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Ziel dieser Arbeit war es, die zeit- und kostenintensive Salmonellen-Serotypisierung mit Hilfe von molekularbiologischen Methoden zu komplettieren und nach Möglichkeit zu ersetzen. Es war geplant, verschiedene publizierte, molekularbiologische Nachweise zu prüfen und gegebenenfalls zu erweitern. Hierfür wurde ein Aufbau dreier Multiplex-PCRs (RAJTAK et al., 2011) und ein High Resolution Melting (HRM) (BRATCHIKOV & MAURICAS, 2011) etabliert und anschließend evaluiert. Zudem sollte im Rahmen dieses Projektes eine molekularbiologische Methode zur Unterscheidung von lebenden Impf- und Feldstämmen der Serovare Salmonella Enteritidis und Salmonella Typhimurium entwickelt werden. Deshalb war geplant, die genetischen Grundlagen der phänotypischen Marker zu ergründen und anhand dieser ebenfalls ein High Resolution Melting für die Differenzierung der Impf- und Feldstämme zu entwickeln. Für die Salmonella-Serovar-Differenzierung mittels Multiplex-PCRs (RAJTAK et al., 2011) wurden 210 Stämme verteilt auf 31 Serovare geprüft. Es konnten hier jedoch nur wenige Serovare eindeutig differenziert werden (Salmonella Livingstone, Salmonella Goldcoast, Salmonella Ohio, Salmonella Kentucky, Salmonella Typhimurium, Salmonella-Typhimurium-Variante monophasisch (1,4,[5],12:i:-), Salmonella Subspezies IIIb, Salmonella Enteritidis sowie der IDT-Salmonella-Enteritidis-Impfstamm). Für die übrigen Serovare konnte in Verbindung mit der Gelelektrophorese nur eine grobe Einteilung in insgesamt zehn Gruppen erreicht werden. Diese Gruppen enthielten bis zu zehn Serovare. Zudem konnten sehr wichtige Serovare wie Salmonella Enteritidis und Salmonella Typhimurium nicht endgültig differenziert werden. Für spezielle Fragestellungen, wie die Differenzierung der eindeutig unterscheidbaren Serovare, könnten diese Ergebnisse dennoch nützlich sein. Das High Resolution Melting nach Bratchikov und Mauricas aus dem Jahr 2011 wurde mit guten Ergebnissen evaluiert. Es konnten alle geprüften 100 Proben (zusammengesetzt aus 21 Serovaren) innerhalb eines Laufes mit dem LightCycler® 96 differenziert werden. Für eine zusätzliche Verbesserung dieser Methode, in Form einer genaueren Differenzierung des Serovars Salmonella Typhimurium, sollte das Protokoll um Differenzierungsmöglichkeiten für die Salmonella-Typhimurium-Variante O5-negativ (1,4,12:i:1,2) und die Salmonella-Typhimurium-Variante monophasisch (1,4,[5],12:i:-) erweitert werden. Dies gelang gänzlich für die monophasische Variante (1,4,[5],12:i:-) durch eine Erweiterung der HRM-Analyse mit dem Primerpaar FljB 1,2;1,5 nach Rajtak et al. aus dem Jahr 2011 sowie teilweise für die Variante O5-negativ (1,4,12:i:1,2). In den gesetzlichen Grundlagen, wie der Geflügel-Salmonellen-Verordnung und allen relevanten EU-Verordnungen für Bekämpfung von Salmonellen beim Geflügel, werden alle Varianten als Salmonella Typhimurium klassifiziert und deshalb gleich behandelt. Alle anderen Verordnungen, wie die Rinder-Salmonellose-Verordnung oder die Verordnung für Meldepflichtige Tierkrankheiten, erfassen ohnehin alle Salmonellen-Serovare. Somit ist eine weitere Unterscheidung der Serovare nicht notwendig, bietet aber Möglichkeiten für eine tiefgründigere Diagnostik, falls diese gewünscht ist. Auch ein Nachteil gegenüber der serologischen Differenzierung stellt sich durch die nur teilweise Differenzierungsmöglichkeit der Variante O5-negativ somit nicht. Um die Anwendbarkeit der HRM-Analyse in der Routinediagnostik, insbesondere bei auftreten neuer Serovare, besser beurteilen zu können, muss diese molekularbiologische Methode jedoch zunächst über einen längeren Zeitraum parallel zur klassischen Diagnostik angewandt werden, bevor sie in der Routinediagnostik verwendet werden kann. Mit Hilfe dieser Methode könnte allerdings, bei in etwa gleichem finanziellem Aufwand, ein erheblicher Zeitgewinn bei der Salmonellen-Differenzierung erzielt