Bibliographische Beschreibung cand. med. Anton Brosig Regulation der Genexpression durch virale RNA und viral-bakterielle DNA in retinalen Pigmentepithelzellen Universität Leipzig, Dissertation 103 Seiten, 120 Literaturangaben, 19 Abbildungen, 10 Tabellen Die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) zählt zu den häufigsten Erblindungsursachen in der westlichen Welt. Die Pathogenese der AMD ist mit lokaler und systemischer Entzün-dung assoziiert. Verschiedene Studien weisen darauf hin, dass virale und/oder bakterielle In-fektionen zu einer Verstärkung dieser Entzündungsreaktion in der alternden Retina führen. Um ein besseres Verständnis der bei der AMD ablaufenden pathologischen Mechanismen zu erlangen, wurden die Effekte des synthetischen viralen RNA Analogons Poly(I:C) und der viral-bakteriellen DNA (CpG-ODN) auf die Expression von Genen, die bei der Pathogenese der AMD involviert sind, verglichen. Die Untersuchungen wurden an kultivierten humanen retinalen Pigmentepithelzellen (RPE) durchgeführt. Es wurde gefunden, dass Poly(I:C) die Genexpression des Pattern-Recognition-Rezeptors (PRR) TLR3, der Transkriptionsfaktoren HIF-1α und p65/NF-κB, des angiogenen Faktors bFGF, von zahlreichen Entzündungsmediatoren (IL-1β, IL-6, TNFα, MCP-1, MIP-2) sowie der Komplementfaktoren C5, C9, CFB induziert. Weiterhin initiierte die Stimulation mit Po-ly(I:C) sowohl die Aktivierung der intrazellulären Signalproteine ERK1/2 und p38-MAPK als auch die Sekretion von bFGF und TNFα aus den Pigmentepithelzellen. Die Poly(I:C)-induzierte Gentranskription wird durch verschiedene Signalwege und Transkriptionsfaktoren vermittelt. CpG-ODN führte bei den RPE-Zellen nur zu einer geringen, transienten Erhöhung der Genexpression der Transkriptionsfaktoren p65/NF-κB und NFAT5 und der Komplement-faktoren C5 und C9. Die Wirkung viraler RNA und der moderate Einfluss viral-bakterieller DNA auf die Genex-pression bei RPE-Zellen legen nahe, dass vor allem virale RNA physiologische Veränderungen im RPE induziert und somit Entzündungsreaktionen in der alternden Retina verstärkt. Weiter-hin lässt sich schließen, dass eine selektive Inhibition einzelner Signalwege oder Transkripti-onsfaktoren im RPE wahrscheinlich nicht ausreicht, um die Entwicklung einer AMD effektiv zu verhindern.

PURPOSE. CD36 is a Class B scavenger receptor that is constitu- tively expressed in the corneal epithelium and has been impli- cated in many homeostatic functions, including the homeosta- sis of the epidermal barrier. The aim of this study is to determine (1) whether CD36 is required for the maintenance of the corneal epithelial barrier to infection, and (2) whether CD36-deficient mice present with an increased susceptibility to bacterial keratitis. METHODS. The corneas of CD36- /- , TSP1- /- , TLR2- /- , and C57BL/6 WT mice were screened via slit lamp microscopy or ex vivo analysis. The epithelial tight junctions and mucin layer were assessed via LC-biotin and Rose Bengal staining, respec- tively. Bacterial quantification was performed on corneal but- tons and GFP-expressing Staphylococcus aureus was used to study bacterial binding. RESULTS. CD36-/- mice develop spontaneous corneal defects that increased in frequency and severity with age. The mild corneal defects were characterized by a disruption in epithelial tight junctions and the mucin layer, an infiltrate of macro- phages, and increased bacterial binding. Bacterial quantifica- tion revealed high levels of Staphylococcus xylosus in the corneas of CD36-/- mice with severe defects, but not in wild-type controls. CONCLUSIONS. CD36 -/- mice develop spontaneous bacterial keratitis independent of TLR2 and TSP1. The authors conclude that CD36 is a critical component of the corneal epithelial barrier, and in the absence of CD36 the barrier breaks down, allowing bacteria to bind to the corneal epithelium and result- ing in spontaneous keratitis. This is the first report of sponta- neous bacterial keratitis in mice. (Invest Ophthalmol Vis Sci. 2011;52:256–263) DOI:10.1167/iovs.10-5566

