Charakterisierung von Mono- und Co-Infektionen mit Erregern des „Porcine Respiratory Disease Complex“ im Lungenpräzisionsschnitt-Modell

Der “Porcine Respiratory Disease Complex” (PRDC) beschreibt ein multifaktorielles Zusammenspiel zwischen bakteriellen und viralen Pathogenen sowie Umweltfaktoren wie Stallklima, Hygienemanagement und Produktionstyp des Betriebs. Folgen einer Infektion mit Erregern des PRDC sind die Beeinträchtigung der Tiergesundheit und des Tierwohls sowie hohe weltweite wirtschaftliche Verluste. Außerdem trägt die Behandlung des PRDC zur Verwendung antimikrobieller Substanzen bei. Zur Entwicklung von Impfstoffen und anderen Interventionsmaßnahmen ist es notwendig, das komplexe Zusammenspiel der Primär- und Sekundärerreger sowie weiterer Einflussfaktoren zu verstehen. Die Forschung zum PRDC ist in vivo häufig sehr herausfordernd, da die genauen Wirt-Erreger-Interaktionen, vor allem unter Berücksichtigung aller möglichen Co-Infektionen, schwierig zu untersuchen sind. Für eine standardisierte Untersuchung, sowie unter Berücksichtigung des 3R-Prinzips, werden daher vermehrt in vitro oder ex vivo-Systeme zur experimentellen Infektion herangezogen.
Daher wurden für diese Arbeit zu bakteriellen Erregern des PRDC porzine Precision-Cut Lung Slices (PCLS) verwendet, die aus Schweinelungen von einem lokalen Schlachthof generiert wurden. Der Vorteil dieser Schnitte ist, dass die ursprüngliche Struktur und Zellzusammensetzung des Lungengewebes erhalten bleibt. Mithilfe dieses Modells konnten in Mono- und Co-Infektionen mit Bordetella bronchiseptica (B. bronchiseptica), Actinobacillus pleuropneumoniae (A. pleuropneumoniae), und Mycoplasma hyopneumoniae (M. hyopneumoniae) sowohl die Interaktionen zwischen den Erregern als auch die Interaktion zwischen Erregern und Wirtszellen untersucht werden. Für die Co-Infektionen wurden die PCLS zunächst für 24 Stunden (h) mit B. bronchiseptica als Primärpathogen und nachfolgend mit einem der anderen Erreger infiziert. Veränderungen der Zilienaktivität wurden per Lichtmikroskop dokumentiert und die Kolonisierung des Gewebes mittels Plattierung und Auszählung der koloniebildenden Einheiten (A. pleuropneumoniae., B. bronchiseptica) oder quantitativer PCR (M. hyopneumoniae) bestimmt. Eine potenzielle Zellschädigung wurde durch Messung von Laktatdehydrogenase (LDH) im Gewebeüberstand ermittelt und mithilfe von Immunfluoreszenz- oder Hämatoxylin-Eosin-Färbung visualisiert. Des Weiteren erlaubt die Immunfluoreszenzfärbung eine genaue Lokalisierung der Bakterien im Gewebe. Die Expression pro-inflammatorischer Zytokine wurde mittels reverser Transkription von RNA in cDNA und nachfolgender quantitativer real-time PCR (RT-qPCR) untersucht.
Die Monoinfektionen mit A. pleuropneumoniae erfolgten für 4 und 24 h. Es zeigte sich, dass dieser Erreger das PCLS-Gewebe kolonisierte, eine Reduktion der Zilienaktivität hervorrief und zeit- sowie dosisabhängige Zellschäden verursachte. Die Bakterien konnten 24 h nach Infektion entlang des Ziliensaums, im Interstitium sowie in den Alveolen gefunden werden. Histologisch zeigte sich eine Auf- und Ablösung des Zilienepithels und der Zilien. Außerdem wurde die Expression von IL-1α, IL-6, CXCL-8 und TNF-α durch A. pleuropneumoniae induziert. Eine Prä-Infektion mit B. bronchiseptica vor einer Infektion mit A. pleuropneumoniae für 4 h verstärkte die Kolonisierung der PCLS durch A. pleuropneumoniae deutlich. Darüber hinaus wirkte eine Infektion mit beiden Erregern synergistisch im Hinblick auf die zytotoxischen Effekte und die Expression von IL-6.
Die Infektion mit M. hyopneumoniae erfolgte für 24 und 48 h. Interessanterweise war ein Effekt einer Prä-Infektion mit B. bronchiseptica auf die Zilienaktivität nicht feststellbar. Im Gegensatz dazu zeigte sich durch die Co-Infektion eine verstärkte Zytotoxizität nach 24 h. Histologisch ließ sich eine Zerstörung des Zilienepithels erkennen. Auffallend war, dass die Expression von TNF-α nicht induziert wurde. Die Co-Infektion schien aber teilweise einen hemmenden Effekt auf die Kolonisierungsfähigkeit von B. bronchiseptica zu haben.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine Prä-Infektion von PCLS mit B. bronchiseptica, wie sie auch häufig im Feld vorzufinden ist, einen deutlichen Einfluss auf die Sekundärinfektion mit anderen Erregern nimmt. Mit Hinblick auf die Immunantwort sowie unterschiedliche Erregerkombinationen und Infektionsreihenfolgen gibt es hier aber noch einen enormen Forschungsbedarf. Das PCLS-Modell bietet ein hervorragendes System, um alle diese Parameter ex vivo untersuchen zu können.