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Ziel dieser retrospektiven, monozentrischen Studie war es, die virale Ätiologie und die klinischen Charakteristika bei hospitalisierten Kindern und Jugendlichen unter 17 Jahren mit ARE an der Universitäts-Kinderklinik Würzburg im Zeitraum Juni 2012 – Juni 2014 zu untersuchen. Die Virusdiagnostik erfolgte dabei aus respiratorischen Sekreten mittels Multiplex-RT-PCR für 18 respiratorische Viren. Es wurden insgesamt 960 Kinder mit ARE und Multiplex-PCR-Testung auf respiratorische Viren in die Untersuchung eingeschlossen. 566 Kinder (59%) waren männlich. Der Altersmedian betrug 1,9 Jahre (IQR 1,0-4,4). Die Patienten befanden sich im Median 3 Tage (IQR 2-5) in stationärer Behandlung. Die häufigsten mit ARE assoziierten Symptome waren Fieber (n=538, 56%), Husten (n=527, 55%) und Nahrungs-/ Trinkverweigerung (n=382, 40%). Bei 52% der Patienten (n=502) lag eine URTI und bei 48% (n=458) eine LRTI vor. Ca. 50% der Kinder (n=481) hatten eine oder mehrere Vorerkrankungen, wobei eine bestehende chronische Lungenerkrankung mit 18% (n=176) und Frühgeburtlichkeit (n=100, 10%) die häufigsten prädisponierenden Faktoren darstellten. 13 Kinder (1,4%) benötigten eine intensivstationäre Betreuung. 460 Kinder (48%) erhielten initial eine antibiotische Therapie. 168 Kinder (18%) benötigten eine Sauerstofftherapie. Zwei Kinder (0,2%) starben bei vorher bestehender Grunderkrankung. Zusammenfassend konnte in dieser Dissertation gezeigt werden, dass hospitalisierte Kinder mit LRTI, mit positivem Virusnachweis oder mit einer viralen Koinfektion wesentlich jünger waren als Kinder mit URTI, negativem Virusnachweis oder viraler Monoinfektion. Zudem wurde vor allem bei Kindern mit hMPV- oder RSV-Nachweis ein schwererer klinischer Verlauf verzeichnet, wobei sich insbesondere hMPV als häufigster Erreger bei Kindern mit viraler Pneumonie herausstellte. Insgesamt spiegeln die Studienergebnisse die hohe Krankheitslast der viral bedingten ARE im Kindesalter wieder, welche trotz vielseitiger Bestrebungen zu konsequenten Hygienemaßnahmen nur begrenzt reduziert werden können. Obwohl eine symptomatische Therapie mehrheitlich zu einer raschen Genese der Kinder führt, wäre der differenziertere und folglich reduzierte Einsatz einer Antibiotikatherapie unter Einbezug einer standardisierten Virusdiagnostik wünschenswert. / In Germany, data on the aetiology, epidemiology and clinical characteristics of virus associated acute respiratory infections (ARI) in children with is limited. In a single-centre tertiary care pediatric hospital, respiratory specimens in children <17 years of age hospitalized with ARI were routinely tested by multiplex-PCR for 21 viral pathogens from July 2012 to June 2014. Clinical data were collected from hospital medical records using a standardized questionnaire. A total of 942 ARI patients (52.2% upper ARI; 47.8% lower ARI) with a median age of 23 months (IQR 12-53) were enrolled. Virus-positive children (n=696, 73.9%) were significantly younger than virus-negative children (n=246, 26,1%) (p<0,001) and lower ARI was diagnosed more frequently (virus-positive children: n=364, 52% vs. virus-negative children n=86, 35%, p<0,001). Children with viral mono-infection (n=499, 71.7% of 696 virus-positive children, median age: 23 (11-49) months) were older than children with viral co-detection (n=197, 28,3%, median age: 19 (11-31) months, p=0,006; 2 viruses: 23.6%, 3 viruses: 3.1%, >3 viruses 1.7%; p=0,006), but presented with similar clinical severity. The viral distribution among viral monoinfections was as follows: rhinovirus (RhV) (34.9% of 499 mono-infections), respiratory syncytial virus (RSV) (14.6%), influenzavirus (IV) A(H1)/A(H3)/B (10.6%), parainfluenzavirus (PIV) 1-4 (8.4%) and adenovirus (AV) (8.0%), human metapneumovirus (hMPV) (7,4%), human coronavirus (hCoV) NL63/OC43/ HKU1/229E (5%), human bocavirus (hBoV) (4,4%), enterovirus (EV) (3,2%) and parechovirus (PV) (0,4%). Clinical severity was highest in children infected with RSV: bronchitis (59%), oxygen therapy (43%), high viral load (81%)) and hMPV: pneumonia (38%). Viral co-detection was not associated with a significant difference concerning the frequency of a specific clinical diagnosis in children infected with RSV, PIV, hCoV, hBoV or hMPV. However, RhV-co-detection was associated with a higher frequency of bronchitis (n=48, 45% vs. n=56 (32%), p=0,042) and respiratory insufficiency (n=28, 26% vs. n=25, 14%, p=0,018). Among the detected respiratory viral pathogens, RhV was the most frequent, whereas RSV and hMPV were associated with higher disease severity in hospitalised children with ARI.