werden. Voraussetzung hierfür wäre jedoch das Vorhandensein eines HRM-fähigen Gerätes. Die Entwicklung einer molekularbiologischen Methode für die Impfstamm/Feldstamm-Differenzierung konnte ebenfalls mit sehr gutem Ergebnis durchgeführt werden. Es konnten mehrere Punktmutationen, sogenannte single nucleotide polymorphisms (SNPs), auf verschiedenen Genen (rpoB und his) mittels Sequenzierung entdeckt werden. Anschließend wurden HRM-Tests entwickelt, die die SNPs aller vier zugelassenen Salmonella-Lebendimpfstämme eindeutig differenzieren können. Diese Methode wurde auf dem LightCycler® 96 erfolgreich etabliert und die mögliche Durchführung der HRM-Analysen auch auf zwei weiteren Geräten (LightCycler® 480 und Rotor Gene Q) geprüft. Hier zeigte sich, dass der Rotor Gene Q ebenso alle vier Impfstoffe, der LightCycler® 480 hingegen aufgrund einer schlechteren Auflösung nur drei Impfstoffe unterscheiden kann. Die entwickelte Methode bietet eine erhebliche Zeitersparnis, da die derzeitige Unterscheidung anhand der phänotypischen Merkmale eine Inkubation von 18-24 Stunden (LAH-Impfstämme) beziehungsweise 18-48 Stunden (IDT-Impfstämme) benötigt. Die Laufdauer der entwickelten HRM-Analyse hingegen beträgt nur 1,5 Stunden.

Die Prävalenz von Antikörpern gegen Leptospiren wurde bei 3463 Seren aus 1213 zufällig gewählten bayerischen Milchvieh- und Mutterkuhherden bestimmt. Zirka drei Blutproben je Herde von Rindern im Alter von 6 Monaten bis ca. 2 Jahre wurden mittels MAR (mikroskopische Agglutinationsreaktion) gegen sechs Serovare untersucht. Die Prävalenz von Seren mit Titern von ≥ 1:100 lag für die Serovare hardjo bei 1,04 %, canicola bei 0,09 %, grippotyphosa bei 0,75 %, icterohaemorrhagiae bei 0,26 %, pomona bei 0,00 % und für Serovar bratislava bei 0,14 %. Auf Herdenbasis wurde Serovar hardjo wegen des enzootischen Charakters der Hardjo-Infektion getrennt betrachtet. Basierend auf der Hypothese, dass drei seronegative Proben aus einer Herde eine enzootische Infektion nahezu ausschließen, wurde die Prävalenz von Hardjo-Verdachtsherden mit 1,48 % (18 von 1213 Herden) berechnet. Die 18 Betriebe wurden alle in Südbayern entlang der Alpen gefunden. In dieser Region liegt die Herdenprävalenz bei 5,86 % bei einem Konfidenzintervall von 4,10 %-8,56 % (Binomialverteilung, Vertrauensbereich 95 %). Für die übrigen Serovare war keine regionale Anhäufung zu erkennen. Bei 1,98 % der Herden (Konfidenzintervall 1,45 %-2,76 %) war mindestens eine der drei Proben seropositiv. Zum Zeitpunkt der Blutentnahme wurden die Landwirte zu aktuellen und früheren klinischen Erkrankungen, Leistungsdaten (Milchertrag, Reproduktion) und epidemiologischen Daten befragt. In Herden mit Verdacht auf L.-Hardjo-Infektionen bzw. Infektionen mit anderen Serovaren im Vergleich zu Herden ohne Reagenten war kein signifikanter Unterschied bezüglich aktueller oder zurückliegender Anhäufung von klinischen Erkrankungen mit einem Verdacht auf Leptospirose gefunden worden. Auch war bei den Reproduktionsdaten und bei der Milchleistung kein signifikant negativer Effekt erkennbar. Bei den Herden mit Reagenten gegen Serovar hardjo wurde die Abgabe von Pensionsvieh höchst signifikant öfter praktiziert als bei den übrigen Herden (p < 1,95-14, Fisher´s Exact Test). Dieses Merkmal ist auch abhängig von der Region, da die Sammelweiden im Alpenbereich sehr weit verbreitet sind. Abortfrüchte (N = 154), die von Hoftierärzten zur Diagnostik eingesandt wurden, wurden mittels Leptospira-spezifischer Real-time-PCR untersucht. Als Probe wurde Labmageninhalt verwendet. Bei einem Fetus konnte Leptospira-interrogans-spezifische DNS nachgewiesen werden. Die Anzucht der Leptospiren aus dem Labmageninhalt gelang nicht. Begleitende Seren von Kühen mit Fehlgeburt und Seren von anderen Rindern des Bestandes wurden aus 47 Betrieben zusätzlich zur Abortfrucht eingesandt. Bei 7 (15 %) Betrieben wurden Serovar-hardjo-spezifische Antikörper (MAR 1:200–1:3200) diagnostiziert.

