La Sclérose en Plaques (SEP) est une maladie d'origine multifactorielle qui se développe chez des individus génétiquement susceptibles en présence de facteurs environnementaux inducteurs. Ma thèse avait pour objectif d'analyser les effets d'un facteur génétique, le variant R63W du gène Vav1 et d'un facteur environnemental, la souche "Escherichia coli Nissle 1917", sur le développement de l'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE), un modèle animal de la SEP. Une région de 1cM comportant un polymorphisme dans le gène Vav1 a en effet été identifiée au laboratoire comme étant responsable de la résistance des rats Brown-Norway à l'EAE. Afin d'établir formellement le rôle de ce polymorphisme dans ce modèle, une souris Knock-In Vav1R63W a été générée. Nous avons montré que les souris Vav1R63W développent une EAE moins sévère. Ceci est associé à un défaut de production de cytokines inflammatoires intrinsèque aux lymphocytes T (LT) CD4 qui n'est pas lié à une augmentation de la fréquence de LT régulateurs. Sur le plan moléculaire, Vav1R63W présente une activité adaptatrice défectueuse conduisant à la diminution de la phosphorylation de ERK, AKT et p38 mais à une activité enzymatique normale. Nos résultats montrent un rôle de la fonction adaptatrice de Vav1 dans les fonctions des LT CD4 et son implication dans la susceptibilité à l'inflammation du système nerveux central (SNC). L'analyse de l'effet d'un traitement oral par le probiotique E. coli Nissle 1917 (ECN) montre un effet bénéfique sur le développement de l'EAE. Ceci est associé à un défaut de la sécrétion de cytokines par les LT CD4, ainsi qu'à une diminution de l'infiltration de LT CD4 auto-réactifs dans le SNC. De plus, la barrière intestinale est moins altérée chez les souris traitées par ECN au cours du développement de l'EAE. L'effet bénéfique de ECN semble être dû à la production d'une génotoxine, la colibactine. Par contre, la colonisation néonatale des souris C57BL/6 par ECN ne reproduit pas le même effet observé à l'âge adulte. Dans l'ensemble, nos résultats montrent un effet bénéfique du changement de la fonction de Vav1 ainsi que du traitement par ECN sur le développement de l'EAE. L'analyse approfondie des mécanismes mis en jeu, permettra une meilleure compréhension de la pathogenèse de la SEP et pourrait contribuer à l'identification de nouvelles options thérapeutiques. / Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system. It develops in genetically susceptible individuals when they encounter specific environmental factors. The aim of my thesis was to analyze the role of a genetic factor (Vav1R63W variant) and an environmental factor (Escherichia coli Nissle 1917) in the development of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), an animal model of MS. Previous genetic studies of my team suggest the implication of a polymorphism in the Vav1 gene in the resistance of Brown-Norway rats to EAE. In order to analyze the role of the identified polymorphism in the susceptibility to EAE, we generated a Knock-In mouse bearing the same polymorphism (Vav1R63W). Using this model, we showed that Vav1R63W mice develop less severe EAE due to a defect in cytokine production by CD4 T cells. This defect is intrinsic to CD4 T cells and is not linked to the increased proportion of regulatory T cells observed in Vav1R63W mice. We also showed that Vav1R63W present an altered adaptor function as shown by reduced ERK and AKT phosphorylation and decreased calcium flux after TCR stimulation, with no effect on Vav1 enzymatic activity. Thus, our results highlight the role of Vav1 adaptor function in CD4 T cell functions and susceptibility to central nervous system inflammation. Next, I analyzed the impact of the treatment with the probiotic E. coli Nissle 1917 (ECN) on EAE development. Our results showed that the daily oral treatment of adult C57BL/6 mice with ECN ameliorates the course of the disease. In addition to their defect in cytokines production, MOG specific CD4 T cells from ECN treated mice were increased in the periphery. Consequently, ECN treated mice exhibited reduced CD4 T cell infiltration in their central nervous system. Furthermore, analysis of intestinal permeability revealed that its alteration after MOG immunization was partially reversed after ECN treatment. The reduced EAE seems to be due to the secretion of a genotoxin by ECN, the colibactin. In contrast, neonatal colonization of C57BL/6 mice did not protect against EAE. Together, our data showed a beneficial role of the imbalance of Vav1 function and ECN treatment in EAE development. Further analysis of the involved mechanisms will help us to better understand the pathogenesis of MS and to develop new therapeutic strategies for MS.

