Die Gattung Borrelia gehört zur Abteilung der Spirochäten, einem alten Zweig der Bakteriendomäne, der nur entfernt mit Gram-negativen Bakterien verwandt ist. Sämtliche Arten dieser Gattung sind obligate Parasiten. Borrelien können in die Erreger zweier humaner Krankheiten eingeteilt werden: die Lyme-Borreliose und das Rückfallfieber. Borrelien besitzen mit 0.91 Mb ein sehr kleines Chromosom und sind daher in ihren metabolischen Fähigkeiten eingeschränkt. Folglich ist das Überleben sämtlicher Borrelienarten absolut abhängig von Nährstoffen, die von ihren Wirten bereitgestellt werden. Der Transport dieser Nährstoffe und anderer Moleküle über die äußere Membran wird durch porenformende Proteine, so genannte Porine ermöglicht. Porine sind wassergefüllte Kanäle, die in zwei Klassen unterteilt werden können: allgemeine Diffusionsporen und substratspezifische Porine. Aus dem Lyme-Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi wurden bisher drei mutmaßliche Porine charakterisiert und beschrieben: P13, Oms28 und P66. Demgegenüber sind die Kenntnisse über Porine in Rückfallfieberarten rudimentär und es wurde bisher noch kein einziges Porin für Vertreter dieser Krankheit identifiziert. Unter Berücksichtigung dieses Hintergrunds war die allgemeine Zielsetzung dieser Arbeit, einen Einblick in die Porinzusammensetzung von sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Spirochäten zu erlangen. Dieses Ziel konnte erreicht werden, indem Porine aus den Außenmembranen von Borrelien isoliert und identifiziert wurden und anschließend biophysikalisch in künstlichen Lipidmembranen charakterisiert wurden. Ein Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung des ersten Porins aus Rückfallfiebererregern. Das porenformende Protein wurde aus den Außenmembranen von Borrelia duttonii, Borrelia hermsii und Borrelia recurrentis isoliert und Oms38 genannt, für „outer membrane-spanning protein of 38 kDa“. Die biophysikalische Charakterisierung mit der „black lipid bilayer“ Methode zeigte, dass Oms38 kleine, wassergefüllte Kanäle mit einer Einzelkanalleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl bildet. Diese Kanäle sind nicht spannungsabhängig und leicht selektiv für Anionen mit einem Permeabilitätsverhältnis von Kationen zu Anionen von 0,41 in KCl. Ein homologes Protein zu Oms38 wurde in den Lyme Borreliose Erregern Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii und Borrelia afzelii identifiziert. Das porenformende Protein dieser Arten weist eine hohe Sequenzhomologie zu Oms38 auf und zeigt ähnliche biophysikalische Eigenschaften, das heißt es formt Poren von 50 pS in 1 M KCl. Durch Titrationsexperimente konnte gezeigt werden, dass die Pore teilweise durch Dicarboxylate blockiert werden kann. Eine Auswertung dieser Versuche legte nahe, dass dieses Protein keine allgemeine Diffusionspore darstellt, sondern einen Kanal mit einer spezifischen Bindestelle für diese Komponenten. Daher wurde dieses Porin DipA genannt, was für „dicarboxylate-specific porin A“ steht. In einer anderen Versuchsreihe wurde gezeigt, dass das Porin P66 sowohl in Lyme Borreliose Erregern als auch in Rückfallfieberarten vorhanden ist. Hierfür wurden die Außenmembranen der Lyme Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii und Borrelia garinii und der Rückfallfieberarten Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis und Borrelia hermsii genauer untersucht. Mit Ausnahme des P66 Homologs von Borrelia hermsii rekonstituierten P66 Proteine aus allen Arten sehr aktiv in künstliche Membranen und formten Poren zwischen 9 und 11 nS in 1 M KCl. Die biophysikalischen Eigenschaften der Homologe wurden in Experimenten mit „black lipid bilayer“ Membranen ausführlich verglichen. Des Weiteren wurden Porendurchmesser und Konstitution des Borrelia burgdorferi Porins P66 genau untersucht. Hierfür wurde die P66 Einzelkanalleitfähigkeit in Anwesenheit von verschiedenen Nichtelektrolyten in künstlichen Lipidmembranen analysiert. Der effektive Durchmesser des P66 Wasserlumens wurde auf ~1.9 nm bestimmt. Darüber hinaus konnte P66 mit bestimmten Nichtelektrolyten wie PEG 400, PEG 600 und Maltohexaose blockiert werden. Weitere Blockierungsexperimente auf Einzelkanalebene deckten sieben Unterzustände von P66 auf, die auf ein P66 Heptamer schließen ließen. Dieser heptamere Charakter konnte durch Blue native PAGE Analysen bestätigt werden. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation detaillierte biochemische und biophysikalische Untersuchungen von Porinen aus sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Borrelien. Erkenntnisse aus dieser Arbeit bringen das Verstehen der Nährstoffaufnahme über Außenmembranen dieser streng wirtsabhängigen, pathogenen Spirochäten einen großen Schritt vorwärts. Ein fundiertes Wissen über oberflächenexponierte Proteine wie Porine ist Vorraussetzung für die Herstellung erfolgreicher Impfstoffe und Therapeutika gegen die von Borrelien verursachten Krankheiten. / The genus Borrelia belongs to the spirochete phylum, an ancient evolutionary branch of the domain bacteria that is only afar related to Gram-negative bacteria. Borreliae can be subdivided into the agents of the two borrelian-caused human diseases, Lyme disease and relapsing fever. Both disease patterns are closely related to the peculiar biology of Borrelia species and exhibit a wide spectrum of diverse clinical manifestations. Due to the small 0.91 Mb chromosome, borreliae have a lack of biosynthetic capacity. Thus, all Borrelia species are highly dependent on nutrients provided by their hosts. The transport of nutrients and other molecules across the outer membrane is enabled by pore-forming proteins, so-called porins. Porins are water-filled channels and can be subdivided into two different classes, general diffusion pores and substrate-specific porins. In terms of the Lyme disease agent Borrelia burgdorferi, three putative porins were characterized in previous studies: P13, Oms28 and P66. In contrast to Lyme disease species, the porin knowledge of relapsing fever Borrelia is low, which means that not any porin has actually been described for representatives of these agents. Thus, the general aim of this thesis was to provide insight into the porin content of both, Lyme disease and relapsing fever spirochetes. This aim could be achieved by isolating and identifying porins from Borrelia outer membranes and by