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Untersuchungen zur Wirkung von Shigatoxin 1 von Escherichia coli auf Zellen der unspezifischen Immunabwehr bei Rind, Schaf und Ziege

Effects of shiga toxin 1 from Escherichia coli on cells of the innate immune system in cattle, sheep, and goats

Eisenberg, Tobias


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-11313
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2003/1131/


Freie Schlagwörter (Deutsch): Shigatoxin , Granulozyten , STEC , Apoptose , Wiederk√§uer
Freie Schlagwörter (Englisch): shiga toxin , granulocytes , VTEC , apoptosis , ruminant , innate immune system
Universität Justus-Liebig-Universit√§t Gie√üen
Institut: Institut f√ľr Hygiene und Infektionskrankheiten der Tiere der Justus-Liebig-Universit√§t Giessen
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der m√ľndlichen Pr√ľfung: 04.06.2003
Erstellungsjahr: 2003
Publikationsdatum: 18.06.2003
Kurzfassung auf Deutsch: Da bislang nur Hinweise f√ľr eine Beeintr√§chtigung des spezifischen Immunsystems w√§hrend der STEC-Infektion des Rindes vorlagen, sollte in dieser Arbeit gekl√§rt werden, ob auch die zum unspezifischen Immunsystem geh√∂renden Granulozyten verschiedener Wiederk√§uerspezies Zielzellen f√ľr Shigatoxine (Stx) darstellen. Im Einzelnen wurde dazu mittels Durchflusszytometrie untersucht, ob bovine, ovine und caprine Granulozyten √ľber einen Stx-Rezeptor verf√ľgen und die f√ľr die Rezeptorbindung verantwortliche, rekombinante B-Untereinheit (rStxB1) binden k√∂nnen. Anschlie√üend wurde der Frage nachgegangen, ob das aufgereinigte Stx1-Holotoxin und die rStxB1 bei bovinen und ovinen Granulozyten auf direktem oder indirektem Wege einen Einfluss auf die Parameter Vitalit√§t, Phagozytoseaktivit√§t, Aktivierbarkeit und Migrationsf√§higkeit aus√ľben k√∂nnen.

Rezeptoren vom Gb3/CD77-Typ fanden sich ex vivo auf Granulozyten aus dem Blut von Schaf und Ziege. Bindungsstudien mit rStxB1 best√§tigten das Vorhandensein eines Stx-Rezeptors auf den Granulozyten der kleinen Wiederk√§uer. In Kompetitionsstudien an Schafgranulozyten konnte die Bindung der rStxB1 an Gb3/CD77 mit hoher Affinit√§t gezeigt werden. Schafgranulozyten banden auch das Stx1-Holotoxin. Stx1 f√ľhrte in vitro bei Schafgranulozyten aus dem Blut zu einer starken Erh√∂hung des Anteils fr√ľh-apoptotischer Zellen. Derselbe Effekt zeigte sich auch bei Granulozyten aus Schafmilch als ein Modell f√ľr Zellen nach Transmigration einer Gewebeschicht. Granulozyten aus dem Blut von Schafen zeigten in Anwesenheit von Stx1 eine erh√∂hte Phagozytoseaktivit√§t. Ferner beeinflussten Stx1 und rStxB1 die Aktivierbarkeit dieser Zellen.

Granulozyten aus dem Blut von Rindern exprimierten ex vivo kein Gb3/CD77 und banden auch die rStxB1 nicht. Beim Rind war auch nach Inkulturnahme und Stimulation der Granulozyten mit LPS sowie bei Milchgranulozyten keine Rezeptorexpression oder Bindung der rStxB1 nachweisbar. Auf die Vitalität von Rindergranulozyten hatten Stx1 und rStxB1 keinen Einfluss. Eine toxinspezifische Beeinträchtigung der Zellfunktionen (Phagozytose, Aktivierbarkeit) trat nicht auf. Allerdings zeigten Rindergranulozyten eine reduzierte Migrationsaktivität hin zu Überständen Stx1-behandelter boviner intestinaler Epithelzellen.

