Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleichende Untersuchungen zur protektiven Wirkung einer Streptococcus suis- Ganzzell- und einer Subunitvakzine

Bennecke, Katharina

Streptococcus suis is an invasive pathogen causing mainly meningitis, septicaemia and arthritis in young pigs. This pathogen displays a large variety of serotypes. The development of a vaccine which provides effective protection against different serotypes remains an important unsolved problem in S. suis research. Many surface proteins, such as the ”muramidase-released protein“ (MRP), are bound to murein and constitute important antigens. In this study a subunit vaccine made up of murein-associated proteins (MAP) was investigated as a vaccine candidate. The objective of this study was to compare a MAP subunit vaccine and a bacterin in homologous and heterologous challenge experiments. The heterologous challenge was performed with an MRP* SLY+ serotype 9 strain, as this pathotype, like the homologous MRP+EF+SLY+ serotype 2, causes substantial economic losses in Europe. Firstly, an infection model for the MRP*SLY+ serotype 9 strain A3286/94 was established. In contrast to the highly virulent S. suis serotype 2 strain 10, disease with clinical manifestation could not be induced by intranasal application of A3286/94, but by intravenous application. Therefore, the following homologous challenges with strain 10 were performed intranasally, and the heterologous challenges with strain A3286/94 intravenously. Secondly, three immunisation experiments were conducted with three groups each. In all experiments, the animals received two immunisations with antigens of the MRP+ EF+ SLY+ serotype 2 strain 10 at the ages of 4 and 6 weeks, respectively. (1st group: bacterin; 2nd group: MAP-subunit vaccine). The third group received a placebo as a negative control. The only difference in the two S. suis immunization experiments with homologous exposure was the choice of adjuvant. It was neither possible with the bacterin nor with the MAP-subunit vaccine to induce protection against strain 10 with aluminium hydroxide as adjuvant. In contrast, a significant protection concerning morbidity and mortality after homologous infection was achieved through bacterin immunisation in the second experiment with an oil-in-water emulsion (Emulsigen®) as adjuvant. However, the group immunized with MAP in the oil-in-water emulsion showed only very little difference to the placebo group. These clinical observations were in agreement with the results of a blind histological screening of fibrinosuppurative inflammations in seven different internal organs. The protective effect of the bacterin in the oil-in-water emulsion corresponded to a low pathological score of the respective group. The pathological score of the respective MAP-subunit group was only slightly below the control group. In the majority of cases, moderate and severe fibrinosuppurative inflammations were associated with detection of the homologous challenge strain by culture. In the second experiment the highly virulent serotype 2 strain was isolated from more than three internal localisations in four out of eight animals in the placebo group. This characteristic feature of a generalised bacterial infection was not found in any of the animals immunised with the bacterin in oil-in-water emulsion. This study suggested for the first time that a serotype 2 bacterin might also provide partial protection against a heterologous intravenous exposure to a serotype 9 strain. This was supported both by the slight differences in morbidity and mortality and the very clear differences in the histological findings in comparison to the placebo group. The MAP subunit vaccine did not provide any protection against heterologous challenge. In the third part, ELISAs were established to determine antibody titres specific for S. suis. This allowed investigation of seroconversion in the different immunisation groups. Seroconversion against MRP and MAP was demonstrated in the bacterin and MAP subunit vaccine groups of all three experiments. In the first experiment with aluminium hydroxide as adjuvant, the antibody titres after immunisation were much lower than in the two experiments with the oil-in-water emulsion Emulsigen®. The application of the bacterin led to higher average antibody titres against MRP and also MAP than application of the MAP subunit vaccine, although the latter contained much higher amounts of these proteins. However, neither the IgG antibody titre against MAP nor that against MRP were reliable prognostic indicators of protection against disease or death caused by experimental infection with S. suis.