Fetthaltige Lebensmittel tierischer Herkunft sind aufgrund ihres hohen Lipidgehaltes besonders anfällig für Lipolyse. Ausschlaggebend hierfür ist die Wirkung mikrobieller und gewebseigener Lipasen. Für die Beurteilung der Haltbarkeit und Qualität derartiger Lebens-mittel werden vorwiegend die sensorische Prüfung und mikrobiologische Untersuchungen eingesetzt. Eine Einschätzung lipolytischer Aktivitäten erfolgt derzeit nicht routinemäßig. Von Seiten der Lebensmittelindustrie und der Lebensmittelüberwachung besteht, besonders im Zusammenhang mit Qualitätssicherungssystemen, großes Interesse an einer schnellen Verfügbarkeit von Ergebnissen, um das Verderbnispotential der Lebensmittel effizienter abschätzen zu können. Schwerpunkte dieser Arbeit bildeten daher:  die Entwicklung von Applikationsvorschriften zur Bestimmung bakterieller und gewebs-eigener Lipasen mit dem Reflectoquant ® Lipase – Test, einem für Milchlipasen konzi-pierten Schnelltest der Fa. Merck,  die Messung synthetisierter Lipasekonzentrationen ausgewählter Verderbniserreger (n= 168) bzw. gewebseigener Lipasen (n= 127) in Fleisch (Schwein, Rind, Hähnchen, Kaninchen), Fisch (Kabeljau, Forelle, Hering), Wurst- und Fischerzeugnissen sowie Leber (Schwein, Pute),  die Erfassung von Konzentrationen nach 5-minütiger Erhitzung bei 50, 60, 70 und 80 °C, um eventuelle Unterschiede in der Thermoresistenz von bakteriellen und gewebseigenen Lipasen aufzuzeigen sowie  der Vergleich der Substratverwertbarkeit verschiedener bakterieller Lipasen gegenüber Caprylat, Tributyrin und Tween 60. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:  Der Anwendungsbereich des Reflectoquant ® Lipase – Tests konnte um 5 Applikations-vorschriften zur Messung bakterieller Lipasekonzentrationen in Nährbouillon und zur Messung gewebseigener Lipasekonzentrationen in den oben aufgeführten Produkten erweitert werden. Dabei wurden Lösungsvorschläge zur Beseitigung von Störeinflüssen wie z.B. Ascorbinsäure in Wursterzeugnissen, erarbeitet.  Unter Verwendung des Reflectoquant ® Lipase – Tests konnte das lipolytische Synthesepotential von 56 Bakterienstämmen der Spezies Ps. aeruginosa, Ps. fluorescens, A. hydrophila, A. caviae, S. aureus, S. epidermidis, B. subtilis, P. mirabilis und Ser. marcescens nach Anzüchtung unter Optimalbedingungen bestimmt werden. Als besonders starke Lipasebildner mit Konzentrationen von > 50 µg/l, fielen Stämme von Ps. aeruginosa, Ps. fluorescens, A. hydrophila und S. aureus auf.  Für die Lebensmittel Fleisch, Fisch und Leber wurden erstmals Orientierungswerte zu natürlich enthaltenen Lipasekonzentrationen (gewebseigene Lipasen) ermittelt. Die Lipasekonzentrationen in Fleisch bewegten sich zwischen 44 µg/kg (Schwein) und 370 µg/kg (Kaninchen). In Fisch lagen sie zwischen 228 µg/kg (Kabeljau) und 1200 µg/kg (Forelle). Die höchsten Konzentrationen wurden in Schweineleber mit 122100 µg/kg gemessen.  Die nach Erhitzung gemessenen Konzentrationen bestätigen, dass bakterielle Lipasen wesentlich hitzestabiler sind als gewebseigene. Besonders hitzestabile Lipasen mit Restaktivitäten zwischen 16 % und 31 % nach 5-minütiger Erhitzung bei 70 °C bildeten die Stämme Ps. aeruginosa 5x und 1, Ps. fluorescens 9 und S. aureus 4.  Die geringe Hitzestabilität der gewebseigenen Lipasen (keine Restaktivitäten in Fisch, Rind-, Schweine- und Geflügelfleisch nach 5 min bei 70 °C) ist die Ursache für den fehlenden Lipasenachweis in den geprüften Brüh- und Kochwürsten (z.B. Bierschinken). Aufgrund dieser Unterschiede ist eine Abgrenzung bakterieller von gewebseigenen Lipasen möglich. Nachgewiesene Lipasekonzentrationen in erhitzten Produkten könnten daher ein Hinweis auf einen hohen Ausgangskeimgehalt mit Lipasesynthese und/oder mangelnde Erhitzung sein. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass in lipasereichen Geweben, z.B. Leber, noch sehr geringe Lipasekonzentrationen nach Erhitzung auf 70 °C nachweisbar waren.  Von den drei Substraten wurden besonders gut Tributyrin und Caprylat von den getesteten bakteriellen Lipasen hydrolysiert. Die Prüfung der Substratverwertbarkeit hat insbesondere Bedeutung für die Einschätzung der Wirkung von Lipasen und die Voraussage der Haltbarkeit fetthaltiger Lebensmittel. Mit der nunmehr breiteren Anwendung des Reflectoquant ® Lipase – Tests und den neugewonnenen Kenntnissen über Lipasekonzentrationen in Lebensmitteln könnte möglicherweise, unter Einbeziehung der Gesamtkeimzahlbestimmung und sensorischen Eindrücken, die Einschätzung des Verderbs bzw. der Haltbarkeit präzisiert werden. Welche konkreten Lipasekonzentrationen lebensmittelhygienisch in Bezug auf Haltbarkeit und Qualität relevant sind, muss für die einzelnen Lebensmittel in Lagerungsversuchen und begleitenden mikrobiologischen Untersuchungen noch geprüft werden.

