Nicht nur die mögliche Verwendung von Variolavirus als bioterroristischer Kampfstoff sondern auch das zoonotische Potential pathogener Pockenviren wird als eine erhebliche Gefahr für das öffentliche Gesundheitswesen diskutiert. Zurzeit liegt in der Bevölkerung kein ausreichender Impfschutz vor. Mit Ausnahme der Expositionsprophylaxe steht die Vakzination als einzige Prävention zur Verfügung, von der bekannt ist, dass sie mit erheblichen Impfkomplikationen assoziiert ist. Therapeutische Ansätze sind deshalb von großem Interesse. In dieser Arbeit wurden HEp-2-Zellen mit den Orthopockenviren (OPV) VACV-LE, VACV-MVA-BN, CMLV-CP-19 und Calpoxvirus sowie die Zelllinien 293, A-549, Huh-7 und HSB-2 mit Calpoxvirus infiziert und der Replikationszyklus analysiert. Die Genexpression von Faktoren der Transkription (D7R), der DNA-Replikation (K4L) oder für Strukturproteine (D8L, A56R, A27L) wurde unabhängig vom untersuchten Virus und der Zelllinie gleich reguliert, was auf eine wichtige Rolle während der Virusreplikation hinweist. Ferner wurde ein siRNA-System zur Hemmung der OPV-Gene D7R, K4L, D8L, A56R und A27L etabliert. Die Transkription von D7R, K4L, D8L und A27L wurde in infizierten Zellen effektiv durch spezifisch eingesetzte shRNAs inhibiert und dadurch die Virusreplikation von Calpoxvirus im Vergleich zu den Kontrollzellen 24 und 48 Stunden nach der Infektion gehemmt. Die Inhibition der A27L-Genexpression wurde zusätzlich im Western Blot für Calpoxvirus- und VACV-LE-infizierte 293-Zellen nachgewiesen. A56R wurde weder für die Replikation von Calpoxvirus noch von VACV-LE in der Zellkultur benötigt. Da die Gene D7R, K4L, D8L und A27L essentiell für die Replikation von OPV in der Zellkultur waren, könnten sie potentielle Zielstrukturen für die Entwicklung von antiviralen Substanzen für die Behandlung einer OPV-Infektion darstellen. / Not only the potential use of smallpox in a bioterrorist attack but also the zoonotic potential of other poxviruses infecting animals are discussed to be a public health threat. At present, there is no sufficient protection in the human population provided by vaccination. Prophylactic vaccination was effective but has been associated with serious adverse effects. No proven drug treatment is available. Therefore, therapies and new treatment strategies are greatly needed. In this study HEp-2 cells were infected with the orthopoxviruses (OPV) VACV-LE, VACV-MVA-BN, CMLV-CP-19 and Calpoxvirus. In addition, the cell lines 293, A-549, Huh-7 and HSB-2 were infected with Calpoxvirus alone to determine the OPV replication cycle. Irrespective of the analyzed virus and cell line gene expression was regulated similarly for factors involved in transcription (D7R), DNA replication (K4L) or for structural proteins (D8R, A56R, A27L), indicating an important role in virus replication. Furthermore, a siRNA-system for the inhibition of the OPV genes D7R, K4L, D8L, A56R and A27L was established. It could be shown, that specific shRNAs effectively inhibited transcription of D7R, K4L, D8L and A27L in infected cells and repressed Calpoxvirus replication 24 and 48 hours post infection in comparison to control cells. In addition, the inhibition of A27L gene expression was shown in Western Blot analyses for Calpoxvirus- and VACV-LE-infected 293 cells. A56R is not required for virus replication of Calpoxvirus and VACV-LE in cell culture. Since D7R, K4L, D8L and A27L seem to be essential for OPV replication in cell culture, these OPV genes might serve as potential targets for the development of antiviral substances for the treatment of OPV infections.