In der vorliegenden Arbeit wurden lebensfähige Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) klinisch gesunden adulten Pferden oral verabreicht und anschließend aus den Faeces der Tiere reisoliert. Der probiotische nicht-pathogene EcN wird in der Humanmedizin seit 1917 erfolgreich zur Behandlung zahlreicher Erkrankungen und Störungen des Verdauungstraktes wie Diarrhöe, Colitis ulcerosa, Morbus Crohn, kollagener Colitis und Pouchitis eingesetzt wird. Des Weiteren konnte in der Anwendung bei neugeborene Säuglingen nach Gabe von EcN eine Kolonisationsprophylaxe und ein immunstimulierender Effekt zu beobacht werden. In der Veterinärmedizin wird EcN unter der Bezeichnung Ponsocol® (Firma Ponsold GmbH, Oschersleben) zur Durchfallprophylaxe beim Kalb eingesetzt. Die vorliegenden Untersuchungen umfassten zwei zeitlich getrennte Feldversuche mit unterschiedlichem Design. Versuch A wurde als placebo-kontrollierter paralleler Gruppenvergleich durchgeführt. Je Gruppe wurde 6 Tiere vom 1. bis 10. Studientag die Studienmedikation oral mit dem Futter gegeben und nachfolgend bis zum 25. Studientag beobachtet. Die Pferde der Verum-Gruppe (n = 6) erhielten täglich 150 x 108 KbE EcN lebend in 150 ml Puffersuspension, die Pferde der Placebo- Gruppe (n = 6) erhielten 150 ml der Puffersuspension ohne EcN. Versuch B wurde mit interner Verlaufskontrolle über 65 Tage durchgeführt. Die Studientiere (n = 6) erhielten EcN in steigender Dosierung (75, 125, 250 und 500 x 108 KbE/Tag) in fünf aufeinander folgenden 10tägigen Applikationsperioden. Die 1. Applikationsperiode begann am 11. Studientag. In den ersten 10 Tagen wurden alle Tiere nur beobachtet. Die Gabe der Medikation erfolgte wie in Versuch A mit dem Futter verabreicht. Die jeweilige Dosis wurde zweimal täglich in gleichen Dosen (7.00 und 16.00 Uhr) appliziert. Das Verum- und Placebohaltige Futter wurde von den Studientieren vollständig und ohne erkennbare Verzögerung aufgenommen. Bei zweimal täglich durchgeführten Allgemeinuntersuchungen aller Tiere ergaben sich unter der EcN-Applikation keine Abweichungen vom physiologischen Zustand. Um EcN in lebensfähiger Form wiederzufinden, wurden den Pferden Kotproben entnommen. Diese wurden entweder nach Zwischenkultivierung (Versuch A und B) oder direkt (Versuch B) mittels PCR auf EcN-spezifische DNA untersucht. Im Studie A wurde der Stamm bei zwei Tieren an Tag 11 gefunden. In Studie B wurde EcN bei zwei Tieren an Tag 20 und bei allen Tieren an den Versuchstagen 25, 32, 35, 40, 42, 45 und 50 gefunden. Nach dem Absetzen der Medikation an Tag 50 war der Stamm bei zwei Tieren an Tag 52 und bei einem Tier an Tag 55 nachweisbar. Bei PCR nach Zwischenkultivierung wurde der Stamm bei allen Pferden der Applikationsstufen 150, 250 und 500 x 108 KbE des Verum-Präparates gefunden. In der Nachsupplementationsperiode wurde der Stamm lediglich bei einem Pferd an Tag 52 gefunden. Als weiterer Befunde wurden in Versuch A statistisch signifikante Modifikationen im Fettsäuremuster der kurzkettigen Fettsäuren gefunden. Bei den zusätzlich durchgeführten mikrobiologischen Untersuchungen ergaben sich keine statistischen gesicherten Einflüsse der Applikation von EcN auf die Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikroflora. Die Untersuchungen der Ammoniak- und L-Lactat- und pH-Werte im Kotwasser und der Trockensubstanzgehalte in den Faeces zeigten ebenso keine Beeinflussung durch die Applikation von EcN. Die Ergebnisse beider Versuche zeigen, dass EcN in der Lage ist, die Magen-Darm-Passage beim Pferd nach oraler Applikation lebensfähig zu überstehen. In den gewählten Dosierungen konnten keine negativen Auswirkungen auf die klinische Gesundheit der Pferde gefunden werden. Zur Überprüfung eines probiotischen Effektes des EcN beim Pferd sind weitere Studien nötig.

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Der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 ist ein Fäkalisolat, das in der Medizin traditionell zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt wird. Durch erfolgversprechende klinische Studien zur Remissionserhaltung bei Colitis ulcerosa, bei denen EcN als therapeutische Alternative zur Standardmedikation eingesetzt wird, ist das Interesse an den Wirkmechanismen von Probiotika stark gestiegen. EcN gehört derzeit zu den am besten untersuchten Probiotika. Einige Wirkmechanismen konnten dadurch schon aufgeklärt werden. So sind vermutlich Strukturkomponenten und stammspezifische Syntheseleistungen an der Ausprägung des probiotischen Phänotyps von EcN beteiligt. Schlüssige Konzepte, die über Gene, Genprodukte und molekulare Mechanismen den probiotischen Effekt von EcN erklären, fehlen bislang. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Genom von EcN analysiert und auf der Basis der Genomsequenz mit anderen E. coli-Stämmen verglichen. Mit Hilfe einer Promotor-Reporter-Fusionsbibliothek (Promotorbank) werden intestinal in vivo regulierte Gene identifiziert und dadurch neue Ansätze zur Untersuchung der probiotischen Eigenschaften von EcN geschaffen. Die Grundlage für die molekulare Analyse von EcN ist die manuelle Nachannotation seines sequenzierten Genoms. Die EcN-Sequenz wird mit 13 weiteren annotierten E. coli-Sequenzen verglichen. Nach dieser Analyse kodiert EcN derzeit 121 stammspezifische Gene. Die Genomstruktur ist mit den enthaltenen genomischen Inseln und Prophagen dem Genom des uropathogenen E. coli CFT073 sehr ähnlich. Mit wenigen Ausnahmen kodiert EcN alle in E. coli CFT073 vorhandenen Virulenz- und Fitnessfaktoren, so dass auf der Nukleotidebene die nahe Verwandschaft dieser beiden Stämme bestätigt werden kann. Zudem kann gezeigt werden, dass EcN in artifiziellen Systemen wie der Zellkultur oder gnotobiotischen Mäusen ein pathogenes Potenzial hat, obgleich die Kolonisierungsfähigkeit pathogener Bakterien durch Inkubation mit EcN herabgesetzt wird. Eine wichtige Rolle bei der Besiedlung des Intestinaltrakts und der Immunstimulation von Darmepithelzellen spielt auch die globale Regulation der Genaktivität bei EcN durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS, der im Gegensatz zu rpoS-Deletionsmutanten zu einer gesteigerten mRNA-Expression des Tight-junction Proteins