biophysically characterizing them in artificial lipid membranes. In one chapter of this study, the first identification and characterization of a relapsing fever porin is presented. The pore-forming protein was isolated from outer membranes of Borrelia duttonii, Borrelia hermsii and Borrelia recurrentis and designated Oms38, for “outer membrane-spanning protein of 38 kDa”. Biophysical characterization of Oms38 was achieved by using the black lipid bilayer method and demonstrated that Oms38 forms small, water-filled channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. The Oms38 channel did not exhibit voltage-dependent closure and is slightly selective for anions with a permeability ratio of cations over anions of 0.41 in KCl. Subsequently, a protein homologous to Oms38 was identified in the Lyme disease agents Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii and Borrelia afzelii. The pore-forming protein of these species exhibits high sequence homology to Oms38 and similar biophysical properties, i.e. it forms pores of 50 pS in 1 M KCl. Interestingly, titration experiments revealed that this pore could be partly blocked by dicarboxylic anions, which means that this protein does not form a general diffusion pore but a channel with a binding-site specific for those compounds. Consequently, this porin was termed DipA, for “dicarboxylate-specific porin A”. In another set of experiments, it was shown that the porin P66 is present in both Lyme disease and relapsing fever species. Therefor, the outer membranes of the Lyme disease species Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii, Borrelia garinii and the relapsing fever species Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis and Borrelia hermsii were closer investigated. Except of the P66 homologue of Borrelia hermsii P66 of all species was highly active in artificial lipid membranes, forming pores with huge single-channel conductances between 9 and 11 nS in 1 M KCl. Moreover, the channel diameter and the constitution of Borrelia burgdorferi P66 were investigated in detail. Therefor, the P66 single-channel conductance in the presence of different nonelectrolytes with known hydrodynamic radii was analyzed in black lipid bilayers. The effective diameter of the P66 channel lumen was determined to be ~1.9 nm. Furthermore, as derived from multi-channel experiments the P66-induced membrane conductance could be blocked by certain nonelectrolytes, such as PEG 400, PEG 600 and maltohexaose. Additional blocking experiments on the single-channel level revealed seven subconducting states and indicated a heptameric constitution of the P66 channel. This indication could be confirmed by Blue native PAGE analysis which demonstrated that P66 units form a complex with a corresponding mass of approximately 440 kDa. Taking together, this thesis describes detailed biochemical and biophysical investigations of both Lyme disease and relapsing fever Borrelia porins and represents an important step forward in understanding the outer membrane pathways for nutrient uptake of these strictly host-dependent, pathogenic spirochetes. Furthermore, it provides some knowledge of the outer-membrane protein composition of Borrelia spirochetes. A profound knowledge of surface-exposed proteins, such as porins, is one precondition for the production of a successful vaccine and the drug design against the two borrelian-caused diseases.

Lyme-Borreliose, die mittlerweile in der nördlichen Hemisphäre wichtigste durch Vektoren übertragene Erkrankung, wird durch Spirochäten aus der Borrelia burgdorferi sensu lato Gruppe hervorgerufen. Viele der in letzter Zeit veröffentlichten Studien haben darauf hingewiesen, dass durch Antibiotikagaben eine vollständige Erregerelimination nach Infektion nicht erreicht werden kann. Eine prophylaktische Versorgung rückt somit immer weiter in den Vordergrund des Interesses. Eine Impfung ist jedoch auch nicht unproblematisch: Untersuchungen beim Menschen haben gezeigt, dass nach zweimaliger Immunisierung im ersten Jahr lediglich 68% der Probanden geschützt waren und mit einer weiteren, sich anschließenden Immunisierung der Schutz gesteigert werden konnte. Deshalb sollte die hier an Hunden durchgeführte Studie aufzeigen, ob durch eine dreimalige Impfstoffapplikation im Verlauf der Grundimmunisierung mit kommerziell erhältlichen Impfstoffen die im Hund gebildeten Antikörperspiegel zu steigern. Ein höheres Antikörperniveau führt zu einem verzögerten Antikörperabfall und somit zu einem verlängerten Schutz. Weiterhin sollte zusätzlich das induzierte Antikörperprofil näher charakterisiert und somit auch eine Aussage über die Wirksamkeit gegenüber verschiedenen Borrelienspezies ermöglicht werden. Die im Verlauf dieser Studie durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass zunächst eine höher als erwartete Infektionsrate für die Lyme-Borreliose in Sachsen innerhalb der Hundepopulation auftritt. Der prozentuale Anteil seropositiver Tiere beträgt 20,3%. Eine serologisch nachgewiesene Infektion steht allerdings nicht in direktem Zusammenhang mit einem Ausbruch der Erkrankung und darf demnach nicht mit der Erkrankungsrate innerhalb der Hundepopulation gleichgesetzt werden. Die bisher auf dem Markt erhältlichen und hier untersuchten Impfstoffe Merilym (B. burgdorferi s. s. Lysatimpfstoff, Merial, Deutschland), LymeVax (B. burgdorferi s. s. Lysatimpfstoff, Fort Doge, USA), Biocan (B. garinii, B. afzelii Lysatimpfstoff, Bioveta, Tschechien), ProLyme (rekombinanter Outer surface protein A (OspA) Impfstoff, Intervet, USA) und RecombitekLyme (rekombinanter OspA Impfstoff, Merial, USA) wurden in seronegativen Tieren bezüglich der induzierten Gesamtantikörper, der spezifisch gegen OspA gerichteten Antikörper und ihrer Kreuzreaktivität gegenüber heterologen Spezies untersucht, wobei der Einfluss von zwei verschiedenen Impfstrategien von besonderem Interesse war. Durch eine dreifache Antigengabe im Rahmen der Grundimmunisierung konnte nur bei zwei der untersuchten Impfstoffe (Merilym und Biocan) eine deutliche Erhöhung der Antikörperspiegel erreicht werden, die sich aber statistisch nicht signifikant von den anderen unterscheidet. Somit ist eine Umsetzung dieses Impfregimes in die Praxis nicht zu empfehlen. Es zeigt im Verlauf des Jahres bei allen Impfstoffen ein Titerabfall, sowohl bei den Gesamtantikörpern, als auch bei den OspA-Antikörpern. Mit