Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary
Medicine Hannover / Library
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Katharina Kramer |
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Experimentelle
Infektion von TNFα-transgenen Mäusen Charakterisierung der Entzündungsreaktion und der Virusreplikation |
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NBN-Prüfziffer |
urn:nbn:de:gbv:95-93548 |
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title (engl.) |
Experimental Infection of TNFα-transgenic Mice with
the Borna Disease Virus – Characterization of the Inflammatory Reaction
and Viral Replication |
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publication |
Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2006 |
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text |
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abstract (deutsch) |
Es war Ziel dieser Arbeit, den Einfluss des proinflammatorischen
Zytokines Tumor Nekrose Faktor-α
(TNF) auf die Klinik, Entzündungsreaktion und Virusausbreitung nach
experimenteller Infektion von Mäusen mit dem neurotropen
Virus der Bornaschen Krankheit (BDV) zu untersuchen. Dazu wurden TNF-transgene Mäuse mit einer moderaten neuronalen TNF-Überexpression und nicht-transgene
Tiere gleichen genetischen Hintergrunds neonatal
mit einer mausadaptierten BDV-Präparation intrazerebral
infiziert. Durch den Einsatz homo- und heterozygot transgener
Tiere konnten unterschiedlich hohe TNF-Level im
Gehirn erzeugt und verglichen werden. Zur Durchführung dieser Studie wurde zunächst die Comparative
Quantitation real time-Polymerase Kettenreaktion etabliert,
um die Nachzucht der Mauspopulation in drei Mausgruppen, nicht-transgen,
hetero- und homozygot transgen, einordnen zu
können. Die Tiere wurden wöchentlich klinisch-neurologisch untersucht. Nach
der Sektion wurden die pathohistologischen
Veränderungen der Mäusegehirne ausgewertet und immunhistologisch das virale Nukleoprotein (BDV-N)
und Glial Fibrillary
Acidic Protein (GFAP)-reaktive Astrozyten dargestellt. An ausgewählten Zeitpunkten wurde
die Expression des viralen Matrix- (BDV-M) und Glykoprotein (BDV-GP) ebenfalls mit Hilfe von
Immunhistologie untersucht. Mittels in situ Hybridisierung und quantitativer Reverser
Transkriptase-Polymerase Kettenreaktion (qRT-PCR) wurde die Verteilung und Anzahl verschiedener virale RNAs (ssBDV-N, ssBDV-Intron I, ssBDV-GP) analysiert. Weiterhin wurden die
Entzündungszellen in den Gehirnen der BDV-infizierten
Mäuse immunhistologisch näher charakterisiert. Aus nativem Gehirnmaterial
wurde infektiöses Virus isoliert und der Nachweis von virusspezifischen
Antikörpern erfolgte serologisch. Abschließend wurde das Vorhandensein
entzündlicher Läsionen und die zentrifugale
Ausbreitung des Virus in die Augen histologisch, immunhistologisch und
mittels in situ Hybridisierung
untersucht. Zwischen den drei BDV-infizierten Mausgruppen
ergaben sich bei den klinisch-neurologischen Tests lediglich dezente
Unterschiede. Auffällig waren die deutlichen, teils signifikant geringeren
Gewichtszunahmen der BDV-infizierten Tiere im
Vergleich zu den mock-infizierten Mäusen und die
geringere Zunahme der transgenen Tiere im Vergleich
zu den nicht-transgenen Tieren. In den Gruppen der transgenen BDV-infizierten
Tiere traten spontane, epileptiforme Krämpfe auf,
die bei ntg Mäusen nicht beobachtet wurden. Die
homozygoten transgenen Tiere zeigten diese häufiger
und schon ab 21 Tagen post infectionem (p.i.), während bei den heterozygoten transgenen
Mäusen die Krämpfe erst ab 42 Tagen p.i. beobachtet
wurden. In allen drei BDV-infizierten Mausgruppen
konnte eine disseminierte Ausbreitung der viralen Proteine BDV-N und BDV-M im Gehirn festgestellt
werden, eine BDV-GP Expression dagegen war nur in einzelnen Neuronen in
einigen Gehirngebieten nachweisbar. Auf Proteinebene konnte hinsichtlich der
Ausbreitung, Zelltropismus und intrazellulärer
Lokalisation der Virusantigene zwischen den drei Mausgruppen kein Unterschied
festgestellt werden. Die in situ Hybridisierung (ISH) und qRT-PCR
ergaben hingegen Hinweise auf eine unterschiedliche Regulierung der Replikation und Ausbreitung des BDV bei nicht-transgenen und transgenen
Mäusen. Die genomische RNA war bei nicht-transgenen Tieren in einer signifikant ansteigenden
Anzahl von Zellen über den Untersuchungszeitraum nachweisbar, wogegen in
beiden transgenen Mausgruppen die Anzahl RNA-haltiger Zellen in diesem Zeitraum nahezu konstant
blieb. Die positiv orientierten RNAs, im
wesentlichen die jeweilige virale mRNA, zeigten bei nicht-transgenen
Tieren ebenfalls eine stete Zunahme RNA-haltiger
Neurone in der ISH, während mittels qRT-PCR relativ
konstante Kopienzahlen am 21. und 42. Tag p.i.