ZO-1 führt. Des Weiteren führte die Untersuchung von EcN-Deletionsmutanten zu der Schlussfolgerung, dass einige genomische Inseln für Eigenschaften, die das probiotische Verhalten erklären können, eine Rolle spielen. Durch den Einsatz einer Promotorbank von EcN in konventionellen und gnotobiotischen Mäusen werden erstmalig Sequenzen von intestinal in vivo aktiven Promotoren identifiziert. Der Aufbau eines Promotor-Reportergen-Assays mit dem Biolumineszenz erzeugenden luxCDABE-Operon ermöglichte die Untersuchung ausgewählter Promotoren in vitro. Mit einem In Vivo Imaging System (IVIS) kann in weiteren Experimenten die Aktivität dieser Promotoren in lebenden Mäusen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass EcN kein vollkommen harmloser probiotischer Stamm ist. Weitere Informationen über EcN sind dehalb wichtig für eine optimierte Anwendung als Therapeutikum. Die molekulare Analyse ist somit eine unbedingt notwendige Grundlage für weiterführende Untersuchungen der Eigenschaften von EcN, die für seinen probiotischen Charakter verantwortlich sind. / The probiotic E. coli Nissle 1917 is a fecal isolate which is traditionally used for treatment of various gastrointestinal disorders. In clinical trials where EcN was used as therapeutic alternative for remission maintenance of ulcerative colitis compared to standard medication, promising results led to an increased interest in probiotics. Today, EcN is one of the best studied probiotics. Therefore, several mechanisms of action could be enlightened. Structural components and strain-specific products are responsible for its probiotic effects. But conclusive concepts about genes, gene products and molecular mechanisms that really contribute to the probiotic character of EcN have not been offered so far. In order to create new possibilities to elucidate the probiotic traits of EcN the genome is analysed by taking this as a basis for comparison to other E. coli genomes and identification of intestinal in vivo regulated genes using a promoter-trap-library. The sequenced EcN genome is annotated and compared to 13 other so far annotated E. coli genomes. Concerning these analyses EcN encodes 121 strain-specific genes. The genome structure including the genomic islands and prophages is highly homolog to the uropathogenic E. coli CFT073. EcN encodes most of the virulence and fitness factors that are present in E. coli CFT073. Therefore, the close relationship of these two strains is confirmed at nucleotide level. Furthermore, it is shown that in artificial systems like cell culture assays and gnotobiotic mice EcN reveals a pathogenic potential although EcN is able to decrease colonization efficiency of pathogenic bacteria. The alternative sigma factor RpoS that is responsible for global regulation and activity of several genes seems to play an important role during colonization of EcN in the intestine and its immunostimulatory effects on intestinal epithelial cells. Investigation of EcN-deletion mutants lacking genomic islands and prophages lead to the conclusion that some genomic islands may play a role for specific probiotic traits. This is the first time where a promoter-trap-library was used in conventional and gnotobiotic mice for collection of intestinal in vivo active promoters. Constructing and establishing a promoter-reporter gene assay with the bioluminescent luxCDABE operon made the investigation of selected promoters in vitro possible as well as establishing a bioluminescence assay using an In Vivo Imaging System (IVIS) for investigation of promoter activity in living mice. In this research project was shown that EcN is not a completely harmless probiotic. The genome structure and regulatory mechanisms of gene expression are the strain’s molecular traits that lead to probiotic activity and immunostimulatory effects. Therefore, the molecular analyses presented here, together with the complete genome sequence, are a basis for further investigations of mechanisms that are responsible for the probiotic effects of EcN.

Der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 ist ein Fäkalisolat, das in der Medizin traditionell zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt wird. Durch erfolgversprechende klinische Studien zur Remissionserhaltung bei Colitis ulcerosa, bei denen EcN als therapeutische Alternative zur Standardmedikation eingesetzt wird, ist das Interesse an den Wirkmechanismen von Probiotika stark gestiegen. EcN gehört derzeit zu den am besten untersuchten Probiotika. Einige Wirkmechanismen konnten dadurch schon aufgeklärt werden. So sind vermutlich Strukturkomponenten und stammspezifische Syntheseleistungen an der Ausprägung des probiotischen Phänotyps von EcN beteiligt. Schlüssige Konzepte, die über Gene, Genprodukte und molekulare Mechanismen den probiotischen Effekt von EcN erklären, fehlen bislang. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Genom von EcN analysiert und auf der Basis der Genomsequenz mit anderen E. coli-Stämmen verglichen. Mit Hilfe einer Promotor-Reporter-Fusionsbibliothek (Promotorbank) werden intestinal in vivo regulierte Gene identifiziert und dadurch neue Ansätze zur Untersuchung der probiotischen Eigenschaften von EcN geschaffen. Die Grundlage für die molekulare Analyse von EcN ist die manuelle Nachannotation seines sequenzierten Genoms. Die EcN-Sequenz wird mit 13 weiteren annotierten E. coli-Sequenzen verglichen. Nach dieser Analyse kodiert EcN derzeit 121 stammspezifische Gene. Die Genomstruktur ist mit den enthaltenen genomischen Inseln und Prophagen dem Genom des uropathogenen E. coli CFT073 sehr ähnlich. Mit wenigen Ausnahmen kodiert EcN alle in E. coli CFT073 vorhandenen Virulenz- und Fitnessfaktoren, so dass auf der Nukleotidebene die nahe Verwandschaft dieser beiden Stämme bestätigt werden kann. Zudem kann gezeigt werden, dass EcN in artifiziellen Systemen wie der Zellkultur oder gnotobiotischen Mäusen ein pathogenes Potenzial hat, obgleich die Kolonisierungsfähigkeit pathogener Bakterien durch Inkubation mit EcN herabgesetzt wird. Eine wichtige Rolle bei der Besiedlung des Intestinaltrakts und der Immunstimulation von Darmepithelzellen spielt auch die globale Regulation