Ausnahme von Biocan, hier sind kaum OspA-Antikörper nachweisbar, induzieren alle Impfstoffe nach der Impfung vor allem OspA-Antikörper, die jedoch sehr schnell wieder abfallen und nach einem halben Jahr nur mehr in geringem Maße nachweisbar sind. Diese OspA-Antikörper sind speziesspezifisch und nur in sehr geringem Umfang kreuzreaktiv. Diese Ergebnisse weisen auf eine Suszeptibilität der geimpften Tiere bezüglich einer Borrelieninfektion innerhalb mehrerer Monate nach Impfung hin. Es empfiehlt sich eine dritte Immunisierung nach sechs Monaten, um auch in der zweiten Jahreshälfte schützende Antikörperspiegel zu ermöglichen. Untersuchungen der Kreuzreaktivität in-vitro sprechen für eine mangelhafte Bindungsfähigkeit induzierter Impfantikörper gegenüber anderen Borrelienspezies, die in Zusammenhang mit einem geringen Schutz in-vivo gesehen werden könnten. Somit ist ein rein speziesspezifischer Impfschutz wahrscheinlich. Da vor allem in Europa eine große Borrelien-Artenvielfalt vorherrscht, deuten die hier vorgestellten Ergebnisse eine nur gegen eine Spezies gerichtete Immunität bei geimpften Hunden an. Die Notwendigkeit der Entwicklung eines neuen Impfstoffes, basierend auf einer Mischung speziesspezifischer OspA-Antigene gewonnen aus B. burgdorferi s. s., B. garinii und B. afzelii in Kombination mit weiteren Antigenen, da der Schutzmechanismus beruhend auf OspA bereits durch eine OspA-Variation seitens der Borrelien durchbrochen werden kann, wird durch die hier vorgelegten Resultate gestützt. Da ein solcher Impfstoff bisher nicht erhältlich ist und die Schutzwirkung der erhältlichen Impfung als partiell angesehen werden kann, rücken einfache, aber in der Regel zuverlässigere Methoden in den Vordergrund. Die tägliche Entfernung von Zecken ist eine wirksame Vorgehensweise, um das Infektionsrisiko zu minimieren. Auch der Einsatz akarizider Substanzen und Repellentien bietet sich an, um die Übertragung der Borreliose und weiterer, von Zecken übertragene Erreger zu unterbinden. / Lyme-Borreliose, currently the most important vector-borne disease in the northern hemisphere, is caused by spirochetes from the Borrelia burgdorferi sensu lato complex. Recently published studies have indicated that a complete eradication of the bacterium from the host’s tissue by antibiotic treatment is not possible. Therefore prophylactic measures become more important. However, vaccines are not unproblematic: studies in humans have shown that only 68% of the participants were protected after two immunizations applied during the first year, while the level of protection rose when an additional immunization was given. Therefore, the study presented here was designed to reveal whether three initial immunizations with commercial vaccines are able to raise the antibody levels in dogs. Higher antibody levels are the basis for a delayed disappearance of antibodies due to natural decay and therefore provide an extended protection from infection. Furthermore, the induced antibody profile was subject of a more precise characterization in order to draw possible conclusions about their efficacy against other Borrelia species. The results presented in this study show a higher than expected prevalence of Borrelia burgdorferi sensu lato seropositivity in dogs from Saxony. The percentage of seropositive dogs was 20.3%. Since seropositivity is not necessarily linked with the onset of the disease, this result does not describe the disease incident in the dog population. In the course of the study, commercially available vaccines, Merilym (B. burgdorferi s. s. lysate, Merial, Germany), LymeVax (B. burgdorferi s. s. lysate, Fort Dodge, USA), Biocan (B. afzelii, B. garinii lysate, Bioveta, Czech Republic), ProLyme (recombinant Outer surface protein A (OspA) with adjuvant, Intervet, USA) and RecombitekLyme (recombinant OspA without adjuvant, Merial, USA) were evaluated for induced antibody levels and the amount of OspA antibodies in seronegative dogs, in which two different vaccination schedules were of special interest. In addition the cross reaction of antibodies on heterologous antigens was analyzed. Three immunizations during the first year with two (Merilym and Biocan) of the five vaccines tested increase the vaccinal antibody levels, but this increase of antibody levels is not statistically significant. Therefore a recommendation for a third antigen application within the first six weeks after basic immunisation can not be given. All vaccine-induced antibody levels show a decrease within the first year concerning total antibody titers as well as OspA antibody titers. Except for Biocan the specificity of the initially induced antibodies by vaccination are directed mainly against OspA. These antibody titers decrease quickly resulting in minimum amounts of detectable antibodies within the period of six months. These OspA antibodies are species-specific and show only a minor cross reactivity. The results presented here suggest that vaccinated animals are susceptible for a borrelia infection within months after immunization. Therefore a third vaccination six months after the basic immunization is advisable in order to induce a long lasting protective antibody level during the period of one year. These data generated with in-vitro systems suggest that only a species-specific protection can be expected in-vivo. The species heterogeneity within Europe suggests that the vaccine available in Europe only protects from infection with the species used for vaccine preparation. These results underline the necessity to develop a new vaccine consistent of a mixture of OspA derived from at least B. burgdorferi s. s., B. garinii and B. afzelii in combination with other antigens, since protection from infection via OspA can be circumvented by minor OspA variations on the part of the borrelia. Since such a vaccine is not yet available, and therefore other methods that provide protection are necessary. Daily control of the dog and the removal of adherent ticks can help to prevent a possible infection since borrelia take at least 24 hours to migrate from the midgut of the tick to the salivary gland where they can infect the host. In addition, the use of repellent or acarizides might be helpful to avoid attachment or achieve the death of adherent ticks and therefore minimize the risk of infection with borrelia as well as other tick-borne diseases.