Hintergrund: In den letzten Jahren werden in der virologischen Routinediagnostik herkömmliche Methoden, wie der Immunfluoreszenztest (IFT), zunehmend durch neue molekulare Detektionsmethoden ersetzt. Auf der Suche nach einem für das Kinderklinik-Kollektiv geeigneten alternativen Screeningtest war im Vorfeld das Resplex Panel im Vergleich zum aktuellen Standard (IFT) getestet worden. Die Ergebnisse für ADV und RSV waren dabei deutlich diskrepant. Studiendesign: Zur weiteren Abklärung der diskrepanten Ergebnisse zwischen IFT und Resplex wurden respiratorische Proben aus dem Zeitraum Mai 2004 bis Februar 2008 von Patienten aus Würzburger Kinderkliniken verwendet. Dies umfasste 71 Proben, die im IFT positiv für Adenovirus-Antigen vorgetestet waren, und 68 Proben, die im IFT positiv für RSV-Antigen vorgetestet waren. Für alle Proben lagen Resplex-Ergebnisse vor. Mittels Sequenzierung aus Restmaterial wurden Adenovirus-Typen und RSV-Subtypen bestimmt. IFT-, Resplex- und Typisierungs-Ergebnisse wurden verglichen. Zusätzlich erfolgte eine epidemiologische Auswertung. Ergebnisse: Das Resplex Panel zeigt sich im vorliegenden pädiatrischen Kollektiv zur Detektion von ADV und RSV aufgrund unterschiedlicher Ursachen als ungeeignet: Für ADV ist sein auf zwei Spezies (ADV B und E) beschränktes Spektrum unzureichend, wodurch es die im Kollektiv häufige ADV C-Spezies (43%) nicht erfasst. Für RSV bedürfen die Primer bzw. Sonden einer Überarbeitung, da das Resplex Panel, verglichen mit dem IFT, wesentlich weniger Proben (41%) als RSV-positiv erkennt. Bezüglich der Prävalenz der Typen wurde eine für ADV typische Verteilung in Kinderkollektiven (54% ADV 3, 26% ADV 2, 12% ADV 1) nachgewiesen. Betroffen waren vor allem Kinder im Alter von sechs Monaten bis fünf Jahren. Kinder mit ADV C-Infektionen waren signifikant jünger als Kinder mit ADV B-Infektionen. Für RSV zeigte sich in der respiratorischen Saison 2006/2007 und in den Wintermonaten 1 – 2/2008 eine Dominanz von RSV Subtyp B. Betroffen waren vor allem Kinder im ersten Lebensjahr. Resumé: Die vorliegende Studie bestätigt die unzureichende Detektion von ADV und RSV durch das Resplex Panel, wobei bezüglich ADV ein unzureichendes Spektrum, für RSV unzureichend optimierte Primer und Sonden vermutlich ursächlich sind. Die epidemiologischen Daten stehen mit denen aus anderen Studien an ähnlichen Kollektiven in Einklang. / Background: Over the past years conventional virological diagnostic like the immunofluorescence assay (IFA) has been replaced by molecular diagnostic methods. In this context previously the standard (IFA) had been tested compared to the Resplex panel, a new multiplex PCR, for testing respiratory samples. The results were discrepant for adenovirus and RSV. Study design: In order to identify the reasons for this discrepancy the samples (68 samples for RSV, 71 for Adenovirus) were re-evaluated by further testing (sequencing). Results: The Resplex panel is not suitable as a respiratory screening test in the pediatric collective for the detection of adenovirus and RSV because of different reasons: for adenovirus the spectrum is limited to two of the possible seven species (B and E). That’s why adenovirus species C which is common in the pediatric collective (43%) cannot be detected. For RSV the primers and probes should be improved. The epidemiological data is consistent with other studies concerning similar collectives.

