Das Protozoon Giardia duodenalis ist eine der Hauptursachen für infektiöse Magen-Darm-Erkrankungen. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen sind jedoch nach wie vor unklar. Um die Pathogenität G. duodenalis‘ untersuchen zu können, wird ein Modellsystem benötigt, dass die Komplexität des Darmepithels widerspiegelt. Diese Arbeit zeigt die Etablierung eines Zellkultursystems auf der Basis von organoid-abgeleiteten Epithelien unter Verwendung von filter-basierten Zellkultureinsätzen. Wir haben Protokolle für die Etablierung von organoid-basierten Zellkulturen (ODMs) vier verschiedener Wirte zoonotischer Protozoen unter Verwendung eines einzigen Protokolls erstellt. Die Charakterisierung zeigte, dass das Modellsystem erfolgreich die Polarisierung des Darmepithels nachahmt, aus mehreren Zelltypen besteht und eine Infektion ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Analyse der durch G. duodenalis induzierten Barrierestörung in ODMs auf Transkriptions-, Protein- und Funktionsebene. Die Infektion von humanen duodenalen Zellen führte zu einem Verlust der epithelialen Barrierefunktion. Mit Hilfe des transepithelialen elektrischen Widerstandes und Dextran Flux wurde eine Erhöhung der Barrieredurchlässigkeit beobachtet. Die Hemmung von zuvor in immortalisierten Zellmodellen beschriebenen Reaktionswegen konnte die Barrierefunktion nicht wiederherstellen. Stattdessen konnten Veränderungen der Ionenhomöostase sowie den Zusammenbruch der zonula occludens nachgewiesen werden. Der beobachtete Phänotyp konnte auf die Aktivierung des cAMP/PKA/CREB-Signalwegs, als einen von mehreren kausalen Faktoren, zurückgeführt werden. Hier zeigen wir die Etablierung eines aus Organoiden abgeleiteten Modells, das die Untersuchung von G. duodenalis Infektionen in vitro ermöglicht. Mit unserem Modell konnten wir eine neue Reihenfolge von Ereignissen entschlüsseln, die einen der Faktoren während symptomatischer Giardiasis darstellt. / The protozoan Giardia duodenalis is a one of the major causes of gastrointestinal illness. Underlying pathomechanisms remain unclear. An in vitro model system that also mimics the complexity of intestinal epithelium is needed to allow pathogenicity studies. This thesis shows the establishment of a cell culture system based on organoid-derived epithelia using permeable cell culture inserts. We have provided guidelines on the establishment of organoid-derived monolayers (ODMs) of four different hosts of zoonotic protozoa using a single protocol. Characterization showed that the model system successfully mimics intestinal polarization, is composed of multiple cell types and allows for infection with multiple protozoan parasites. As the main focus of the thesis, analysis of G. duodenalis-induced barrier breakdown in ODMs was performed on transcriptional, protein and functional level. Infection of human duodenal, organoid-derived monolayers resulted in a time- and dose-dependent breakdown of epithelial barrier function. Barrier permeability increases were observed ranging from ions to macromolecules as measured by transepithelial electrical resistance and Dextran flux. Inhibition of previously proposed key pathogen-induced pathways observed in immortalized cell models did not rescue barrier dysfunction. We could instead show changes in ion homeostasis, and tight junctional breakdown. While none of the previously proposed effector pathways appeared to be responsible, we could pin-point the observed phenotype to activation of the cAMP/PKA/CREB signaling pathway, as one of the factors of the multifactorial barrier breakdown. The establishment of an organoid-derived infection model is shown, allowing the study of in vitro Giardia duodenalis infections. Using this model, we could decipher a new series of events that may be one of the factors causing the intestinal barrier breakdown observed in symptomatic Giardiasis.

Parasiten können den Energietransfer in Lebensgemeinschaften über trophische Kaskaden beeinflussen, indem sie Änderungen in den Konsumenten-Ressourcen-Interaktionen induzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von Trematoden auf das Freßverhalten ihrer Wirte auf zwei trophischen Ebenen untersucht. Vier verschiedene Süßwasserschnecken-Trematoden-Systeme wurden verwendet, um zu testen, ob ein allgemeines Muster für die Auswirkung von Infektionen auf die Grazingaktivität von Schnecken auf das Periphyton nachgewiesen werden kann. Die Grazingraten auf Periphyton bei infizierten Schnecken entweder höher, niedriger oder ähnlich denen derjenigen von nicht infizierten Artgenossen. Augenparasiten können die Leistungsfähigkeit ihres Wirtes beeinträchtigen, was die Auswirkungen auf das Erkennen von Beutetieren, Raubtieren und Artgenossen hat. Mit Tylodelphys clavata experimentell infizierte Flussbarsche wurden mit zwei verschiedenen Beutetierarten eingesetzt, um das Fraßverhalten in Konkurrenz mit nicht infizierten Artgenossen zu untersuchen. Die Entfernung, aus der infizierte Fische die beiden Beutetierarten attackierten, war im Vergleich zu nicht infizierten Artgenossen signifikant kürzer. Die Tendenz war, dass nicht infizierte Fische mehr von den verfügbaren Beutetieren verzehrten. Um zu prüfen, ob der Fisch als Kompensation seine Beutepräferenz verändert, wurde die Beutezusammensetzung von Flussbarschen aus dem Müggelsees mittels Mageninhalts- und Stabilisotopenanalysen untersucht. Beide Methoden ergaben, dass sich die Fische mit zunehmender Intensität der Infektion selektiver ernährten, während sich geringer infizierte Fische Generalisten herausstellten. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen, dass Trematoden eine wichtige Rolle in Nahrungsnetzen spielen können, indem sie das Freßverhalten ihres Wirtes verändern. Darüber hinaus können Trematoden so die Stärke der Interaktion ihrer Wirte mit anderen Arten auf verschiedenen trophischen Ebenen beeinflussen. / Parasites can influence energy transfer through communities via trophic cascades by inducing alterations on consumer-resource interactions. This study evaluated the role of trematodes on their host’s feeding behaviour at two trophic levels. Four different freshwater snail–trematode systems were used to test whether a general pattern can be detected for the impact of infections on snail periphyton grazing activity. Mass-specific periphyton grazing rates of infected snails were higher, lower, or similar to rates of non-infected conspecifics. The variation across systems may result from differences on how the parasites use the resources of the snail and thus affect its energy budget. Eye parasites can impair their host’s sensory performance with important consequences for the detection of prey, predators and conspecifics. European perch experimentally infected with Tylodelphys clavata were used to evaluate their feeding behaviour under competition with non-infected conspecifics, for two different prey species (Asellus aquaticus and Daphnia magna). The distance at which infected fish attacked both prey species was significantly shorter in comparison to non-infected conspecifics. Additionally, infected fish had more unsuccessful attacks and there was a general tendency that non-infected fish consumed more of the available prey. To evaluate whether fish alter their prey preference as a compensatory mechanism, perch from Lake Müggelsee were sampled and their diet was evaluated using both stomach content and stable isotope analyses. Both methods indicated that with increasing infection intensity fish had a more selective diet, while less intensively infected fish appeared to be generalist feeders. The results from this study confirm that trematodes can play a relevant role within food webs by altering their hosts’ feeding behaviour. Furthermore, in this way trematodes can affect the interaction strengths of their hosts with other species at various trophic levels.