Die Immunisierung von Hühnern mit attenuierten Salmonella-Lebendimpfstoffen wird weit verbreitet eingesetzt, um die Kontamination von Geflügelprodukten mit Salmonella enterica Serovaren zu kontrollieren. In der hier vorgelegten Studie wurde die Immunreaktion auf die Impfung mit einem Salmonella typhimirium Lebendimpfstoff untersucht. Die Impfung wurde einen Tag nach dem Schlupf und im Alter von 6 Wochen durch Kropfinstillation verabreicht. Mit Hilfe der Durchflusszytometrie wurde die Reaktion der Lymphozyten auf die Impfung in Einzelzellsuspensionen aus Milz und Caecaltonsillen quantifizieren. Eine Woche nach der ersten Immunisierung wurde ein signifikanter Anstieg der Frequenz von γ/δ T−Zellen bei den geimpften Vögeln im Gegensatz zu den nicht geimpften Tieren beobachtet. Dieser Anstieg ging mit einer Steigerung der CD8+ Lymphozyten-Population und einer kompensatorischen Abnahme der α/β T-Zell-Frequenz einher. Auch eine Woche später war die Anzahl der γ/δ T-Zellen bei den immunisierten Tieren im Vergleich zu den Kontrolltieren erhöht. Zu diesem Zeitpunkt wurde ebenso ein leichter Anstieg der B-Zell-Frequenz beobachtet. Die Vögel, welche am ersten Tag nach dem Schlupf und mit 6 Wochen geimpft worden waren, zeigten eine Woche nach der zweiten Immunisierung im Vergleich zu den nicht geimpften Tieren keine signifikanten Unterschiede in der Frequenz der Lymphozyten in Milz und Caecaltonsillen. Eine Woche später wurde dagegen eine vermehrte Anzahl an α/β T-Zellen in der Milz und ein deutlicher Anstieg der IgA+ B-Zellen in den Caecaltonsillen nachgewiesen. Die selbe Reaktion wurde beobachtet, wenn Vögel, welche zweimal geimpft worden waren, mit Hühnern verglichen wurden, die nur eine Immunisierung mit 6 Wochen erhalten hatten. Diese Studien zeigen deutlich, dass die Impfung eine frühzeitige unspezifische Immunreaktion in der Milz der Küken induzierte, während die Reimmunisierung mit 6 Wochen zu einer Aktivierung der klassischen α/β T-Zellen führt. T-Zell Proliferations-Assays zeigten eine Woche nach der Impfung von frisch geschlüpften Küken keine signifikanten Unterschiede in der proliferativen Aktivität von Zellen, die durch Quervernetzung der T-Zellenrezeptors aktiviert worden waren. Eine Woche später zeigte sich dagegen eine signifikant erhöhte Proliferation der α/β T−Zellen aus der Milz der immunisierte Tiere. Eine solche Reaktion konnte nicht in den Milzen 6 Wochen alter Vögel gezeigt werden, welche zwei Impfungen erhalten hatten. Deren polyklonale T-Zellreaktion wich nicht signifikant von der der Vögel ab, die nur eine Impfung erhalten. Um zu prüfen, ob die beobachtete Erhöhung der IgA+ B-Zellfrequenzen in den Caecaltonsillen immunisierter Tiere mit einer deutlichen IgA-Antikörperproduktion einhergeht, wurden Seren von geimpften Vögeln (im Alter von einem Tag und 6 Wochen) und ungeimpften Tieren verglichen. Jeweils eine, zwei und drei Wochen nach der Reimmunisierung wurde ein signifikanter Anstieg von S. typhimurium LPS spezifischen IgA-Titern (p < 0,05) nachweisbar und parallel dazu eine klare Zunahme von IgA-Titern in der Galle deutlich. Die selbe Beobachtung wurde gemacht, wenn Gruppen von Tieren verglichen wurden, die zwei Immunisierungen an Tag 1 und mit 6 Wochen oder nur eine Immunisierung mit 6 Wochen erhalten hatten. Aus diesen Untersuchungen kann gefolgert werden, dass die Immunisierung mit einem Salmonella typhimurium Lebendimpfstoff zur Induktion einer immunologischen Gedächtnisreaktion und zur Aktivierung des sekretorischen IgA-Systems führt.