Neisseria meningitidis (the meningococcus) is one of the major causes of bacterial meningitis, a life-threatening inflammation of the meninges. Traversal of the meningeal blood-cerebrospinal fluid barrier (mBCSFB), which is composed of highly specialized brain endothelial cells (BECs), and subsequent interaction with leptomeningeal cells (LMCs) are critical for disease progression. Due to the human-exclusive tropism of N. meningitidis, research on this complex host-pathogen interaction is mostly limited to in vitro studies. Previous studies have primarily used peripheral or immortalized BECs alone, which do not retain relevant barrier phenotypes in culture. To study meningococcal interaction with the mBCSFB in a physiologically more accurate context, BEC-LMC co-culture models were developed in this project using BEC-like cells derived from induced pluripotent stem cells (iBECs) or hCMEC/D3 cells in combination with LMCs derived from tumor biopsies. Distinct BEC and LMC layers as well as characteristic expression of cellular markers were observed using transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence staining. Clear junctional expression of brain endothelial tight and adherens junction proteins was detected in the iBEC layer. LMC co-culture increased iBEC barrier tightness and stability over a period of seven days, as determined by sodium fluorescein (NaF) permeability and transendothelial electrical resistance (TEER). Infection experiments demonstrated comparable meningococcal adhesion and invasion of the BEC layer in all models tested, consistent with previously published data. While only few bacteria crossed the iBEC-LMC barrier initially, transmigration rates increased substantially over 24 hours, despite constant high TEER. After 24 hours of infection, deterioration of the barrier properties was observed including loss of TEER and altered expression of tight and adherens junction components. Reduced mRNA levels of ZO-1, claudin-5, and VE-cadherin were detected in BECs from all models. qPCR and siRNA knockdown data suggested that transcriptional downregulation of these genes was potentially but not solely mediated by Snail1. Immunofluorescence staining showed reduced junctional coverage of occludin, indicating N. meningitidis-induced post-transcriptional modulation of this protein, as previous studies have suggested. Together, these results suggest a potential combination of transcellular and paracellular meningococcal traversal of the mBCSFB, with the more accessible paracellular route becoming available upon barrier disruption after prolonged N. meningitidis infection. Finally, N. meningitidis induced cellular expression of pro-inflammatory cytokines and chemokines such as IL-8 in all mBCSFB models. Overall, the work described in this thesis highlights the usefulness of advanced in vitro models of the mBCSFB that mimic native physiology and exhibit relevant barrier properties to study infection with meningeal pathogens such as N. meningitidis. / Neisseria meningitidis (der Meningokokkus) ist einer der Hauptursachen bakterieller Meningitis, einer lebensbedrohlichen Entzündung der Hirnhäute. Entscheidend für das für das Voranschreiten der Krankheit ist die Fähigkeit des Erregers, die meningeale Blut-Liquor-Schranke (mBCSFB), bestehend aus spezialisierten Hirnendothelzellen (BECs) und leptomeningealen Zellen (LMCs), zu überwinden und in den submeningealen Raum einzudringen. Da es sich bei N. meningitidis um ein rein humanes Pathogen handelt, beschränkt sich die Erforschung dieser speziellen Interaktion primär auf die Verwendung von in vitro Modellen. Bisher wurden hierfür hauptsächlich periphere oder immortalisierte BECs verwendet, welchen jedoch wichtige Barriere-Eigenschaften fehlen. Um die Interaktion von N. meningitidis mit der mBCSFB in einem physiologisch relevanteren Umfeld zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit neuartige BEC-LMC Kokulturmodelle entwickelt. Dabei wurden sowohl BEC-ähnliche Zellen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen generiert wurden (iBECs), als auch hCMEC/D3 Zellen verwendet und zusammen mit LMCs aus Tumorbiopsien kultiviert. Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie und Immunfluoreszenzfärbung konnten die unterschiedlichen Zellschichten und deren Expression charakteristischer zellulärer Marker dargestellt werden. Durchgängige Expression von wichtigen Bestandteilen Barriere-formender Zellverbindungen, sogenannter Tight und Adherens Junctions, wurde in der iBEC-Schicht beobachtet. Die Integrität der zellulären Barriere wurde mittels transendothelialer elektrischer Resistenz (TEER) und Permeabilität gegenüber Natrium-Fluorescein (NaF) bestimmt. Erhöhte TEER-Werte und verringerte NaF-Permeabilität, gemessen über einen Zeitraum von sieben Tagen, zeigten eine durch die Kokultur mit LMCs ausgelöste Steigerung der Dichtigkeit und Stabilität der iBEC-Barriere. Infektionsexperimente mit N. meningitidis zeigten in allen Modellen vergleichbare bakterielle Adhäsion und Invasion der BEC-Schicht. Bakterielle Transmigration durch die gesamten Zellbarriere war im iBEC-LMC Modell kurz nach Infektion nur in geringem Maße detektierbar, nahm jedoch innerhalb von 24 Stunden deutlich zu. Interessanterweise wurde bis zu 24 Stunden nach Infektion noch eine hohe Integrität der Barriere gemessen, welche allerdings im weiteren Verlauf verloren ging. Neben signifikantem TEER-Verlust wurde eine verringerte Expression der Tight und Adherens Junction Proteine ZO-1, claudin-5, und VE-cadherin mittels qPCR festgestellt. qPCR und siRNA Knockdown Experimente deuteten darauf hin, dass dies möglicherweise, aber nicht ausschließlich, auf den Transkriptionsfaktor Snail1 zurückzuführen war. Zusätzlich zu den beobachteten Effekten auf die zelluläre Transkription von Tight Junction Genen, zeigten Immunfluoreszenzfärbungen eine verringerte Expression von Occludin an den Zell-Zell-Verbindungen, was auf eine post-translationale Modulation schließen lässt. Zusammen deuten die Ergebnisse dieser Infektionsstudien auf eine mögliche Kombination aus trans- und parazellulärer bakterieller Transmigration der mBCSFB hin. Zuletzt wurden in dieser Arbeit noch die Immunaktivierung von BECs nach N. meningitidis Infektion in den neuen BEC-LMC Kokulturmodellen untersucht. Hierbei wurde eine erhöhte Expression von Zytokinen, insbesondere Interleukin-8, beobachtet. Insgesamt konnten in dieser Arbeit neue, fortschrittlicher in vitro Modelle der mBCSFB entwickelt werden, welche die humane Physiologie besser widerspiegeln und daher für Infektionsstudien mit Meningitis-verursachenden Erregern wie N. meningitidis von besonderem Nutzen sind.

Neisseria meningitidis (N. meningitidis) is an obligate human pathogen which causes live-threatening sepsis and meningitis. The fatality rate after meningococcal infection is high and surviving patients often suffer from severe sequelae. To cause meningitis, N. meningitidis must overcome the endothelium of the blood-brain barrier. The bacterium achieves this through the interaction with endothelial surface receptors leading to alternations of the cellular metabolism and signaling, which lastly results in cellular uptake and barrier traversal of N. meningitidis. Sphingosine 1-phosphate (S1P) is a lipid mediator that belongs to the class of sphingolipids and regulates the integrity of the blood-brain barrier through the interaction with its cognate receptors S1P receptors 1-3 (S1PR1-3). In this study, high performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to generate a time-resolved picture of the sphingolipid metabolism in a brain endothelial cell line (hCMEC/D3) upon meningococcal infection. Among various changes, S1P was elevated in the cellular compartment as well as in the supernatant of infected hCMEC/D3s. Analysis of mRNA expression in infected hCMEC/D3s with quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR) revealed that the increase in S1P could be attributed to the enhanced expression of the S1P-generating enzyme sphingosine kinase 1 (SphK1). Antibody-based detection of SphK1 protein or phosphorylation at SphK1 residue Serine 225 in hCMEC/D3 plasma membrane fractions via Western Blot revealed that N. meningitidis also induced SphK1 phospho-activation and recruitment to the plasma membrane. Importantly, recruitment of SphK1 to the plasma membrane increases the probability of substrate encounter, thus elevating SphK activity. Enhanced SphK activity was also reflected on a functional level, as detected by a commercially available ATP depletion assay used for measuring the enzymatic activity of SphK. Infection of hCMEC/D3 cells with pilus-deficient mutants resulted in a lower SphK activation compared to the N. meningitidis wild type strain. hCMEC/D3 treatment with pilus-enriched protein fractions showed SphK activation similar to the infection with living bacteria and could be ascribed to pilus interaction with the membrane-proximal domain of cellular surface receptor CD147. Inhibition of SphK1 or SphK2 through pre-treatment with specific inhibitors or RNA interference reduced uptake of N. meningitidis into hCMEC/D3 cells, as measured with Gentamicin protection assays. Released S1P induced the phospho-activation of epidermal growth factor receptor (EGFR) via S1PR2 activation, whose expression was also increasing during infection. Furthermore, S1PR2 blockage had a preventive effect on bacterial invasion into hCMEC/D3 cells. On the contrary, activation of S1PR1+3 also reduced bacterial uptake, indicating an opposing regulatory role of S1PR1+3 and