Dissertation

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

Muhammad Nadeem

Susceptibility of goats to the BSE agent with special emphasis on the neuropathogenesis

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107485

title (ger.)

Die Empfänglichkeit von Ziegen gegenüber BSE unter besonderer Berücksichtigung der Neuropathogenese

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/nadeemm_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Transmissible spongiforme Enzephalopathien (TSEs) stellen eine Gruppe progressiver Erkrankungen des Nervensystems von Tieren und Menschen dar, deren Neuropathologie typischerweise durch spongiforme Veränderungen in der grauen Substanz, eine Astrogliose sowie einen neuronalen Verlust charakterisiert ist. Im Hinblick auf die Pathogenese werden diese Alterationen durch die Akkumulation einer abnormalen und infektiösen Isoform (PrPSc) des von Wirtszellen gebildeten Prionproteins (PrPC) initiiert.

Seitdem die Übertragbarkeit der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) auf den Menschen in Form einer Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK) bekannt ist, besteht ein großes, öffentliches Interesse an der Erforschung dieser Erkrankung. Neben dem Rind besteht in der jüngsten Zeit zunehmend ein wissenschaftliches Interesse an der Erforschung von BSE bei kleinen Wiederkäuern. Beispielsweise wurde im Vereinigten Königreich und Frankreich eine Infektion von Ziegen mit BSE nachgewiesen.

Unter den verschiedenen TSEs stellt die Scrapie (Traberkrankheit) die wichtigste Erkrankung der kleinen Wiederkäuer dar, deren Ausprägung stark vom Genotyp des für das zelluläre Prionprotein kodierenden Gens (PRNP) abhängt. Bei Ziegen wurden verschiedene PRNP-Polymorphismen beschrieben, die mit einer differierenden Empfänglichkeit für die klassische Scrapie einhergehen. Hierbei wiesen mehrere epidemiologische Studien, experimentelle Infektionen von Ziegen sowie Untersuchungen an transgenen Mäusen auf den positiven Einfluss der K222 PRNP-Variante in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Scrapie-Infektion hin. Dagegen ist der potenzielle Einfluss des PRNP-Genotyps auf eine BSE-Erkrankung bei Ziegen bisher unbekannt.

Mehrere Studien an oral mit Prionen infizierten Tieren zeigten die große Bedeutung des lymphoretikulären Systems und des peripheren Nervensystems (PNS) für die Neuroinvasion des Agens. Kürzlich wurde gezeigt, dass TSE-Erreger bei Hamstern, Schafen und Rindern entlang des sympathischen und parasympathischen Nervensystems in das zentrale Nervensystem (ZNS) gelangen. Bei oral mit BSE infizierten Rindern scheint dem sympathischen Nervensystem die größte Rolle für die initiale Ausbreitung des Prion-Agens zuzukommen. Hierbei betrifft bei Rindern eine Prionenausbreitung entlang des sympathischen Nervensystems die Ganglia coeliacum und mesentericum craniale (GCMC), das Ganglion cervicale craniale, die Nervi splanchnici und die Substantia intermedia im thorakolumbalen Bereich des Rückenmarks. Die zellulären und molekularen Komponenten und Mechanismen, die an der zentripetalen Ausbreitung von Prionen beteiligt sind, sind bisher weitgehend unbekannt. Hypothetisch könnten Prionenproteine axonale Transportsysteme benutzen, sich im interneuralen Raum zellfrei und zellgebunden ausbreiten, sequentiell Schwannzellen infizieren, um somit final die Konformationsänderung des unveränderten zellulären Prionproteins in die abnormale Isoform zu induzieren. Dennoch bleiben der genaue Zeitverlauf und die Rolle der verschiedenen Regionen im ZNS und PNS für das klinische Auftreten einer Prionenerkrankung immer noch unklar.