In dieser Dissertation wurden die Häufigkeit und das klinische Erscheinungsbild von Kindern mit schwerer RSV-assoziierten akuten Atemwegserkrankung (ARE) auf pädiatrischen Intensivstationen untersucht. Die Daten stammen aus einer prospektiven multizentrischen Studie zu intensivstationär behandelten viralen ARE bei Kindern, die im Studienzeitraum von Oktober 2010 – September 2013 durchgeführt wurde und an der bayernweit 23 von 30 Kliniken (77%) mit pädiatrischen Intensivstationen teilnahmen. RSV war mit 31% aller Erregernachweise in der Multiplex-PCR und mit 28% aller untersuchten PICU-ARE-Patienten der häufigste virale respiratorische Erreger auf pädiatrischen Intensivstationen. Die Hälfte der Patienten war männlich und das mediane Alter der betroffenen Kinder lag bei 2,5 Monaten mit einem (IQR von 1,5 bis 19,2 Monaten, min. 0,6 Monate alt, max. 193 Monate ~ 16,1 Jahre). Die hohe Bedeutung schwerer RSV-Infektionen im ersten Lebensjahr wurde dadurch belegt, dass 70% aller Patienten Säuglinge waren. Das häufigste Symptom bei Aufnahme auf die Intensivstation war Atemnot (93%). Es folgten an zweiter und dritter Stelle die Symptome Husten (78%) und Trink- und Nahrungsverweigerung (63%). Pathologische röntgenologische Befunde des Thorax wurden bei 85% der Kinder erhoben. In der Schweregradbeurteilung mittels SIC-Score wurden von den behandelnden Ärzten 17% der Kinder bei Aufnahme als lebensbedrohlich erkrankt eingestuft. Die häufigsten Diagnosen bei intensivstationär behandelten Kindern mit RSV-assoziierter ARE waren mit 86% Bronchiolitis, Infektionen der oberen Atemwege (76%) und Pneumonie (58%). Von den erkrankten Kindern hatten 46% mindestens eine Grunderkrankung. Die häufigsten waren Frühgeburtlichkeit (23%), neurologische Vorerkrankungen (17%) und pulmonologische Vorerkrankungen (14%). Die häufigste Behandlungsmaßnahme war die Sauerstoffgabe (88%) für eine mediane Dauer von 4 Tagen (IQR 3-7 Tage). Eine CPAP-Behandlung erhielten 36% (mediane Dauer 3 Tage; IQR 2-5 Tage) und eine mechanische endotracheale Beatmung 14% der Patienten (mediane Dauer 7 Tage; IQR 5-10 Tage). Eine orale oder intravenöse Antibiotikagabe erhielten 80% aller Patienten. Die mediane Verweildauer im Krankenhaus betrug acht Tage (IQR 6 bis 11 Tage), darauf entfielen vier Tage (IQR von 2 bis 7 Tagen) auf die intensivstationäre Betreuung. Von allen Kindern mit RSV-assoziierter ARE konnten 97% das Krankenhaus ohne Krankheitsfolgen verlassen, bei drei (2%) Patienten konnten mögliche Folgeschäden nicht ausgeschlossen werden, und zwei Kinder (1%) mit vorbestehender schwerer Grunderkrankung (eine weibliche Patientin, Alter 1 Jahr mit spinaler Muskelatrophie und progredienter respiratorischer Insuffizienz; sowie ein männlicher Patient, Alter 5 Jahre mit spastischer Tetraparese bei Z.n. Asphyxie und hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie) verstarben während des intensivstationären Aufenthalts. Interessanterweise war die stationäre Aufenthaltsdauer von älteren Kindern (> 3-17 Jahre) signifikant länger (2 Tage im Median) als die jüngerer Kinder (≤ 3 Jahre) (p-Wert=0,044). Dies könnte auf eine höhere Prävalenz von Grunderkrankungen bei den älteren Patienten (96% versus 37%; p-Wert=<0,001) zurückzuführen sein. Hier wurden v.a. deutliche Unterschiede bei neurologischen (57% versus 9% p-Wert=<0,001) und pulmonologischen (39% versus 9%; p-Wert=0,001) Grunderkrankungen beobachtet. Eine respiratorische Partialinsuffizienz war ein häufigeres Symptom bei den älteren Kindern (87% versus 58%; p-Wert=0,009), bei denen die Diagnose Pneumonie in der Tendenz (74% versus 56; p=0,113) und ARDS (22% versus 5%; p-Wert=0,013) signifikant häufiger vorkam. Eine Trink- und Nahrungsverweigerung kam, nicht überraschend, bei den jüngeren Kindern häufiger (68% versus 35%; p-Wert=0,004) vor, ebenso die Diagnosen Bronchitis/Bronchiolitis (92% versus 52%; p-Wert=<0,001) und Infektion der oberen Atemwege (80% versus 57%; p-Wert=0,030). Die Inzidenz schwerer RSV-assoziierter ARE bei Kindern auf Intensivstationen lag für die erste Saison bei 31/100.000/Jahr, für die zweite Saison bei 27/100000/Jahr und für die dritte Saison bei 29/100.000/Jahr. In der prospektiven Studie von Forster et al. mussten 1117/100000 aufgrund einer RSV-Infektion hospitalisiert werden [24], eine Inzidenzabschätzung zu intensivstationär behandelten Kindern mit RSV in Deutschland gibt es in dieser Form noch nicht. Bei 24% der Kinder mit RSV-assoziierter ARE konnte parallel in der durchgeführten Multiplex-PCR Untersuchung, die insgesamt 19 virale Erreger nachweisen kann, ein weiterer viraler Erreger nachgewiesen werden. Bei RSV waren 34% Mehrfachinfektionen (30% waren Doppelinfektionen, 4% waren Dreifachinfektionen). Das CoV war mit 9% der häufigste zusätzlich nachgewiesene Erreger, darauf folgten RV mit 7% und hBoV mit 4%. Kinder mit viraler Mehrfachinfektion waren im Median 4,4 Monate älter als Kinder mit RSV-Monoinfektion (p-Wert=0,030). Die Symptome Atemnot (97% versus 83%; p-Wert=0,017) und Trink- und Nahrungsverweigerung (73% versus 42%; p-Wert=0,003) kamen bei Kindern mit RSV-Monoinfektion häufiger vor. Bezüglich des Schweregrades der Erkrankung gab es keinen Unterschied zwischen Kindern mit Mono- oder Mehrfachinfektion. Neurologische Vorerkrankungen waren jedoch häufiger bei Kindern mit viralen Mehrfachinfektionen (31% versus 9%; p-Wert=0,005) Prädisponierende Faktoren/chronische Vorerkrankungen kamen bei den viralen Mehrfachinfektionen häufiger vor (61% versus 31%; p-Wert=0,004). Insgesamt waren virale Mehrfachinfektionen mit einem Drittel aller RSV-ARE häufig. Die vorliegende Dissertation bestätigt die Bedeutung von RSV als häufigen Erreger akuter respiratorischer Infektionen der Winter- und Frühlingsmonate in Deutschland und als häufige Ursache für Hospitalisationen, v.a. im frühen Kindesalter. In dieser Dissertation konnte die besondere Bedeutung von