Die sichere Diagnose der Lyme-Borreliose und der Nachweis des verursachenden Spirochäten Borrelia burgdorferi bei Mensch und Tier sind problematisch. In Nordamerika ist B. burgdorferi sensu stricto (B. burgdorferi s.s.) die einzige pathogene Spezies, während in Europa und Asien mit B. garinii und B. afzelii mindestens zwei weitere pathogene Arten vorkommen. B. valaisiana, B. spielmanii und B. lusitaniae werden ebenfalls als Verursacher der Lyme-Borreliose diskutiert. Der indirekte Erregernachweis durch Detektion von Antikörpern mittels Antigen aus Borrelienlysat im Zweistufentest (ELISA und Western-Blot) gilt seit langem trotz der anspruchsvollen Interpretationskriterien als Methode der Wahl. Ein hochspezifischer ELISA mit dem synthetischen C6 Peptid als Antigenkomponente ergänzt erst seit wenigen Jahren die Diagnostik. Das C6-Peptid basiert auf der invariablen Region 6, welche eine konstante Region des ansonsten hochvariablen Borrelien-Oberflächenproteins VlsE darstellt. Nur metabolisch aktive Borrelien exprimieren VlsE/C6 Epitope im Säugetierwirt. Studien zeigten, dass C6-Antikörper mehrere Monate nach einer potenziell erfolgreichen antibiotischen Therapie deutlich messbar und langfristig absinken. In Deutschland sind ein C6-Schnelltest (4Dx®SNAP®, IDEXX Inc., USA) und ELISA (Quant C6®, IDEXX Inc., USA) für die Serodiagnostik bei Hunden erhältlich. Über die Anwendbarkeit des C6-Peptids für die kanine Borreliosediagnostik in Deutschland liegen wenige Daten vor, aber zunehmend wird der Ersatz des Zweistufentests durch das C6-Peptid diskutiert. In dieser Arbeit sollte zunächst festgestellt werden, ob potenzielle kanine Infektionen in der Routinediagnostik mit dem C6-Peptid ebenso sensitiv detektiert werden können wie mit dem Zweistufentest und ob C6-positive Hunde nach einer Antibiose mit dem deutlichen Sinken der C6 Antikörperspiegel als Zeichen eines potenziellen Therapieerfolges reagieren. Dafür wurden 510 Sera von Hunden aus verschiedenen deutschen Tierarztpraxen untersucht, wobei neben der serologischen Untersuchung eine Analyse der Vorberichte erfolgte. Eine dort angegebene, bestehende Infektion konnte in 93,3 % der Fälle serologisch nicht bestätigt werden und nur bei 3,3 % der Hunde wurden infektionsspezifische Antikörper ermittelt. Der Zweistufentest und der C6 Schnelltest wiesen hier eine vollständige Übereinstimmung auf. Unabhängig vom Vorliegen klinischer Anzeichen wurden für diese Studie C6-positive Hunde mit Antibiotika behandelt. Vier bis 18 Monaten nach der Therapie wurde von insgesamt 27 Hunden eine zweite Blutprobe untersucht. Die C6 Antikörperspiegel waren bei acht Hunden im ELISA um mindestens 50 % gesunken. Für deutliche Effekte musste aber ein ausreichend hoher initialer C6-Antikörperspiegel vorliegen. Da in Europa mindestens drei pathogene Borrelienarten vorkommen, wurde in einem murinen Infektionsmodell analysiert, ob speziesspezifische C6-Peptide von B. burgdorferi s.s., B. garinii und zwei Varianten von B. afzelii sicher Antikörper detektieren, die durch definierte experimentelle Monoinfektionen mit B. burgdorferi s.s. N40, B. garinii PBi, B. afzelii Slovakia, B. afzelii PKo, B. valaisiana, B. spielmanii oder B. lusitaniae induziert wurden. Um die erfolgreiche Infektion zu belegen, wurden murine Gewebe zur Borrelienisolation in Kulturmedien inkubiert und zusätzlich eine qPCR zum Nachweis von ospA durchgeführt. Eine PCR zur Detektion von essenziellen Plasmiden ergab, dass die B.-lusitaniae- und B.-valaisiana-Isolate nicht infektiös waren. Eine Infektion konnte durch Gewebekultur und qPCR dagegen bei mit B.-burgdorferi-s.s.-, B- garinii-, B.-afzelii- und B. spielmanii-inokulierten Mäusen belegt werden. Die Ergebnisse des C6-Peptid-ELISAs wurden mit dem des Zweistufentests als Goldstandard verglichen und die Sensitivitäten der C6-Peptide ermittelt. Diese betrug bei C6-Peptiden von B. burgdorferi s.s. und B. garinii je 100 % für B.¬burgdorferi¬s.s.¬N40, B. garinii-PBi- oder B.-afzelii-PKo-spezifische C6-Antikörper. Dagegen konnten C6-Peptide basierend auf B. afzelii nur B.-afzelii-PKo-spezifische Antikörper zu 100 % erfassen. Antikörper gegen B. afzelii Slovakia wurden von jedem C6-Peptid schlechter erfasst als Antikörper gegen B. afzelii PKo, was das Vorkommen stamm- oder isolatspezifischer C6-Antikörperfraktionen nahelegt. Die Untersuchung der 27 C6-positiven Hundesera aus der serologischen Studie ergab zudem, dass der Großteil der Sera ausschließlich gegenüber B.-burgdorferi-C6 und B.-garinii-C6 deutlich messbar reagierte. Die Eignung des C6-Peptids in praxi als ein schneller, hochspezifischer Infektionsmarker für den serologischen Nachweis bei Hunden aus Deutschland kann bestätigt werden. Allerdings kann der alleinige Nachweis von C6-Antikörpern weder einen detaillierten Vorbericht, noch den Zweistufentest auf Lysatantigen-Basis ersetzen. Seine Eignung als Marker für einen potenziellen Therapieerfolg ist nur unter definierten Bedingungen gegeben. Die divergenten Sensitivitäten verschiedener C6 Peptidsequenzen gegenüber Antikörpern von in Europa vorkommenden Borrelien-Arten und Isolaten machen deutlich, dass zukünftig weiterer, intensiver Forschungsbedarf bezüglich der Etablierung von ausreichend sensitiven C6-Testsystemen für europäische Bedürfnisse notwendig ist.