S1PR2 during N. meningitidis uptake. Moreover, SphK2 inhibition prevented inflammatory cytokine expression as well as release of interleukin-8 after N. meningitidis infection. Taken together, this study demonstrates the central role of S1P and its cognate receptors S1PR1-3 in the pathophysiology of meningococcal meningitis. / Neisseria meningitidis (N. meningitidis) ist ein obligat humanpathogenes Bakterium, welches lebensbedrohliche Sepsis und Meningitis auslöst. Die Todesrate nach einer Meningokokkeninfektion ist hoch und überlebende Patienten leiden oft unter gravierenden Folgeschäden. N. meningitidis muss zuerst das Endothel der Blut-Hirn-Schranke überwinden, um Meningitis auslösen zu können. Das Bakterium erzielt dies durch die Interaktion mit endothelialen Rezeptoren, welche den zellulären Metabolismus und die zellulären Signalwege beeinflusst und letztlich zur zellulären Aufnahme von N. meningitidis und zur Überwindung der Barriere führt. Sphingosine 1-phosphat (S1P) ist ein Lipidmediator, der zur Klasse der Sphingolipide gehört und die Integrität der Blut-Hirn-Schranke durch die Interaktion mit den zugehörigen S1P Rezeptoren 1-3 (S1PR1-3s) beeinflusst. In dieser Arbeit wurde Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS/MS) genutzt, um ein zeitlich aufgelöstes Bild des Sphingolipidmetabolismus in einer Hinendothelzelllinie (hCMEC/D3) nach Meningokokkeninfektion zu generieren. Neben zahlreichen Veränderungen zeigte sich ein Anstieg von S1P im zellulären Kompartiment und im Überstand von infizierten hCMEC/D3 Zellen. Die Analyse der mRNA Expression in infizierten hCMEC/D3 Zellen mittels quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) offenbarte, dass der Anstieg von S1P auf eine erhöhte Expression der S1P-bildenden Sphingosinkinase 1 (SphK1) zurückzuführen war. Die ntikörperbasierte Detektion des Proteins SphK1 oder dessen Phosphorylierung an Serin 225 in den Membranfraktionen von hCMEC/D3 Zellen mittels Western Blot zeigte, dass N. meningitidis außerdem die Phospho-Aktivierung und Membrantranslokation von SphK1 induzierte. Die Plasmamembrantranslokation von SphK1 erhöht die Wahrscheinlichkeit auf das Substrat Sphingosine zu treffen und verstärkt somit die SphK-Aktivität. Die erhöhte SphK-Aktivität zeigte sich auch auf funktioneller Ebene, wie mittels eines ATP-Verbrauchs-Assays zur Messung der SphK-Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Infektion von hCMEC/D3 Zellen mit Pilus-defizienten Mutanten resultierte in einer geringeren SphK-Aktivierung im Vergleich zum Wildtypstamm. Die Behandlung von hCMEC/D3 Zellen mit Pilus-aufgereinigten Fraktionen zeigte eine SphK-Aktivierung, die mit der Aktivierung durch lebende Bakterien vergleichbar war und der Interaktion des Pilus mit der membranproximalen Domäne des zellulären Oberflächenrezeptors CD147 zugeordnet werden konnte. Die Inhibition von SphK1 und SphK2 durch die Vorbehandlung mit spezifischen Inhibitoren oder RNA-Interferenz reduzierte die Aufnahme von N. meningitidis in hCMEC/D3 Zellen, wie mittels Gentamicin Protection Assay nachgewiesen wurde. Das freigesetzte S1P induzierte die Phospho-Aktivierung des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) durch die Aktivierung von S1PR2, welcher während der Infektion vermehrt exprimiert wurde. Die Blockierung von S1PR2 hatte einen präventiven Effekt auf die bakterielle Invasion in hCMEC/D3 Zellen. Im Gegenzug reduzierte die Aktivierung von S1PR1+3 ebenfalls die bakterielle Aufnahme, was auf eine gegensätzliche regulatorische Rolle von S1PR1+3 und S1PR2 während der Aufnahme von N. meningitidis in hCMEC/D3 Zellen hindeutet. Darüber hinaus verhinderte die Inhibition von SphK2 die Expression von inflammatorischen Cytokinen sowie die Freisetzung von Interleukin-8 nach Infektion mit N. meningitidis. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die zentrale Rolle von S1P und den zugehörigen Rezeptoren S1PR1-3 in der Pathophysiologie der durch Meningokokken ausgelösten Meningitis.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Prä- und Probiotika auf bakterielle Translokation (BT) und postoperative Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen untersucht. Dabei wurde aus methodischen Gründen zunächst BT nach Leber- (LR) und Colonresektion (CR) allein oder in Kombination experimentell im Rattenmodell quantifiziert und deren potentielle Pathomechanismen untersucht. Anschließend wurde der Einfluss von einzelnen Probiotika und einer Kombination verschiedener Probiotika und Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach Lebertransplantation (LTX) und pyloruserhaltender Pankreaskopfresektion (PPPD) in zwei prospektiv randomisierten klinischen Studien analysiert. Im experimentellen Teil der Untersuchungen wurde BT nach LR vor allem in Leber und Milz, nach CR