Dissertation

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

Elisabeth Janecek

Migrationsverhalten von Toxocara-Larven und resultierende Transkriptregulation im

Zuge der Toxocara-Infektion des paratenischen Wirtes

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106525

title (engl.)

Migration pattern of Toxocara larvae and associated transcriptional changes during Toxocara-infection of the paratenic host

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/janeceke_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Toxocara canis und T. cati sind weltweit vorkommende, zoonotische Spulwürmer von Hunden und Katzen. In paratenischen Wirten, zu denen auch der Mensch zählt, weisen T. canis-Larven eine hohe Affinität zum zentralen Nervensystem (ZNS) auf und können somit die sogenannte Neurotoxokarose hervorrufen. Diese kann von einer Vielzahl von neurologischen Symptomen begleitet sein. Da T. cati-Larven bislang nur vereinzelt im Gehirn nachgewiesen wurden, werden T. canis-Larven als die hauptsächlichen Erreger der humanen Neurotoxokarose vermutet. Bisherige Studien bezüglich der T. canis- und T. cati-Larvenmigration im paratenischen Wirt lassen sich jedoch nur bedingt vergleichen, da die Larvenmigration von verschiedenen Faktoren wie dem infizierten Mausstamm sowie der Infektionsdosis beeinflusst wird. Des Weiteren sind die Pathomechanismen der T. canis- und T. cati-induzierten Neurotoxokarose sowie die Wirtsreaktion auf den jeweiligen Parasiten bislang nur unzureichend aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit erfolgte ein direkter Vergleich des Migrationsverhaltens von T. canis- und T. cati-Larven im paratenischen Wirtsmodell „Maus“ über den Infektionsverlauf, wobei das Hauptaugenmerk auf das ZNS gelegt wurde. Weiterhin wurde eine Microarray-Analyse der infizierten Mausgehirne durchgeführt, um molekulare Daten zur Wirtsreaktion auf den jeweiligen Parasiten zu generieren und zugrunde liegende Pathomechanismen aufzuklären. Für die Untersuchungen bezüglich der Larvenwanderung wurden C57Bl/6J (B6)-Mäuse mit je 2000 embryonierten T. canis- oder T. cati-Eiern infiziert. Des Weiteren wurde eine Infektionsgruppe von mit T. cati-infizierten Balb/c-Mäusen mitgeführt. An acht verschiedenen Zeitpunkten post infectionem (pi) wurden die Organe entnommen und die Larvenzahlen mittels mikroskopischer Untersuchung bestimmt. Hierbei wurde der Fokus auf das ZNS gelegt, was die Analyse von Großhirn und Kleinhirn, jeweils unterteilt in die rechte und linke Hemisphäre, sowie dem Rückenmark und den Augen inkludierte. Neurostrukturelle Schädigungen wurden in den Gehirnen aller Infektionsgruppen anhand histopathologischer Analysen charakterisiert. Für die Microarray-Analyse wurden B6-Mäuse wie beschrieben infiziert, die Groß- und Kleinhirne wurden an Tag 42 pi entnommen und für die weitere Verwendung prozessiert. Im Zuge des Infektionsverlaufs konnten signifikante Unterschiede in der Larvenverteilung zwischen sowie innerhalb der Infektionsgruppen beobachtet werden. Die Wiederfindungsraten von T. canis-Larven im Gehirn waren signifikant höher als die von T. cati-Larven, welche jedoch signifikant häufiger im Kleinhirn nachgewiesen wurden, während T. canis eine Präferenz zum Großhirn zeigte. Die strukturelle Schädigung war in T. canis-infizierten Gehirnen stärker ausgeprägt als in T. cati-infizierten Gehirnen. Die Microarray-Analyse bestätigte diese Ergebnisse, da eine höhere Anzahl an differentiell transkribierten Genen (DTGs) in T. canis- als in T. cati-infizierten Gehirnen identifiziert wurde. In beiden Infektionsgruppen resultierten die aufregulierten Gene hauptsächlich aus einer ausgeprägten Immunantwort. Des Weiteren wurden signifikante Anreicherungen von Genen in den Gene Ontonolgy (GO)-Kategorien „Sinneswahrnehmung“ sowie „Verhalten und Taxis“ festgestellt. Im Gegensatz hierzu waren abregulierte Gene in T. canis-infizierten Gehirnen in der GO-Kategorie „Lipid-/Cholesterinbiosynthetische Prozesse“ statistisch signifikant angereichert. Da Cholesterin ein wichtiger Bestandteil des Gehirns mit diversen Funktionen ist, können Synthesedysfunktionen und daraus resultierende Konzentrationsänderungen zu fehlerhafter Signalübertragung oder gar neurodegenerativen Krankheitsprozessen führen.

Der direkte Vergleich der Transkripte zeigte lediglich eine geringe Überschneidung der DTGs in den Gehirnen der T. canis- und T. cati-infizierten Mäusen, was die Unterschiede der Genregulierung zwischen beiden Infektionsgruppen verdeutlicht. Diese Daten betonen ebenfalls die offensichtlichen Unterschiede zwischen dem Migrationsverhalten von T. canis und T. cati auf molekularer Ebene.

