Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zu Wirt-Erreger-Interaktionen bei der Pathogenese der porzinen Pleuropneumonie

Höltig, Doris

Die porzine Pleuropneumonie, ausgelöst durch A. pleuropneumoniae, ist eine der weltweit bedeutendsten bakteriellen Atemwegserkrankungen des Schweins. Obwohl der Erreger als obligat pathogen eingestuft wird, wird die Schwere der Erkrankung durch multiple endogene und auch exogene Faktoren beeinflusst. Trotz einer Vielzahl an Erkenntnissen bezüglich der Pathogenese der Erkrankung ist es daher bisher nicht gelungen, alle für die Erkrankung notwendigen zentralen Pathogenesemechanismen zu identifizieren und nachhaltige und effiziente Bekämpfungsstrategien zur Elimination der Erkrankung zu entwickeln. So kommt es beispielsweise immer wieder zu Fallberichten von krankhaften Veränderungen anderer Organe als der Lunge, bei denen A. pleuropneumoniae der einzig nachweisbare Erreger ist, obwohl das Bakterium bisher als strikt an die Lunge adaptiert und als nicht invasiv gilt. Ziel der dargestellten Studien war es daher, eine neue Untersuchungsmethode zu etablieren und tiefere Einblicke in das Kolonisationsverhalten des Erregers und dessen Interaktionen mit dem Wirtsorganismus des Schweins vor allem in Bezug auf die frühen Pathogeneseabläufe zu gewinnen. Zu diesem Zweck wurden bei insgesamt 488 Schweinen, die im Alter von 7 Wochen experimentell mittels standardisierter Aerosolinfektion mit A. pleuropneumoniae Serovar 7 Stamm AP76 oder A. pleuropneumoniae Serovar 2 Stamm C3656 infiziert worden waren, verschiedene Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Infrarotthermographie (IRT) bei der Frühdiagnostik der Erkrankung und bezüglich der Kolonisation verschiedener typischer und atypischer Organlokalisationen während der akuten Phase der Infektion durchgeführt. Diese wurden abschließend um Untersuchungen zur Beeinflussung des Infektionsgeschehens durch den Wirt ergänzt. Obwohl in den ersten Studien thorakale Regions of interest (ROIs) und Referenzwerte identifiziert wurden, welche eine Beurteilung der Lungengesundheit mittels IRT ermöglichen, zeigte sich, dass die Sensitivität der Methodik unter Praxisbedingungen auf Grund der Beeinflussung durch Umweltfaktoren, wie z.B. der Umgebungstemperatur, so stark eingeschränkt wird, dass ein Einsatz der untersuchten Methodik für die Frühdiagnostik der porzinen Pleuropneumonie nicht möglich ist. Die weiteren Ergebnisse der durchgeführten Studien zeigten deutlich, dass vor allem der Pathogenesephase der Adhäsion eine zentrale Funktion bei der weiteren Entwicklung der Erkrankung und der Kolonisation des Gesamtorganismus des Schweins zukommt. So konnte, im Gegensatz zu der bisherigen Lehrmeinung, bewiesen werden, dass A. pleuropneumoniae ein invasives Potential besitzt und auch die Fähigkeit zum Auslösen von fibrinös-eitrigen Entzündungen in weiteren Körperorganen, wie Leber, Milz, Nieren, Gelenke und den Meningen, aufweist. Dabei scheint in der akuten Phase der Erkrankung eine Streuung des Erregers, zumindest bei Verwendung des Stammes AP76, in diese Organe regelmäßig zu erfolgen. Außerdem zeigte sich, dass beide untersuchten Stämme ein unterschiedliches Adhäsionsmuster, einhergehend mit einer unterschiedlichen Verteilung der entstehenden Lungenläsionen und deren Größe sowie deutlichen stammspezifischen Unterschieden in