Streptococcus suis ist ein invasiver Krankheitserreger, der unter anderem Meningitis, Septikämie und Arthritis verursacht. Der Erreger zeichnet sich durch eine große Vielfalt an Serotypen aus. Die Entwicklung eines Impfstoffes mit einer Serotyp übergreifenden Schutzwirkung ist daher ein wichtiges Forschungsziel. Da viele Oberflächenproteine wie das „Muramidase-released Protein“ (MRP) wichtige Antigene darstellen, versprach eine Subunitvakzine aus Murein-assoziierten Proteinen (MAP) eine gute Schutzwirkung. In dieser Arbeit sollte festgestellt werden, ob eine MAP-Subunitvakzine einen besseren Schutz als eine Ganzzellvakzine gegenüber Belastungsinfektionen mit einem homologen und einem heterologen S. suis-Stamm erzielt. Die heterologen Belastungsinfektionen wurden mit einem MRP*SLY+ Serotyp-9-Stamm durchgeführt, da dieser Pathotyp in Europa wie auch der homologe MRP+ EF+ SLY+ Serotyp 2 eine große Bedeutung besitzt. Im ersten Teil der Arbeit erfolgte die Etablierung eines Infektionsmodels für den MRP*SLY+ Serotyp-9-Stamm A3286/94. Klinische Erkrankungen konnten im Gegensatz zu dem hochvirulenten Serotyp-2-Stamm 10 nicht durch eine intranasale sondern, nur durch eine intravenöse Infektion hervorgerufen werden. Daher wurden die folgenden homologen Belastungsinfektionen mit Stamm 10 intranasal und die heterologen mit Stamm A3286/94 intravenös durchgeführt. Im zweiten Teil wurden drei Immunisierungsversuche mit jeweils drei Gruppen durchgeführt. Die Tiere erhielten in allen Versuchen jeweils zwei Immunisierungen im Alter von vier und sechs Wochen mit Antigenen des MRP+ EF+ SLY+ Serotyp‑2‑Stammes 10 (1.Gruppe: Ganzzellvakzine; 2. Gruppe: MAP-Subunitvakzine). Als Negativkontrolle wurde in der dritten Gruppe ein Placebo appliziert. Die beiden S. suis-Immunisierungsversuche mit homologer Belastungsinfektion unterschieden sich nur in der Wahl des Adjuvans. Mit Aluminiumhydroxid als Adjuvans konnte weder durch die Applikation der Ganzzell- noch der MAP‑Subunitvakzine ein Schutz gegen die Belastungsinfektion mit Stamm 10 induziert werden. Im Gegensatz dazu erzielte die Ganzzellvakzine im zweiten Versuch unter Einsatz einer Öl-in-Wasser Emulsion (Emulsigen®)einen signifikanten Schutz bezogen auf die Morbidität und Mortalität in Folge der homologen Belastungsinfektion. Die mit MAP immunisierte Gruppe zeigte auch bei Einsatz dieser Öl-in-Wasser Emulsion nur geringfügige Unterschiede zur Placebogruppe. Diese klinischen Beobachtungen standen im Einklang mit einem blind durchgeführten pathohistologischen Screening der fibrinös-eitrigen Entzündungen in sieben unterschiedlichen inneren Organen. So manifestierte sich die protektive Wirkung der Ganzzellvakzine in einem sehr niedrigen Pathoscore der entsprechenden Gruppe. Der Pathoscore der Subunitvakzinegruppe lag nur leicht unter dem der Kontrollgruppe. Mittel- und hochgradige fibrinös-eitrige Veränderungen waren in der Mehrzahl der Fälle mit dem kulturellen Nachweis des homologen Belastungsstammes assoziiert. Im zweiten Versuch konnte bei vier von acht Tieren der Placebogruppe der hochvirulente homologe Serotyp-2-Stamm in mehr als drei inneren Lokalisationen nachgewiesen werden. In der Ganzzellvakzinegruppe des zweiten Versuches lag dieses Merkmal einer generalisierten bakteriellen Erkrankung bei keinem der Tiere vor. Diese Arbeit lieferte erstmalig Hinweise, dass eine Serotyp-2-Ganzzellvakzine auch einen schwächeren partiellen Schutz gegenüber einer heterologen intravenösen Belastungsinfektion mit einem Serotyp-9-Stamm vermitteln kann. Hierfür sprachen geringe Unterschiede in Mortalität und Morbidität sowie sehr deutliche Unterschiede bei den pathohistologischen Befunden im Vergleich zur Placebogruppe. Die MAP‑Subunitvakzine zeigte auch in Bezug auf die heterologe Belastungsinfektion keine Schutzwirkung. Im dritten Teil wurden durch die Etablierung unterschiedlicher ELISAs zur Bestimmung von S. suis spezifischen Antikörpern die Voraussetzungen geschaffen, die Gruppen auf Serokonversion vergleichend zu untersuchen. In allen drei Immunisierungsversuchen konnten Serokonversionen gegen MRP und MAP in der Ganzzell- und MAP-Subunitvakzinegruppe nachgewiesen werden. Im ersten Versuch mit Aluminiumhydroxid als Adjuvans waren die Antikörpertiter nach der Immunisierung deutlich niedriger als in den beiden Versuche mit der Öl-in-Wasser Emulsion Emulsigen® . Die Applikation der Ganzzellvakzine führte sowohl in Bezug auf MRP als auch MAP im Durchschnitt zu höheren Antikörpertitern als die Applikation der MAP-Subunitvakzine, obwohl diese viel größere Mengen dieser Proteine beinhaltete. Weder die Gesamt-IgG Antikörpertiter gegen MAP noch gegen MRP erwiesen sich aber als zuverlässige prognostische Indikatoren für einen Schutz vor einer Erkrankung bzw. vor einem Verendeten in Folge einer experimentelllen S. suis-Infektion.

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Bennecke, Katharina: Vergleichende Untersuchungen zur protektiven Wirkung einer Streptococcus suis- Ganzzell- und einer Subunitvakzine. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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