Salmonellosen gehören weltweit zu den drei häufigsten registrierten, lebensmittelbedingten bakteriellen Darmerkrankungen. Dabei sind bestimmte S. enterica-Subspezies-I-Serovare an einen speziellen Wirt adaptiert, andere Serovare zeigen hingegen ein breites Wirtsspektrum. Der Krankheitsverlauf einer Salmonellose wird aber auch von der Spezies des infizierten Wir- tes bestimmt. Je nach infiziertem Wirt können beispielsweise milde bis akute Enterocolitis, aber auch schwere systemische Infektionen beobachtet werden. Um sich im Laufe ihrer Evolution optimal an ihre Wirte anzupassen, haben Salmonella spp. nach der Abspaltung vom kommensalen E. coli schrittweise neue Virulenzeigenschaften er- worben. Dies geschah vor allem über horizontalen Gentransfer (Ochman und Moran, 2001). Im ersten Schritt wurde die Salmonella-Pathogenitätsinsel 1 (SPI1), später SPI2 erworben. Beide Inseln kodieren jeweils einen Typ-III-Translokationsapparat und dazu gehörende trans- lozierte Effektorproteine, welche die Wirtszellreaktionen zum Vorteil des Pathogens modulie- ren. Die Inseln sind zu unterschiedlichen Phasen der Salmonellosen aktiv. Das für die Wirts- zellinvasion verantwortliche Typ-III-Translokationssystem von SPI1 kann auch Effektoren in die Wirtszellen schleusen, die außerhalb der SPI1 kodiert sind. Der in SPI1 kodierte Translo- kationsapparat ist in Salmonella spp. hoch konserviert (Li et al., 1995). In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der translozierten Effektorproteine bei der Evolu- tion von Salmonella spp. hin zu tierpathogenen Erregern untersucht. Es konnte gezeigt wer- den, daß die meisten SPI1-abhängig translozierten Effektoren (SipA, SipB, SipC, SptP, SopB, SopD und SopE2), ob innerhalb oder außerhalb von SPI1 kodiert, ebenfalls hoch konserviert vorliegen. Phylogenetische Analysen zeigten, daß diese konservierten Effektoren früh in der Salmonella-Entwicklung, nämlich zwischen 50 und 160 Millionen Jahren (im Zeitrahmen der SPI1-Aufnahme), akquiriert wurden. So handelt es sich hierbei um Faktoren mit einer basalen bzw. zentralen Virulenzfunktion, die Salmonella spp. von kommensalen Escherichia spp. unterscheiden. Es konnte gezeigt, daß die konservierten Effektorproteine SopE2 und SopB maßgeblich an der Wirtszellinvasion beteiligt sind (Mirold et al., 2001). Diese Invasion-vermittelnden Effek- toren sind weit entfernt von SPI1, in separaten chromosomalen Loci, kodiert. Diese Beobach- tung steht in gewissem Widerspruch zur klassischen Definition der Pathogenitätsinsel. Die invasionsrelevanten Effektoren SopB und SopE2 bilden zusammen mit dem SPI1- Translokationsapparat eine funktionelle Einheit (ein sogenanntes „Invasionsvirulon“), obwohl sie nicht -wie für Pathogenitätsinseln postuliert- auf demselben chromosomalen Element ko- diert sind. Zusammen mit den phylogenetischen Daten aus dieser Arbeit, deuten diese Ergeb- nisse daraufhin, daß der letzte gemeinsame Vorfahre aller heutigen Salmonella spp. bereits sämtliche für die Wirtszellinvasion benötigten Effektorproteine kodierte und daß die Modula- tion der Signaltransduktionswege in der Wirtszelle in S. bongori und in sämtlichen S. enteri- ca-Subspezies konserviert sind. Es wird vielmehr ein Translokationsmodul durch die SPI1 bereitgestellt, durch das sowohl konservierte als auch variabel vorkommende Effektorproteine in die Wirtszelle geschleust werden können. Es konnten jedoch auch Variationen festgestellt werden. Die beiden für die Effektorproteine SopE- und AvrA-kodierenden Gene sind variabel in der Salmonella-Population verteilt. AvrA ist am Rande der SPI1 kodiert und es wird vermutet, daß es nicht zum Kern der SPI1 gehört. Das variable SopE ist bei Zentisom 60 des Salmonella-Chromosoms, abgetrennt von SPI1 (Zentisom 63), kodiert. Das variable Effektorprotein SopE