hauptsächlich in mesenterialen Lymphknoten (MLK) und Milz nachgewiesen. Kombination von LR und CR führte zu einer Potenzierung der BT, parallel zum Ausmaß der LR. Durch Gabe von Probiotika wurde die Konzentration von Bakterien in den MLK signifikant gesenkt. Tiere mit einer hohen coecalen Laktobazillenkonzentration hatten eine signifikant niedrigere bakterielle Konzentration in allen untersuchten Organen als Tiere mit weniger Laktobazillen. CR führten zu einer Zunahme der coecalen gramnegativen Bakterienkonzentration und zu einer Abnahme der Laktobazillen. Histologische Veränderungen der Darmmukosa wurden nicht beobachtet. Die parazelluläre Permeabilität für Ionen, nicht aber für die höhermolekulare Laktulose war im Colon in allen Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöht. Probiotika beeinflussten die Zusammensetzung der coecalen Flora und damit auch die BT. In der ersten klinischen Studie verminderte postoperative orale Gabe von Laktobazillus plantarum und einer ballaststoffhaltigen Ernährungslösung die Inzidenz von bakteriellen Infektionen nach LTX im Vergleich zu selektiver Darmdekontamination und ballaststofffreier Ernährung signifikant. Die Gabe von Ballaststoffen und hitzeinaktivierten Laktobazillen führte zwar auch zu einer geringen Reduktion der Infektionen; diese war jedoch nicht signifikant. In der Mehrzahl wurden enteropathogene Bakterien isoliert. Die zweite klinische Studie untersuchte den Einfluss einer Kombination von vier verschiedenen Milchsäurebakterien und vier Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach LTX und PPPD. Im Vergleich zu Präbiotika und Placebo kam es zu einer deutlichen Verminderung der Infekte, die nach LTX auch signifikant war. In beiden Studien wurde die enterale Ernährung gut vertragen mit relativ wenig Nebenwirkungen. BT tritt somit sehr häufig auch nach kleineren viszeralchirurgischen Eingriffen auf und hat organspezifisch verschiedene Ursachen. Probiotika konnten sowohl tierexperimentell die BT vermindern als auch klinisch die Inzidenz bakterieller Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen senken. Da sie leicht zu verabreichen sind und wenig Nebenwirkungen verursachen, könnten sie breit eingesetzt werden. / In the present study, the impact of pre- and probiotics on bacterial translocation (BT) and postoperative bacterial infection rates was assessed. Due to methodological reasons, we first quantified BT following single liver (LR) and colon resection (CR) or a combination of both and analysed potential pathogenic mechanisms for BT. Then, we performed two prospective randomised clinical studies to analyse the influence of a single probiotic strain and a combination of different pre- and probiotics on the incidence of bacterial infections in patients with liver transplantation (OLT) or pylorus preserving partial pancreatoduodenectomy (PPPD). In the rat model, BT after LR mainly occurred in the liver and spleen, after CR mainly in the mesenteric lymph nodes (MLN) and spleen. BT was increased in the animals with combined operation, in parallel to the extent of liver resection. Probiotics significantly decreased the bacterial concentration in the MLN. Animals with a high cecal concentration of lactobacilli had significantly less BT than the others. CR led to an increase of cecal gramnegative bacterial concentrations and to a decrease of lactobacilli. No histological changes were observed in the intestine. Paracellular permeability for ions, but not for the larger molecule lactulose, was increased in the colon in all groups compared to the sham group. Probiotics had an influence on cecal bacterial concentration. In the first clinical study, postoperative oral administration of Lactobacillus plantarum and a fibre-enriched enteral diet significantly decreased bacterial infection rates after OLT compared to selective bowel decontamination and a fibre-free diet. Fibre and heat-inactivated Lactobacillus also led to a slight, but not significant decrease of infections. Mainly gut-derived bacteria were isolated. The second clinical study analysed the influence of a combination of four different lactic acid bacteria and fibres on bacterial infection rates after OLT and PPPD. Compared to fibres and placebo, infection rates were significantly lower after OLT and markedly lower after PPPD. In both studies, the study substances were well tolerated without serious side effects. BT even occurs following minor abdominal surgery and is caused by different mechanisms related to the kind of operation. Probiotics were able to diminish BT in the rat model as well as to decrease bacterial infection rates following major abdominal surgery in the clinical studies. As they are easy to administer and do not cause severe side effects, they could be useful in clinical practice.

