Anim. Res. 53 (2004) 325-334
DOI: 10.1051/animres:2004020

Postnatal development of intestinal immune system in piglets: implications for the process of weaning

Christopher R. Stokes^a, Michael Bailey^a, Karin Haverson^a, Cecilla Harris^a, Philip Jones^b, Charlotte Inman^a, Sandrine Pié^c, Isabelle P. Oswald^c, Barbara A. Williams^d, Antoon D.L. Akkermans^d, Eveline Sowa^e, Hermann-Josef Rothkötter^e and Bevis G. Miller<sup>b

a</sup>  Division of Veterinary Pathology Infection & Immunity, University of Bristol, Langford House, Langford, BS40 5DU, UK
^b  Division of Farm Animal Science, University of Bristol, Langford House, Langford, BS40 5DU, UK
^c  Institut National de la Recherche Agronomique, Unité de Pharmacologie-Toxicologie 6, UR66, 180 chemin de Tournefeuille, 31931 Toulouse Cedex 9, France
^d  Wageningen University, Marijkeweg 40, 6709 PG Wageningen, The Netherlands
^e  Functional and Applied Anatomy, Medical School Hannover, Hannover, Germany and Institute of Anatomy, Medical Faculty, Otto-von-Guericke-University Magdeburg, Leipziger Strasse 44, 39120 Magdeburg, Germany

(Received 5 January 2004; accepted 27 May 2004)

Abstract - European-wide directives are in place to establish a sustainable production of pigs without using production enhancers and chemotherapeutics. Thus, an economically-viable pig production is now only possible when the physiological mechanisms of defense against pathogens and tolerance against nutrients and commensal bacteria in the intestinal immune system are taken into account. During the postnatal period the piglet is facing first the time large amounts of new antigens and at weaning a second wave of nutritional antigens is entering the intestinal tract. The appropriate development of humoral and cellular functions of the intestinal immune system is essential for optimum growth and performance of the piglets. The integrity of the intestinal surfaces is a prerequisite of intestinal immunity and tolerance. Secretory IgA serves to exclude harmful antigens from uptake. The induction of intestinal immune reactions starts with antigen presentation by professional antigen presenting cells of Peyer's patches and mesenteric lymph nodes. In addition, the intestinal lamina propria serves as a mucosal compartment for regulation of immune responses. Here especially T regulatory cells (CD4⁺ CD25⁺) have their function for maintaining intestinal homeostasis. The network of mucosal T and B cells develops after birth in a programmed sequence; it is almost completed at week 7 after birth. Weaning is associated with changes in the regulation of the lymphoid cells in the mucosa. In small and large intestine increases in pro- and anti-inflammatory cytokines were observed after weaning in lymphocytes. Epithelial cells were studied both in intestinal samples and in vitro. Here the cytokine patterns provide evidence that weaning is inducing a transient inflammation of the mucosa. Piglets weaned under conventional conditions have a thicker mucosa than pigs weaned from isolators. Cells of isolator-reared pigs show slightly higher levels of activation markers - probably reflecting the interaction of the foreign protein derived from bovine milk. The results presented in this overview demonstrate that further effort is necessary to elucidate the function of the porcine intestinal immune system in the postnatal period and at the time of weaning to provide criteria for porcine intestinal health.

Résumé - Développement postnatal de l'immunité intestinale chez le porcelet : implications pour le processus de sevrage. Des directives européennes ont été adoptées, en vue de mettre en place une production durable de porcs sans facteurs de croissance ni antibiotiques. Dans ce contexte, un élevage porcin ne sera économiquement viable que si sont pris en compte les mécanismes physiologiques de défense contre les agents pathogènes, et de tolérance vis-à-vis des aliments et des bactéries commensales, mécanismes engageant le système immunitaire intestinal des animaux. A la naissance, le porcelet fait face, une première fois, à de grandes quantités d'antigènes ; puis, au sevrage, une seconde vague de nouveaux antigènes alimentaires entre dans le tube digestif. Il est donc essentiel pour la croissance et les performances optimales des porcelets d'avoir un développement approprié des fonctions humorales et cellulaires du système immunitaire intestinal. L'intégrité des surfaces intestinales est un préalable indispensable à l'immunité intestinale et à la tolérance. Les IgA sécrétoires contribuent à prévenir l'absorption des antigènes dangereux. L'induction de la réponse immunitaire intestinale débute avec la présentation des antigènes par des cellules spécialisées des plaques de Peyer et des ganglions lymphatiques mésentériques. De plus, la lamina propria intestinale représente le compartiment muqueux de régulation des réponses immunitaires, en particulier, avec les cellules T régulatrices (CD4⁺ CD25⁺) intervenant dans le maintien de l'homéostasie. Le réseau de cellules muqueuses T et B se développe après la naissance selon une séquence programmée, et est pratiquement achevé 7 semaines après la naissance. Le sevrage est associé à des changements dans la régulation des cellules lymphoïdes dans la muqueuse. Ainsi, des augmentations dans l'expression des cytokines pro- et anti-inflammatoires dans les lymphocytes intestinaux ont été observées après le sevrage. Les cellules épithéliales ont également été étudiées dans les échantillons intestinaux et in vitro. Ici, les profils de cytokines montrent que le sevrage induit une inflammation transitoire de la muqueuse. Des porcelets sevrés dans des conditions conventionnelles présentent une muqueuse plus épaisse que des porcelets élevés et sevrés en isolateurs. Les cellules de ces derniers montrent des niveaux de marqueurs d'activation légèrement supérieurs, reflétant probablement l'interaction des protéines étrangères dérivées du lait de bovin. Les résultats présentés dans cette synthèse démontrent que des efforts renouvelés sont nécessaires pour élucider les fonctions du système immunitaire intestinal chez le porc durant la période postnatale et au moment du sevrage, afin de fournir des critères de santé intestinale appropriés.

Key words: inflammation / intestinal immunity / mucosa / nutrition / pig / postnatal / weaning

Mots clés : Immunologie / intestin / porc / sevrage

Corresponding author: Hermann-Josef Rothkötter hermann-josef.rothkoetter@medizin.uni-magdeburg.de

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