RSV als Ursache für intensivstationär behandlungspflichtige Atemwegserkrankungen im Kindesalter hervorgehoben werden. Es ist bemerkenswert, dass RSV mit fast 30% der häufigste Erreger bei Kindern mit respiratorischen Infektionen auf Intensivstationen war, die Letalität mit einem Prozent jedoch vergleichsweise gering war. Bei fast einem Viertel aller Patienten wurde zusätzlich zu RSV mindestens ein weiterer viraler Erreger nachgewiesen. In weiteren Untersuchungen ist zu klären, ob die parallel nachgewiesenen Erreger gemeinsam pathophysiologisch an der untersuchten schweren Atemwegserkrankung beteiligt sind oder ob sich bei Kleinkindern noch über zuvor abgelaufene virale Infektionserkrankungen Virus-DNA nachweisen lässt, die dann im Rahmen der nächsten Erkrankung weiterhin nachweisbar ist. Die derzeitig verfügbare passive Immunisierung mit einem monoklonalen Antikörper kommt aufgrund der begrenzten Wirksamkeit und der hohen Kosten nur für eine kleine Zahl an Hochrisikopatienten in Frage. Ein geeigneter, möglichst im frühen Säuglingsalter zu applizierender aktiver Impfstoff gegen RSV oder eine maternale Impfung in der Schwangerschaft könnten theoretisch die RSV-Morbidität insgesamt und insbesondere auch die Zahl schwerer RSV-assoziierter ARE senken. / In this study the frequency and clinical appearance of children with severe RSV-associated acute respiratory tract infection in pediatric intensive care units (PICU) were investigated. The data originated from a prospective multicentre study with children who were treated because of viral infection of the respiratory tract. The study timeframe of the survey was from October 2010 to September 2013. Twenty-three of 30 hospitals (77%) with a PICU in Bavaria, Germany participated. The means of detection was a Multiplex-PCR. From all positive viral detections RSV was the most common (31%). Half of all patients were male and the median age was 2.5 months (IQR 1.5 – 19.2 months, maximum age 16.1 years, minimum age 0.6 month). The most common symptom was dyspnea (93%), the second and third most comomon were coughing (78%) and refusal to eat or drink (63%). Pathological radiologic findings were described in 85% of the patients. When the children were admitted to the PICU a severity classification was performed. From all the children, 17% were graded as having a life-threatening condition. The most common diagnosis in the PICU was bronchitis/bronchiolitis (86%), also common were infection of the upper airways (76%) and pneumonia (58%). An underlying chronic condition was seen in 46% of the treated children. The most common was preterm birth (23%). Other described conditions were chronic neurological disorders (17%) and pulmonary disorders (14%). The most frequently used therapy was application of oxygen (88%; median duration of application 4 days; IQR 3-7). A CPAP-therapy was used in 36% of the cases with a median duration of 3 days (IQR 2-5), 14% of the children received a mechanical ventilation (median time of application 7 days; IQR 5-10 days). An oral or intravenous antibiotic therapy was carried out in 80% of the treated children. The median time of hospital stay was 8 days (IQR 6-11), the median time of treatment in the PICU was 4 days (2-7). From all children treated because of a RSV-associated infection, 97% left the hospital without sequelae at the time of discharge. In two cases potential sequelae could not be excluded. Overall two children died due to a RSV-infection. One child with spinal muscular atrophy died because of a progressive respiratory failure, the other child had a spastic tetraparesis and died due to an ARDS. Interestingly, the duration of hospital stay of older children was significantly longer (p-value=0,044). This could be attributed to the higher prevalence of chronic underlying conditions in the population of the older children (96% vs. 37%; p-value=<0,001). Hypoxaemia was a symptom associated with the older children (87% vs. 58%, p-value=0,009), as were the diagnoses pneumonia (74% vs. 56%, p-value=0,113) and acute respiratory distress syndrome (ARDS) (22% vs. 5%, p-value=0,013). The younger children were more often associated with refusal of drinking and eating (68% vs. 35%, p-value=0,004), as well as bronchitis/bronchiolitis (92% vs. 52%, p-value=<0,001) and infection of the upper airways (80% vs. 57%, p-value=0,030). The incidence of severe RSV-associated respiratory tract infections of children treated in a PICU was 31/100000/year for the first season. In the second season the incidence was 27/100000/year and in the third season it was 29/100000/year. In 34% of the children tested via Multiplex-PCR another viral pathogen could be detected (30% were double infections, 4% were triple-infections). The human coronavirus (9%) was the most frequently detected virus together with RSV. Other viral coinfections were rhinovirus (7%) and human bocavirus (4%). Children with a viral coinfection were older than children with viral monoinfection (p-value=0,030). The symptoms dyspnoae (97% vs. 83%, p-value=0,017), as well as refusal of drinking and eating (73% vs. 42%, p-value=0,003) were more often associated with viral monoinfection. Chronic underlying conditions were more often described in children with a viral coinfetion (61% vs. 31%, p-value=0,004). This study confirms the impact of RSV as a common pathogen for acute respiratory infections in winter and early spring in Germany. It showed that particularly the young children had to be treated in the PICU. Although RSV was the most common pathogen (30% of all detected pathogens), the lethality rate was low in comparison. In nearly one quarter of the cases another viral pathogen was detected together with RSV. There is a need to clarify if the simultaneous detection of two or more pathogens equals a concurrent disease or just shows a reverberation of a prior infection.

