestion des pâtures, sélection génétique. Une approche de modélisation permet de simuler de multiples scénarios en minimisant l’effort expérimental, et notamment le recours à des infestations coûteuses en animaux, afin de trouver la meilleure stratégie de lutte intégrée du parasitisme. Le modèle épidémio-génétique précédemment développé par le Roslin Institute modélisant un troupeau d’agneaux en croissance infecté par le parasite T. circumcincta permet d’étudier l’impact d’une utilisation raisonnée des traitements, de la nutrition et de la résistance de l’hôte sur le niveau d’infection et de production du troupeau. Les travaux de la présente thèse consistaient à modifier ce modèle afin de modéliser des brebis adultes, notamment autour de la période d’agnelage où les besoins nutritionnels sont très importants. Cette modélisation a été complétée par la prise en compte du renouvellement d’un troupeau afin de considérer un troupeau durable, avec des accouplements, des réformes et des reproductions. Ainsi, notre modèle permet d’étudier les différentes stratégies de contrôle du parasite sur le long terme. Afin de s’assurer de la cohérence des sorties de cette modélisation avec des données réelles, le niveau d’infection a été comparé à celui de femelles infestées autour de l’agnelage. Cependant, comme de nombreux paramètres sont propres à la modélisation et donc non estimables à partir d’expérimentations, une analyse de sensibilité a aussi été mise en place pour dégager les paramètres qui contribuaient le plus à la variation du niveau d’infection. Parmi les parasites les plus fréquents chez le mouton, on trouve deux parasites majeurs T. circumcincta et H. contortus. Le parasite H. contortus est le plus virulent dans des climats chauds et humides, il nous paraissait donc utile de développer un nouveau modèle prenant en compte ce parasite. Préalablement, une méta-analyse des études utilisant des infections par le parasite H. contortus a été réalisée afin d’estimer les traits de vie du cycle parasitaire de ce parasite. Ces estimations ont ensuite été utilisées pour adapter le modèle épidémio-génétique à des infections par H. contortus. Cependant certains paramètres restent inconnus car ils ne sont pas estimables directement. C’est pourquoi nous avons réalisé l’estimation des trois paramètres inconnus principaux de notre modèle (précédemment soulignés par l’analyse de sensibilité sur T. circumcincta) en minimisant les écarts entre le niveau de charge parasitaire reportée dans une étude considérant des infestations successive par H. contortus ([25]) et nos simulations correspondantes. Dans cette thèse nous avons développé des modèles permettant d’évaluer sur le long terme les différentes stratégies de contrôle de deux nématodes gastro-intestinaux (T. circumcincta et H. contortus) dans les troupeaux ovins. Notamment, le modèle prenant en compte H. contortus pourra être utilisé pour prédire l’impact à l’échelle de l’élevage (nombre de traitements nécessaire, niveau d’infection des animaux) d’une sélection génétique sur la résistance au parasitisme dans une race. Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire. ...Gastro-intestinal parasitism is one of the most pervasive challenge for health and welfare in grazing small ruminants, leading to consequent production loss. Its control through the use of anthelminthic treatments is no longer sustainable due to the development of parasitic resistance to anthelmintics, but also due to environmental and consumer concerns. A substantial research effort proposed different supplementary control strategies to the massive use of anthelmintics: host nutrition, pasture management, breeding for resistance. Modelling approach allows for multiple scenarios to be considered without having to resort to experimentation in order to find the best integrated control strategies of parasitism. The epidemio-genetic model previously developed by the Roslin Institute modelling a growing lamb flock infected by the parasite T. circumcincta help to study the impact of rational use of anthelmintics, host nutrition and resistance on the flock level of infection and production. The researches of the current PhD thesis aimed to modify this model in order to add adult ewes modelling, especially around parturition where the nutritional requirements are very high. This modelling was improved by taking into account flock replacement in order to have a persistent flock with matings, reforms and reproductions. In this way, our model allows to study several control strategies of parasitism on long term perspective. In order to ensure adequacy of the model outputs to data, the infection level was compared to published data of ewes infected around parturition. However, some parameters were idiosyncratic to the modelling and then they were not be directly estimated from experiments. So a sensitivity analysis was also performed to highlight the parameters which mostly contribute to the infection level variations. Among the most prevalent parasites in sheep, T. circumcincta and H. contortus are the two main parasites. H. contortus is the most virulent parasite est le plus virulent parasite in hot and wet climates, so it is helpful to develop a similar model for this parasite. Beforehand, a meta-analysis of the published studies on infections with the H. contortus parasite was performed to estimate the main life history traits of its parasitic phase. Then, these estimations were used to change the epidemio-genetic model with H. contortus infections. However, some parameters remained unknown because they were not directly estimable. So, the three main unknown parameters (previously highlighted by the sensitivity analysis of the model with T. circumcincta infections) were estimated by minimizing the worm burden differences between published data of H. contortus trickle infection ([25]) and the corresponding model outputs. In this PhD thesis, models were developed in order to evaluate, in a long term perspective, several control strategies of two gastro-intestinal nematodes (T. circumcincta et H. contortus) infections in sheep flock. Notably, the model on H. contortus infections could be used to predict the impact of breeding for resistance to parasitism at the flock level (number of necessary treatments, infection level of the sheep)