Nach der Eradikation der humanen Pockenerkrankung stellen zoonotische Orthopockenvirus-(OPV-)Infektionen heute eine mögliche Bedrohung der öffentlichen Gesundheit dar. Hierbei sind insbesondere Kuhpocken-(CPXV), Affenpocken-(MPXV) und Vaccinia Viren (VACV) von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Genexpressionsprofil humaner (HeLa) Zellen nach Infektion mit CPXV, MPXV oder VACV untersucht. Es wurden sowohl zelluläre Gene identifiziert, welche generell von allen verwendeten Viren reguliert wurden, als auch Gene, die eine Virus-spezifische Regulation durch individuelle OPV aufwiesen. Gemeinsamkeiten zeigten sich insbesondere zwischen CPXV und MPXV, welche, im Gegensatz zu VACV, die Expression zahlreicher Cytokine und Chemokine induzierten. Insbesondere für Interleukin-6, -8 und CXCL1 konnte auch auf Proteinebene eine gesteigerte Sekretion durch CPXV-infizierte Zellen nachgewiesen werden. Vermutlich aufgrund dieser Induktion, trat in vitro eine verstärkte Rekrutierung von Monozyten und Makrophagen in Folge einer CPXV-, nicht aber einer VACV-Infektion auf. Makrophagen spielen eine kontroverse Rolle im Rahmen einer OPV-Infektion und sind sowohl für deren Bekämpfung, als auch, im infizierten Zustand, für die Ausbreitung der Viren im Organismus von Bedeutung. Daher wurde die Replikationsfähigkeit von CPXV und VACV in Makrophagen charakterisiert. Der Virulenzfaktor p28, welcher von den meisten VACV Stämmen nicht kodiert wird, konnte als essentiell für die Replikation von CPXV in einer murinen Makrophagen-Zelllinie, primären peritonealen Makrophagen der Ratte und in Makrophagen aus primären humanen PBMCs identifiziert werden. In Anbetracht der Bedeutung der Replikationsfähigkeit in Makrophagen für die Ausbreitung einer OPV-Infektion im Wirtsorganismus, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass CPXV, im Fall einer weiteren Adaption an den Menschen, ein höheres Bedrohungspotential im Vergleich zu VACV aufweisen könnten. / Today, following the eradication of human smallpox, zoonotic infections caused by orthopoxviruses (OPV) are emerging as a potential human health threat. Especially cowpox viruses (CPXV), vaccinia viruses (VACV), and monkeypox viruses (MPXV) are gaining importance as a cause of infectious disease of man and livestock. This study aimed to analyse and compare the gene expression profile of human (HeLa) cells following infection with CPXV, MPXV or VACV. Cellular genes were identified which were either commonly modulated by infection with any of the three viruses, or which were specifically modulated by one individual OPV. Particularly similar effects on cellular gene expression were observed in the case of CPXV and MPXV infection, which both induced the expression of several cytokine and chemokine genes. Especially interleukin-6, -8, and CXCL1 were strongly secreted by CPXV-infected cells but not by VACV-infected cells. Consequently, CPXV infection also induced a strong chemotactic recruitment of monocytes and macrophages in vitro in contrast to VACV infection. Especially macrophages are known to play a controversial role during OPV infection. On the one hand, macrophages are of importance for the control of the infection. On the other hand, infected macrophages also facilitate virus spread across the organism. Therefore, the capability of CPXV and VACV to replicate in macrophages was analysed. Thereby, the poxviral virulence factor p28, which is absent from most strains of VACV, was identified as an essential factor, allowing CPXV replication in a murine macrophage cell line, primary peritoneal rat macrophages and in human PBMC-derived macrophages. Concerning the importance of productively infected macrophages for OPV spread, these results suggest that CPXV, if further adapted to human beings as host species, may harbor a greater threat to human health when compared to VACV.

Einleitung Die Kuhpockenvirusinfektion (CPXV-Infektion) ist eine sporadisch auftretende, meldepflichtige Erkrankung mit zoonotischem Potenzial. Sie wurde in den letzten sechs Jahrzehnten in vielen Säugetierspezies inkl. des Menschen beschrieben und erforscht. Sie äußert sich in zwei Verlaufsformen: mild, lokalisiert, selbstlimitierend oder generalisiert, dramatisch bis letal. Als Erregerreservoir dienen dem Virus wildlebende Nager (Wühlmäuse). Aktuell ist für diese Infektion keine kausale Therapie zugelassen, Prävention kann mittels prophylaktischer Impfung mit dem Modifizierten Vaccinia Virus Ankara (MVA)-Impfstoff erzielt werden. Für Neuweltkameliden wurde die CPXV-Infektion bisher nur dreimal beschrieben. Detaillierte Erkenntnisse zur Epidemiologie, klinischem