und wahrscheinlich auch AvrA tragen vermutlich als „Adaptationsproteine“ zur Feinmodulation der Wechselwirkung mit dem Wirt bei. Vermutlich existieren noch wesentlich mehr variable Effektorproteine, die zu dieser Feinanpassung beitragen. In dieser Arbeit wurde weiterhin der horizontale Transfer von sopE detailliert untersucht. SopE ist in Typhimurium auf SopEΦ, einem Bakteriophagen der P2-Familie, kodiert. SopE ist das erste Effektorproteingen, bei dem die horizontale Übertragung über den Mechanismus der lysogenen Konversion nachgewiesen werden konnte. Bisher war bei Salmonella spp. nur der Phagen-vermittelte horizontale Transfer durch Transduktion bekannt. Die spezifische Integra- tionsstelle von SopEΦ in das Salmonella-Chromosom wurde näher charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, daß SopEФ in der attL-Region eines bereits integrierten kryptischen Propha- gen (CP4-57) integriert ist, der seinerseits in ssrA, dem Gen für die kleine stabile tmRNS, integriert ist. Epidemiologische Untersuchungen wiesen zudem darauf hin, daß der Erwerb des sopE-Gens durch lysogene Konversion mit SopEФ einen selektiven Vorteil gegenüber sopE-negativen Typhimurium-Stämmen darstellen. SopE-tragende S. enterica-Subspezies-I-Serovar Typhi- murium-Stämme lösten in den siebziger und achtziger Jahren verstärkt Epidemien aus. Darü- berhinaus konnte gezeigt werden, daß SopEФ-Lysogene eine gesteigerte Virulenz aufweisen. Dies wurde sowohl in Zellkulturversuchen (diese Arbeit) als auch in Rinderinfektionsversu- chen (Zhang, zur Publikation eingereicht) experimentell nachgewiesen. Schließlich wurde in dieser Arbeit auf die Koevolution von Salmonella spp. und Virulenzfak- tor-tragenden Bakteriophagen untersucht. Es wurde festgestellt, daß die genetischen Mecha- nismen, welche den Modulaustausch zwischen Bakteriophagen vermitteln, auch dazu führen, die Flexibilität der Salmonella spp. bezüglich der Wirtsanpassung zu steigern. Dieser Mecha- nismus stellt möglicherweise für die Bakterien und damit auch für die assoziierten Bakteri- ophagen einen Selektionsvorteil dar. Es wurde beobachtet, daß der Virulenzfaktor SopE in einigen Serovaren der S. enterica-Subspezies-I nicht auf einem P2-ähnlichen sondern auf ei- nem lambdoiden Bakteriophagen kodiert ist. Es konnte demzufolge zum ersten Mal beobach- tet werden, daß ein Virulenz-vermittelndes Effektorproteingen in dem Genom zweier ver- schiedener Phagenfamilien kodiert ist und durch diese Phagen möglicherweise horizontal transferiert werden kann. Die ermittelten DNS-Sequenzen um sopE lassen vermuten, daß eine konservierte sopE-tragende Kassette (oder „Moron“) durch homologe Rekombination zwi- schen den zwei verschiedenen Bakteriophagenfamilien (P2- und lambdoid) transferiert wor- den ist. Diese Art des Transfers von Virulenzgen-Modulen zwischen verschiedenen Phagen- Familien erlaubt die flexible Neukombination von Phagen-kodierten Effektorproteinen. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß variabel vorkommende translozierte Effektorpro- teine die Pathogen-Wirt-Beziehung optimieren können. Neukombinationen dieser Effektoren können über horizontalen Transfer hergestellt werden und somit die optimale Anpassung an die jeweiligen Wirte gewährleisten. Dabei spielt der horizontale Transfer von Virulenzgenen über konvertierende Bakteriophagen eine wesentliche Rolle. Günstige Kombinationen von variablen Effektorproteinen sind wahrscheinlich entscheidend an der Entstehung neuer Epi- demiestämme beteiligt. Die effizienten horizontalen Transfermechanismen zwischen ver- schiedenen Salmonella spp. als auch zwischen verschiedenen Phagenfamilien tragen so dazu bei, daß Salmonella spp. ein äußerst breites Spektrum von Wirten infizieren können und daß neue Epidemieklone mit höherer Frequenz entstehen können.