der Inkubationszeit, aufweisen. Bei einer fehlenden Kolonisation der Tonsillen kann des Weiteren nicht davon aufgegangen werden, dass die Lunge des Tieres ebenfalls nicht mit A. pleuropneumoniae besiedelt ist. Der negative diagnostische Vorhersagewert für die Untersuchung von Tonsillenmaterial bezüglich des Kolonisationsstatus der Tiere lag nur bei 35,3%. Tatsächlich kann trotz negativem Erregernachweis bei der Untersuchung von Tonsillenmaterial eine hochgradige Kolonisation der tiefen Atemwege mit A. pleuropneumoniae vorliegen. Insgesamt konnten, neben der Adhäsion, drei weitere zentrale regulatorische Hauptkomplexe für den Verlauf des Erkrankungsgeschehens identifiziert werden. Bei der Adhäsion scheinen dabei nicht nur die Interaktion der OMPs des Bakteriums mit spezifischen Adhäsionsrezeptoren, wie spezifischen Lungenkollagenen oder endothelialen Adhäsionsmolekülen, eine Rolle zu spielen, sondern auch die Zusammensetzung und die Stoffwechselrate des Surfaktants zum Zeitpunkt der Infektion. Eine hohe Volumendichte aktiver Speicherformen geht dabei mit einem milderen Erkrankungsverlauf einher. Basierend auf den Ergebnissen zu den Abwehrmechanismen des Wirtes ergaben sich die TLR-4-basierte LPS-Erkennung und die daraus resultierenden Inflammationsprozesse als zweiter, die Effizienz der Redoxsysteme der Lunge als dritter und die Fähigkeit zur Geweberegeneration als vierter wesentlicher Regulationskomplex. Dabei wurde deutlich, dass die Schwere der Erkrankung nicht allein durch die Virulenzfaktoren von A. pleuropneumoniae sondern auch signifikant durch genetische Variationen auf der Wirtsseite bzw. deren Kompatibilität mit der Erregerausstattung beeinflusst wird. Obwohl die identifizierten Stoffwechselwege, welche die Erkrankung zentral zu regulieren scheinen, eng miteinander verflochten sind, wie die differenziell exprimierten Gene, wie CD14, TLR4, SP-D, IL-10, STAT3, S100A9, S100Z, NF-κ-B, VCAM, ANGPT-1, MYD88, SOD2, Transferrin/-rezeptor, SLC39A14 sowie CHI3L1 und Col21A1, zeigen, legen die Ergebnisse der QTL-Analyse nahe, dass die grundlegenden zentralen Mechanismen, die der Adhäsion, der tatsächlichen Gewebetoxizität und der Chronizität zu Grunde liegen, durch unterschiedliche, voneinander getrennte Kontrollmechanismen / Gene gesteuert werden. Die vorliegenden Resultate sind damit nicht nur für die Grundlagenforschung von Interesse, da sie ein exakteres Verständnis der Interaktionen zwischen Wirt und Erreger in der frühen Phase der Infektion ermöglichen. Sie bieten außerdem genauere Erkenntnisse für die Entwicklung effizienterer Bekämpfungsstrategien. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse der hier zusammengefassten Studien erscheint es notwendig, dass bei der Entwicklung neuer Bekämpfungsansätze der Zeitpunkt für prophylaktische und therapeutische Interventionen in die Frühphase der Infektion, nämlich in den Bereich der Adhäsionsinteraktionen verschoben wird. Die Berücksichtigung der vorliegenden Ergebnisse würde es ermöglichen, den Erreger vor dem Einsetzen schwerer Lungenschäden zu bekämpfen und eine Chronizität der Erkrankung zu verhindern. Somit wäre es möglich, die Schwere der Erkrankung als auch das Ausbreitungspotential des Erregers signifikant zu reduzieren und die methaphylaktische und therapeutische Anwendung von antimikrobiell wirksamen Substanzen weiter zu verringern.

