FOR 585: Pathogen Specific Defense Mechanisms in the Mammary Gland
Medicine
Final Report Abstract
Der Verlauf einer Entzündungsreaktion im Euter ist sehr stark abhängig von der Spezies des Infektionskeims: Escherichia coli ruft eine ausgeprägte Entzündung hervor, die zu immunpathologischen Problemen führen kann. Staphylococcus aureus hingegen führt zu einer schwachen Immunrektion der Kuh und birgt die Gefahr einer persistierenden Infektion. In der FOR 585 sollten die molekularen Hintergründe für diese sehr unterschiedliche Wirt-Pathogen Interaktion aufgeklärt werden, durch (i) Etablierung und Weiterentwicklung von Mastitsmodellen, (ii) Transkriptom und Proteomanalysen des Wirtes und der Pathogene während der Infektion und (iii) Funktionsanalysen der Immunabwehr in der Milchdrüse. E. coli Infektion des Euters bewirkt immer einen sehr schnell ausgelösten Zytokinsturm, dominiert von TNF-α, IL-1 und IL-6. Dies geschieht durch die volle Immunaktivierung der großen Masse der Milchdrüsenepithelzellen (MEC), vermittelt durch die Toll-like-Rezeptoren (TLR)-abhängige Aktivierung des NF-κB Faktorenkomplexes. Überraschend zeigte es sich, dass die E. coli Infektion eines Euterviertels zu einer systemischen Reaktion führt, durch die benachbarte Euterviertel vor Infektion geschützt werden können. Auch wurde erstmals die Beteiligung epigenetischer Mechanismen an der Regulation der Immunantwort im Euter nachgewiesen. Infektion des Euters mit S. aureus hingegen löst eine verzögerte und abgeschwächte Immunantwort aus. Es wurden keine Gene gefunden, die ausschließlich von diesem Keim aktiviert werden. Er stimuliert nicht die TLR-Signalkaskade in den MEC, sondern bewirkt unter Beteiligung von MAP-Kinasen einen abgeschwächten Immunalarm, dominiert von einer IL-6 Induktion. Diese Defizienz in der Stärke des MEC- Immunalarms wird quantitativ nicht durch die Pathogen-abhängige Stimulation von Makrophagen kompensiert, obwohl diese „klassischen“ Wächterzellen des Immunsystems mit annähernd gleicher Kinetik und Intensität auf beide Keime reagieren. Der Pathogen-Spezies spezifische Unterschied in der Reaktion des Wirtes spiegelt sich ebenfalls wider in seiner Reaktion auf Infusion des Euters mit relevanten Endotoxinen äquivalenter Bioaktivität (E. coli, LPS; S. aureus, LTA). Bezüglich des Wirts- und Organtropismus beider Mastitis-Pathogene zeigte es sich überraschenderweise, dass es weder spezifische Virulenz Gene gibt, noch eine signifikante genetische Fixierung für Milchdrüsenbesiedlung oder eine besondere Ausstattung mit signalgebenden Oberflächenmolekülen. Jedoch sind die Pathogene beider Spezies besser angepasst an Wachstum und Überleben im Euter, als etwa Fäkalisolate oder Isolate aus anderen Geweben. Nachweis und Verständnis der Regulation der systemischen Antwort und epigenetischer Mechanismen im Verlauf einer Euterinfektion eröffnet neue Wege für die Entwicklung innovativer Interventionsstrategien gegen die schwere E. coli Mastitis in besonders kritischen Phasen des Laktationszyklus, aber auch zur unterstützenden Therapie bei chronischer S. aureus Mastitis.