Zum Studium des prophylaktischen Einflusses ausgewählter antibiotischer Leistungsförderer [Avilamycin (10 ppm), Avoparcin (15 ppm), Virginiamycin (20 ppm)] und ionophorer Antikokzidia [Monensin (100 ppm), Narasin (70 ppm)] sowie des metaphylaktischen bzw. therapeutischen Einsatzes von Tylosin [Tylan 0,5 g/l H2O] auf das Auftreten und die Ausprägung der Clostridium (Cl.) perfringens-Enterotoxämie (CPE) wurden Untersuchungen an insgesamt 33 Versuchsgruppen mit 825 Broilerküken durchgeführt. Die Erkrankung konnte mittels intraduodenaler Inokulation einer Vollkultur Cl. perfringens Typ A (ATCC 3624) sicher reproduziert werden. Die Morbiditätsrate betrug in allen infizierten Gruppen 100 %. An klinischer Symptomatik zeigte sich hauptsächlich profuser wässriger Durchfall. Schwerere Störungen, Apathie und Anorexie, waren selten und in allen beobachteten Fällen vom schnellen Tod des betreffenden Tieres begleitet. Allgemein fiel auf, daß die infizierten und nicht medikamentierten Tiere schneller und länger erkrankten. Bei infizierten und unmedikamentierten Tieren ergab sich eine Mortalitätsrate von 16 bis 36 %, in den medikamentierten Gruppen maximal 8 %. Tylosin zeigte eine sehr gute metaphylaktischen bzw. therapeutische Wirkung. Die Lebendmasseentwicklung betrachtend, konnte Avoparcin unter den Leistungsförderern beste Ergebnisse erzielen. Ähnliche Resultate wurden in den Kombinationsgruppen [Avilamycin plus Monensin oder Narasin] bzw. mittels Narasin erreicht. In absteigender Reihenfolge zeigten Avilamycin, Virginiamycin und Monensin eine geringere leistungsfördernde Wirkung. Die Bestimmung fäkaler bzw. ileozäkaler Clostridienkonzentrationen lebender, respektive verendeter Hühner erbrachte nur wenige und relativ unbedeutende statistisch gesicherte Korrelationen zu anderen Ergebnissen. Es konnten keine Zusammenhänge zwischen Erregerzahl und Lebendmassezunahme, bzw. Todesursache, aufgedeckt werden. Die Resultate aus allen Versuchen zusammenfassend, müssen den Kombinationen von Avilamycin mit Narasin bzw. Monensin beste Effekte hinsichtlich einer positiven Beeinflussung CPE-bedingter Morbidität, Mortalität und Lebendmasseverluste bescheinigt werden. Tylosin war in der Lage, die Verlustzahlen durch CPE rasch zu senken. Für die Ausprägung kompensatorischer Effekte hinsichtlich der Lebendmasseverluste unter der Infektion muß mit einer größeren Zeitspanne gerechnet werden. Die Polyether und auch Avilamycin sind als Futtermittelzusatzstoffe für die europäische Geflügelhaltung zugelassen. Durch die ständige Kokzidiosebedrohung in den Hühnerbeständen kann auf einen prophylaktischen Einsatz antikokzidieller Futtermittelzusatzstoffe momentan nicht verzichtet werden. Es ist zu vermuten, daß es durch den simultanen Einsatz von Polyether und Leistungsförderer zu einer positiven Beeinflussung der schädigenden Wechselwirkungen von Kokzidien und Cl. perfringens im Darm kommt. Bei vorhandener Empfindlichkeit der Eimerien sollte dies sowohl die Bekämpfung von CPE als auch von Kokzidiosen begünstigen. Der positive Eindruck von Avoparcin spielt, bedingt durch das europaweite Verbot, momentan für die Praxis keine Rolle. Die Entwicklungstendenzen auf dem Sektor antibiotisch wirksamer Futtermittelzusatzstoffe, eng verknüpft mit der bakteriellen Resistenzproblematik, werden in der Arbeit ausführlich diskutiert. / Investigations with 825 chickens in 33 trials were performed in order to find out the prophylactic effect of selected antibiotic growth promoters [avilamycin (10 ppm), avoparcin (15 ppm) virginiamycin (20 ppm)] and polyether ionophore antibiotics [monensin (100 ppm), narasin (70 ppm)] on the incidence of Clostridium (Cl.) perfringens enterotoxemia (CPE) in chickens as well as the therapeutic resp. metaphylactic influence of tylosin [Tylan 0,5 g/l H20]. The enterotoxemia could be reproduced regularly by intraduodenal infection with high numbers of vegetative cells of Cl. perfringens type A (ATCC 3624). The