Die Ziele dieser Studie bestanden darin, den Einfluss bestimmter PRNP-Genotypen auf die orale Empfänglichkeit für BSE bei Ziegen aufzuklären sowie pathologische Veränderungen in ausgewählten Lokalisationen des PNS und im Rückenmark zu charakterisieren. Hierfür wurde eine immunhistologische Untersuchung bei experimentell infizierten Ziegen durchgeführt, um potenzielle Schäden am axonalen Zytoskelett und Störungen des axonalen Transports aufzudecken. Außerdem sollte geklärt werden, inwieweit es einen pathogenetischen Zusammenhang zwischen ultrastrukturellen Veränderungen und PrPSc-Ablagerungen im Ganglion cervicale craniale bei experimentell mit BSE-infizierten Ziegen gibt. Für diese Untersuchungen wurden verschiedene Gewebe des ZNS und PNS von Kontrollziegen und BSE-infizierten Ziegen verschiedener Genotypen (IRQ/IRQ, IQQ/IRQ und IRK/IRQ) entnommen. Die IRQ/IRQ-Wildtyp-Ziegen zeigten die ersten klinischen Symptome 24 Monate post infectionem (p.i.), während diese bei IQQ/IRQ (R/Q211)-Ziegen erst 33 Monate p.i. auftraten. Im Gegensatz zu den IRQ/IRQ- und IQQ/IRQ-Ziegen wurden bei IRK/IRQ (R/K222)-Ziegen weder klinische Symptome noch PrPSc-Ablagerungen mit neuropathologischen Veränderungen festgestellt. Allerdings wies das Gehirn einer IRK/IRQ-Ziege, welche 44 Monate p.i. getötet wurde, eine sehr geringe Infektiosität auf. Diese Ergebnisse deuten auf eine geringere BSE-Empfänglichkeit von IRK/IRQ-Ziegen gegenüber IRQ/IRQ- und IQQ/IRQ-Ziegen hin, so dass die K222 PRNP-Variante Ziegen möglicherweise vor einer oralen BSE-Infektion schützen kann. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Auftreten von BSE bei Ziegen vom Genotyp abhängt und somit die gezielte Zucht der K222 PRNP-Variante möglicherweise eine geeignete Möglichkeit darstellt, natürliche Fälle von TSE bei Ziegen auszumerzen.

In der vorliegenden Studie wurde die Expression zahlreicher Antigene (azetyliertes α-Tubulin, βIII Tubulin, β-APP, CNPase, GFAP, Iba1, Kinesin 5A, MAP2, MHC class II, p75NTR, Periaxin, Synaptophysin, pNF, Tau1 und Vimentin) im Rückenmark und GCMC immunhistologisch untersucht. Allerdings fanden sich keine Unterschiede in der Antigenexpression zwischen BSE-positiven und -negativen Ziegen. Darüber hinaus zeigten sich keine ultrastrukturellen Veränderungen im Ganglion cervicale craniale, obwohl bei früheren Untersuchungen an TSE Synapsen im ZNS auf ultrastruktureller Ebene verändert waren. Ob pathologische Synapsenveränderungen bei Prionenerkrankungen auf das ZNS beschränkt sind, muss jedoch in weiteren Studien bestätigt werden. Interessanterweise zeigte die vorliegende Studie eine abnormale Expression des nicht-phosphorylierten Neurofilaments (nNF) in Axonen der weißen Substanz des Rückenmarks, welche auf klinisch an BSE erkrankte und PrPSc-positive Ziegen beschränkt war. Somit treten wahrscheinlich im Verlauf der BSE-Erkrankung von Ziegen axonale Schäden und Störungen des axonalen Transports auf. Allerdings muss in zukünftigen Untersuchungen abgeklärt werden, ob die abnormale Akkumulation von nNF in einem kausalen Zusammenhang mit gestörten Transportmechanismen im Axon, der Ausbreitung von Prionen und/oder einer neuronalen Degeneration steht. Des Weiteren wurde mittels der durchgeführten immunhistologischen Untersuchungen erstmalig eine Ablagerung von PrPSc in Gliazellen der weißen Substanz des Rückenmarks bei an BSE erkrankten Ziegen nachgewiesen, so dass Gliazellen möglicherweise eine wichtige Rolle in der Ausbreitung von Prionen spielen.

abstract (englisch)

Transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) represent a group of progressive diseases that affect the nervous system of humans and various animal species. The characteristic neuropathological features of TSEs comprise spongiform changes, astrogliosis, neuronal loss, and accumulation of an abnormal isoform (PrPSc) of the host-encoded cellular prion protein (PrPC). Among animal diseases, bovine spongiform encephalopathy (BSE) is of particular interest because of its transmissibility to humans causing a variant of Creutzfeldt-Jakob-disease (vCJD). Recently reported BSE infections in goats in the United Kingdom and France have brought small ruminant species into the focus of prion disease research. Among TSEs scrapie affects small ruminants all around the world and its incidence is intensely modified by the PRNP genotype. In goats several PRNP polymorphisms have been linked to lower susceptibility to classical scrapie. Among them, the K222 PRNP variant produced most favorable results, being related with resistance to scrapie in both epidemiological studies as well in experimental infections in goats and transgenic mice. In contrast, little is known about the factors defining the risk of goats to BSE.