Das humane Respiratorische Synzytial-Virus (RSV) gilt als wichtiger Krankheitserreger für Säuglinge und Kleinkinder sowie für ältere Personen und immunsupprimierte Patienten. Krankheitssymptome und teils schwerwiegende Verläufe werden dabei eher einer Immunpathogenese zugeschrieben als der Virusvermehrung selbst. Aus Ermangelung eines adäquaten Tiermodells wird häufig das RSV-verwandte Pneumonievirus der Maus (PVM) als Ersatzmodell für schwere Pneumovirusinfektionen verwendet. In dieser Dissertation wurde zum einen die spatiotemporale Rekrutierung von zellulären Komponenten der angeborenen und adaptiven Immunantwort im Verhältnis zum Verlauf einer PVM-Infektion in immunkompetenten und immunsupprimierten Wirten untersucht. Zum anderen wurde die Pathogenese einer Pneumovirusinfektion anhand des PVM-Modells in Mauslinien mit definierten Immundefizienzen analysiert. Wie bereits in einer früheren Untersuchung ermittelt, korrelierte die Rekrutierung von CD8+ T-Lymphozyten mit der Viruseliminierung (Frey et al., 2008). B-Lymphozyten wurden aktiv in das Lungengewebe PVM infizierter C57BL/6-Mäuse rekrutiert, wobei sie perivaskuläre und peribronchiale Foki, die ebenfalls CD4+ T-Zellen enthielten, bildeten. Dies könnte auf die Bildung tertiärer lymphoider Gewebe hindeuten. Die Rekrutierung von Zellen der angeborenen Immunantwort (NK-Zellen, neutrophile Granulozyten) geschah parallel bzw. verzögert zur Virusvermehrung und damit eher spät während der Infektion. Die Rekrutierung von eosinophilen Granulozyten erfolgte erst in der Eliminationsphase der PVM-Infektion zusammen mit CD4+-T-Zellen. Zusätzlich wurde ermittelt, dass Alveolarmakrophagen (AMΦ) in vivo mit PVM infiziert und dabei transient depletiert wurden. Die Depletion der AMΦ schien dabei nicht durch Lymphozytenpopulationen zu erfolgen. Die Charakterisierung der PVM-Infektion bei Mäusen mit definierten Immundefizienzen ergab, dass B-Lymphozyten zur partiellen Viruskontrolle in T-Zell-defizienten Mäusen beitragen und dadurch zur Protektion vor letalen Verläufen bei diesen Mäusen führen. Die Letalität bei diesen Mäusen, insbesondere in Abwesenheit von funktionellen B-Zellen, war mit Kontrollverlust über die Virusvermehrung assoziiert. B-Lymphozyten 2 wurden effizient in das infizierte Lungengewebe von T-Zell-defizienten Mäusen rekrutiert. Das Serum T-Zell-defizienter Mäuse wies eine PVM-neutralisierende Aktivität auf, die mit dem Erscheinen PVM-spezifischer IgM-Antikörper, T-Zell-unabhängig synthetisiert, korrelierte. IgG-Antikörper waren jedoch zu diesen Zeitpunkten (14 d.p.i.) nicht nachweisbar. Dies wurde möglicherweise durch unvollständigen oder verzögerten Reifungsprozess von B-Lymphozyten in T-Zell-defizienten Mäusen reflektiert, da verschiedene Antikörperklassen, wie IgM- und IgG-Antikörper zeitgleich exprimiert wurden. Eine hohe Heterogenität bzgl. der klinischen Symptome und dem Ausgang der Infektion schien außerdem ein Kennzeichen von PVM-Infektionen unter bestimmten Immundefizienzen zu sein. Der adoptive B-Zell-Transfer in B6.Rag1-/--Mäuse verändert die Krankheitsverläufe nach PVM-Infektion, da einige B-Zell-transplantierte Mäuse ohne klinische Symptome zu zeigen überlebten und andere zwar Gewicht verloren und die Versuchsabbruchkriterien erreichten, aber die Heterogenität der Krankheitsverläufe reduziert war. Adoptiv transferierte B-Lymphozyten wurden außerdem in lymphatische Organe und in infiziertes Lungengewebe rekrutiert und waren in der Lage zu Plasmazellen zu reifen. Es gibt somit erste Indizien, dass B-Zellen zu einem Schutz bei einer akuten PVM-Infektion beitragen. / The human respiratory syncytial virus (RSV) is an important pathogen for infants, elderly and immunosuppressed patients. The disease symptoms are rather attributed to a dysregulated immune response and a resulting immunopathology than to virus replication itself. Due to lack of a permissive animal model the RSV-related pneumonia virus of mice (PVM) is frequently used as surrogate model for severe pneumovirus infection. During this thesis, the spatiotemporal recruitment of cellular components of the innate and adaptive immune response was analyzed in relation to PVM infection of immunocompetent and immunosuppressed hosts, on one hand. On the other hand, the PVM-infection model was used to investigate the pathogenesis of a pneumovirus infection in mouse strains with defined immunodeficiencies. The recruitment of CD8+ T lymphocytes correlated with the virus elimination, thus, confirming a previous study (Frey et al., 2008). B lymphocytes were actively recruited to the lung tissue of PVM-infected C57BL/6 mice and formed perivascular and peribronchial foci that also contained CD4+ T lymphocytes. This points towards formation of tertiary lymphoid tissue. The recruitment of cells of the innate immune response (NK cells, neutrophils) occurred rather late in infection that is in parallel or delayed respective to the virus replication. Eosinophils increased during the elimination phase of the PVM infection together with an increase