quantifiziert wurden. Bei beiden transgenen
Mausgruppen war hingegen eine nahezu konstante Anzahl BDV-RNA positiver
Zellen zu beobachten, jedoch waren quantitativ differierende Werte zwischen
21 und 42 Tagen p.i. messbar. Die intrazelluläre
Verteilung der mRNAs gab Aufschluss über
potentielle Regulationsmechanismen der Transkription und zeigte, dass bei
Mäusen sowohl ungespleißte als auch gespleißte Virus-RNA aus dem
Zellkern exportiert werden kann. Die Diskrepanz zwischen hoher Trankriptexpression und restriktiver Expression des
Proteins BDV-GP, weißt auf eine Restriktion der Translation
und möglicherweise anteilige Retention der ungespleißten
RNA im Zellkern hin. Die geringen Mengen von Antigenom in allen drei
Mausgruppen weisen ebenfalls auf eine strikte regulierte Virusreplikation
hin, was möglicherweise eine der Strategien darstellt über die das BDV eine persistierende Infektion des ZNS etablieren kann.
Infektiöses Virus konnte jedoch aus Gehirnen aller drei Mausgruppen 28 und 49
Tage p.i. isoliert werden. In Bezug auf die Entzündungsreaktion konnte eine deutliche Korrelation mit
dem transgenen Status der Tiere festgestellt
werden. Die nicht-transgenen Tiere zeigten eine geringgradige Entzündungszellinfiltration ohne Progression
im Verlauf der Studie, dagegen war in beiden transgenen
Mausgruppen ein signifikanter Anstieg der Meningoenzephalitis
mit Läsionen vorwiegend in den TNF-exprimierenden
Arealen und korrespondierender Astrogliose und Mikrogliaaktivierung festzustellen. Auffällig waren im
Ammonshorn trotz hoher Transgen-Expression meistens
nur dezente Entzündungszellinfiltrate.
Interessanterweise war auch bei den nicht-transgenen
BDV-infizierten Tieren trotz geringer
Entzündungszellinfiltration eine deutliche Astrogliose
zu beobachten. Die TNF-Überexpression zeigte zwar
einen Einfluss auf die Ausprägung der Entzündung, nicht aber auf die
qualitative Beteiligung der einzelnen Immunzellpopulationen. Unter den
eingewanderten, perivaskulären Entzündungszellen
waren in allen drei Mausgruppen vor allem T-Zellen und Makrophagen
sowie B-Zellen zu finden. Die Klassifizierung der T-Zellen ergab eine 5- bis
7,5-fache Dominanz der CD4+ gegenüber den CD8+
T-Zellen, unabhängig vom transgenen Status der
Tiere. Parenchymal waren vor allem bei den transgenen Mausgruppen insbesondere einzelne CD3+
und CD4+ T-Zellen zu finden. Bei Untersuchung des Auges konnte in allen drei Mausgruppen eine anterograde Ausbreitung des BDV über den N. opticus in die Retina festgestellt werden, entzündliche
oder degenerative Veränderungen fehlten. Die vorliegende Studie weist daraufhin, dass eine TNF-Überexpression
bei BDV-infizierten Mäusen epileptiforme
Krämpfe induziert. Diese stehen vermutlich mit der signifikant stärkeren
Entzündungsreaktion und korrespondierender Mikrogliaaktivierung
im Zusammenhang. Die TNF-Überexpression hatte
jedoch keinen Einfluss auf die qualitative Zusammensetzung der Entzündungszellinfiltrate. In diesem Mausmodell ergaben
sich Hinweise auf regulierte virale Strategien zur
Ausbreitung, Replikation und Persistenz, die in
vergleichbarer Weise bei transgenen und nicht-transgenen Tiere zu beobachten waren, sich jedoch
anhand der generell geringen Anzahl RNA-haltiger
Zellen bei transgenen Tieren unterschieden. |
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abstract (englisch) |
The aim of the study was to analyze the influence of the
proinflammatory cytokine tumor necrosis factor-α (TNF) on the clinical
outcome, the inflammatory reaction and the viral spread of mice
experimentally infected with the neurotropic Borna Disease Virus (BDV).
TNF-transgenic mice with a moderate neuronal TNF-overexpression and non-transgenic neonatal animals with the same
genetic background were infected intracerebrally with a mouse adapted
BDV-strain. The influence of different TNF expression levels in mice brain on
the course of BDV-infection was investigated using homo- and heterozygous
transgenic animals. The comparative quantification real time-polymerase chain reaction was
established to differentiate the mice into the three groups (non-transgenic, hetero- and homozygous
transgenic). Clinical and neurological examinations were carried out weekly.
