Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Vanessa Herder

 

Characterization of Schmallenberg virus-induced pathology in aborted and neonatal ruminants

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103075

title (ger.)

Charakterisierung von Schmallenberg-Virus-induzierten pathologischen Veränderungen bei abortierten und neonatalen Wiederkäuern

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/herderv_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Bei dem Schmallenberg-Virus (SBV) handelt es sich um ein neues, in Europa auftretendes Orthobunyavirus, das milde klinische Symptome bei adulten Kühen hervorruft und Missbildungen bei abortierten und neugeborenen Wiederkäuern verursacht. Das SBV gehört zur Familie der Bunyaviridae und wird durch blutsaugende Insekten übertragen. Zum ersten Mal wurde das Virus im November 2011 mittels Metagenomanalyse in Blutproben von infizierten, adulten Kühen nachgewiesen, die aus Nordrhein-Westfalen nahe der Stadt Schmallenberg (Deutschland) stammten. Seit dieser Zeit hat sich das Virus großflächig über viele Länder Europas ausgebreitet. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Pathologie dieser neuen Erkrankung in neugeborenen, natürlich infizierten Schaf- und Ziegenlämmern sowie Kälbern zu charakterisieren. Bei dieser Untersuchung standen insbesondere die Veränderungen des zentralen Nervensystems (ZNS) im Vordergrund. Hierfür wurden die makroskopischen Veränderungen von SBV-positiv getesteten und aus Nordrhein-Westfalen stammenden Wiederkäuern, die abortiert, totgeboren oder perinatal verstorben waren, untersucht. Darüber hinaus wurde eine immunhistologische Phänotypisierung der ZNS-Läsionen durchgeführt und die Verteilung des Virus im ZNS bestimmt. Die Ergebnisse dieser Studie wurden mit Veränderungen von nahe verwandten Viren, wie dem Akabane- oder Aino virus und anderen teratogenen Viren, verglichen.

Die Ergebnisse der makroskopischen Untersuchung von SBV-infizierten, neonatalen Wiederkäuern ergaben, dass Arthrogrypose, Brachygnathia inferior und Verkrümmungen der Wirbelsäule häufige Missbildungen darstellen. Im ZNS traten als häufige Malformationen ein Hydrocephalus internus, eine Por- und Hydranenzephalie sowie eine Kleinhirnhypoplasie auf. Bei Kälbern und Schaflämmern wurde zusätzlich eine Mikromyelie diagnostiziert.

Insgesamt ist die Prävalenz einer Entzündung des ZNS bei natürlich mit SBV-infizierten Aborten und Neonaten gering. Sie kommt bei Kälbern in 2,9% und bei Lämmern in 28,3% der Fälle vor. Die Entzündung des ZNS stellt sich als eine lymphohistiozytäre, perivaskulär-akzentuierte Meningoenzephalomyelitis dar. Durch die Immunphänotypisierung der Entzündungszellen wurde festgestellt, dass es sich in erster Linie um CD3-positive T-Zellen handelt, in geringerem Maße fanden sich CD68-positive Mikroglia/Makrophagen und CD79α-positive B-Zellen in Gehirn und Rückenmark. Das Mesenzephalon sowie der Temporal- und Parietallappen stellten die am häufigsten von einer Entzündung betroffenen Gehirnregionen dar. Darüber hinaus fanden sich im gesamten ZNS von natürlich-infizierten, abortierten und neonatalen Wiederkäuern neuronale Nekrosen, Gliose und Glia-Knötchen. Aus diesem Grund handelt es sich beim Mesenzephalon, dem Temporal- und Parietallappen, aus diagnostischer Sicht, um repräsentative Gewebeproben zur Detektion einer SBV-induzierten Enzephalitis.

Die histopathologische Untersuchung des ZNS im Bereich von Missbildungen, wie einer Porenzephalie, zeigte eine kortikale Atrophie mit Demyelinisierung, Axonopathie, Gitterzellinfiltrationen sowie Mineralisierungen und eine Hämosiderose als typische Veränderungen. Diese Befunde gehen vermutlich auf den SBV-induzierten Gewebeuntergang zurück. Als Folge von länger zurück liegenden Blutungen wurde der Nachweis von Eisen in Bereichen von Gewebszerstörung interpretiert. Granula bestehend aus von Kossa-positivem Material stellen wahrscheinlich eine dystrophische Verkalkung aufgrund einer virus-induzierten Zerstörung des ZNS-Parenchyms dar.