der Genaktivität bei EcN durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS, der im Gegensatz zu rpoS-Deletionsmutanten zu einer gesteigerten mRNA-Expression des Tight-junction Proteins ZO-1 führt. Des Weiteren führte die Untersuchung von EcN-Deletionsmutanten zu der Schlussfolgerung, dass einige genomische Inseln für Eigenschaften, die das probiotische Verhalten erklären können, eine Rolle spielen. Durch den Einsatz einer Promotorbank von EcN in konventionellen und gnotobiotischen Mäusen werden erstmalig Sequenzen von intestinal in vivo aktiven Promotoren identifiziert. Der Aufbau eines Promotor-Reportergen-Assays mit dem Biolumineszenz erzeugenden luxCDABE-Operon ermöglichte die Untersuchung ausgewählter Promotoren in vitro. Mit einem In Vivo Imaging System (IVIS) kann in weiteren Experimenten die Aktivität dieser Promotoren in lebenden Mäusen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass EcN kein vollkommen harmloser probiotischer Stamm ist. Weitere Informationen über EcN sind dehalb wichtig für eine optimierte Anwendung als Therapeutikum. Die molekulare Analyse ist somit eine unbedingt notwendige Grundlage für weiterführende Untersuchungen der Eigenschaften von EcN, die für seinen probiotischen Charakter verantwortlich sind. / The probiotic E. coli Nissle 1917 is a fecal isolate which is traditionally used for treatment of various gastrointestinal disorders. In clinical trials where EcN was used as therapeutic alternative for remission maintenance of ulcerative colitis compared to standard medication, promising results led to an increased interest in probiotics. Today, EcN is one of the best studied probiotics. Therefore, several mechanisms of action could be enlightened. Structural components and strain-specific products are responsible for its probiotic effects. But conclusive concepts about genes, gene products and molecular mechanisms that really contribute to the probiotic character of EcN have not been offered so far. In order to create new possibilities to elucidate the probiotic traits of EcN the genome is analysed by taking this as a basis for comparison to other E. coli genomes and identification of intestinal in vivo regulated genes using a promoter-trap-library. The sequenced EcN genome is annotated and compared to 13 other so far annotated E. coli genomes. Concerning these analyses EcN encodes 121 strain-specific genes. The genome structure including the genomic islands and prophages is highly homolog to the uropathogenic E. coli CFT073. EcN encodes most of the virulence and fitness factors that are present in E. coli CFT073. Therefore, the close relationship of these two strains is confirmed at nucleotide level. Furthermore, it is shown that in artificial systems like cell culture assays and gnotobiotic mice EcN reveals a pathogenic potential although EcN is able to decrease colonization efficiency of pathogenic bacteria. The alternative sigma factor RpoS that is responsible for global regulation and activity of several genes seems to play an important role during colonization of EcN in the intestine and its immunostimulatory effects on intestinal epithelial cells. Investigation of EcN-deletion mutants lacking genomic islands and prophages lead to the conclusion that some genomic islands may play a role for specific probiotic traits. This is the first time where a promoter-trap-library was used in conventional and gnotobiotic mice for collection of intestinal in vivo active promoters. Constructing and establishing a promoter-reporter gene assay with the bioluminescent luxCDABE operon made the investigation of selected promoters in vitro possible as well as establishing a bioluminescence assay using an In Vivo Imaging System (IVIS) for investigation of promoter activity in living mice. In this research project was shown that EcN is not a completely harmless probiotic. The genome structure and regulatory mechanisms of gene expression are the strain’s molecular traits that lead to probiotic activity and immunostimulatory effects. Therefore, the molecular analyses presented here, together with the complete genome sequence, are a basis for further investigations of mechanisms that are responsible for the probiotic effects of EcN.

Zusammenfassung Untersuchungen zur Beeinflussung von experimentellen Salmonella Enteritidis PT4 Infektionen bei Küken durch den probiotischen Stamm Escherichia coli Nissle 1917 Imad Azmi Awadein Mohamed Institut für Bakteriologie und Mykologie, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig und Institut für Geflügelkrankheiten, Veterinärmedizinische Fakultät, Freie Universität Berlin Eingereicht im Januar, 2004 Schlüsselworte: (E. coli Stamm Nissle 1917, Küken, S. Enteritidis, Probiotika, Bdellovibrionen) (94 Seiten, 48 Abbildungen, 16 Tabellen und 150 Referenzen) 1- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Stamm Nissle 1917 und Bdellovibrio bacteriovorus auf die Reduktion der Ansiedlung von S. Enteritidis PT4, auf die Reduktion der Mortalitätsrate, auf die Gesamtzahl aerober und Gram-negativer Bakterien, auf die Anzahl von Bdellovibrionen und auf das Körpergewicht von SPF-Hühnern. Im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe konnten bei der Ansiedlung von S. Enteritidis PT4 im Caecum der Testgruppen an den Tagen 14, 21 und 28 signifikante Unterschiede festgestellt werden. Im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe, die eine Mortalitätsrate von 10% aufweist, war die Mortalitätsrate der Testgruppen deutlich reduziert. Ebenso waren in den Testgruppen die aerobe und Gram-negative Gesamtkeimzahl am Tag 28 im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe deutlich verringert. Signifikanten Anstieg der Bdellovibrionen Anzahl zeigten die Testgruppen sowohl im Vergleich zur positiven als auch negativen Kontrollgruppe. Beim Vergleich zwischen dem Gesamtkörpergewicht der Testgruppen zu dem der negativen und den überlebenden Tieren der positiven Kontrollgruppe gab es keine signifikanten Unterschiede. 2- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Stamm Nissle 1917 und Bdellovibrio bacteriovorus auf die Reisolation von S. Enteritidis PT4 aus verschiedenen Teilen des Intestinaltrakts und diverser Organe von SPF-Hühnern. In Kropf, Proventrikel, Herzblut, Lunge, Leber und Milz der Testgruppen konnte im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe eine Reduktion ermittelt werden, die Reisolation von S. Enteritidis aus dem Caecum der Testgruppen zeigte keinen Unterschied im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe. 3- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Stamm Nissle 1917 und Bdellovibrio bacteriovorus an Konzentrationen von Serum-Avidin, IgY gegen S. Enteritidis und IgY gegen E. coli Nissle 1917 bei experimentell mit S. Enteritidis-infizierten SPF-Hühnern. Die Untersuchungen ergaben eine signifikante Senkung der Serum-Avidin-Konzentration im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe, vor allem sieben Tage post infectionem mit S. Enteritidis. Ein signifikanter Anstieg der Konzentration von IgY gegen S. Enteritidis konnte bei den Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe vor allem an den Tagen sieben verzeichnet werden. Ein signifikanter Anstieg der Konzentration von IgY gegen E. coli Nissle 1917 konnte in allen Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe festgestellt werden. 4- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Nissle 1917 mit und ohne Plasmid auf die Reduktion der Ansiedelung von S. Enteritidis PT4, auf die Reduktion der Mortalitätsrate, die aerobe und Gram-negative Gesamtkeimzahl, die Bdellovibrionen-Gesamtkeimzahl, Keimzahlen von Lactobacillus, Bifidobacterium und C. perfringens und das Körpergewicht von SPF-Hühnern. Im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe konnte im Caecum der Testgruppen ein signifikanter Rückgang der Ansiedelung von S. Enteritidis an den Tagen 7, 21 und 28 verzeichnet werden, außerdem konnte bei den Testgruppen kein Todesfall festgestellt werden, wohingegen die Sterblichkeitsrate der positiven Kontrollgruppe bei 15% lag. Ein signifikantes Absinken in der totalen Gesamtkeimzahl und der Gram-negativen Gesamtkeimzahl konnte für die Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe an den Tagen 21 beziehungsweise 28 verzeichnet werden. Die Isolation von Bdellovibrionen aus den Testgruppen ergab keinen Unterschied zu den Kontrollgruppen. Die Lactobacillus-Bifidobacterium-Keimzahl war in den Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe signifikant erhöht, vor allem am Tag sieben. Die C. perfringens-Keimzahl war in der positiven Kontrollgruppe gegenüber den Testgruppen am Tag 7 und 14 signifikant erhöht. Die Vergleiche des Körpergewichts der Testgruppen, negativer und überlebender Tiere der positiven Kontrollgruppe zeigten keinen signifikanten Unterschied. 5- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Stamm Nissle 1917 mit und ohne Plasmid auf die Reisolation von S. Enteritidis aus unterschiedlichen Teilen des Intestinaltraktes und aus Organen von SPF-Hühnern. Im Kropf, Proventrikel, Duodenum, Herzblut, Lunge, Leber und Milz konnte bei den Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe eine Senkung der Reisolationsrate festgestellt werden, wohingegen sich keine Unterschied beim Vergleich der Caeca von positiver Kontrollgruppe und von den Testgruppen zeigte. 6- Untersucht wurden die Auswirkungen der oralen Applikation von E. coli Stamm Nissle 1917 mit und ohne Plasmid auf die Konzentrationen von Serum-Avidin, IgY gegen S. Enteritidis und IgY gegen E. coli Nissle 1917 bei experimentell mit S. Enteritidis-infizierten SPF-Hühnern. Bei der Serum-Avidin-Konzentration konnte kein Unterschied zwischen Testgruppen und positiver Kontrollgruppe festgestellt werden. Die Testgruppen zeigten ihrerseits im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe eine signifikante Erhöhung der Konzentration von IgY gegen S. Enteritidis, vor allem an den Tagen 21 und 28. Ein signifikanter Anstieg der Konzentration von IgY gegen E. coli Nissle 1917 konnte in allen Testgruppen im Vergleich zur positiven Kontrollgruppe, vor allem an den Tagen sieben und vierzehn festgestellt werden. 7- Aus den Resultaten des ersten und des zweiten Versuchs schließen wir, dass der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 das Caecum von 7 bis 28 Tage alten Hühnern erfolgreich kolonialisieren kann. Orale Applikation des Stammes kann die Ansiedlung von S. Enteritidis, aerobe und Gram-negative Gesamtkeimzahl, Mortalitätsrate, Reisolationsrate von S. Enteritidis in Organen und im Intestinaltrakt (mit Ausnahme des Caecums im ersten Versuch) deutlich reduzieren. Die Kombination von E. coli Nissle 1917 und Bdellovibrio bacteriovorus hatte nicht den gewünschten Effekt, der auch von mehreren Autoren in-vitro beobachtet wurde. Bdellovibrionen waren in den Testgruppen des ersten Versuchs im Vergleich zu denen im zweiten deutlich erhöht. Beim durchschnittlichen Körpergewicht konnte kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Versuchen festgestellt werden. Der Serum-Avidin-Spiegel war im ersten Versuch in der Testgruppe deutlich reduziert, im zweiten dagegen nicht. Dies ist möglicherweise auf den Effekt von Bdellovibrionen zurückzuführen, bedarf allerdings noch der weiteren Bestätigung. Im Allgemeinen konnten wir eine signifikante Verbesserung des Immunsystems der Vögel als Resultat der oralen Applikation von E. coli Nissle 1917 feststellen. 8- Untersucht wurden die antagonistischen Effekte von E. coli Stamm Nissle 1917 mit und ohne Plasmid auf die in-vitro-Wachstumsrate von S. Enteritidis PT4. Wir konnten feststellen, dass E. coli Nissle 1917 sowohl mit als auch ohne Plasmid die Wachstumsrate von S. Enteritidis erfolgreich reduzieren konnte. / Summary Influence of the probiotic strain Escherichia coli Nissle 1917 on experimental infections with Salmonella Enteritidis PT4 in chickens Imad Azmi Awadein Mohamed Institute of Bacteriology and Mycology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig and Institute of Poultry Diseases, Faculty of Veterinary Medicine, Free University Berlin Submitted in January, 2004 Keywords: (E. coli strain Nissle 1917, chickens, S. Enteritidis, Probiotics, Bdellovibrios) (94 pages, 48 figures, 16 tables and 150 references) 1- The effect of oral application of E. coli strain Nissle 1917 with Bdellovibrio bacteriovorus on the colonization of S. Enteritidis PT4, reduction of the mortality rate, total aerobic bacterial counts, Gram negative bacterial counts, bdellovibrio bacterial counts and body weight of Specific Pathogen Free chickens were investigated. A significant reduction in the colonization of S. Enteritidis PT4 in the caecum of trial groups at 14, 21 and 28 days old in comparison to the positive control group was observed. A reduction in mortality rate in the trial groups was seen in comparison to the positive control group which had 10 %. The total aerobic and Gram negative bacterial counts were significantly decreased in the trial groups at 28 days old in comparison to the positive control group. Bdellovibrio bacterial counts were significantly increased in the trial groups in comparison to the control groups. No significant difference was seen in the mean body weight of the trial groups in comparison to control groups. 