Dissertation

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

Martin Kaatz

Ausbreitung der klassischen BSE-Prion-Erreger vom Darm über das periphere Nervensystem zum Gehirn

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-105618

title (engl.)

Spread of classic BSE-Prions from the gut via the peripheral nervous system to the brain

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kaatzm_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Wie für die anderen Vertreter der Transmissiblen Spongiformen Enzephalopathien (TSE) gilt auch für die bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) die Prion-Hypothese, die von einem pathologischen Prion-Protein (PrPSc) als Erreger ausgeht. Dabei ist die Pathogenese der BSE im natürlichen Wirt weitestgehend ungeklärt und die derzeitigen Annahmen basieren zum Großteil auf Erkenntnissen aus Versuchen an anderen Spezies. Die am Friedrich-Loeffler-Institut initiierte deutsche BSE-Pathogenesestudie umfasste neben 18 Kontrolltieren 56 oral inokulierte Rinder. In einem viermonatigen Rhythmus wurden jeweils vier Tiere aus dem Versuch genommen und seziert. Von zwei Rindern an acht Sektionszeitpunkten (insg. 16 Tiere, 16 bis 44 Monate post infectionem [mpi]) wurden neben Gewebeproben des zentralen Nervensystems (ZNS) sympathische und parasympathische Proben aus dem peripheren Nervensystem (PNS) und des Ileums analysiert. Der ausgewählte Untersuchungszeitraum umfasste mehrheitlich präklinische Tiere, um die zentripetale neuronale Ausbreitung des pathologischen Prion-Proteins vom Darm zum Gehirn aufzuklären.

Als Nachweisverfahren zur Detektion des BSE-assoziierten Agens kamen mit der Immunhistochemie (IHC) und dem Maus-Biosassay (Maus-BA) zwei Methoden mit unterschiedlichen Strategien zum Einsatz. Mittels IHC werden die mikroskopisch lokalisierbaren PrPSc-Ablagerungen nachgewiesen. Die Hämatoxylin-Eosin- (HE) Färbung dient in der TSE-Diagnostik zum Nachweis spongiformer Enzephalopathien als auch zum Nachweis möglicher pathologischer Veränderungen. Der hochsensitive Maus-Bioassay ermöglicht Aussagen über den Erregergehalt von intrazerebral in transgene Mäuse inokulierten Gewebeproben. Die Gehirne klinisch erkrankter Mäuse wurden anschließend biochemisch auf PrPSc-Akkumulationen als Nachweis einer BSE-Infektion hin untersucht.

Jedes in dieser Untersuchung analysierte Rind war mindestens in einer der untersuchten Proben positiv. Klinische Symptome einer BSE-Erkrankung waren bei zwei Rindern (36 und 44 mpi) eindeutig zu beobachten, bei einem Tier (44 mpi) bestand ein Verdacht auf eine ZNS-Erkrankung und vier Rinder (32 bis 40 mpi) wiesen unspezifische Krankheitsbilder auf. Bei neun Rindern ließen sich bis hin zu 40 mpi keine klinischen Symptome nachweisen.

In der Medulla oblongata des Gehirns waren BSE-Erreger frühestens nach 24 mpi und PrPSc-Ablagerungen erstmals ab 28 mpi detektierbar. Der früheste Nachweis im Rückenmark erfolgte bei einem Tier 16 mpi (Maus-BA) bzw. 28 mpi (IHC). Die histopathologische Untersuchung des ZNS wies bei sieben Tieren ab 32 mpi eine spongiforme Enzephalopathie auf. Bei dem Versuch, eine Assoziation zwischen den Ergebnissen der IHC, den histopathologischen und den klinischen Untersuchungen herzustellen, schien eine Verbindung zwischen PrPSc-Ablagerungen und dem Auftreten einer spongiformen Enzephalopathie zu bestehen.

Für eine zuverlässige Bestimmung des zentripetalen Ausbreitungsweges wurden ausschließlich Proben von Rindern ausgewertet, bei denen PrPSc oder der BSE-Erreger im PNS, aber noch nicht im ZNS nachweisbar waren. So konnte eine terminale zentrifugale Ausbreitung ausgeschlossen werden. Das eine solche Ausbreitung sehr schnell nach dem Befall des Gehirns beginn kann, zeigt der erstmalige PrPSc-Nachweis im Ggl. trigeminale bei nur geringgradigen PrPSc-Akkumulation im Obex (IT 25, 40 mpi). In dieser Studie konnte erstmals bei sechs Tieren (16-28 mpi) BSE-Erreger im PNS deutlich vor dem initialen Nachweis in der Medulla oblongata detektiert werden. Von diesen Tieren waren vier im gemischtfaserigen Ggl coeliacum positiv. Interessanterweise ließ sich bei beiden Rindern 16 mpi sowie bei einem weiteren Tier 28 mpi ausschließlich in den sympathischen Geweben des Ggl. cervicale craniale, Nn. splanchnici bzw. des Ggl. stellatum BSE-Erreger detektieren. Im Gegensatz dazu waren 20 mpi lediglich parasympathische Anteile (Ggl. nodosum, N. vagus) betroffen. Unabhängig von diesen Befunden konnte in zahlreichen Ganglien/Nerven eine geringgradige lymphohistiozytäre Ganglioneuritis festgestellt werden.

Die Vermutungen bisheriger Studien zur zentripetalen Ausbreitung des BSE-Agens anhand parasympathischer und sympathischer Nerven konnten mit den Ergebnissen dieser Arbeit zweifelsfrei nachgewiesen werden. Allerdings stellt die dominante und bemerkenswert frühe Beteiligung des Sympathikus eine neue Erkenntnis dar. Hierbei ist besonders das Ggl. cervicale craniale herauszustellen, das anatomisch und funktionell Verbindungen zu einer Vielzahl von Gehirnerven besitzt. Somit könnte diesem Ganglion eine entscheidende Bedeutung beim Übergang der BSE-Erreger aus dem PNS in die unterschiedlichen Kerngebiete des Gehirns zukommen. Das Rückenmark, welches bisher neben den N. vagus als ein primäres zentripetales Ausbreitungsorgan betrachtet wurde, scheint dagegen lediglich einen zusätzlichen Weg darzustellen. Da alle hier untersuchten Tiere eine Beteiligung des PNS/ZNS zeigten, liegt die initiale Infektion peripherer Nerven vor dem 16. Monat p.i.. Dies macht weitere Untersuchungen von Tieren mit einer geringeren Inkubationszeit notwendig.

 

abstract (englisch)

Like other members of the transmissible spongiform encephalopathies (TSE) the prion-hypothesis is also considered for Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) with a pathological prion protein (PrPSc) as the infectious agent. The pathogenesis of BSE is not well understood and is based mainly on data from other species. Therefore, the Friedrich-Loeffler institute initiated a trial including 56 orally infected cows and 18 control animals. Every four month four animals were euthanized and a necropsy was performed. From in total 16 cows at the time period between 16 and 44 months post infectionem (two cows at each necropsy date) tissue samples from the central nervous system (CNS), sympathetic and parasympathetic parts of peripheral nervous system (PNS) and the ileum were examined. The animals (mpi) included primarily pre-clinical animals to clarify the centripetal spread of the pathological prion protein from the gut to the brain.

Two different strategies, the immunhistochemistry (IHC) and a mouse bioassay (mouse-BA), were chosen as detection methods. The IHC detects PrPSc and enabled the analysis of the cellular structures involved. The hematoxylin-eosin (HE) staining revealed pathological diagnostics and a potential association to BSE. The highly sensitive mouse-BA detected the infectious potential of the examined tissues. These transgenic mice were over-expressing the physiologic bovine Prion protein which made them highly susceptible to a BSE-infection. After an intracerebral inoculation a biochemical method (Immunoblot) was used to detect PrPSc in the brain of clinical affected mice.

At least one positive result for the examined samples was established for every animal of this study. Clinical signs were definitively observed for two cows (36 and 44 mpi), one animal was presumptively affected with BSE and four showed an unspecific disease pattern (32 to 44 mpi).

At the medulla oblongata of the brain we detected infectivity by the mouse-BA initially at 24 mpi and PrPSc accumulations by IHC at 28 mpi. For the spinal cord the earliest evidence was found 16 mpi by the mouse bioassay and 28 mpi with the IHC. The histopathologic examination showed a spongiform encephalopathy for seven cows after 32 mpi. An association between the revealed results was only established for the PrPSc accumulation and the occurrence of a spongiform encephalopathy.

For a reliable determination of the centripetal route it is mandatory to examine animals prior to an involvement of the brain. The first detection of PrPSc at the Ggl. trigeminale was accompanied by a mild PrPSc accumulation at the Obex (IT 25, 40 mpi). Therefore this ganglion could indicate a fast centrifugal spread. For the first time this study detected BSE infectivity in the PNS well before the initial involvement of the Medulla oblongata in six animals. Four of these cows were positive at the Ggl. coeliacum, which contains both sympathetic and parasympathetic fibers. Interestingly, both animals at 16 mpi and one animal 28 mpi showed infectivity exclusively in the sympathetic tissues of the Ggl. cervicale craniale, Nn. splanchnici and Ggl. stellatum respectively. In contrast, in two animals examined at 20 mpi, only parasympathetic tissues (Ggl. nodosum, N. vagus) revealed positive results. Irrespective of these findings a mild lymphohistocytic ganglioneuritis was observed in multiple ganglia and nerves.

In agreement with previous reports, the results of this study showed the centripetal spread of the BSE-agent along parasympathetic and sympathetic nerves. However, the dominant and early involvement of the sympathetic nervous system is novel. In this regard, the Ggl. cervicale craniale has to be emphasized in terms of its anatomical and functional connections to multiple cranial nerves. Therefore, this ganglion could be considered to play a crucial role for the spread of the BSE-agent from the PNS to the different nuclei of the brain. Besides the N. vagus, hitherto the spinal cord was considered to be involved in the primary centripetal spread of the agent, but our results indicate that this is likely an additional pathway. Because all animals showed positive findings in the PNS/CNS the definitive determination of the initial onset of the centripetal spread cannot be confidently ascertained and further investigations are warranted.

keywords

BSE, Prion, Pathogenese, patjogenesis 

kb

2.582