in CD4+ T cells.Additionally, it was determined that alveolar macrophages (AMΦ) were infected by PVM in vivo leading to a transient depletion. However, lymphocyte population appeared not to contribute to the depletion of AMΦ. The characterization of the PVM infection in mice with defined immunodeficiencies revealed a contribution of B lymphocytes to partial control over PVM replication, thereby preventing disease or even lethality. The fact that lethal disease progression in these mice was associated with loss of control over virus replication further confirmed a controlling role of B lymphocytes. B lymphocytes were efficiently recruited to the lung tissue of infected T cell-deficient mice. The serum of these mice also contained PVM-neutralizing activity that correlated with an increase of PVM-specific IgM antibodies synthesized in a T cell-independent manner. However, up to day 14 p.i. PVM-specific IgG antibodies were not detectable. This correlated with an incomplete or delayed maturation phenotype of B lymphocytes in T cell-deficient mice illustrated by simultaneous expression of more than one Ig subclass, e.g. IgM and IgG. A significant heterogeneity of disease progression and unpredictable outcome seemed to be characteristic for PVM infections of immunodeficient hosts, in particular those lacking functional B cells. Adoptive B cell transfer into B6.Rag1-/- mice influenced the disease progression and outcome after a PVM infection to some extent: some recipient mice survived the infection without any signs of disease, meanwhile other mice showed rather homogenous weight loss progressing to the humane endpoint similarly to lethally infected wildtype mice. Adoptively transferred B lymphocytes, some of which differentiated to plasma cells, were detected in lymphatic organs and the infected lung tissue. Taken together, there are first indications for a protective contribution of B lymphocytes during acute PVM infections.

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

In dieser Arbeit wurde das PVM-Mausmodell verwendet, um die Bedeutung der Typ I und Typ III Interferonantwort für die Pathogenese einer pneumoviralen Infektion zu analysieren. Hierzu wurden zunächst mit Hilfe der reversen Genetik rekombinante PVM-Mutanten hergestellt, bei denen die Gene für die NS-Proteine, welche vermutlich als Interferonantagonisten fungieren, deletiert sind. Die Charakterisierung der Replikationsfähigkeit der rPVM dNS-Mutanten erfolgte in vitro in Interferon-kompetenten und Interferon-inkompetenten Zelllinien. Ein zentraler Schritt innerhalb dieser Charakterisierung war die Untersuchung der Induktion von Interferonen in vivo und in vitro nach Infektion mit den rPVM dNSMutanten, wobei nachgewiesen wurde, dass die NS-Proteine von PVM als Interferonantagonisten fungieren. In allen Interferon-kompetenten Zellkulturen wurde eine Attenuierung von rPVM dNS1, rPVM dNS2 und rPVM dNS1dNS2 bezogen auf rPVM beobachtet. In allen Interferon-inkompetenten Zellkulturen konnte die Attenuierung der rPVM dNS-Mutanten nahezu vollständig revertiert werden. Nach Infektion mit den rPVM dNS-Mutanten wurde in verschiedenen Zelllinien eine Induktion von Typ I und Typ III Interferonen betrachtet, wobei Unterschiede in der Stärke der Interferon-Induktion nach Infektion mit den rPVM dNS-Mutanten vorhanden waren. Zusammenfassend war es möglich, die NS1- und NS2-Proteine von PVM in Analogie zu RSV eindeutig als Antagonisten der Interferonantwort zu identifizieren. Die Untersuchung der protektiven Rolle von Typ I und Typ III Interferonen für die Replikation und Pathogenität von PVM bildete den zweiten Teil dieser Arbeit. Hierzu wurde die Replikationsfähigkeit und Pathogenität der rPVM dNS-Mutanten in verschiedenen Interferon-defizienten Mausstämmen getestet. Die Untersuchungen ergaben eine protektive Rolle von Typ I und Typ III Interferonen bei einer Infektion mit PVM, wobei den Typ I Interferonen ein effektiverer Einfluss zugeordnet werden konnte. Ein Vergleich von Replikation und Virulenz zwischen den verschiedenen Typ I oder Typ III oder Typ I/Typ III Interferonrezeptor-defizienten Mausstämmen belegte eine erhöhte Suszeptibilität der Typ I/Typ III Interferonrezeptor-defizienten Mäuse gegenüber einer Infektion mit den rPVM dNS-Mutanten. Eine vollständige Aufhebung der Attenuierung wurde auch in den Typ I/Typ III Interferonrezeptor-defizienten Mäusen nicht erlangt. Eine anti-apoptotische Funktion der NS-Proteine zusätzlich zu ihrer Wirkungsweise als Interferonantagonisten wurde aufgrund der unvollständigen Revertierung der Pathogenität der rPVM dNS-Mutanten in Typ I/Typ III Interferonrezeptor-defizienten Mäusen vermutet. Der abschließende Teil dieser Dissertation befasste sich mit der Frage, welche Zellen bei einer natürlichen pulmonalen Infektion Interferone in vivo produzieren. In vitro wurde beobachtet, dass überraschenderweise nur sehr wenige virusinfizierte oder uninfizierte Zellen Typ I Interferone bilden. Der Nachweis darüber, welche Zellen während einer pulmonalen Infektion