2- The effect of oral application of E. coli strain Nissle 1917 with Bdellovibrio bacteriovorus on reisolation rate of S. Enteritidis from different parts of the intestinal tract and organs of SPF chickens was investigated. A reduction in the S. Enteritidis reisolation rate was seen from crop, proventriculus, duodenum, heart blood, lungs, livers and spleens of the trial groups in comparison to the positive control group but not from the caecum. 3- The effect of oral application of E. coli strain Nissle 1917 and Bdellovibrio bacteriovorus on the serum avidin levels, IgY against S. Enteritidis and IgY against E. coli strain Nissle 1917 levels of SPF chickens experimentally infected with S. Enteritidis was investigated. A significant reduction in the serum avidin levels was observed in the trial groups at 7 days old in comparison to the positive control group. The antibody levels against S. Enteritidis was significantly increased in the trial group at 7 days old in comparison to the positive control group. A significant increase at day 7 in the antibody levels against E. coli strain Nissle 1917 was seen in the trial group in comparison to the positive control group. 4- The effect of oral application E. coli Nissle 1917 with and without plasmid on reduction on the colonization of S. Enteritidis PT4, reduction of the mortality rate, total aerobic bacterial counts, Gram negative bacterial counts, bdellovibrio bacterial counts, Lactobacillus-Bifidobacterium counts, C. perfringens bacterial counts and body weight of SPF chickens were investigated. A significant reduction in the colonization of S. Enteritidis PT4 in the caecum of trial groups at 7, 21 and 28 days old in comparison to the positive control group was observed. No mortalities were seen in the both trial groups in comparison to the positive control group which had 15 % mortalities. The total aerobic and Gram negative bacterial counts were significantly decreased in the trial groups at 21 and 28 days respectively old in comparison to the positive control group. No significant difference was observed in bdellovibrio isolation from the trial groups in comparison to the control group. Lactobacillus-Bifidobacterium bacterial counts were significantly increased in the trial groups at 7, 14 and 21 days old in comparison to the positive control group. A significant reduction in C. perfringens bacterial counts were seen in the trial groups at 7 and 14 days old in comparison to positive control group. No significant difference was observed in the mean body weight of the trial groups in comparison to control groups. 5- The effect of oral application E. coli Nissle 1917 with and without plasmid on the reisolation of S. Enteritidis from different parts of intestinal tract and organs of SPF chickens was investigated. A reduction in the S. Enteritidis reisolation rate was seen from crop, proventriculus, duodenum, caecum, heart blood, lungs, livers and spleens of the trial groups in comparison to the positive control group. 6- The effect of oral application E. coli Nissle 1917 with and without plasmid on the serum avidin levels, IgY against S. Enteritidis and IgY against E. coli strain Nissle 1917 levels of SPF chickens experimentally infected with S. Enteritidis were investigated. No significant reduction in the serum avidin levels were seen in the trial groups in comparison to the positive control group. The antibody levels against S. Enteritidis were significantly increased in the trial groups at 21 and 28 days old in comparison to the positive control group. A significant increase in the antibody levels against E. coli strain Nissle 1917 were seen in the trial groups in comparison to the positive control group. 7- From the results observed in the first and second experiments we concluded that probiotic strain E. coli Nissle 1917 can successfully colonize the caecum of SPF chickens from 7 to 28 days old. Oral appliction of probiotic strain E. coli Nissle 1917 has significantly reduced the S. Enteritidis colonization, total and Gram negative bacterial counts, mortality rate, reisolation rate of S. Enteritidis in organs and the intestinal tract except the caecum in first experiment in the trial groups in comparison to positive control. The combination between E. coli strain Nissle 1917 and B. bacteriovorus had not achieved the desirable effects in the first experiment which observed by many authors in vitro. Bdellovibrio was significantly increased in the trial groups of the first experiment in comparison to the second experiment. This may be a possible effect of Bdellovibrio which is yet to be confirmed. No significant difference was observed in the mean body weight in both experiment. A significant reduction of serum avidin levels were observed in the trial groups of the first experiment but not in the second experiment. We have observed a significant improvement in the immune system of the birds as a results of oral application of E. coli strain Nissle 1917. 8- Antagonistic effect of E. coli Nissle 1917 with and without plasmid on the growth rate of the S. Enteritidis PT4 in vitro was investigated. We concluded that E. coli Nissle 1917 with and without plasmid successfully reduced the growth rate of S. Enteritidis in comparison to the control one.