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Lyme-Borreliose, die mittlerweile in der nördlichen Hemisphäre wichtigste durch Vektoren übertragene Erkrankung, wird durch Spirochäten aus der Borrelia burgdorferi sensu lato Gruppe hervorgerufen. Viele der in letzter Zeit veröffentlichten Studien haben darauf hingewiesen, dass durch Antibiotikagaben eine vollständige Erregerelimination nach Infektion nicht erreicht werden kann. Eine prophylaktische Versorgung rückt somit immer weiter in den Vordergrund des Interesses. Eine Impfung ist jedoch auch nicht unproblematisch: Untersuchungen beim Menschen haben gezeigt, dass nach zweimaliger Immunisierung im ersten Jahr lediglich 68% der Probanden geschützt waren und mit einer weiteren, sich anschließenden Immunisierung der Schutz gesteigert werden konnte. Deshalb sollte die hier an Hunden durchgeführte Studie aufzeigen, ob durch eine dreimalige Impfstoffapplikation im Verlauf der Grundimmunisierung mit kommerziell erhältlichen Impfstoffen die im Hund gebildeten Antikörperspiegel zu steigern. Ein höheres Antikörperniveau führt zu einem verzögerten Antikörperabfall und somit zu einem verlängerten Schutz. Weiterhin sollte zusätzlich das induzierte Antikörperprofil näher charakterisiert und somit auch eine Aussage über die Wirksamkeit gegenüber verschiedenen Borrelienspezies ermöglicht werden. Die im Verlauf dieser Studie durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass zunächst eine höher als erwartete Infektionsrate für die Lyme-Borreliose in Sachsen innerhalb der Hundepopulation auftritt. Der prozentuale Anteil seropositiver Tiere beträgt 20,3%. Eine serologisch nachgewiesene Infektion steht allerdings nicht in direktem Zusammenhang mit einem Ausbruch der Erkrankung und darf demnach nicht mit der Erkrankungsrate innerhalb der Hundepopulation gleichgesetzt werden. Die bisher auf dem Markt erhältlichen und hier untersuchten Impfstoffe Merilym (B. burgdorferi s. s. Lysatimpfstoff, Merial, Deutschland), LymeVax (B. burgdorferi s. s. Lysatimpfstoff, Fort Doge, USA), Biocan (B. garinii, B. afzelii Lysatimpfstoff, Bioveta, Tschechien), ProLyme (rekombinanter Outer surface protein A (OspA) Impfstoff, Intervet, USA) und RecombitekLyme (rekombinanter OspA Impfstoff, Merial, USA) wurden in seronegativen Tieren bezüglich der induzierten Gesamtantikörper, der spezifisch gegen OspA gerichteten Antikörper und ihrer Kreuzreaktivität gegenüber heterologen Spezies untersucht, wobei der Einfluss von zwei verschiedenen Impfstrategien von besonderem Interesse war. Durch eine dreifache Antigengabe im Rahmen der Grundimmunisierung konnte nur bei zwei der untersuchten Impfstoffe (Merilym und Biocan) eine deutliche Erhöhung der Antikörperspiegel erreicht werden, die sich aber statistisch nicht signifikant von den anderen unterscheidet. Somit ist eine Umsetzung dieses Impfregimes in die Praxis nicht zu empfehlen. Es zeigt im Verlauf des Jahres bei allen Impfstoffen ein Titerabfall, sowohl bei den Gesamtantikörpern, als auch bei den OspA-Antikörpern. Mit Ausnahme von Biocan, hier sind kaum OspA-Antikörper nachweisbar, induzieren alle Impfstoffe nach der Impfung vor allem OspA-Antikörper, die jedoch sehr schnell wieder abfallen und nach einem halben Jahr nur mehr in geringem Maße nachweisbar sind. Diese OspA-Antikörper sind speziesspezifisch und nur in sehr geringem Umfang kreuzreaktiv. Diese Ergebnisse weisen auf eine Suszeptibilität der geimpften Tiere bezüglich einer Borrelieninfektion innerhalb mehrerer Monate nach Impfung hin. Es empfiehlt sich eine dritte Immunisierung nach sechs Monaten, um auch in der zweiten Jahreshälfte schützende Antikörperspiegel zu ermöglichen. Untersuchungen der Kreuzreaktivität in-vitro sprechen für eine mangelhafte Bindungsfähigkeit induzierter Impfantikörper gegenüber anderen Borrelienspezies, die in Zusammenhang mit einem geringen Schutz in-vivo gesehen werden könnten. Somit ist ein rein speziesspezifischer Impfschutz wahrscheinlich. Da vor allem in Europa eine große Borrelien-Artenvielfalt vorherrscht, deuten die hier vorgestellten Ergebnisse eine nur gegen eine Spezies gerichtete Immunität bei geimpften Hunden an. Die Notwendigkeit der Entwicklung eines neuen Impfstoffes, basierend auf einer Mischung speziesspezifischer OspA-Antigene gewonnen aus B. burgdorferi s. s., B. garinii und B. afzelii in Kombination mit weiteren Antigenen, da der Schutzmechanismus beruhend auf OspA bereits durch eine OspA-Variation seitens der Borrelien durchbrochen werden kann, wird durch die hier vorgelegten Resultate gestützt. Da ein solcher Impfstoff bisher nicht erhältlich ist und die Schutzwirkung der erhältlichen Impfung als partiell angesehen werden kann, rücken einfache, aber in der Regel zuverlässigere Methoden in den Vordergrund. Die tägliche Entfernung von Zecken ist eine wirksame Vorgehensweise, um das Infektionsrisiko zu minimieren. Auch der Einsatz akarizider Substanzen und Repellentien bietet sich an, um die Übertragung der Borreliose und weiterer, von Zecken übertragene Erreger zu unterbinden. / Lyme-Borreliose, currently the most important vector-borne disease in the northern hemisphere, is caused by spirochetes from the Borrelia burgdorferi sensu lato complex. Recently published studies have indicated that a complete eradication of the bacterium from the host’s tissue by antibiotic treatment is not possible. Therefore prophylactic measures become more important. However, vaccines are not unproblematic: studies in humans have shown that only 68% of the participants were protected after two immunizations applied during the first year, while the level of protection rose when an additional immunization was given. Therefore, the study presented here was designed to reveal whether three initial immunizations with commercial vaccines are able to raise the antibody levels in dogs. Higher antibody levels are the basis for a delayed disappearance of antibodies due to natural decay and therefore provide an extended protection from infection. Furthermore, the induced antibody profile was subject of a more precise characterization in order to draw possible conclusions about their efficacy against other Borrelia species. The results presented in this study show a higher than expected prevalence of Borrelia burgdorferi sensu lato seropositivity in dogs from Saxony. The percentage of seropositive dogs was 20.3%. Since seropositivity is not necessarily linked with the onset of the disease, this result does not describe the disease incident in the dog population. In the course of the study, commercially available vaccines, Merilym (B. burgdorferi s. s. lysate, Merial, Germany), LymeVax (B. burgdorferi s. s. lysate, Fort Dodge, USA), Biocan (B. afzelii, B. garinii lysate, Bioveta, Czech Republic), ProLyme (recombinant Outer surface protein A (OspA) with adjuvant, Intervet, USA) and RecombitekLyme (recombinant OspA without adjuvant, Merial, USA) were evaluated for induced antibody levels and the amount of OspA antibodies in seronegative dogs, in which two different vaccination schedules were of special interest. In addition the cross reaction of antibodies on heterologous antigens was analyzed. Three immunizations during the first year with two (Merilym and Biocan) of the five vaccines tested increase the vaccinal antibody levels, but this increase of antibody levels is not statistically significant. Therefore a recommendation for a third antigen application within the first six weeks after basic immunisation can not be given. All vaccine-induced antibody levels show a decrease within the first year concerning total antibody titers as well as OspA antibody titers. Except for Biocan the specificity of the initially induced antibodies by vaccination are directed mainly against OspA. These antibody titers decrease quickly resulting in minimum amounts of detectable antibodies within the period of six months. These OspA antibodies are species-specific and show only a minor cross reactivity. The results presented here suggest that vaccinated animals are susceptible for a borrelia infection within months after immunization. Therefore a third vaccination six months after the basic immunization is advisable in order to induce a long lasting protective antibody level during the period of one year. These data generated with in-vitro systems suggest that only a species-specific protection can be expected in-vivo. The species heterogeneity within Europe suggests that the vaccine available in Europe only protects from infection with the species used for vaccine preparation. These results underline the necessity to develop a new vaccine consistent of a mixture of OspA derived from at least B. burgdorferi s. s., B. garinii and B. afzelii in combination with other antigens, since protection from infection via OspA can be circumvented by minor OspA variations on the part of the borrelia. Since such a vaccine is not yet available, and therefore other methods that provide protection are necessary. Daily control of the dog and the removal of adherent ticks can help to prevent a possible infection since borrelia take at least 24 hours to migrate from the midgut of the tick to the salivary gland where they can infect the host. In addition, the use of repellent or acarizides might be helpful to avoid attachment or achieve the death of adherent ticks and therefore minimize the risk of infection with borrelia as well as other tick-borne diseases.

Die sichere Diagnose der Lyme-Borreliose und der Nachweis des verursachenden Spirochäten Borrelia burgdorferi bei Mensch und Tier sind problematisch. In Nordamerika ist B. burgdorferi sensu stricto (B. burgdorferi s.s.) die einzige pathogene Spezies, während in Europa und Asien mit B. garinii und B. afzelii mindestens zwei weitere pathogene Arten vorkommen. B. valaisiana, B. spielmanii und B. lusitaniae werden ebenfalls als Verursacher der Lyme-Borreliose diskutiert. Der indirekte Erregernachweis durch Detektion von Antikörpern mittels Antigen aus Borrelienlysat im Zweistufentest (ELISA und Western-Blot) gilt seit langem trotz der anspruchsvollen Interpretationskriterien als Methode der Wahl. Ein hochspezifischer ELISA mit dem synthetischen C6 Peptid als Antigenkomponente ergänzt erst seit wenigen Jahren die Diagnostik. Das C6-Peptid basiert auf der invariablen Region 6, welche eine konstante Region des ansonsten hochvariablen Borrelien-Oberflächenproteins VlsE darstellt. Nur metabolisch aktive Borrelien exprimieren VlsE/C6 Epitope im Säugetierwirt. Studien zeigten, dass C6-Antikörper mehrere Monate nach einer potenziell erfolgreichen antibiotischen Therapie deutlich messbar und langfristig absinken. In Deutschland sind ein C6-Schnelltest (4Dx®SNAP®, IDEXX Inc., USA) und ELISA (Quant C6®, IDEXX Inc., USA) für die Serodiagnostik bei Hunden erhältlich. Über die Anwendbarkeit des C6-Peptids für die kanine Borreliosediagnostik in Deutschland liegen wenige Daten vor, aber zunehmend wird der Ersatz des Zweistufentests durch das C6-Peptid diskutiert. In dieser Arbeit sollte zunächst festgestellt werden, ob potenzielle kanine Infektionen in der Routinediagnostik mit dem C6-Peptid ebenso sensitiv detektiert werden können wie mit dem Zweistufentest und ob C6-positive Hunde nach einer Antibiose mit dem deutlichen Sinken der C6 Antikörperspiegel als Zeichen eines potenziellen Therapieerfolges reagieren. Dafür wurden 510 Sera von Hunden aus verschiedenen deutschen Tierarztpraxen untersucht, wobei neben der serologischen Untersuchung eine Analyse der Vorberichte erfolgte. Eine dort angegebene, bestehende Infektion konnte in 93,3 % der Fälle serologisch nicht bestätigt werden und nur bei 3,3 % der Hunde wurden infektionsspezifische Antikörper ermittelt. Der Zweistufentest und der C6 Schnelltest wiesen hier eine vollständige Übereinstimmung auf. Unabhängig vom Vorliegen klinischer Anzeichen wurden für diese Studie C6-positive Hunde mit Antibiotika behandelt. Vier bis 18 Monaten nach der Therapie wurde von insgesamt 27 Hunden eine zweite Blutprobe untersucht. Die C6 Antikörperspiegel waren bei acht Hunden im ELISA um mindestens 50 % gesunken. Für deutliche Effekte musste aber ein ausreichend hoher initialer C6-Antikörperspiegel vorliegen. Da in Europa mindestens drei pathogene Borrelienarten vorkommen, wurde in einem murinen Infektionsmodell analysiert, ob speziesspezifische C6-Peptide von B. burgdorferi s.s., B. garinii und zwei Varianten von B. afzelii sicher Antikörper detektieren, die durch definierte experimentelle Monoinfektionen mit B. burgdorferi s.s. N40, B. garinii PBi, B. afzelii Slovakia, B. afzelii PKo, B. valaisiana, B. spielmanii oder B. lusitaniae induziert wurden. Um die erfolgreiche Infektion zu belegen, wurden murine Gewebe zur Borrelienisolation in Kulturmedien inkubiert und zusätzlich eine qPCR zum Nachweis von ospA durchgeführt. Eine PCR zur Detektion von essenziellen Plasmiden ergab, dass die B.-lusitaniae- und B.-valaisiana-Isolate nicht infektiös waren. Eine Infektion konnte durch Gewebekultur und qPCR dagegen bei mit B.-burgdorferi-s.s.-, B- garinii-, B.-afzelii- und B. spielmanii-inokulierten Mäusen belegt werden. Die Ergebnisse des C6-Peptid-ELISAs wurden mit dem des Zweistufentests als Goldstandard verglichen und die Sensitivitäten der C6-Peptide ermittelt. Diese betrug bei C6-Peptiden von B. burgdorferi s.s. und B. garinii je 100 % für B.¬burgdorferi¬s.s.¬N40, B. garinii-PBi- oder B.-afzelii-PKo-spezifische C6-Antikörper. Dagegen konnten C6-Peptide basierend auf B. afzelii nur B.-afzelii-PKo-spezifische Antikörper zu 100 % erfassen. Antikörper gegen B. afzelii Slovakia wurden von jedem C6-Peptid schlechter erfasst als Antikörper gegen B. afzelii PKo, was das Vorkommen stamm- oder isolatspezifischer C6-Antikörperfraktionen nahelegt. Die Untersuchung der 27 C6-positiven Hundesera aus der serologischen Studie ergab zudem, dass der Großteil der Sera ausschließlich gegenüber B.-burgdorferi-C6 und B.-garinii-C6 deutlich messbar reagierte. Die Eignung des C6-Peptids in praxi als ein schneller, hochspezifischer Infektionsmarker für den serologischen Nachweis bei Hunden aus Deutschland kann bestätigt werden. Allerdings kann der alleinige Nachweis von C6-Antikörpern weder einen detaillierten Vorbericht, noch den Zweistufentest auf Lysatantigen-Basis ersetzen. Seine Eignung als Marker für einen potenziellen Therapieerfolg ist nur unter definierten Bedingungen gegeben. Die divergenten Sensitivitäten verschiedener C6 Peptidsequenzen gegenüber Antikörpern von in Europa vorkommenden Borrelien-Arten und Isolaten machen deutlich, dass zukünftig weiterer, intensiver Forschungsbedarf bezüglich der Etablierung von ausreichend sensitiven C6-Testsystemen für europäische Bedürfnisse notwendig ist.

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Klinische, epidemiologische und experimentelle Daten deuten darauf hin, dass Autoimmunkrankheiten wie z.B. rheumatoide Arthritis, multiple Sklerose oder Typ I Diabetes durch Infektionen ausgelöst oder verschlimmert werden können. Bis heute ist jedoch nicht bekannt, welche molekularen und zellulären Mechanismen den Zusammenhang zwischen Infektion und Autoimmunität vermitteln. Eine Hypothese, die diesen Zusammenhang zu erklären versucht, ist die Hypothese der molekularen Mimikry. Dieser Hypothese zufolge sind kreuzreaktive Lymphozyten, die sowohl Selbst- als auch Fremdantigene erkennen, für die Induktion von Autoimmunität verantwortlich. Die Hypothese der molekularen Mimikry erklärt die Kreuzreaktivität von Lymphozyten durch Sequenzhomologie oder Identität von Selbst- und Fremdantigenen. Wir haben diese Hypothese an zwei Modellen, der chronischen Lyme Arthritis und einem Maus Modell der multiplen Sklerose, getestet und dabei festgestellt, dass Kreuzreaktivität von Lymphozyten weitaus häufiger ist als bis vor kurzem noch vermutet wurde. Wir konnten weiterhin zeigen, dass nicht die Primärstruktur sondern definierbare strukturelle Motive die Ursache für die Kreuzerkennung von Selbst- und Fremdpeptiden sind, und das Kreuzreaktivität in den seltensten Fällen von pathogenetischer Relevanz ist. Die Vorstellung, immunologische Kreuzreaktivität zwischen einem definierten mikrobiellen Antigen und einem definierten Selbstantigen sei für die Pathogenese von Autoimmunkrankheiten verantwortlich, ist also zu einfach. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die immunologische Analyse eines von uns charakterisierten Th2-spezifisch exprimierten Moleküls, T1/ST2. Wir konnten zeigen, dass T1/ST2 auf Th2, nicht jedoch Th1-Zellen exprimiert wird; dass die Expression von T1/ST2 ex vivo die Lokalisation aktueller Th2-Antworten widerspiegelt; und dass T1/ST2 von funktioneller Bedeutung für die Th2 Zellen ist: Kreuzvernetzung des T1/ST2 Moleküls durch einen T1/ST2-spezifischen monoklonalen Antikörper induziert Proliferation und die Produktion von Typ 2 Zytokinen. In vivo läßt sich durch Applikation des löslichen Antikörpers gegen T1/ST2 die pathogene Th2-Immunantwort im Mausmodell von Asthma modulieren. T1/ST2 ist also ein Kandidat für die gezielte immunmodulatorische Therapie Th2-dominierter Erkrankungen wie Asthma und Allergie. / Clinical, epidemiological, and experimental data suggest that infections can sometimes trigger or exacerbate autoimmune diseases such as multiple sclerosis, type I diabetes, or rheumatoid arthritis. To date, the molecular and cellular mechanisms leading from infection to autoimmunity have not been defined. The molecular mimicry hypothesis proposes that crossreactive lymphocytes that recognize both self- and microbial antigens are key factors in the pathogenesis of autoimmunity. According to the molecular mimicry hypothesis, sequence identity or marked sequence similarity between self- and microbial antigens is the cause of such crossreactivity. We have examined the molecular mimicry hypothesis systematically in two different models: treatment-resistant Lyme arthritis and experimental autoimmune encephalitis (EAE). The major findings were: i) crossreactivity at the level of peptide recognition by T cells is far more frequent than previously expected; ii) structural criteria rather than sequence similarity determine cross-recognition; iii) immunoregulatory mechanisms normally prevent pathogenic effects mediated by crossreactive lymphocytes. Thus, the idea that crossrecognition of a defined microbial peptide and a particular self-peptide would explain autoimmunity is most likely too simple. The other major topic of this work was the immunological analysis of T1/ST2, a Th2-specific molecule that we characterized. Here, we could show that T1/ST2 is expressed on Th2 but not Th1 cells. Furthermore, T1/ST2 expression can be used to identify sites of ongoing Th2 reactions directly ex vivo. Most importantly, T1/ST2 is important for Th2 effector functions: crosslinking of T1/ST2 via a T1/ST2-specific monoclonal antibody induces proliferation and type 2-cytokine production. In vivo, administration of the soluble antibody against T1/ST2 ameliorates the immunological parameters of bronchial hyperreactivity in a murine model of asthma. Thus, T1/ST2 is a candidate target for therapeutic immunomodulation of diseases such as allergy and asthma.