hauptsächlich Interferone in vivo produzieren, war aufgrund der fehlenden Eignung der kommerziell erhältlichen Interferon-Antikörper für intrazelluläre Gewebefärbungen nicht möglich. Dennoch gelang es abschließend durch eine neue Nachweismethode erstmals Zellen mit rezeptorgebundenen Interferon zu identifizieren, wobei es sich um ziliierte Epithelzellen, Alveolarmakrophagen und vermutlich Clarazellen sowie Typ I und Typ II Pneumozyten handelte. / In this thesis the PVM mouse model was used to unveil the role of type I and type III interferone response for the pathogenesis of pneumoviral infection. First, recombinant PVM dNS-mutants with single or combined deletions of the NS-genes were generated and replication efficiency characterization was analyzed in interferon-competent cells as well as in interferon-incompetent cells. A major point was to elucidate the NS-proteins of PVM as interferon antagonists. In interferon-competent cells the replication of rPVM dNS-mutants were significantly attenuated. These attenuation of all three rPVM dNS-mutants was almost completely reversed when interferon-incompetent cells were infected. Induction of type I and type III interferons was determined in different cell types after infection with rPVM dNS-mutants with differences in intensity of interferon induction. Thus, NS1- and NS2-proteins were clearly identified as interferon antagonists. To analyze the protective capacity of type I and type III interferons with respect to replication and pathology of PVM, mice lacking functional receptors for either or both interferons were infected with rPVM or the respective dNS-mutants. The results indicated that both type I and type III interferons which one restricted replication and pathology of PVM, with the former playing the greater role. Interestingly, the replication and virulence of wild-type PVM were completely unaffected by the presence or absence of functional receptors to type I and type III interferon, indicating that both systems are strongly suppressed during infection. However, pretreatment of mice with type I interferon were protective against lethal rPVM challenge, whereas pretreatment with type III interferon delayed but did not prevent death. Finally, the PVM-NS-proteins appeared to delay apoptosis independently of its IFN-antagonistic activity that may contribute to the limited pathogenicity of the viruses in type I/type III receptor deficient mice. In the last part type I interferon producing cells in a pneumoviral infection in vivo should be identified. It was documented that type I interferon producing cells are virusinfected cells as well as uninfected cells. Surprisingly, in vitro only few cells produced type I interferon during rPVM-GFP7 dNS1dNS2 infection. Because the commercially available interferon antibodies are not qualified for intracellular tissue staining it was not possible to identify in vivo the interferon producing cells, but by inventing a new method it was possible to verify the binding of type I interferon to the cell surface receptor of ciliated epithelial cells, alveolar macrophages and presumably Clara cells and type I and type II pneumocytes.

Abstract Respiratory syncytial virus (RSV) is one of the most common pathogens for early childhood respiratory tract infections. Most children are infected by RSV, approximately 1% of infants require hospital care. RSV infections are often accompanied by otitis media (OM). Surfactant proteins A and D (SP-A and SP-D) are involved in lung function and innate immunity. The proteins are capable of recognizing surface patterns in pathogens and function as a defense before the acquired immunity is developed. The Toll-like receptor (TLR) family is associated to several pathogens. The role of the TLR-family is to recognize pathogens and activate the immune defense. The aim of the thesis was to investigate the genetic association of RSV and OM infections in infants. A candidate gene approach was used study SP-A, SP-D and TLR4 in severe RSV bronchiolitis. Association between SP-A and OM was also studied. A case-control study setup was used for all studies. 1700 samples were collected for the studies. The results revealed genetic association between SP-A gene variation and severe RSV infections. SP-A allele 1A3 was overrepresented in RSV infants, the allele 1A was present more often in the control population. SP-D allele Met11 and genotype Met/Met were predisposing to severe RSV infections. The TLR4 gene did not show direct association with severe RSV. However, we showed for the first time difference in association in two separate epidemics. In the OM study, an association was shown between SP-A gene variations and otitis media in children. The present results have brought new information about innate defense and the genetic variations and associations involved. The results will help understand the mechanisms of innate defense and predisposition to infections. The results also present possibilities to investigate and develop new treatment strategies.