In Abh√§ngigkeit von der Wirtsspezies stellen die Granulozyten von Schafen somit direkte und die Granulozyten von Rindern indirekte Zielzellen f√ľr Shigatoxin dar. Dies macht auch eine Beeintr√§chtigung des unspezifischen Immunsystems w√§hrend der STEC-Infektion von Wiederk√§uern wahrscheinlich. Im Hinblick auf die Persistenz der STEC-Infektion k√∂nnte sich bei Wiederk√§uern ein Gleichgewicht zwischen bakteriell freigesetztem Stx und Stx-supprimierter Granulozytenmigration einstellen und eine symptomlose Infektion etablieren. Beim Schaf w√§re dar√ľber hinaus denkbar, dass die Granulozyten die Menge an luminalem Toxin vermindern, indem sie freies Stx mit hoher Affinit√§t binden, apoptotisch werden und mit dem Kot ausgeschieden werden. Die Ergebnisse belegen somit erstmals eine wichtige Rolle des unspezifischen Immunsystems bei der STEC-Infektion der Wiederk√§uer, zeigen aber auch starke speziesspezifische Unterschiede auf. Dabei finden sich Unterschiede nicht nur in Bezug auf das f√ľr einheitlich gehaltene Reservoir Wiederk√§uer, sondern auch im Vergleich zu dem von STEC-bedingten Erkrankungen betroffenen Menschen.
Kurzfassung auf Englisch: Immunomodulation by Shiga toxins (Stxs) is considered to play an important role in the establishment of persistent bovine STEC infections, since it is known that Stx1 impairs cells belonging to the specific immune system in cattle. In order to supplement our understanding of this immunomodulation the present thesis addressed the question, whether granulocytes - as a part of the innate immune system - of different ruminant species represent target cells for the Stxs. Therefore bovine, ovine, and caprine granulocytes were analysed by flow cytometry for the presence of Stx-receptors and for the ability to bind recombinant StxB1-subunit (rStxB1). Subsequent investigations assessed the putative effect‚Äď either by direct or indirect means - of purified Stx1-holotoxin and rStxB1 on viability, phagocytic and oxdative burst-activity, and migratory capability of the cells.

Granulocytes obtained from the peripheral blood of sheep and goats expressed Stx-receptors of the Gb3/CD77-type ex vivo. Binding studies with rStxB1 confirmed the presence of functional Stx-receptors on small ruminants` granulocytes. Competition studies with ovine granulocytes demonstrated high affinity binding of rStxB1 by Gb3/CD77. Ovine granulocytes also bound Stx1-holotoxin. In vitro Stx1 increased the number of ovine blood granulocytes entering a state of early apoptosis. The same effect was caused by Stx1 in granulocytes obtained from sheep`s milk as a model for cells having transmigrated through a tissue-layer. Moreover, Stx1 increased the phagocytic activity of ovine granulocytes and Stx1 as well as rStxB1 altered the oxidative burst activity of these cells.

Blood granulocytes of cattle neither expressed Gb3/CD77 nor did they bound rStxB1 ex vivo. Furthermore, analysis of cells stimulated with LPS in vitro as well as analysis of granulocytes from bovine milk failed to detect Stx-receptor expression or the ability of the cells to bind rStxB1. There was no toxin-specific effect on cellular functions (phagocytosis, oxidative burst activity) in bovine granulocytes. Nevertheless, bovine granulocytes exhibited an impaired migratory activity towards supernatants of Stx1-treated bovine intestinal epithelial cells.

In conclusion, granulocytes from sheep represent direct target cells while bovine granulocytes represent indirect target cells for Stx1. Both aspects point to an impairment of the innate immune system during ruminant`s STEC-infection. With regard to the persistence of STEC-infection it is thus tempting to conclude that a steady state between Stx1 secreted by the STEC and a Stx-suppressed transmigration of granulocytes finally leads to the establishment of asymptomatic infections. Moreover, granulocytes in sheep probably reduce the amount of toxin in the intestinal lumen by binding free Stx with high affinity, undergoing apoptosis, and being eliminated with the feces. For the first time the results thus stress the role of the innate immune system in ruminant`s STEC-infection but also enlighthen striking species-specific differences. These differences not only occur between ruminant species thus far equally regarded as STEC reservoirs but are also apparent in comparison to man who is threatened by STEC-associated illnesses.
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