Durchfallerkrankungen unterschiedlicher Genese sind eine der häufigsten Vorstellungsgründe in der Kleintierpraxis. Neben den Folgen für das betroffene Tier selbst, ist die Erkrankung oft auch eine enorme Belastung für den Besitzer. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erste grundlegende Erkenntnisse zum Einsatz des probiotisch wirksamen Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) als Arzneimittel bei gastrointestinalen Störungen mit der Leitsymtomatik "Diarrhöe" bei der Tierart Hund gewonnen. Aus den vorliegenden Ergebnissen lässt sich ableiten, dass EcN in der Lage ist, die Magen-Darm-Passage bei solch erkrankten Hunden lebensfähig zu überwinden. Es wurde weiter gezeigt, dass EcN einem Placebo in der Behandlung eines akuten Durchfalls bei der Tierart Hund signifikant überlegen ist.

Escherichia coli are bacteria found in bowels of warm blooded animals. Most subspecies are harmless and part of the normal gut flora. However, E. coli have the ability to exchange genetic material with other bacteria, and some E. coli have acquired genes coding for virulence factors. VTEC, E. coli with the ability to produce verotoxin are commonly found in cattle, but certain types can cause severe disease in humans, known as enterohaemorrhagic E. coli, EHEC.     In this study, isolates of E. coli and other bacteria in the family Enterobacteriaceae from calves were subtyped and clustered using MALDI-TOF. Ten strains were selected for experimental competition analysis against E. coli MG1655.     The aim of the study was to identify strains of bacteria with the potential to outcompete VTEC in the cattle host and decrease the risk of human infections.     Three of the bacterial strains were able to outcompete the laboratory strain, and in future studies these strains can be analysed when competing against VTEC. The rest of the strains were outcompeted. Four known strains of VTEC were analysed competing the laboratory strain, showing weak ability to compete. Finally, a highly pathogenic strain of VTEC was analysed against Escherichia coli Nissle 1917, known for its ability to outcompete many strains of bacteria. Nissle could not outcompete the tested VTEC strain under the tested conditions.     In conclusion the majority of the bacterial strains isolated from calves were identified as E. coli and three of the isolates showed good ability to compete against the laboratory strain.

In der vorliegenden Arbeit wurden lebensfähige Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) klinisch gesunden adulten Pferden oral verabreicht und anschließend aus den Faeces der Tiere reisoliert. Der probiotische nicht-pathogene EcN wird in der Humanmedizin seit 1917 erfolgreich zur Behandlung zahlreicher Erkrankungen und Störungen des Verdauungstraktes wie Diarrhöe, Colitis ulcerosa, Morbus Crohn, kollagener Colitis und Pouchitis eingesetzt wird. Des Weiteren konnte in der Anwendung bei neugeborene Säuglingen nach Gabe von EcN eine Kolonisationsprophylaxe und ein immunstimulierender Effekt zu beobacht werden. In der Veterinärmedizin wird EcN unter der Bezeichnung Ponsocol® (Firma Ponsold GmbH, Oschersleben) zur Durchfallprophylaxe beim Kalb eingesetzt. Die vorliegenden Untersuchungen umfassten zwei zeitlich getrennte Feldversuche mit unterschiedlichem Design. Versuch A wurde als placebo-kontrollierter paralleler Gruppenvergleich durchgeführt. Je Gruppe wurde 6 Tiere vom 1. bis 10. Studientag die Studienmedikation oral mit dem Futter gegeben und nachfolgend bis zum 25. Studientag beobachtet. Die Pferde der Verum-Gruppe (n = 6) erhielten täglich 150 x 108 KbE EcN lebend in 150 ml Puffersuspension, die Pferde der Placebo- Gruppe (n = 6) erhielten 150 ml der Puffersuspension ohne EcN. Versuch B wurde mit interner Verlaufskontrolle über 65 Tage durchgeführt. Die Studientiere (n = 6) erhielten EcN in steigender Dosierung (75, 125, 250 und 500 x 108 KbE/Tag) in fünf aufeinander folgenden 10tägigen Applikationsperioden. Die 1. Applikationsperiode begann am 11. Studientag. In den ersten 10 Tagen wurden alle Tiere nur beobachtet. Die Gabe der Medikation erfolgte wie in Versuch A mit dem Futter verabreicht. Die jeweilige Dosis wurde zweimal täglich in gleichen Dosen (7.00 und 16.00 Uhr) appliziert. Das Verum- und Placebohaltige Futter wurde von den Studientieren vollständig und ohne erkennbare Verzögerung aufgenommen. Bei zweimal täglich durchgeführten Allgemeinuntersuchungen aller Tiere ergaben sich unter der EcN-Applikation keine Abweichungen vom physiologischen Zustand. Um EcN in lebensfähiger Form wiederzufinden, wurden den Pferden Kotproben entnommen. Diese wurden entweder nach Zwischenkultivierung (Versuch A und B) oder direkt (Versuch B) mittels PCR auf EcN-spezifische DNA untersucht. Im Studie A wurde der Stamm bei zwei Tieren an Tag 11 gefunden. In Studie B wurde EcN bei zwei Tieren an Tag 20 und bei allen Tieren an den Versuchstagen 25, 32, 35, 40, 42, 45 und 50 gefunden. Nach dem Absetzen der Medikation an Tag 50 war der Stamm bei zwei Tieren an Tag 52 und bei einem Tier an Tag 55 nachweisbar. Bei PCR nach Zwischenkultivierung wurde der Stamm bei allen Pferden der Applikationsstufen 150, 250 und 500 x 108 KbE des Verum-Präparates gefunden. In der Nachsupplementationsperiode wurde der Stamm lediglich bei einem Pferd an Tag 52 gefunden. Als weiterer Befunde wurden in Versuch A statistisch signifikante Modifikationen im Fettsäuremuster der kurzkettigen Fettsäuren gefunden. Bei den zusätzlich durchgeführten mikrobiologischen Untersuchungen ergaben sich keine statistischen gesicherten Einflüsse der Applikation von EcN auf die Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikroflora. Die Untersuchungen der Ammoniak- und L-Lactat- und pH-Werte im Kotwasser und der Trockensubstanzgehalte in den Faeces zeigten ebenso keine Beeinflussung durch die Applikation von EcN. Die Ergebnisse beider Versuche zeigen, dass EcN in der Lage ist, die Magen-Darm-Passage beim Pferd nach oraler Applikation lebensfähig zu überstehen. In den gewählten Dosierungen konnten keine negativen Auswirkungen auf die klinische Gesundheit der Pferde gefunden werden. Zur Überprüfung eines probiotischen Effektes des EcN beim Pferd sind weitere Studien nötig.

