Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Pathologie und Pathogenese der experimentellen aerogenen Infektion von Kälbern mit Chlamydia psittaci (nicht aviärer Herkunft)

Lambertz, Jacqueline

Aim of this study was to characterise pulmonary lesions induced by experimental aerogenous infection with C. psittaci in calves. Pathogenesis of infection was investigated based on the correlation between lesions and distribution of chlamydial inclusions in tissues. Several other organs were examined to investigate pathogen transmission, systemic distribution and infection of other organs. To determine, if natural transmission occurs, sentinel calves were kept with the calves that had been inoculated with viable C. psittaci. Finally the tissue reaction after the inoculation of viable versus inactivated C. psittaci were compared. For this purpose 21 conventionally raised calves were inoculated intrabronchially with 108 ifu of C. psittaci at 8 defined localisations. Three calves each were sacrificed and necropseid on days 2, 3, 4, 7, 10, 14 and 35/37 after inoculation (pi) respectively. The same number of  calves were mock-inoculated with medium containing pathogenfree BGM-cells instead of BGM-cells infected with C. psittaci. At 2 dpi, three sentinel calves were added to the group of calves inoculated with C. psittaci and necropsied at the end of the trial 33-35 days pi. Six calves were inoculated with inactivated chlamydia and three of them were euthanised and necropsied on days 2 and 3 pi. All calves inoculated with viable C. psittaci developed bronchopneumonia after inoculation. The distribution of lung lesions was consistent with the sites of intrapulmonary application of inoculum. Histologically initially suppurative, followed by fibrino-suppurative to fibrinous-necrotising pneumonia was seen. Lesions had almost completely healed within the experimental period except for a few sporadic scars. Chlamydia were detected in the lung as well as in several other organs by immunohistological and molecularbiochemical methods (23S-rt-PCR). In the lung, chlamydia were detected initially in alveolar epithelial cells, and later also in neutrophiles and macrophages, but only rarely in the exudat within larger airways. Numerous chlamydial inclusions were seen in areas of necrosis. The number of chlamydial inclusions was markedly decreased on day 14 pi. On day 35/37 pi only few inclusions remained in the small foci of fibrous scar tissue. C. psittaci was also detected in trachea, nose, mediastinal lymph node, aorta and synovial membrane. This allows conclusions with regard to pathogen transmission and possible distribution into other organs. Moreover, calves had a naturally occurring infection of the ileum, the tonsilla palatina, the tonsilla pharyngea and the conjunctiva with C. pecorum which was not accompanied by any pathomorphologic changes. C. pecorum was found especially in the FAE. In the control calves, pathological lung lesions comparable to those seen in calves infected with viable C. psittaci were not found and C. psittaci was not detected in any of the analysed specimens. The sentinel calves only developed mild clinical signs. Neither pulmonary lesions nor chlamydia were found at 33-35 days pi. Nevertheless, infection cannot be excluded, as in calves inoculated with viable C. psittaci lung lesions had also almost completely healed and only few chlamydia were found on day 35/37 pi. Calves inoculated with inactivated C. psittaci did not show lung lesions comparable to those seen in calves inoculated with live C. psittaci. This leads to the conclusion that active replication of chlamydia is essential for the development of lesions. Based on the morphological and molecular biological findings the following hypothesis for the pathogenesis of chlamydial infection can be suggested: In the initial phase (2-7 dpi) after intrapulmonary application of a high dose of C. psittaci, there is a damage of lung tissue initiated by replication of the chlamydia. The severe exudative and necrotising lesions observed are most likely consequences of cytokine and chemokine release. With day 7 pi, there follows the progressive elimination of C. psittaci by adaptive immune responses accompanied by repair and healing of lung tissue which is mostly accomplished at day 35/37 pi. The initial steps of inflammation are mainly consistent with the hypothesis of  the ‚cellular paradigm’ by STEPHENS (2003).

Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der Lungenveränderungen nach experimenteller, aerogener Infektion von Kälbern mit C. psittaci. Durch die Korrelation der Veränderungen und dem Nachweis der Erreger wurden Rückschlüsse auf die Pathogenese der Infektion gezogen. Des Weiteren wurde durch Einbeziehung zahlreicher anderer Organe in die Untersuchung eine Aussage über die Ausscheidung der Erreger, sowie eine systemische Ausbreitung und Absiedlung in andere Organe getroffen. Die natürliche Übertragbarkeit wurde durch Hinzustallen von Sentinelkälbern zu den mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälbern überprüft. Zuletzt wurden die Folgen einer Inokulation mit lebenden und inaktiven C. psittaci verglichen. Zu diesem Zweck wurden 21 Kälber aus konventioneller Haltung intrapulmonal an 8 definierten Lungenlokalisationen mit 108 ifu von C. psittaci inokuliert und jeweils drei 2, 3, 4, 7, 10, 14 und 35/37 Tagen nach der Inokulation (pi) euthanasiert und seziert. Ebenso viele Kontrollkälber wurden in der gleichen Weise mit reinem Medium und nicht mit C. psittaci infizierten BGM-Zellen inokuliert. Zu den mit C. psittaci inokulierten Kälbern wurden nach der Inokulation drei Sentinelkälber zugestallt und am Versuchende 33-35 Tage pi seziert. Sechs Kälber wurden mit inaktivierten Chlamydien inokuliert und jeweils drei am Tag 2 und 3 pi euthanasiert und seziert. Alle mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälber entwickelten nach der Inokulation eine Bronchopneumonie. Die Verteilung der Lungenläsionen entsprach im Wesentlichen dem Inokulationsschema. Histologisch wiesen die Tiere zunächst eine eitrige, dann eine fibrinös-eitrige bis fibrinös-nekrotisierende Pneumonie auf, die bis zum Ende des Versuchszeitraumes bis auf vereinzelte, wenige Narben wieder völlig ausheilte. Es konnten sowohl in der Lunge, als auch in zahlreichen anderen Organen Chlamydien mittels immunhistologischer und molekularbiologischer (23S-rt-PCR) Methoden nachgewiesen werden. In der Lunge konnten sie immunhistologisch zunächst in Alveolarepithelzellen, dann auch in neutrophilen Granulozyten und Makrophagen, allerdings nur selten im Exsudat der luftleitenden Wege nachgewiesen werden. In großer Anzahl waren Einschlüsse in Nekrosen oder um diese herum zu sehen. Am Tag 14 pi kam es zu einer deutlichen Abnahme der Anzahl chlamydialer Einschlüsse und am Tag 35/37 pi waren sie nur noch vereinzelt in bindegewebigen Narben vorhanden. C. psittaci konnte zudem in der Trachea, der Nase, dem Mediastinallymphknoten, der Aorta und der Synovialis nachgewiesen werden, was Rückschlüsse über die Ausscheidung und die mögliche Streuung in andere Organe zulässt. Bei den Kälbern lag außerdem eine natürliche Infektion des Ileums, der Tonsilla palatina, der Tonsilla pharyngea und der Konjunktiva mit C. pecorum vor, die jedoch in der Regel mit keinerlei pathomorphologischen Veränderungen einherging. Die Erreger lagen hier vor allem im FAE. Bei den Kontrollkälbern traten keinerlei mit den mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälbern vergleichbare Veränderungen der Lunge auf und C. psittaci wurde in keiner der untersuchten Proben nachgewiesen. Nach Hinzustallen der Sentinelkälber entwickelten diese milde klinische Symptome. Bei der Untersuchung 33-35 Tage pi waren weder Lungenveränderungen, noch Chlamydien in der Lunge nachweisbar. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass eine Infektion stattgefunden hatte, da auch bei den mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälbern am Tag 35/37 pi die Veränderungen weitgehend ausgeheilt waren und nur noch vereinzelt Chlamydien nachweisbar waren. Die mit inaktivierten Chlamydien inokulierten Kälber zeigten keine mit den mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälbern vergleichbaren Veränderungen der Lunge. Dies spricht dafür, dass die bei den mit lebenden C. psittaci inokulierten Kälbern beobachteten Veränderungen durch die aktive Replikation des Erregers initiiert werden. Basierend auf diesen morphologischen und molekularbiologischen Befunden kann man die folgende Hypothese für die Pathogenese der Chlamydieninfektion aufstellen: Nach der Applikation einer hohen Dosis von C. psittaci in die Lunge kommt es in der Initialphase (2-7 dpi) zu einer Schädigung des Lungengewebes ausgelöst durch die Vermehrung des Erregers. Die schweren exsudativen und nekrotisierenden Läsionen sind hierbei mit hoher Wahrscheinlichkeit Folge der Freisetzung von Chemokinen und Zytokinen. Es folgt ab 7 dpi eine zunehmende Eliminierung von C. psittaci durch die adaptive Immunantwort und eine Reparation und Heilung des Lungengewebes, die bis zum Tag 35/37 weitgehend abgeschlossen ist. Die initialen Schritte der Entzündung stimmen weitgehend mit der von STEPHENS (2003) aufgestellten Hypothese des `zellulären Musters der Chlamydieninfektion` überein.

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Lambertz, Jacqueline: Untersuchungen zur Pathologie und Pathogenese der experimentellen aerogenen Infektion von Kälbern mit Chlamydia psittaci (nicht aviärer Herkunft). Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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