Porcine Pleuropneumonia, caused by A. pleuropneumoniae, is one of the most important bacterial respiratory diseases in swine medicine. Despite the fact, that the pathogen is classified as obligate pathogenic, the degree of the developing disease is significantly influenced by multiple endogenous and exogenous factors. Although a lot of knowledge regarding pathogenesis of the disease has been gathered, until today the central mechanism of the disease development remain unknown, leading to a lack of sustainability in the field of control strategies. For example, there are recurring case reports about other diseases than pneumonia in which A. pleuropneumoniae remains the only detectable pathogens although it is considered to be strictly adapted to lung and pleura. The aim of these studies was therefore, to establish the infrared thermography (IRT) as tool for the examination of early lung inflammation during the course of porcine pleuropneumonia, as well as to get further information about the colonization of different organ localizations and the interactions between host and pathogen during the early stage of disease. For these analyses a total of 488 pigs were infected with A. pleuropneumoniae serovar 7 strainAP76 or A. pleuropneumoniae serovar 2 strain C3656 in a standardized aerosol infection model. Although it was possible to identify specific thoracic Regions of interest (ROIs) and reference parameters for the examination of lung health based upon IRT, the sensitivity of this method was significantly reduced by the influence of external factor, e.g. environmental temperature when applied under field conditions. Therefor it was, based upon the study setup, not possible to establish the IRT as an examination tool for the spreading of early inflammation processes. The results of the other studies revealed that the effectivity of adhesion might be of special importance for the developing disease and the colonization of different organ localizations. It could be proven that A. pleuropneumoniae harbors the potential to invade other organs than lungs, e.g. liver, spleen, kidneys, joints and meninges and to cause fibrinous-purulent alterations within these organs. In additions the results show that a spreading to these organs appears, at least after infection with strain AP76 regularly during the acute phase of infection. These ability for adhesion also might have an impact on the discovered strain specific pattern and size of lung lesions as well as the significant differences in incubation time between the two examined strains of A. pleuropneumoniae. Another important result was that despite the fact that in several cases the bacterium was not able to adhere to and to colonize the tonsils of a pig, still a severe colonization of the lower respiratory tract is possible, as the negative predictive value for the tonsil examination with regard to the colonization status of the pig was only 35.3%. In addition to the specific importance of the capability for adhesion, three further central parts of pathogenesis mainly regulating the development and severity of disease were identified. Regarding the adhesion the interactions between the OMPs of the pathogen and specific adhesion receptors e.g. specific lung collagens or endothelial adhesion molecules as well as the surfactant composition and the surfactant metabolism at the time of infection seem to play a major role. A high volume density of active storage organelles is correlated with a milder course of disease. Regardless the fact that most of the identified differentially expressed genes were only trans-regulated, the integration of the results regarding the host defense mechanisms identified the TLR4-based LPS recognition and the balancing of the following inflammation processes as second, the effectivity of the lung redox systems as third and the regulation of the tissue regeneration as fourth main regulation complexes. It became obvious that not only the virulence factors but also the genetic modification of the host and their compatibility with the pathogen based modifications have significant impact on the severity of disease. Although the involved pathways show a close linking, as shown by the differentially expressed genes like CD14, TLR4, SP-D, IL-10, STAT3, S100A9, S100Z, NF-κ-B, VCAM, ANGPT-1, MYD88, SOD2, Transferrin/-receptor, SLC39A14 as well as CHI3L1 and Col21A1, the results of the QTL analysis give the impression that the central mechanisms of these complexes are regulated by different, independent genes. The presented results do not only reveal deeper insights into the mechanisms and interactions during early pathogenesis of porcine pleuropneumonia, they also might enable new approaches for efficient and sustainable control strategies. The results suggest that for an efficient control of the diseases it might be necessary to shift prophylactic and therapeutic interventions to an earlier part of the pathogenesis to interfere with the early processes of adhesion. This would allow preventing the development of severe lung tissue alterations as well the development of chronicity of the disease. This would reduce the capability of the bacterium for spreading within the population as well as within the organism of the pig and by this additionally would reduce the usage of antimicrobial substances.

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Höltig, Doris: Untersuchungen zu Wirt-Erreger-Interaktionen bei der Pathogenese der porzinen Pleuropneumonie. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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