Erforschung der Pathogenese von Infektionen mit Aviären pathogenen E. coli (APEC) und Entwicklung neuer Bekämpfungsstrategien gegen die Coliseptikämie des Geflügels.

Infektionen mit Aviären pathogenen E. coli (APEC) verursachen einen unter dem Begriff der Coliseptikämie zusammengefassten Krankheitskomplex, der in der Geflügelindustrie für erhebliche wirtschaftliche Verluste sorgt. Die Erkrankung verläuft überwiegend systemisch und geht mit entzündlichen Veränderungen nahezu aller inneren Organe und Gewebe einher (Luftsackentzündung, Herzbeutelentzündung, Eileiterentzündung usw.).

Die Pathogenesemechanismen von APEC, insbesondere deren Eintritt in die Blutbahn, sind trotz intensiver Forschungstätigkeiten und des Wissens um zahlreiche Virulenz-assoziierte Faktoren weitestgehend ungeklärt. Erfolgreiche Bekämpfungsstrategien in Form von Impfstoffen fehlen und der Einsatz von Antiinfektiva kommt aufgrund des rapiden Verlaufes einer APEC-Infektion oft zu spät. Die Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe konzentrierten sich daher zunächst auf die molekulare Typisierung eines großen Stammkollektivs und die Entwicklung eines molekularen Diagnostikums zur Identifizierung pathogener aviärer E. coli (Multiplex-PCR zur Diagnostik von APEC). Die Kombination von Virulenzgen-Typisierung und phylogenetischer Analyse ermöglicht globale Aussagen über die Entstehung und Verbreitung von klonalen APEC-Gruppen sowie das bis dato nicht bekannte Reservoir aviär pathogener E. coli-Stämme.  

Ein zentrales Projekt innerhalb unserer Arbeitsgruppe zur Pathogeneseforschung zur Entstehung der Coliseptikämie beim Geflügel ist die Anwendung der Signature-tagged Transposon Mutagenese auf invivo Infektionsversuche mit adulten SPF-Hühnern. Mithilfe zweier etablierter Infektionsmodelle („Septikämie“- und „Lungeninfektionsmodell“) wurde bereits eine Vielzahl von STM-generierten Mutanten auf ihre Virulenzabschwächung in vivo getestet. Dabei konnten im Septikämiemodell über 30 APEC-Gene identifiziert werden, die eine wichtige Rolle im Infektionsgeschehen der aviären Colibakteriose zu spielen scheinen. Derzeit werden ca. 1.800 weitere STM-Mutanten eines virulenten APEC-Stammes im „Lungeninfektionsmodell“ getestet, um gezielt Adhäsions-assoziierte Gene zu identifizieren, die APEC die primäre Anheftung an das respiratorische Epithel und somit den initialen Schritt der Infektion ermöglichen (DFG Graduiertenkolleg).

Derart identifizierte Virulenz-abgeschwächte Mutanten bzw. Genloci sowie deren Genprodukte werden anschließend in vitro in Adhäsions- und Invasionsassays weiter charakterisiert. Wir nutzen hierzu insbesondere Hühner-Makrophagen- und Hühner-Fibroblasten-Zelllinien.

Die etablierten Hühner-Infektionsmodelle bilden zudem  die Grundlage für weitere Untersuchungen zur Aufklärung der Wirt-Erreger-Interaktion bei der APEC-Infektion, die im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten FUGATO- (Funktionelle GenomAnalyse im Tierischen Organismus)- Projektes „E. coli-Chick“in Kooperation mit Immunologen und Tierzüchtern durchgeführt wird. In diesem Verbundprojekt werden daher von den beteiligten Partnern die Fragen der molekularen Virulenz von APEC, der angeborenen und erworbenen Immunantwort und der genetischen Resistenz des Wirtes bearbeitet. Ziel der Arbeiten ist es, aus den gemeinsam gewonnenen Ergebnissen neue Züchtungsstrategien abzuleiten, um diese direkt in die praktische Geflügelzucht umzusetzen. Darüber hinaus sollte dieser integrierte Ansatz auch die gezielte Entwicklung eines Impfstoffes erlauben.
Im Rahmen des FUGATO-Projektes wenden wir u. a. die IVIAT (In Vivo Induced Antigen Technology)- Methode an – eine Technologie, die im entsprechenden Wirtstier exprimierte Gene während einer natürlichen oder experimentellen Infektion identifiziert.

Alle beschriebenen Projekte dienen letztlich einem besseren Verständnis der Pathogenese der Coliseptikämie beim Geflügel sowie der Wirt-Erreger-Interaktion während einer APEC-Infektion. Dies ist Grundvorraussetzung für die Entwicklung einer effizienten Vakzine.
Tatsächlich wird der Entwicklung eines wirksamen Immunisierungsverfahrens eine enorme Bedeutung zugesprochen, da der Einsatz prophylaktischer und therapeutischer Maßnahmen zur Bekämpfung der APEC-Infektion aufgrund des meist perakuten Verlaufs, der Leistungsminderungen, notwendiger Wartezeiten, und nicht zuletzt wegen der Ausbreitung von Multiresistenzen gegenüber Antiinfektiva nur sehr eingeschränkt zu empfehlen ist. Während derzeit erhältliche kommerzielle Impfstoffe aufgrund mangelnder Kenntnisse pathogenetisch relevanter Antigene nur unzureichenden Schutz bieten kann der in Ausnahmefällen stattfindende Einsatz stall- und typenspezifischer Vakzine nur für einzelne Betriebe eine Alternative bieten und ist daher keineswegs zukunftsweisend.
Ein wesentlicher Inhalt unserer Arbeit ist daher die Überprüfung mittels unterschiedlicher Technologien (STM, IVIAT) identifizierter Gene als potenzielle Impfstoffkandidaten. Durch die umfassenden Informationen, die wir genannte Technologien sowie die Virulenztypisierung, phylogenetische Analysen sowie in vitro- und in vivo-Assays verfügen, ist die Basis für die Auswahl von Prototyp-Stämmen geschaffen, die in der Impfstoffentwicklung zukünftig eine Rolle spielen werden.  

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