Modélisation épidémiologique et génétique des parasites gastro-intestinaux au sein d'un troupeau d'ovins

Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire. De nombreuses recherches ont mené à l’étude de différentes stratégies complémentaires à l’utilisation massive de ces traitements chimiques : nutrition de l’hôte, gestion des pâtures, sélection génétique. Une approche de modélisation permet de simuler de multiples scénarios en minimisant l’effort expérimental, et notamment le recours à des infestations coûteuses en animaux, afin de trouver la meilleure stratégie de lutte intégrée du parasitisme. Le modèle épidémio-génétique précédemment développé par le Roslin Institute modélisant un troupeau d’agneaux en croissance infecté par le parasite T. circumcincta permet d’étudier l’impact d’une utilisation raisonnée des traitements, de la nutrition et de la résistance de l’hôte sur le niveau d’infection et de production du troupeau. Les travaux de la présente thèse consistaient à modifier ce modèle afin de modéliser des brebis adultes, notamment autour de la période d’agnelage où les besoins nutritionnels sont très importants. Cette modélisation a été complétée par la prise en compte du renouvellement d’un troupeau afin de considérer un troupeau durable, avec des accouplements, des réformes et des reproductions. Ainsi, notre modèle permet d’étudier les différentes stratégies de contrôle du parasite sur le long terme. Afin de s’assurer de la cohérence des sorties de cette modélisation avec des données réelles, le niveau d’infection a été comparé à celui de femelles infestées autour de l’agnelage. Cependant, comme de nombreux paramètres sont propres à la modélisation et donc non estimables à partir d’expérimentations, une analyse de sensibilité a aussi été mise en place pour dégager les paramètres qui contribuaient le plus à la variation du niveau d’infection. Parmi les parasites les plus fréquents chez le mouton, on trouve deux parasites majeurs T. circumcincta et H. contortus. Le parasite H. contortus est le plus virulent dans des climats chauds et humides, il nous paraissait donc utile de développer un nouveau modèle prenant en compte ce parasite. Préalablement, une méta-analyse des études utilisant des infections par le parasite H. contortus a été réalisée afin d’estimer les traits de vie du cycle parasitaire de ce parasite. Ces estimations ont ensuite été utilisées pour adapter le modèle épidémio-génétique à des infections par H. contortus. Cependant certains paramètres restent inconnus car ils ne sont pas estimables directement. C’est pourquoi nous avons réalisé l’estimation des trois paramètres inconnus principaux de notre modèle (précédemment soulignés par l’analyse de sensibilité sur T. circumcincta) en minimisant les écarts entre le niveau de charge parasitaire reportée dans une étude considérant des infestations successive par H. contortus ([25]) et nos simulations correspondantes. Dans cette thèse nous avons développé des modèles permettant d’évaluer sur le long terme les différentes stratégies de contrôle de deux nématodes gastro-intestinaux (T. circumcincta et H. contortus) dans les troupeaux ovins. Notamment, le modèle prenant en compte H. contortus pourra être utilisé pour prédire l’impact à l’échelle de l’élevage (nombre de traitements nécessaire, niveau d’infection des animaux) d’une sélection génétique sur la résistance au parasitisme dans une race. Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire. ..

Genetic-epidemiological modelling of gastrointestinal parasitism in sheep

National audienc

Meta-analysis of the parasitic phase traits of Haemonchus contortus infection in sheep

International audienceBackground: The parasitic nematode Haemonchus contortus shows highly variable life history traits. This highlights the need to have an average estimate and a quantification of the variation around it to calibrate epidemiological models.Methods: This paper aimed to quantify the main life history traits of H. contortus and to identify explanatory factors affecting these traits using a powerful method based on a systematic review and meta-analysis of current literature. The life history traits considered are: (i) the establishment rate of ingested larvae; (ii) the adult mortality rate; (iii) the fertility (i. e. the number of eggs laid/ female/ day); and (iv) fecundity of female worms (i. e. the number of eggs per gram of faeces).Results: A total of 37 papers that report single experimental infection with H. contortus in sheep and published from 1960 to 2015, were reviewed and collated in this meta-analysis. This encompassed 115 experiments on 982 animals. Each trait was analysed using a linear model weighted by its inverse variance. The average (+/- SE) larval establishment rate was 0.24 +/- 0.02, which decreased as a function of the infection dose and host age. An average adult mortality rate of 0.021 +/- 0.002) was estimated from the literature. This trait varied as a function of animal age, breed and protective response due to prior exposure to the parasite. Average female fertility was 1295.9 +/- 280.4 eggs/female/day and decreased in resistant breeds and previously infected hosts. Average faecal egg count at necropsy was 908.5 +/- 487.1 eggs per gram of faeces and varied as a function of infection duration and host resistance. The average sex ratio of H. contortus was 0.51 +/- 0.006.Conclusion: This work is the first systematic review to summarise the available information on the parasitic phase of H. contortus in sheep. The results of the meta-analysis provide robust estimates of life history traits for parametrization of epidemiological models, their expected variation according to experimental factors, and provides correlations between these