In der vorliegenden Arbeit wurde in einem in vitro-Modell mit porcinen intestinalen Epithelzellen (IPEC-J2) der Einfluss des probiotischen E. coli Nissle 1917 (EcN) auf die Infektion mit atypischen EPEC (aEPEC) untersucht. EcN reduzierte bei Vorinkubation auf IPEC-J2 die aEPEC-Infektion drastisch. Konfokale Laserscanning- und Elektronenmikroskopie zeigten, dass EcN die Adhäsion und Mikrokoloniebildung inhibierte, jedoch nicht die Ausbildung von Attaching and Effacing-Läsionen adhärenter aEPEC. Der inhibierende Effekt von EcN wurde durch dessen sehr gute Adhäsionsfähigkeit an IPEC-J2 vermittelt. Die F1C-Fimbrien wurden als wichtigster Adhäsionsfaktor von EcN identifiziert. Darüber hinaus waren auch H1-Flagellen durch Ausbildung interbakterieller Verbindungen maßgeblich an der Adhäsion des Stammes beteiligt. In gleichem Maß wie die Vorinkubation von EcN reduzierte die Koinkubation seines Kulturüberstandes die aEPEC-Infektion, was auf die Abgabe eines inhibierenden Faktors in den Kulturüberstand schließen lässt. Dieser Faktor wurde auch von anderen pathogenen sowie nicht pathogenen E. coli-Stämmen in Schüttelkultur gebildet und scheint deshalb nicht spezifisch für EcN zu sein. Jedoch ermöglichte erst die gute Adhäsionsfähigkeit von EcN auf der Epithelzelloberfläche die Abgabe ausreichender Mengen des Inhibitors und eine Beeinflussung der aEPEC-Infektion. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass durch EcN die initiale Anheftung von aEPEC an die Wirtszelle unterbunden wird. Der inhibierende Effekt von EcN auf die aEPEC-Infektion war zeitabhängig. Im Gegensatz zur Vorinkubation erhöhten Ko- und Nachinkubation von EcN die Adhäsion von aEPEC und hatten einen geringeren inhibierenden Effekt auf die Mikrokoloniebildung. Dieser gegensätzliche Effekt auf die Adhäsion von aEPEC wird möglicherweise von einem zweiten Faktor hervorgerufen. Dieser scheint nur dann wirksam zu sein, wenn der inhibierende Faktor in zu geringer Konzentration oder erst nach Adhäsion von aEPEC vorliegt. / In this study, the effects of the probiotic E. coli strain Nissle 1917 (EcN) on host cell infection with atypical enteropathogenic E. coli (aEPEC) were investigated in an in vitro porcine intestinal epithelial cell model (IPEC-J2). In pre-incubation experiments, EcN drastically reduced the infection efficiencies of aEPEC. Using confocal laser scanning microscopy and scanning electron microscopy, it was shown that EcN inhibited the attachment and formation of microcolonies, but not the formation of attaching and effacing lesions by adherent aEPEC. The inhibitory effect was mediated by the adherent properties of EcN to epithelial cells. The F1C fimbriae were identified as the most important adhesion factor of EcN in vitro. Furthermore, the H1 flagellae were also shown to be involved in the adhesion of EcN, serving as bridges between bacterial cells. Co-incubation of culture supernatants of EcN reduced the infection efficiencies of aEPEC to the same extent as in pre-incubation with EcN bacteria, indicating the secretion of an inhibitory factor by EcN. This factor was also secreted by other pathogenic and non-pathogenic E. coli strains in shaking culture and therefore does not appear to be specific for EcN. However, the outstanding ability of EcN to adhere to epithelial cells largely contributes to the secretion of sufficient concentrations of this inhibitory factor und to the influence on the aEPEC infection. The results suggest that EcN interferes with the initial adhesion of aEPEC to host cells. The inhibitory effect of EcN was found to be time-dependent. In contrast to pre-incubation experiments, co- and post-incubation of EcN actually increased the adhesion efficiencies of aEPEC and showed only minor effects on microcolony formation. This second effect of EcN on aEPEC adhesion, possibly due to a second factor, appears only to be effective when the putative inhibitory factor is either present at low concentrations or after aEPEC is already adherent to host cells.