Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Ultrastrukturelle Untersuchungen an zilierten Zellen im Respirationstrakt von Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) mit und ohne Lungenerkrankungen

Hoffmann, Rebecca Marie

The ciliated cells in the respiratory tract play an essential role in the mechanisms of pulmonary mucociliary clearance. Ultrastructural alterations of the cilia may be a sign of pathogenetic processes as part of respiratory diseases. In response to this, the goal of this study was to detect ultrastructural evidences of ciliary dyskinesia in common marmosets (Callithrix jacchus) of different age groups, taking sub-clinical pulmonary changes into consideration to make contributions to validation of the common marmoset as a model for chronic pulmonary diseases in humans (copd/asthma). For this purpose, samples of three sites (mid-section of the trachea, left main bronchus, left lung) from 32 common marmosets of different age groups (fetus, newborn, juvenile, adult) were investigated by electron microscopy. The animals examined included ten juvenile and five adult clinically healthy animals. However, the histological examination revealed signs of mild or moderate interstitial pneumonia. The results may be summarised as follows: In transmission electron microscopy, no animal showed a primary ciliary dyskinesia. Secondary ciliary alterations were present in each animal in the form of compound cilia (“bulging type”/”adhesive type”), extramatrix, extratubuli and disorientation of the microtubular arrangement. Among the ciliary alterations the compound cilia of “bulging type” were the most frequent one with 50 – 70 %. The ciliary alterations occurred mainly with an incidence below 1 % (average: 0.06 – 0.55 %). There were no statistically significant differences within age groups or the three sample parts. Regarding potential secondary ciliary alterations no statistically significant difference emerged between healthy and sick animals. The average percentage of the ciliary changes in healthy animals was 0.24 %, and in the animals with histological changes of alveolar region 0.16 %. In scanning electron microscopical investigations of the trachea a non-homogeneous distribution of ciliated cells was found, regardless of age and histological lung examination. In areas without cartilage ciliated cells were the dominant cell type, and in cartilage areas the non-ciliated, epithelial cells that contained microvilli were mainly found. The results suggest that the observed ciliary alterations are of secondary nature with an individual variability in the range. In healthy animals ciliary changes occur regularly and they can also be found in animals with histologically diagnosed alterations confined to the alveolar region. In the evaluation of the common marmoset as an animal model for chronic respiratory diseases in humans the results must be taken into consideration and are used as reference data for ultrastructural investigations of respiratory tract.

Die zilierten Zellen des Respirationsepithels spielen eine wichtige Rolle für die pulmonalen mukoziliären Clearance-Mechanismen. Ultrastrukturelle Veränderungen an den Zilien dieser Zellen, können daher Ausdruck pathogenetischer Vorgänge im Rahmen von Respirationskrankheiten sein. Vor diesem Hintergrund war das Ziel der vorliegenden Arbeit ultrastrukturelle Hinweise auf ziliäre Dyskinesien bei Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) unterschiedlicher Altersstufen und unter Berücksichtigung klinisch inapparenter, pulmonaler Veränderungen zu ermitteln, um so einen Beitrag zur Validierung von Weißbüschelaffen als Tiermodell für chronische Atemwegserkrankungen des Menschen (COPD/Asthma) zu leisten. Zu diesem Zweck wurden Proben aus drei Lokalisationen (mittlerer Abschnitt der Trachea, linker Hauptbronchus, linke Lunge) von 32 Weißbüschelaffen verschiedener Altersstufen (Feten, neugeboren, juvenil, adult) mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Zu den Tieren gehörten zehn juvenile und fünf adulte Tiere, die klinisch gesund waren, aber histologisch Anzeichen einer gering- oder mittelgradigen interstitiellen Pneumonie aufwiesen. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Bei keinem Tier lag eine primäre ziliäre Dyskinesie vor. Bei allen Tieren wurden dagegen transmissionselektronenmikroskopisch sekundäre Zilienveränderungen in Form von Compound Cilia („bulging type“ und adhesive type“), Extramatrix, Extratubuli und Dysorientierung der mikrotubulären Anordnung festgestellt. Mit 50 – 70 % waren Veränderungen in Form von Compound Cilia vom „bulging type“ am häufigsten vertreten. Die Zilienalterationen traten überwiegend mit einer Inzidenz von unter 1 % (Durchschnitt: 0,06 % - 0,55 %) auf. Es konnten keine statistisch signifikanten Unterschiede in den Altersgruppen oder den drei untersuchten Lokalisationen festgestellt werden. Auch in Bezug auf mögliche sekundäre Dyskinesien bei gesunden und kranken Tieren ergab sich kein signifikanter Unterschied. Der durchschnittliche prozentuale Anteil an veränderten Zilien betrug bei den gesunden Tieren 0,24 %, der bei den Tieren mit histologischen Veränderungen im Alveolarbereich bei 0,16 % lag. Die rasterelektronenmikroskopische Auswertung der Trachea ergab unabhängig vom Alter oder dem histologischen Lungenbefund eine nicht homogene Verteilung der zilierten Zellen. Während im knorpelfreien Bereich der Trachea zilierte Zellen dominierten, zeigten sich in Knorpelarealen vorwiegend nicht-zilierte, mikrovillitragende Epithelzellen. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass die festgestellten Zilienveränderungen sekundärer Natur sind und einer individuellen Schwankungsbreite unterliegen. Sie treten bei gesunden Tieren regelmäßig auf und sind gleichermaßen bei Tieren zu beobachten, die auf den Alveolarbereich beschränkte histologisch diagnostizierte Alterationen aufweisen. Diese Ergebnisse müssen daher bei der Evaluation des Weißbüschelaffen als Tiermodell für chronische Atemwegserkrankungen des Menschen berücksichtigt werden und dienen als Referenzdaten bei der Interpretation ultrastruktureller Untersuchungen am Respirationstrakt.

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Hoffmann, Rebecca Marie: Ultrastrukturelle Untersuchungen an zilierten Zellen im Respirationstrakt von Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) mit und ohne Lungenerkrankungen. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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