La résistance génétique au parasitisme chez les petits ruminants : un enjeu de durabilité pour les productions à l’herbe

National audienceLa sélection génétique des petits ruminants est une stratégie d’intérêt pour limiter les infestations par les nématodes gastro-intestinaux. La résistance à ces parasites peut être utilisée en sélection puisqu’elle est mesurable par le comptage d’œufs dans les fèces, héritable et génétiquement peu ou pas corrélée aux autres critères en sélection. Les évaluations génétiques de la résistance menées dans quelques races ont permis de montrer l’efficacité de la sélection. La mise en place de la sélection sur la résistance au parasitisme dans les schémas de sélection nécessitera la création de plateformes permettant de faire face au nombre de mesures à réaliser et le suivi de l’évolution de la population parasitaire afin de prévenir un potentiel contournement de la résistance de l’hôte par les parasites. Enfin la résistance est un levier d’action à intégrer avec d’autres (la nutrition, la gestion des prairies et les traitements anthelminthiques). Des modèles sont développés pour conseiller les éleveurs dans le choix d’une stratégie intégrée et optimale pour leur système d’élevage

Additional file 1: of Meta-analysis of the parasitic phase traits of Haemonchus contortus infection in sheep

Text: Calculation method to estimate the variance of each life history trait. (DOCX 30 kb

La résistance génétique aux infections par les nématodes gastro-intestinaux chez les petits ruminants : un enjeu de durabilité pour les productions à l’herbe

National audienceThe resistance of small ruminants to gastro-intestinal nematode infection can be included into a genetic selection program. This resistance can be measured by faecal nematode egg counts. This trait is heritable and only lightly correlated to other selected traits. Faecal egg counts should be measured on a large number of small ruminants in order to be included in selection schemes and this requires the services of a phenotyping platform. The evolution of the nematode community under the selection pressure due to an increase in host resistance should be controlled in order to prevent a putative adaptation of nematodes. In order to avoid adaptation of the parasites, an integrated strategy should be implemented and genetic selection for resistance to nematodes should be associated with theuse of anthelmintics, as well as an adequate fulfillment of nutritional needs of small ruminants and adequate management of pastures to reduce infection risk.La résistance génétique des petits ruminants aux infestations par les nématodes gastro-intestinaux (strongles) peut être sélectionnée puisqu’elle est mesurable indirectement par le comptage d’oeufs dans les fèces, héritable et génétiquement peu ou pas corrélée aux autres critères de sélection. La mise en place d’une telle sélection dans les schémas nécessitera la création de plateformes permettant de faire face au nombre de mesures à réaliser et imposera le suivi de l’évolution de la communauté de nématodes afin de prévenir un contournement potentiel de la résistance de l’hôte par les parasites. La meilleure pratique pour éviter ce contournement est de considérer la résistance génétique comme un levier d’action à intégrer à d’autres stratégies (la nutrition, la gestion des prairies et les traitements anthelminthiques)

A posteriori dietary patterns better explain variations of the gut microbiome than individual markers in the American Gut Project

BackgroundIndividual diet components and specific dietary regimens have been shown to impact the gut microbiome.ObjectivesHere, we explored the contribution of long-term diet by searching for dietary patterns that would best associate with the gut microbiome in a population-based cohort.MethodsUsing a priori and a posteriori approaches, we constructed dietary patterns from an FFQ completed by 1800 adults in the American Gut Project. Dietary patterns were defined as groups of participants or combinations of food variables (factors) driven by criteria ranging from individual nutrients to overall diet. We associated these patterns with 16S ribosomal RNA-based gut microbiome data for a subset of 744 participants.ResultsCompared to individual features (e.g., fiber and protein), or to factors representing a reduced number of dietary features, 5 a posteriori dietary patterns based on food groups were best associated with gut microbiome beta diversity (P ≤ 0.0002). Two patterns followed Prudent-like diets-Plant-Based and Flexitarian-and exhibited the highest Healthy Eating Index 2010 (HEI-2010) scores. Two other patterns presented Western-like diets with a gradient in HEI-2010 scores. A fifth pattern consisted mostly of participants following an Exclusion diet (e.g., low carbohydrate). Notably, gut microbiome alpha diversity was significantly lower in the most Western pattern compared to the Flexitarian pattern (P ≤ 0.009), and the Exclusion diet pattern was associated with low relative abundance of Bifidobacterium (P ≤ 1.2 × 10-7), which was better explained by diet than health status.ConclusionsWe demonstrated that global-diet a posteriori patterns were more associated with gut microbiome variations than individual dietary features among adults in the United States. These results confirm that evaluating diet as a whole is important when studying the gut microbiome. It will also facilitate the design of more personalized dietary strategies in general populations