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Eimeriosis in ruminants: large-scale epidemiological survey, isolation of a new Eimeria zuernii strain and novel data on Eimeria spp.-host cell interactions

López-Osorio, Sara


Originalveröffentlichung: (2020) Giessen : VVB Laufersweiler Verlag
Zum Volltext im pdf-Format: Dokument 1.pdf (29.753 KB)


Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-152691
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2020/15269/


Freie Schlagwörter (Deutsch): Rinder-Kokzidiose in Kolumbien , Rinder-Eimeriose , Ziegen-Eimeriose , In-vitro-Kultur , Cholesterin , Stoffwechselwege , NETosis
Freie Schlagwörter (Englisch): Bovine coccidiosis in Colombia , cattle eimeriosis , caprine eimeriosis , in vitro culture , cholesterol
Universität Justus-Liebig-Universit√§t Gie√üen
Institut: Institut f√ľr Parasitologie; Universit√§t von Antioquia, Medellin, Kolumbien, Fachbereich Agrarwissenschaften
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-6866-0
Sprache: Englisch
Tag der m√ľndlichen Pr√ľfung: 23.09.2019
Erstellungsjahr: 2020
Publikationsdatum: 31.08.2020
Kurzfassung auf Englisch: Coccidiosis is an intestinal disease caused by parasite species of the genus Eimeria and has high economic impact on livestock worldwide. Oocysts of Eimeria spp. are found ubiquitously in the environment, making the infection almost inevitable. The massive replication of the parasite leads to the destruction of intestinal cells thereby producing diarrhoea and sometimes causing death. Furthermore, because of massive intestinal damage through obligate intracellular replication of Eimeria spp., the digestion and absorption of nutrients become affected and even without clinical symptoms animal performance is compromised, causing economical losses in cattle and goat industry. Although understanding of coccidiosis (mainly in chicken) has improved during the past decades, there is still a lack of information specifically in the field ruminant coccidiosis. Advanced tools for research on epidemiology, immunology, biology or diagnosis are now available opening new perspectives for modern research in this field. As part of this thesis, a large-scale cross- sectional epidemiological study was conducted to evaluate prevalence, species diversity and associated risk factors of Eimeria spp. infections in 55 cattle farms across seven states of Colombia. In total, 1333 fecal samples from young animals (<1 year of age) were examined. The overall Eimeria prevalence was 75.5%, with no difference observed between age categories. In total, 13 different Eimeria species were here identified. The most prevalent species was E. bovis (33.5%). Analysis of extrinsic associated risk factors revealed floor type, feeding system, watering system and herd size as significant (p < 0.05) risk factors for Eimeria infections. On the other hand, a Colombian E. zuernii strain was isolated and a corresponding suitable in vitro culture was established. The new E. zuernii (strain A) will allow detailed in vitro investigations on metabolism and on host innate/adaptive immunity for this specific bovine species. Additionally, we used novel tools in microscopy (e. g. 3D- holotomography analysis) to study exogenous sporogony of E. bovis and farther improved the excystation method to facilitate the work with ruminant Eimeria strains. Overall, three different E. bovis sporogony phases were documented: i) sporoblast/sporont transformation into sporogonial stages, ii) cytokinesis followed by nuclear division, and iii) formation of fully developed four sporocysts each with two developed sporozoites. Moreover, we generated first evidence on carbohydrate-related metabolic pathways and energy supply to be involved in E. bovis sporozoites-induced NETosis and simultaneous formation of autophagosomes. E. bovis-induced cell-free and anchored NETs. Both phenotypes were significantly diminished via inhibitor pretreatments of some metabolic of exposed PMN, thereby indicating a key role of ATP, pyruvate- and lactate-mediated metabolic pathways for proper sporozoite-mediated NETosis. Interestingly, E. bovis additionally induced LC3B-related autophagosome formation in parallel to NET formation in bovine PMN. Finally, we explored the metabolism of lipids during in vitro of caprine E. arloingi first merogony resulting in macromeront formation within host endothelial cells. The complete inhibition of merozoite I production in E. arloingi-treated host endothelial cells suggested that the uptake of lipids via SR-B1 is necessary for parasite replication within host cell. Although all this novel data leads to a better understanding of parasite-host/host cell interactions, we still need more investigation thoroughly on parasite-induced modulation of different cellular functions (e. g. apoptosis, autophagy, cytoskeleton, cholesterol metabolism) which may be altered during endogenous infection and taking particular care of adequate highly specific host cells. Thus, ruminant Eimeria spp.-related investigations in vitro should be conducted mainly in primary host cells corresponding to the ones parasitized in vivo. As such, ruminant pathogenic Eimeria species, all of them resulting in macromeront formation, replicate in vivo in lymphatic endothelial cells of the small intestinal villi.


Kurzfassung auf Deutsch: Kokzidiose ist eine Darmkrankheit, die durch Parasiten der Gattung Eimeria verursacht wird und weltweit einen hohen wirtschaftlichen Einfluss auf das Vieh hat. Oozysten von Eimeria spp. sind in der Umwelt allgegenw√§rtig und machen die Infektion fast unvermeidlich. Die massive Replikation des Parasiten f√ľhrt zur Zerst√∂rung der Darmzellen, wodurch Durchfall und manchmal Tod verursacht werden. Aufgrund massiver Darmsch√§den durch obligat intrazellul√§re Replikation von Eimeria spp. wird au√üerdem die Verdauung und Absorption von N√§hrstoffen beeintr√§chtigt. Auch ohne klinische Symptome ist die Leistung der Tiere beeintr√§chtigt, was wirtschaftliche Verluste in der Rinder- und Ziegenindustrie zur Folge hat. Obwohl sich das Verst√§ndnis f√ľr Kokzidiose (haupts√§chlich bei H√ľhnern) in den letzten Jahrzehnten verbessert hat, mangelt es immer noch an Informationen speziell im Bereich der Wiederk√§uer- Kokzidiose. Weiterentwickelte Methoden f√ľr die Erforschung von Epidemiologie, Immunologie, Biologie oder Diagnose stehen jetzt zur Verf√ľgung und er√∂ffnen neue Perspektiven f√ľr die moderne Forschung auf diesem Gebiet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine gro√ü angelegte epidemiologische Querschnittsstudie durchgef√ľhrt, um die Pr√§valenz, die Artenvielfalt und die damit verbundenen Risikofaktoren von Eimeria spp.-Infektionen in 55 Rinderfarmen in sieben Staaten in Kolumbien zu bewerten. Insgesamt wurden 1333 Kotproben von Jungtieren (<1 Jahr) untersucht. Die allgemeine Eimeria-Pr√§valenz betrug 75,5%, wobei kein Unterschied zwischen den Alterskategorien beobachtet wurde. Insgesamt wurden hier 13 verschiedene Eimeria-Arten identifiziert. Die am h√§ufigsten vorkommende Art war E. bovis (33,5%). Die Analyse der extrinsisch assoziierten Risikofaktoren ergab, dass Bodentyp, F√ľtterungssystem, Bew√§sserungssystem und Herdengr√∂√üe signifikante (p <0,05) Risikofaktoren f√ľr Eimeria-Infektionen sind. Andererseits wurde ein kolumbianischer E. zuernii-Stamm isoliert und eine entsprechende geeignete in vitro-Kultur etabliert. Der neue E. zuernii (Stamm A) wird detaillierte in-vitro Untersuchungen zum Metabolismus und zur angeborenen/adaptiven Immunit√§t des Wirts f√ľr diese spezifische Rinderspezies erm√∂glichen. Zus√§tzlich verwendeten wir neuartige Werkzeuge in der Mikroskopie (z. B. 3D- Holotomographie-Analyse), um die exogene Sporogonie von E. bovis zu untersuchen und die Exzystierungsmethode weiter zu verbessern, um die Arbeit mit Eimeria-Wiederk√§uerst√§mmen zu erleichtern. Insgesamt wurden drei verschiedene E. bovis-Sporogonie-Phasen dokumentiert: i) Sporoblasten/Sporont-Transformation in sporogoniale Stadien, ii) Zytokinese mit anschlie√üender Kernteilung und iii) Bildung von vier voll entwickelten Sporozysten mit jeweils zwei entwickelten Sporozoiten. Dar√ľber hinaus haben wir erste Hinweise auf kohlenhydratbezogene Stoffwechselwege und die Energieversorgung f√ľr die Beteiligung an der durch E. bovis-Sporozoiten induzierten NETose und der gleichzeitigen Bildung von Autophagosomen erhalten. E. bovis-induziert zellfreie und verankerte NETs. Beide Ph√§notypen wurden durch Inhibitor-Vorbehandlung einiger Metaboliten von exponiertem PMN signifikant verringert, was auf eine Schl√ľsselrolle der ATP-, Pyruvat- und Lactat-vermittelten Stoffwechselwege f√ľr eine korrekte Sporozoiten-vermittelte NETose hinweist. Interessanterweise induzierte E. bovis zus√§tzlich die LC3B- bedingte Autophagosomenbildung parallel zur NET-Bildung bei Rinder-PMN. Schlie√ülich untersuchten wir den Metabolismus von Lipiden w√§hrend der in vitro-Untersuchung der ersten Merogonie von caprinen E.-arloingi, die zur Makromont-Bildung in Endothelzellen des Wirts f√ľhrte. Die vollst√§ndige Hemmung der Merozoit I-Produktion in mit E. arloingi behandelten Wirtsendothelzellen legte nahe, dass die Aufnahme von Lipiden √ľber SR-B1 f√ľr die Parasitenreplikation in der Wirtszelle notwendig ist. Obwohl all diese neuen Daten zu einem besseren Verst√§ndnis der Wechselwirkungen zwischen Parasiten und Wirtszellen f√ľhren, m√ľssen wir die durch Parasiten verursachte Modulation verschiedener zellul√§rer Funktionen (z. B. Apoptose, Autophagie, Zytoskelett, Cholesterinstoffwechsel), die sich w√§hrend der endogenen Infektion √§ndern k√∂nnen, noch eingehender untersuchen und besondere Sorgfalt auf ad√§quate hochspezifische Wirtszellen legen. Daher sollten in-vitro- Untersuchungen im Zusammenhang mit Wiederk√§uern von Eimeria spp. haupts√§chlich in prim√§ren Wirtszellen durchgef√ľhrt werden, die den in vivo parasitierten Zellen entsprechen. Als solche replizieren sich pathogene Eimeria- Spezies von Wiederk√§uern, die alle zur Makromontbildung f√ľhren, in vivo in lymphatischen Endothelzellen der D√ľnndarmzotten.

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