Die in dieser Arbeit erhobenen Daten geben einen Einblick in die T. canis- bzw. T. cati-induzierte Neurotoxokarose im Sinne der Larvenmigration im paratenischen Wirt sowie dessen genregulatorische Reaktion auf die Parasitierung des Gehirns. Auch wenn T. cati-Larven weniger strukturelle Schäden im Gehirn verursachen und zudem eine schwächere Wirtsreaktion als T. canis-Larven hervorrufen, sollte ihr zoonotisches Potential nicht unterschätzt werden. Die vorliegende Arbeit bietet eine umfangreiche Grundlage für weitere Analysen des Infektionsverlaufs oder funktionelle Untersuchungen. Solche Folgestudien würden dazu beitragen, die Pathogenese der Neurotoxokarose detailliert zu charakterisieren und mögliche therapeutische Zielmoleküle zu identifizieren.

abstract (englisch)

Toxocara canis and T. cati are worldwide occurring roundworms of dogs and cats with a high zoonotic potential. Migrating larvae of T. canis in paratenic hosts, including humans, exhibit a strong affinity to the CNS and may cause neurotoxocarosis accompanied by a variety of neurological symptoms. T. cati larvae have been rarely found in nervous tissues, therefore, T. canis larvae are considered the causative agents of human neurotoxocarosis. However, direct comparison of previously published studies is not feasible as larval migration is influenced by a variety of factors like mouse strains and inoculation doses. Additionally, pathomechanisms of T. canis or T. cati induced neurotoxocarosis as well as host reactions towards the respective parasite have not been sufficiently examined. The present study aimed to directly compare T. canis and T. cati larval migration behaviour in the mouse as model for paratenic hosts with focus on the central nervous system (CNS) during the course of infection. Furthermore, microarray analysis of infected mouse brains was conducted to provide data on the molecular level for the characterization of host reactions towards T. canis- or T. cati-infection and to possibly elucidate underlying pathomechanisms. Microarray data also allows identification of differences between T. canis- and T. cati-infections on transcriptional level. For the examination of larval migration, C57Bl/6J (B6) mice were infected with 2000 embryonated T. canis and T. cati eggs, respectively. Additionally, Balb/c mice were infected with T. cati eggs. Obtained organs were microscopically examined to determine presence of larvae at eight time points post infectionem (pi). The main focus was put on the CNS which included analysis of larval distribution in cerebra and cerebella (divided in right and left hemispheres), spinal cord and eyes. Histopathological analysis of brains of all infection groups was conducted to characterize neurostructural damage. For microarray analysis, B6 mice were infected as described. Cerebra as well as cerebella were obtained day 42 pi and processed for further analysis. Significant differences in larval distribution were observed between and within the infection groups during the course of infection. Recovery rates of T. canis in the brain were significantly higher than those of T. cati larvae. Surprisingly, T. canis larvae were significantly more frequently found in cerebra of infected mice, whereas T. cati showed a preference to cerebella. Structural damage in brain tissue was most severe in T. canis-infected mice, even though observed in all infection groups during the course of infection. Microarray analysis underlined these differences and resulted in more differentially transcribed genes (DTGs) for T. canis- than T. cati-infected brains. A strong immune reaction in terms of up-regulated immune associated genes was observed in both infection groups with the most prominent up-regulation observed in T. canis-infected brains. Additionally, genes associated with the Gene Ontology (GO) terms “sensory perception” as well as “behaviour/taxis” were significantly enriched. In contrast, significant enrichment of the biological module “lipid/cholesterol biosynthetic process” was observed in down-regulated genes of T. canis-infected brain regions. Cholesterol is a highly abundant component of the brain and has been assigned to several functions. Dysfunction of cholesterol synthesis and resulting concentration changes may lead to disturbances in signal transduction or even neurodegenerative disease.

Direct comparison of transcriptional changes revealed only minor DTG overlap between brains of T. canis- and T. cati-infected mice. This demonstrates major differences in gene regulation between the infection groups, additionally underlining the evident differences between T. canis and T. cati larval behaviour as observed previously on a molecular level.

Overall, obtained data provides insights into T. canis and T. cati induced neurotoxocarosis in terms of larval behaviour within the paratenic host as well as the host’s reaction towards migrating or arrested larvae in the brain on a transcriptional level. Even though to a lesser extent than T. canis, T. cati larvae are able to cause structural damage and provoke a well detectable host reaction towards migrating larvae. Therefore, T. cati should not be underestimated as a zoonotic agent. Microarray data delivers a comprehensive basis for future analyses over the course of infection as well as functional tests to identify gene regulatory circuits that are crucial for pathogenesis of neurotoxocarosis. Such further analyses will allow a detailed characterization of the pathogenesis of neurotoxocarosis and help to identify potential therapeutic targets.

keywords

Toxocara spp., Neurotoxokarose, Microarray-Analyse, paratemic host, microarray analysis, neurotoxocarosis

kb

207