Erscheinungsbild und Prävention dieser Infektion bei Neuweltkameliden fehlen. Vier unabhängige Cluster von CPXV-Infektion in ostdeutschen Alpakabeständen in nur fünf Jahren, bekannt geworden durch fünf Alpakas mit generalisierter CPXV-Infektion mit jeweils letalem Ausgang als Patienten der Klinik für Klauentiere Leipzig, gaben Anlass, die Infektion bei dieser Spezies genauer zu untersuchen. Ziele der Untersuchungen Ziel der Studie war, auf Basis einer Literaturrecherche einen Überblick über das Wesen der CPXV-Infektion und ihre Relevanz bei Neuweltkameliden zu gewinnen. Anhand von Bestandsuntersuchungen in vier Alpakabeständen sollten Informationen zur Epidemiologie der CPXV-Infektion mit Erregernachweis im Einzeltier, Erregerverbreitung in der Herde und Erregerreservoir gesammelt werden. Ebenso wurde in zwei der vier Alpakabestände eine Bestandsimpfung mit dem MVA-Impfstoff durchgeführt, um die Verträglichkeit und die Immunogenität dieses Impfstoffes beim Alpaka zu überprüfen. Tiere, Material und Methoden Vier Alpakabestände (107 Alpakas) wurden zweimal im Abstand von 19 – 54 Tagen besucht. Anhand der klinischen Untersuchung und verschiedener Proben (Blut, Tupferproben, Krusten von Hautläsionen, Kot) wurden CPXV-infizierte Tiere identifiziert. Wildlebende Nager als potenzielles Erregerreservoir wurden in der Umgebung der Bestände gefangen. Ein indirekter Immunfluoreszenztest (IFA) wurde zum Nachweis CPXV-spezifischer Antikörper aus dem Serum (Alpakas) bzw. Serum/Transsudat (Nager) eingesetzt, eine real-time PCR diente zum Nachweis von CPXV-spezifischer DNA aus Kot/Tupferproben/Krusten (Alpakas) bzw. Organproben (Nager). In zwei Alpakabeständen wurden 94 Tiere mit dem MVA-Impfstoff zweimal im Abstand von vier Wochen geimpft. Eine Ausnahmegenehmigung nach §17c Abs. 4 Nr. 2 Buchstabe a) des Tierseuchengesetzes vom 22. Juni 2004 (BGBl.I S. 1260) lag für beide Bestände vor. Vier Wochen nach jeder Impfung und 6 bzw. 12 Monate nach der 2. Impfung wurden von allen Tieren Serum (für IFA) und Tupferproben (für PCR) entnommen. Etwaige Impfreaktionen wurden vier Wochen nach jeder Impfung aufgezeichnet. Bei 14 Crias wurde 2 – 12 Wochen post partum eine Serumprobe auf spezifische maternale Antikörper untersucht. Ergebnisse Insgesamt wurden 28 von 107 Tieren mittels IFA und/oder PCR als CPXV-infiziert identifiziert. Die Seroprävalenz pro Bestand schwankte zwischen 16,1 % und 81,2 %. Auch beim Alpaka traten zwei klinische Verlaufsformen auf: mild, lokalisiert, selbstlimitierend vs. generalisiert, letal. In zwei Beständen wurden CPXV-spezifische Antikörper in den gefangenen Nagern gefunden. Im dritten Bestand konnte CPXV aus einer Feldmaus (Microtus arvalis) isoliert werden. Vollgenomsequenzierung dieses Isolates und der Vergleich mit dem Genom von CPXV aus einem Alpaka des gleichen Bestandes ergaben 99,997 % Übereinstimmung. In diesem Bestand wurde CPXV an einer Bürste zur Fellpflege nachgewiesen, die Erregerübertragung durch indirekten Tierkontakt und tierbezogene Utensilien erscheint bei Alpakas am wahrscheinlichsten. Die MVA-Impfung war auch bei Alpakas sicher und gut verträglich. Nach zweimaliger Grundimmunisierung konnte eine Antikörper-Seroprävalenz pro Bestand von 81,3 % bzw. 91,7 % nachgewiesen werden. Im Laufe eines Jahres sank diese auf 15,6 % bzw. 45,8 %, Neuerkrankungen wurden nicht detektiert. In 50,0 % der beprobten Crias wurden maternale Antikörper nachgewiesen. Schlussfolgerungen Das ubiquitäre Erregerreservoir Wühlmaus in Verbindung mit an Popularität zunehmenden Alpakas, als vollempfängliche Spezies für CPXV weisen auf ein gesteigertes Risiko für zukünftige zoonotische CPXV-Infektionen hin. Die MVA-Impfung schützt Alpakas erfolgreich vor einer generalisierten CPXV-Infektion. Die Dauer des Impfschutzes und geeignete Auffrischungs-Impfregime gilt es in Langzeitstudien zu erforschen.:Inhalt 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Alpaka 2.1.1 Zoologische Einordnung, Herkunft, Nutzung 2.1.2 Haltung 2.1.3 Viruserkrankungen bei Neuweltkameliden in Europa 2.2 Die Kuhpockenvirusinfektion 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Wirtsspektrum und Erregerreservoir 2.2.3 Diagnostik 2.2.4 Klinisches Erscheinungsbild 2.2.5 Differentialdiagnosen 2.2.6 Therapie/Prophylaxe 2.3 Der MVA-Impfstoff 2.4 Schlussfolgerung aus der Literaturrecherche und Zielstellung 3 Publikation 1 4 Publikation 2 5 Publikation 3 6 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung / Introduction Cowpox virus (CPXV) infection is a reportable and potentially zoonotic disease that occurs sporadically in a variety of animals and in humans. It has been extensively