Die Toxoplasmose ist eine Infektionskrankheit, die durch den Parasiten Toxoplasma gondii verursacht wird. Während eine Infektion bei den meisten immunkompetenten Menschen asymptomatisch abläuft, kann bei einer Primärinfektion in der Schwangerschaft der Parasit auf den Föten übergehen und zu einem Abort oder zu schweren Erkrankungen dessen führen.Eine pränatale Therapie soll eine Übertragung verhindern oder klinische Auswirkungen beim Kind mindern. Um die Effektivität der in Deutschland durchgeführten Therapie beurteilen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine retrospektive Untersuchung von 685 schwangeren Frauen durchgeführt, deren serologische Befunde auf eine Primärinfektion hindeuteten. In Folge dieser Studie konnte gezeigt werden, dass eine innerhalb von vier Wochen nach Infektion eingeleitete antiparasitäre Therapie das Risiko für die Ausprägung von klinisch-manifesten Erkrankungen des Kindes mindert.Um valide epidemiologische Untersuchungen durchführen zu können ist eine zuverlässige Diagnostik unabdingbar. Hierfür ist von Bedeutung, dass T. gondii ein intrazellulärer Parasit ist, welcher in drei verschiedenen Stadien vorkommt: als Oozysten, Tachy- und Bradyzoiten. Bei einer akuten Infektion sind vorwiegend sich schnell vermehrende Tachyzoiten vorhanden, während bei einer chronischen Infektion Bradyzoiten-enthaltene Zysten dominieren. Es wird davon ausgegangen, dass jedes Parasitenstadium spezifische Antigene exprimiert.Im Zuge dieser Arbeit sollten daher diagnostische Marker identifiziert werden, die eine Differenzierung zwischen einer akuten und einer chronischen Infektion erlauben. Über 2D-Gelelektrophoresen und Massenspektrometrie konnten dabei u. a. die Proteine GRA1, GRA7, ROP9, MIC5 und SUB1 als Marker für eine akute Infektion ermittelt werden. Diese, sowie sieben weitere Proteine, wurden rekombinant in E. coli hergestellt und in einem Lineblot-Verfahren an Humanseren auf ihre diagnostischen Eigenschaften untersucht.Durch den Nachweis spezifischer IgG-Antikörper gegen rGRA1, rGRA2 und rGRA6 konnte eine Toxoplasma-Infektion in bis zu 100 % erkannt werden. Eine Diskriminierung des Infektionsstadiums war allerdings nicht möglich. Eine akute Infektion ließ sich jedoch durch den Nachweis von rSUB1- und rGRA6-spezifischen IgG- und IgA Antikörper mit einer Wahrscheinlichkeit von bis zu 92 % von einer chronischen Infektion unterscheiden.Des Weiteren wurden mit Hilfe des Lineblot-Verfahrens untersucht, ob die rekombinanten Antigene auch Potenzial hatten eine der häufigsten klinisch-manifesten Erkrankungen - die okuläre Toxoplasmose (Retinochorioiditis) - zu identifizieren. Dabei konnten durch den Nachweis GRA2-spezifischer IgA- und BAG1-spezifischer IgG-Antikörper signifikante Unterschiede bei Patienten mit einer Retinochorioiditis im Vergleich zu T. gondii infizierten Patienten ohne okuläre Läsionen festgestellt werden.Um festzustellen, ob der Lineblot-Assay unter der Verwendung rekombinanter Antigene auch in der Veterinärmedizin eingesetzt werden kann, wurden Verlaufseren von Hühnern, Puten und Schweinen untersucht, die experimentell mit Oozysten oder Tachyzoiten infiziert worden waren. Dabei zeigten die Tiere, in Abhängigkeit von dem getesteten Antigen, eine teilweise Infektionsdosis- und Infektionsart-abhängige Antikörper-Kinetik.In der Zusammenschau können die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zur Verbesserung der Diagnostik und Therapie der Toxoplasmose insbesondere in der Schwangerschaft beitragen.

In the European Union an environmental risk assessment is required for the registration of new chemicals, biocides, pesticides and pharmaceuticals. In order to avoid the release of potential hazardous substances, various ecotoxicity tests are performed, including acute and chronic fish tests. As a consequence of the new program of the European Union “Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals” (REACH) the number of animal experiments for environmental risk assessment is expected to increase remarkably within the next years. On the other hand there is a strong societal demand for reducing the number of animal tests by using alternative in vitro models. According to EU directives, investigations using non-human vertebrate embryos are considered pain free in vitro methods and are therefore accepted as alternatives to animal experiments. For the acute fish test, the Danio rerio embryo test (DarT) has been established as a replacement method and included in national regulations at least for waste water (German Waste Water Dues Law). However, no alternatives for chronic fish tests are currently available. The overall goal of this thesis was to work towards such a replacement by extending DarT zu Gene-DarT. Toxicants will initially interact at the molecular level with consequences for physiology, fitness and survival. The analysis of gene expression patterns may unravel elements of these molecular events before any phenotypic changes are visible. The hypothesis of this thesis therefore was that chemical-sensitive genes in embryos exposed in a conventional DarT may indicate toxic impact of substances at sub-acute concentrations and thus enhance the sensitivity of the embryo toxicity test. Furthermore, unlike the conventional DarT-endpoints, gene expression analysis will provide insights into mechanistic processes underlying toxicity. The 3,4-dichloroaniline (3,4-DCA), which is used as a reference compound in the DarT, was selected as model chemical in this thesis. In a first step, differentially expressed genes in embryos exposed to 3,4-DCA were identified by microarray technology and RT-PCR techniques. Six dose-dependent significant differentially expressed genes were identified. These genes were involved in biotransformation pathways (cyp1a, ahr2), stress response (nrf2, maft, ho-1) and cell cycle control (fzr1). Differential expression upon 3,4-DCA exposure was detected below the LOEC (lowest observed effect concentration = 6.2 µM) of survival or developmental disorders of the embryo test (0.78 µM and above). For the validation of stage specific sensitivity, genes were also analysed in post-hatched stages. Extension of exposure to post-hatched stages resulted in a differential expression at lower concentrations as for the embryonic stages, indicating an improved sensitivity due to stage-specific sensitivity or exposure time. To confirm the adaptive function of the 3,4-DCA-sensitive genes, embryonic mRNA abundance was experimentally manipulated by knock down and overexpression. By injection of sense (mRNA) or antisense (siRNA) RNA in one-cell-stages of embryos, the transcript levels of genes were transiently enhanced or repressed in embryos exposed to 3,4-DCA. mRNA injection of the genes cyp1a, ho-1 and nrf2 reduced the number of embryos with 3,4-DCA-induced malformations. In contrast, siRNA injections for the same genes led to an increase in the severity and frequency of developmental disorders. The results clearly indicate the adaptive functions of the investigated genes or their corresponding proteins. This study demonstrates that the analysis of chemical-sensitive gene expression shows the potential to increase the sensitivity of conventional toxicity tests. The analysis of gene expression also provides additional mechanistic information for toxic action, e.g. in the presented study, the involvement of Ah-receptor regulated pathways as an adaptive response. Furthermore, the presented data indicate that functional manipulations, using mRNA and siRNA-injection, are suitable to evaluate the role of differentially expressed genes for toxicity.

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