Dissertation

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

Dennis Pägelow

A neonatal CNS infection model following nasal challenge with Listeria monocytogenes

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110058

title (ger.)

Etablierung eines murinen Infektionsmodells zur Pathogenese der neonatalen Neurolisteriose

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/paegelowd_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Listeria monocytogenes (Lm), ist ein Grampositives, fakultativ intrazelluläres Bakterium. Es wird mit Sterblichkeitsraten von bis zu 30% in der neonatalen Population als eines der bedeutendsten neuroinvasiven Infektionserreger betrachtet. Der Infektionsweg und die Reaktion des angeborenes Immunsystem im Neugeborenen wurden jedoch bisher wenig untersucht.

Diese Studie hatte zum Ziel, ein murines in-vivo-Modell einer neonataler Infektion des zentralen Nervensystems (ZNS), nach mukosaler Gabe von Lm, zu etablieren.

Eine intragastrale (i.g.) Infektion von einen Tag alter C57BL/6 Mäuse verursachte eine systemische Infektion, führte aber zeit- und infektionsdosisabhängig nur inkonsistent zu einer ZNS-Infektion. Im Gegensatz dazu resultierte eine intranasale (i.n.) Applikation regelmäßig zu einer ZNS-Infektionen und höheren bakteriellen Keimzahlen im Verlaufe des Versuchszeitraums. Der klinische Verlauf der Infektion nach nasaler Applikation war prolongiert. Eine kulturelle Untersuchung zeigte, dass Lm in der Lage war die Nasenhöhle zu kolonisieren und sich in Leber- und Milz auszubreiten. Allerdings war Lm nur sporadisch im Blut nachweisbar, insbesondere zu frühen Zeitpunkten, an denen Bakterien bereits im ZNS detektiert wurden. Klinische Daten vorausgegangener Studien und unsere eigenen Ergebnisse deuteten auf eine nicht-hämatogene Ausbreitung in das ZNS hin. Eine Dissektion perfundierter Gehirne ergab, dass die höchsten Keimzahlen im Riechkolben nachweisbar waren. Die Anzahl von Lm nahm entlang der rostro-caudalen Achse signifikant ab, wobei die niedrigsten Mengen im Kleinhirn isoliert wurden.

Immunhistochemische und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen identifizierten das olfaktorische Epithelium und im besonderen sowohl Stützzellen als auch olfaktorische Sensorneurone als Hauptziele der Invasion von Lm.

Infizierte Mäuse wiesen Herde von Nekrosen innerhalb der Riechschleimhaut, sowie eitrige Rhinitiden und Entzündungen des angrenzenden Gewebes auf. Dort wurden Bakterien intralesional und assoziiert zu Axonbündeln in der Lamina Propria und der Siebbeinplatte nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen, dass Lm in der Lage ist, entlang olfaktorischer Nerven in das ZNS von murinen Neonaten zu gelangen. Stämme von Lm, die für die beiden essentiellen Virulenzfaktoren LLO und ActA defizient sind, waren in der Lage die Nasenhöhle zu kolonisieren, konnten aber nicht das ZNS-Gewebe erreichen.

Lm rief im Reichkolben akzentuierte, eitrig-nekrotisierende Meningoenzephalitiden und eine Akkumulation von CD45+CD11b+-Zellen hervor. Die Charakterisierung der molekularen Immunantwort zeigte, dass die mRNA-Transkriptexpression des proinflammatorischen Zytokine Tnfa und Cxcl2, sowie der Monozyten-rekrutierenden Chemokine Ccl2 und Ccl7, in Gehirnen infizierter Mäuse signifikant erhöht war.

Zusammengefasst konnten wir das erste neonatale Modell einer durch Lm verursachten Meningoenzephalits im murinen Wirt etablieren und eine neue Infektionsroute in das ZNS-Gewebe charakterisieren. Mit diesem Modell konnten wir weiterhin die Bedeutung bekannter bakterieller Viurlenzfaktoren und die Stimulation des angeborenen Immunsystems während der neonatalen Neurolisteriose untersuchen.

abstract (englisch)

Listeria monocytogenes (Lm), a Gram-positive, facultative intracellular bacterium is considered to be one of the major neuroinvasive pathogens with case fatality rates up to 30% in the neonatal population. However, the routes of infection and innate immune responses in the newborn remain poorly understood.

This study was designed to establish a murine in vivo model of neonatal central nervous system (CNS) infection following mucosal challenge with Lm. Intragastric (i.g.) infection of one-day-old C57BL/6 mice with Lm induced fatal disease in a time- and dose-dependent manner, but revealed only inconsistent CNS invasion rates. In contrast, intranasal (i.n.) application resulted in frequent CNS infection and higher bacterial burden in brain tissue over time. The onset and progress of disease symptoms was also found to be less rapid. Bacterial culture revealed that Lm was able to colonize the nasal cavity and spread to liver and spleen tissue, where bacterial counts increased significantly throughout the investigated period. In contrast, Lm was infrequently detected in the blood samples, especially at early time points, where bacteria were already found in the CNS. The results of this work, together with clinical data from previous studies, suggest a novel non-hematogenous route infection of Lm into the CNS. Dissection of perfused brain tissue revealed the highest bacterial accumulation in the olfactory bulb. The bacterial counts of Lm decreased significantly along the rostro-caudal axis, with the lowest numbers found in the cerebellum. Immunohistochemistry and transmission electron microscopy revealed that the olfactory epithelium and both sustentacular cells and olfactory sensory neurons were main targets for invasion of Lm. Infected mice displayed focal spots of necrosis within the olfactory mucosa as well as purulent rhinitis and inflammation of adjacent tissues. Bacteria were found intralesionally and associated with axon bundles in the lamina propria and the cribriform plate, supporting the idea that Lm is able to migrate along olfactory nerves into the CNS of murine neonates. Lm deficient for the essential virulence factors ActA or LLO were both able to colonize the nasal cavity, but failed to invade the CNS.

Lm induced purulent-necrotizing meningoencephalitis and accumulation of CD45+CD11b+ cells, particularly in the olfactory bulb. Characterization of the molecular immune response showed a significant increase in the mRNA expression of the proinflammatory cytokines Tnfα and Cxcl2 as well as the monocyte-attracting chemokines Ccl2 and Ccl7 in brain tissues of infected mice. Further, neurolisteriosis resulted in the recruitment of Ly6C+ monocytes/macrophages to the brain.

In conclusion, we have established the first neonatal model for listerial meningoencephalitis, and identified a novel infection route of Lm to reach the CNS tissue in the murine host. Using this model, we have investigated the role of known bacterial virulence factors and characterized innate immune responses within the cerebral tissue of neonate mice with neurolisteriosis.

keywords

Neurolisteriose, neonatal, Mausmodell; neurolisteriosis, neonate, mouse model

kb

9.858