researched and described in both domestic and zoo animals as well as in humans. Although infected individuals generally have a mild form of disease, cases of fatal generalized CPXV infection have also been described. Prevention by prophylactic vaccination using modified vaccinia virus Ankara (MVA) vaccine is the only method of protecting animals against disease. CPXV infection has been described in South American camelids, but data on its epidemiology, clinical features and prevention are lacking. Four CPXV outbreaks occurred in unrelated alpaca herds in Eastern Germany in a five-year period. The diagnosis in those herds was based on five cases with severe, generalized and lethal CPXV infection referred to the Department for Ruminants and Swine in Leipzig. The outbreaks provided us with an opportunity to better understand CPXV-infection in this species. Aims of the study The first aim of the study was to conduct a literature review of the clinical features of CPXV infection in South American Camelids and to compare their clinical signs with those of other animal species. The second goal was to evaluate the epidemiology of CPXV infection in four alpaca herds by evaluating the mode of virus transmission and the occurrence of CPXV in individual alpacas and in putative reservoir hosts. The third goal was to determine the safety and immunogenicity of MVA vaccine in alpacas by using in a prime-boost MVA vaccination regimen in two alpaca herds. Material and methods Four alpaca herds (107 animals) were evaluated on two separate occasions, and samples (serum, swab samples, crusts of suspicious pox lesions, feces) were collected to identify CPXV-infected animals. Wild small mammals were trapped on the alpaca farms to investigate the potential source of infection. Serum (alpacas, rodents) and/or transudate (rodents) samples were used to detect CPXV-specific antibodies using an indirect immunofluorescence assay (IFA). Swab samples, crusts and feces (alpacas) or organ tissue (rodents) were used for the detection of CPXV-specific DNA in a real-time PCR. A total of 94 animals from two alpaca herds were vaccinated twice with MVA vaccine. A special exemption was obtained from the relevant Ministries of the Federal States under German law. Blood samples (serum, IFA) and swab samples (PCR) were collected 4 weeks after prime and boost vaccination as well as 6 and 12 months after boost vaccination. In 14 crias, 1 blood sample was collected 2 – 12 weeks after birth to determine the presence of specific maternal antibodies (serum, IFA). Results A total of 28 of 107 animals were diagnosed with CPXV using IFA and/or PCR. Herd seroprevalence ranged from 16.1% to 81.2%. The clinical signs in infected animals were mostly mild, localized and self-limiting, but 5 animals had generalized signs and died. In two herds, CPXV-specific antibodies were found in the local rodent population. In the third herd, CPXV was isolated from a common vole (Microtus arvalis); full genome sequencing and comparison with the genome of CPXV from an alpaca on the same farm revealed a 99.997% match. Virus transmission through indirect contact seems likely because CPXV-specific DNA was detected on a brush used for grooming. MVA vaccine was well tolerated and safe in vaccinated alpacas. Seroprevalence after booster vaccination was 81.3% in one herd and 91.7% in the other. Detectable antibody titers declined to 15.6% and 45.8% over a 12-month period after booster vaccination. New CPXV infections were not detected in this period. Specific maternal antibodies were detected in 50.0% of newborn crias. Conclusions With the recent increase in their popularity, alpacas may pose an increased risk of zoonotic disease spread because of their susceptibility to CPXV infection and their relatively close proximity to reservoir hosts such as rodents. Prevention of generalized CPXV infection in alpacas using MVA vaccine appears feasible. The duration of immunity and appropriate booster vaccination regimens need to be verified in long-term studies.:Inhalt 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Alpaka 2.1.1 Zoologische Einordnung, Herkunft, Nutzung 2.1.2 Haltung 2.1.3 Viruserkrankungen bei Neuweltkameliden in Europa 2.2 Die Kuhpockenvirusinfektion 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Wirtsspektrum und Erregerreservoir 2.2.3 Diagnostik 2.2.4 Klinisches Erscheinungsbild 2.2.5 Differentialdiagnosen 2.2.6 Therapie/Prophylaxe 2.3 Der MVA-Impfstoff 2.4 Schlussfolgerung aus der Literaturrecherche und Zielstellung 3 Publikation 1 4 Publikation 2 5 Publikation 3 6 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung