Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Studies on the pathogenesis of avian Metapneumovirus (aMPV) infection in turkeys and on the protective effect of a microparticle-based, genetic engineered aMPV vaccination strategy

Liman, Martin

Avian Metapneumovirus (aMPV) infections have a significant economical impact on commercial poultry production. Despite the use of commercial live and inactivated vaccines field outbreaks with respiratory disease (turkey rhinotracheitis, TRT) often occur. The virus may also cause transient immunosuppression. Field outbreaks are often exacerbated by secondary bacterial infections of the upper respiratory tract. The goal of this project was to develop a new prime-boost vaccination concept against aMPV infection. To improve aMPV vaccination strategies it was necessary to establish an aMPV challenge model. A specific focus was placed on the investigation of local immune mechanisms, which may play an important role in protection against the infection. Two studies on the pathogenesis and immune reactions to attenuated and virulent aMPV strains of subtypes A and B were conducted. The investigated parameters of aMPV pathogenesis showed comparable results between the virus strains of different subtype. It was demonstrated that humoral and CMI-related immune reactions were induced not only systemically but also locally after infection with the different aMPV strains. Future studies are needed to give deeper insights into the role of local T cell-mediated immune reactions in protection against aMPV. The newly developed vaccination strategy was comprised by genetically engineered vaccines combined with microparticles (MP). A DNA vaccine encoding for the fusion (F) protein of aMPV, and the homologous recombinant F protein were chosen to be the most promising candidates for an oculonasally applied prime-boost immunization. The goal was to induce a broad humoral and cellular immunity for long-lasting protection against aMPV infection. MP were used as a controlled release system for the genetically engineered vaccines, and protected the sensitive vaccine components against degradation in vivo. Thus, the system could be used for mass application to commercial poultry via spray, drinking water or feed. The new vaccination strategy was tested for safety and immunogenicity in vitro. Consecutively it was tested for safety, induction of immune reactions and protection in the established aMPV-challenge model in commercial turkeys. The applied vaccination strategy was shown to not induce adverse effects, and to stimulate local and systemic, humoral and cellular immune reactions. It induced partial protection against aMPV challenge. These were the first studies that applied an oculonasally delivered, genetically engineered vaccination regime in the avian system. Based on these investigations future studies have to be conducted to improve this genetically engineered vaccination strategy.

aMPV Infektionen spielen eine wirtschaftlich bedeutende Rolle in der Geflügelproduktion. Trotz Impfung mit kommerziellen Lebend- und Inaktivatvakzinen kommt es häufig zu Feldausbrüchen mit respiratorischer Erkrankung (Puten-Rhinotracheitis, turkey rhinotracheitis, TRT). aMPV kann eine vorübergehende Immunsuppression bewirken. Feldausbrüche werden häufig von schweren bakteriellen Sekundärinfektionen begleitet. Ziel dieses Projektes war es, ein neuartiges „prime-boost“ Impfkonzept zum Schutz vor aMPV Infektionen zu entwickeln. Dazu wurde zunächst ein aMPV-Belastungsmodel etabliert. Es wurden insbesondere die lokalen Immunmechanismen untersucht, da man einen wesentlichen Beitrag dieser an der schützenden Immunität annimmt. Es wurden sowohl attenuierte als auch virulente aMPV-Isolate der Subtypen A und B hinsichtlich der Pathogenese und der Immunreaktionen auf die Infektion untersucht. Die Ergebnisse zu den untersuchten Parametern der aMPV-Pathogenese waren vergleichbar zwischen den Isolaten verschiedener Virulenz und Subypen. Es konnte gezeigt werden, dass die Infektionen mit den verschiedenen Isolaten nicht nur systemische, sondern auch lokale humorale und zellvermittelte Immunreaktionen hervorrufen. Es sind aber weitere Studien nötig, insbesondere um die Rolle der lokalen T-Zell-vermittelten Immunreaktionen für die zu erzielende Schutzwirkung weiter zu klären. Das entwickelte neuartige Impfkonzept basierte auf gentechnisch hergestellten Impfstoffen, die mit Mikropartikeln kombiniert wurden. Ein für das Fusion- (F) Protein kodierende Plasmid-Impfstoff sowie das dazu homologe rekombinante F Protein wurden für eine okulonasal zu applizierende „prime-boost“ Impfstrategie hergestellt. Ziel des Impfkonzeptes  war es, eine belastbare und dauerhafte humorale und zelluläre Immunität zu bewirken. Die MP wurden zusätzlich eingesetzt, da sie die gentechnisch hergestellten Impfstoffe, die in vivo schnell zerstört werden, schützen und kontrolliert freisetzen. Auf diese Weise ist das Impfkonzept auch für eine Massenimpfung von Geflügel durch Versprühen oder durch Applikation über das Trinkwasser oder das Futter geeignet. Die Impfstoffe wurden zunächst in vitro auf die biologische Unbedenklichkeit und eine immunogene Wirkung untersucht. Anschließend wurde das Impfkonzept bei kommerziellen Puten okulonasal angewendet und auf seine Unbedenklichkeit, auf seine immunstimulierende Wirkung und auf die erzielte Schutzwirkung untersucht. Die Impfstoffe und das Impfkonzept hatten keine unerwünschten Wirkungen, haben aber die Puten zu lokalen und systemischen, humoralen wie zellulären Immunreaktionen stimuliert. Das Impfkonzept hat eine teilweise Schutzwirkung erzielt. In diesen Impfstudien wurde das erste Mal ein Impfkonzept, das auf der lokalen Verabreichung von gentechnisch hergestellten und mit MP kombinierten Impfstoffen basiert, bei Geflügel angewandt. Für weitere Studien sollte die Wirkung der gentechnisch hergestellten Impfstoffe und die Herstellung der MP optimiert werden.

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Liman, Martin: Studies on the pathogenesis of avian Metapneumovirus (aMPV) infection in turkeys and on the protective effect of a microparticle-based, genetic engineered aMPV vaccination strategy. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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