Abstract Pulmonary surfactant is a lipid-protein mixture that lines the inner surface of the lung. The main function of surfactant is to reduce surface tension at the air-liquid interface, thus preventing alveolar collapse at the end of expiration. Lack of surfactant is the main cause of respiratory distress syndrome (RDS) in preterm infants. Very preterm babies are at risk of developing a lung disease called bronchopulmonary dysplasia (BPD). The surfactant proteins SP-A, -B, -C and -D have important functions in surfactant structure, homeostasis and innate immunity of the lung. The genes of these proteins have been studied as candidates for several multifactorial lung diseases both in adults and in children. The aim of the present study was to examine the genetic variation in SP genes and to evaluate the role of SP gene polymorphism in the etiology of severe pulmonary infantile diseases, including RDS, BPD and severe respiratory syncytial virus (RSV) infection among the Finnish population. Conventional allelic association methods in combination with multiparameter analysis and family-based transmission disequilibrium test (TDT) were used. The SP-D Met11 allele was associated with a risk for severe RSV bronchiolitis in a matched case-control setting of 84 infants with severe RSV infection and 93 control infants. The variants of the SP-C gene had no detectable association with BPD. However, a modest association of SP-C Asn138 and Asn186 alleles with RDS was found. A length variation in the SP-B gene was associated with BPD among very preterm infants born before 32 weeks of gestation. The SP-B intron 4 deletion variant allele increased the risk for BPD especially in very low birth weight infants. The association was confounded by birth order, being evident only among presenting infants, who are more prone to ascending infections during a preterm birth process. The present study provides new evidence about the significance of SP gene polymorphisms in the etiology of complex infantile pulmonary diseases, including RDS, BPD and severe RSV bronchiolitis. The results help us to understand the molecular mechanisms underlying these diseases and may, in the long run, enable better treatment of these life-threatening diseases. / Tiivistelmä Keuhkosurfaktantti on keuhkon sisäpintaa peittävä kalvomainen rasva-proteiinikompleksi, jonka tärkein ominaisuus on pintajännityksen vähentäminen keuhkorakkuloissa. Surfaktantin puutos ennenaikaisesti syntyneillä lapsilla aiheuttaa hengitysvaikeusoireyhtymän, RDS-taudin (respiratory distress syndrome). Alle 30 raskausviikon iässä syntyneistä, useimmiten RDS-taudin saaneista keskosista n. 30 % sairastuu vakavaan krooniseen keuhkotautiin, BPD-tautiin (bronchopulmonary dysplasia). Surfaktanttiproteiineilla SP-A, -B, -C ja -D on osoitettu olevan tärkeä tehtävä surfaktantin toiminnassa ja keuhkon synnynnäisessä immuniteetissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää surfaktanttiproteiineissa esiintyvän geneettisen muuntelun määrää ja merkitystä keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa respiratory syncytial -viruksen (RSV) aiheuttamassa keuhkotulehduksessa. Tutkimuksen laajin osa keskittyi tutkimaan keskosten BPD-tautia ja surfaktanttiproteiinien geenien osuutta siinä. Geneettisen muuntelun merkitystä tarkasteltiin populaatiogeneettisin keinoin tapaus-verrokkiasetelmissa ja perheaineistojen avulla. Yhteensä analysoitiin noin tuhannen lapsen ja yli kahdensadan vanhemman DNA-näytteet. Tutkimuksessa havaittiin SP-D-geenissä olevan metioniini11-geenimuodon liittyvän pienten lasten vakavaan RSV-infektioon. Lisäksi saatiin uutta tietoa SP-C-geenin populaatiotason yleisestä muuntelusta ja todettiin SP-C:n asparagiini138 ja asparagiini186 -geenimuotojen yhteys keskosten RDS-taudin esiintymiseen. Merkittävin löydös oli SP-B-geenissä olevan deleetiovariantin kytkeytyminen alle 32-viikkoisina syntyneiden keskosten BPD-tautiin. Geneettisen altistuksen lisäksi BPD-tautiin sairastumiseen vaikuttivat lukuisat keskosuudelle ominaiset seikat, kuten alhainen syntymäpaino, RDS-tauti ja syntymähetkellä todettu hapenpuute. Geneettisen tekijän vaikutus oli voimakkain erittäin pienipainoisilla keskosilla. Tutkimuksen tulokset ovat tuoneet arvokasta lisätietoa surfaktanttiproteiinien geenien osuudesta keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa RSV-infektiossa. Ne auttavat ymmärtämään näiden molekyylibiologisia syntymekanismeja ja voivat ajan mittaan olla edistämässä uusien hoitomuotojen kehittämistä.