After necropsy, the mice brains were analyzed for the presence of
pathohistological lesions. The viral nucleoprotein (BDV-N) expression and
glial fibrillary acidic protein (GFAP)-reactive astrocytes were visualized
using immunohistochemistry. At selected time points p.i., the viral matrix-
(BDV-M) and glycoprotein (BDV-GP) expression was examined additionally
immunohistochemically. Furthermore, in situ hybridization (ISH) and
quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (qRT-PCR)
analysis were carried out to study the distribution and amount of different
viral RNAs (ssBDV-N, ssBDV-G, ssBDV-Intron I) in BDV-infected mice brains of
all mice groups. In addition, invading immune cells were characterized by
immunohistochemistry. Infectious virus was isolated from brain tissue and
presence of virus specific antibodies was analyzed serologically. Finally,
the occurrence of inflammatory lesions and centripetal spread of BDV into the
eyes was analyzed using histology, immunohistochemistry and in situ hybridization.
The clinical-neurological examinations revealed only mild differences
between the three mice groups. Notably, significantly lower weight gain was
found in BDV-infected non-transgenic mice compared to mock-infected animals.
Furthermore, transgenic
mice displayed a
lower weight gain compared
to their non-transgenic counterparts. Spontaneous epileptic seizures were
observed exclusively in BDV-infected transgenic
animals. These seizures appeared more frequently in homozygous transgenic
mice starting at 21 days post infection (dpi). In contrast, seizures started
at 42 dpi in heterozygous transgenic animals. The viral proteins BDV-N and BDV-M showed a disseminated distribution
within the brain in all three BDV-infected mice groups, whereas BDV-GP
expression was restricted to few neurons in selected brain areas. On the
protein level, no differences between the mice groups were found with regard
to viral spread, cell tropism and subcellular location. However, in situ hybridization (ISH) and qRT-PCR indicated a
regulated replication and spread of BDV on RNA-level in non-transgenic and
transgenic mice. In non-transgenic animals, the genomic RNA was detected in
increasing amounts of cells up to 42 dpi, whereas both transgenic mice groups
showed a constant number of RNA containing cells over the investigation
period. The positive orientated RNAs, mainly the mRNAs encoding for the
different viral proteins, displayed likewise an increase of cells containing
RNA in non-transgenic mice, while the qRT-PCR revealed nearly constant copy
numbers 21 and 42 dpi. In contrast, both transgenic mice groups showed nearly
constant numbers of cells containing RNA up to 42 dpi, whereas the qRT-PCR
revealed varying quantities at 21 and 42 dpi in both transgenic mice groups.
The intracellular mRNA distribution suggested mechanisms for regulated +ssRNA
expression, demonstrating the ability to export unspliced as well as spliced
viral RNA into the cytoplasm in mice brain. The high load of viral GP mRNA in
contrast to low GP-Level indicated a strict regulation of BDV-GP translation.
The low amounts of antigenomic RNA in all three groups displayed a tightly
regulated viral replication. This might be a strategy of BDV to establish
persistent infection in the CNS. However, infectious virus was isolated from
mice brains of all three groups. The inflammatory reaction correlated strongly with the transgene
status of the animals. Non-transgenic mice showed a mild immune cell
infiltration without progression during the investigation period. In
contrast, the inflammatory reaction in both TNF-overexpressing transgenic
mice groups caused a progressive severe nonpurulent meningoencephalitis with
astrogliosis and activation of microglia. Despite a high
transgene-expression, only a minimal inflammatory reaction was present in the
hippocampus. Interestingly, an astrogliosis was observed also in
non-transgenic mice despite only mild inflammatory lesions.
TNF-overexpression correlated with the degree of the meningoencephalitis, but
not with the qualitative composition of the immune cell infiltrates. The
invading cells consisted mainly of T-cells, macrophages and B-cells. The
characterization of the T-cells revealed a 5- to 7,5-fold higher amount of
CD4+ compared to CD8+ T-cells in perivascular
infiltrates regardless of the transgene status. In the parenchyma, few CD3+
and CD4+ T-cells were found predominantly in transgenic mice. In
all three BDV-infected mice groups, a retrograde viral spread via the N.
opticus into the retina was observed. The virus spread was not associated
with inflammatory or degenerative alterations.
The presented study demonstrated that TNF-overexpression led to epileptic
seizures in BDV-infected transgenic
mice, which were associated with a severe inflammatory reaction and
microglial activation. The TNF-overexpression itself did not modify the
qualitative composition of inflammatory infiltrates but only the total number
of invading immune cells. Furthermore, the data indicated tightly regulated
viral strategies concerning the viral spread, replication and persistence
which were present comparably in transgenic and
non-transgenic animals, but differed regarding
the limited numbers of cells containing viral RNAs in transgenic mice. |
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keywords |
Borna TNF Maus, mice, BDV, transgenic |
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kb |
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