Die höchsten Mengen an Virusprotein wurden immunhistologisch im Mesenzephalon sowie im Temporal- und Parietallappen mit Entzündung und Missbildungen nachgewiesen. Diese Befunde könnten darauf hinweisen, dass virale Antigene die Entzündung im Mesenzephalon auslösen und die Bildung einer Porenzephalie durch einen virus-induzierten Gewebeuntergang im Großhirn verursachen. Weiterhin wurde festgestellt, dass Missbildungen wie eine Porenzephalie im ZNS auch ohne Entzündung auftreten können; daher wird vermutet, dass es eine weitere, unabhängige Ursache für die Entzündung geben muss. Dies sollte in weiterführenden Studien untersucht werden. Dabei sollte allerdings berücksichtigt werden, dass dem Zeitpunkt der Infektion und dem Immunstatus des Fetus eine besondere Rolle bei der Entwicklung einer Entzündung im ZNS zukommen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die pathologischen Befunde der natürlich-vorkommenden SBV-Infektion abortierter und neonataler Wiederkäuer eine hohe Analogie zu Läsionen bei anderen Viruserkrankungen aus der Familie der Bunyaviridae aufweisen. Dabei sind insbesondere die Missbildungen, wie Arthrogrypose, Verkrümmungen der Wirbelsäule, eine Hydran- und Porenzephalie sowie die Kleinhirnhypoplasie, zu nennen. Darüber hinaus weisen die Tatsachen, dass SBV durch blutsaugende Insekten übertragen wird, Erkrankungen bei Schafen, Kühen und Ziegen auslöst und Missbildungen in der Nachkommen-Generation verursacht, darauf hin, dass Parallelen zur Pathogenese des Akabane- und Aino virus bestehen. Aus diesen Gründen kann der Begriff „Arthrogrypose-und Hydranenzephalie-Syndrom“ auch bei SBV-positiven Feten mit Missbildungen angewendet werden. Dementsprechend sollte das Virus differentialdiagnostisch in die Liste der teratogenen Viren in Europa eingefügt werden.

 

abstract (englisch)

Schmallenberg virus (SBV) is a novel Orthobunyavirus causing mild clinical signs in cows and is responsible for malformations in aborted and neonatal ruminants in Europe. SBV belongs to the family Bunyaviridae and is transmitted by biting midges. This new virus was identified for the first time by metagenomic analysis in blood samples of cows next to the German city Schmallenberg in North-Rhine Westphalia in November 2011. Since then the virus spread to several European countries. The aim of the present thesis was to characterize the pathology of this new disease in naturally infected sheep lambs, goat kids and calves with special focus on the central nervous system (CNS). Therefore, gross findings of SBV-positive, stillborn, aborted neonates or animals dying in the perinatal period originating from North-Rhine Westphalia were determined. In addition, histopathological CNS lesions were investigated, immunophenotyped and virus distribution was studied. Subsequently, results were compared to lesions described for closely related viruses, like AKV.

Gross examination of SBV-infected aborted and neonatal ruminants frequently revealed arthrogryposis, brachygnathia inferior and deformities of the vertebral column. The CNS of affected animals often showed malformations like internal hydrocephalus, por- and hydranencephaly and cerebellar hypoplasia. Calves and sheep lambs also displayed micromyelia. The prevalence of CNS inflammation in naturally infected animals was low, namely 2.9% in bovine and 28.3% in ovine cases. The inflammation was characterized by a lymphohistiocytic, perivascular accentuated meningoencephalomyelitis. Immunophenotyping revealed that CD3-positive T cells outnumbered CD68-positive microglia/macrophages and CD79α-positive B cells in brain and spinal cord. Mesencephalon, temporal and parietal lobes were the most frequently affected brain regions by inflammation indicating that these are suitable areas for diagnostic purposes. In addition, neuronal necrosis, gliosis and glial nodules were diffusely present in naturally SBV-infected aborted and neonatal ruminants. Typical histopathological findings adjacent to porencephaly were cortical atrophy with demyelination, axonal loss, astrogliosis, Gitter cell formation, mineralization and hemosiderosis. These findings were interpreted as secondary events due to a SBV-induced cell injury. Iron deposition in areas of tissue destruction was interpreted as remnants of hemorrhages and von Kossa-positive material putatively represents dystrophic mineralization as a consequence of virus-induced tissue destruction.

Inflamed areas in the mesencephalon and malformed temporal and parietal lobes contained the highest SBV protein levels as shown by immunohistochemistry. These findings indicate that viral antigen may trigger the inflammation in the mesencephalon leading to tissue loss and porencephaly in the cerebral cortex. Interestingly, the development of inflammation seemed to develop independently from formation of deformities in the CNS. However, its mechanism needs to be investigated in further studies. It has to be considered, that the time point of infection and the immune status of the fetus play important roles in the development of inflammation in the CNS.

Summarized, pathological findings of the naturally-occurring SBV-infection in aborted and neonatal ruminants showed an analogy to lesions caused by other viruses of the Bunyaviridae family in terms of gross findings like arthrogryposis, por- and hydranencephaly, cerebellar hypoplasia and deformities of the vertebral column. Similarly to Akabane and Aino virus, SBV is transmitted by insects, affects sheep, cattle and goats and caused mainly pathology in offspring. Therefore, the term ‘arthrogryposis and hydranencephaly syndrome’ is also appropriate for SBV-infected animals with malformations and this virus has to be added to the list of teratogenic viruses in Europe

 

keywords

Schmallenberg Virus, Pathologie, zentrales Nervensystem, Schmallenberg virus, pathology, central nervous system

kb

3.529