Studies on orally infected TSEs strongly support the importance of the lymphoreticular system as well as the peripheral nervous system (PNS) for neuroinvasion. Recent studies in hamsters, sheep, and cattle demonstrated that TSE agents spread via the sympathetic and/or parasympathetic nervous system to the central nervous system (CNS). However, the sympathetic nervous system seems to play the major role in the initial neuronal distribution in orally BSE infected cattle. The sympathetic route consists of the celiac and mesenteric ganglion complex (CMGC), the superior cervical ganglion, splanchnic nerves, and the intermediolateral cell column of the thoracic spinal cord in cattle. The cellular and molecular constituents and mechanisms that facilitate the centripetal spread of prions remain undetermined. Principally, prion proteins could use axonal transport systems, spread cell-free or cell-associated in neural interspaces, sequentially infect Schwann cells, and convert normal cellular prion protein to abnormal isoforms. The sequence of events important for the clinical onset of the prion disease and knowledge of the role of different areas of the CNS and PNS is still fragmentary.

Thus, the present study aimed to clarify the effect of certain PRNP genotypes in the oral transmission of the goat BSE agent to goats. Immunohistochemistry was performed to detect axonal cytoskeletal and transport disturbances during the course of BSE in the spinal cord and peripheral tissues of experimentally infected goats and to elucidate possible pathogenetic links between ultrastructural changes and PrPSc accumulation in the superior cervical ganglion of experimentally BSE infected goats. Tissues from CNS and PNS from different genotypes (IRQ/IRQ, IQQ/IRQ and IRK/IRQ) of control and BSE infected goats were investigated. IRQ/IRQ wild-type goats presented clinical signs after 24 months post infection (mpi), while IQQ/IRQ (R/Q211) developed first clinical onset of disease at 33 mpi. In contrast to the BSE susceptibility of IRQ/IRQ and IQQ/IRQ goats, none of IRK/IRQ (R/K222) goats presented clinical signs or PrPSc deposition with neuropathological lesions. However, very low infectivity was noticed in the brain in 1 of 2 IRK/IRQ goats slaughtered at 44-45 mpi. The data indicate that IRK/IRQ goats are less susceptible to the transmission of goat BSE than IRQ/IRQ and IQQ/IRQ, highlighting that the K222 PRNP variant can protect goats against BSE oral infection. In conclusion, goat BSE agent transmission is genotype-dependent and the K222 PRNP variant represents a good candidate for better breeding programs in order to control and eradicate TSEs in goats.

The present study did not detect any changes in the expression of various antigens (acetylated α tubulin, βIII tubulin, β-APP, CNPase, GFAP, Iba1, Kinesin 5A, MAP2, MHC class II, p75NTR, periaxin, synaptophysin, pNF, Tau1, and vimentin ) in the spinal cord or the CMGC of BSE positive goats in comparison with negative goats. Moreover, the superior cervical ganglion did not exhibit ultrastructural changes, which is in contrast to earlier reports of ultrastructural synaptic pathology in the TSE affected CNS, and might indicate that synaptic pathology might be restricted to the CNS itself. However, this needs to be confirmed in future studies.

Interestingly, the present study demonstrated abnormal expression of non-phosophorylated neurofilament (nNF) in axons of the white matter of the spinal cord, which was restricted to goats with clinical BSE. The results indicate axonal damage and disturbances in axonal transport during BSE in goats. However, whether abnormal nNF accumulations are related to disturbed axonal transport mechanisms in TSEs, the spread of TSE agents, and neuronal degeneration, has to be evaluated in future studies. Moreover, the study reports for the first time that there is immunohistochemical evidence for PrPSc deposition in spinal cord white matter glial cells of BSE positive goats, indicating the involvement of glial cells in the spread of the agent.

keywords

BSE, ziegen, peripheren nervensystems / BSE, goat, peripheral nervous system

kb

1.586