morbidity rate always reached 100 %. In spite of a profuse and watery diarrhoea the chickens normally showed no further considerable disturbances of the general status. Apathy or anorexia were rather rare and immediately followed by Exitus letalis of the related chickens. It was striking that the infected and non-medicated broilers contracted the disease more quickly and for a longer time. The mortality rate among the infected and non-medicated animals was 16 to 36 %, among the medicated groups max. 8 %. Tylosin showed a considerable metaphylactic effect in decreasing CPE mortality. The avoparcin group showed the best weight gain among the growth promoters, comparable to the results by means of the combinations [avilamycin + monensin or narasin] or narasin only. Decreasingly avilamycin, virginiamycin and monensin were less successful. Analysing the faecal resp. ileocecal quantities of Cl. perfringens adduced only a few statistically guaranteed correlation with other results. There was no causal connection between numbers of Cl. perfringens and life weight development. It was impossible to discover a numerical threshold of germs responsible for the death of the chickens. Summarising all the results of the entire attempts the combinations of avilamycin and narasin resp. monensin were the most effective concerning the reduction of morbidity, mortality and life weight losses by CPE. By application of tylosin it was possible to stop the mortality rate quickly. But it needs more time to achieve reductions of the CPE related weight losses. The two polyethers and also avilamycin are still admitted in the European Union. Currently an abandonment of anticoccidial feed supplements seems to be impossible due to the present danger of coccidiosis in poultry. By means of monensin/narasin plus avilamycin the adverse health effects of interactions of both pathogens should be reduced. Presupposing susceptibility of the coccida this should be a notable contribution to a better controlling and to the prevention of CPE and coccidiosis, too.

Aim: The study aimed to investigate the effect of a customary fluoride solution, containing sodium fluoride and amine fluoride, on initial biofilm formation on enamel and dentin in situ compared directly to chlorhexidine. Methods: Bovine enamel and dentin specimens were mounted on maxillary splints carried by 9 subjects. After 1 min of pellicle formation, rinses with tap water (control), chlorhexidine (meridol med CHX 0.2%, GABA) and a fluoride mouthrinse (elmex, GABA) were performed for 1 min. Subsequently, the slabs were carried for another 8 h. The adherent bacteria were determined by DAPI staining, live-dead staining and determination of colony-forming units after desorption; glucan formation was visualized with concanavalin A. Additionally, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis of the in situ biofilm layers was conducted, and contact angle measurements were performed. Statistical evaluation was performed by means of the Kruskal-Wallis test followed by the Mann-Whitney U test (p < 0.05). Results: In the control group, significantly higher amounts of adherent bacteria were detected on dentin (4.8 x 10⁶ ± 5.4 x 10⁶ bacteria/cm²) than on enamel (1.2 x 10⁶ ± 1.5 x 10⁶ bacteria/cm² , DAPI). Chlorhexidine significantly reduced the amount of adherent bacteria (dentin: 2.8 x 10⁵ ± 3.4 x 10⁵ bacteria/cm² ; enamel: 4.2 x 10⁵ ± 8.7 x 10⁵ bacteria/cm²). Rinses with the fluoride solution also significantly reduced bacterial adherence to dentin (8.1 x 10⁵ ± 1.5 x 10⁶ bacteria/cm²). Fluoride could not be detected by EDX analysis of the biofilms. Fluoride mouthrinsing did not influence the wettability of the pellicle-covered enamel surface. Conclusion: In addition to the reduction of demineralization and antibacterial effects, fluorides inhibit initial biofilm formation on dental hard tissues considerably, especially on dentin.

Ice formation largely influences the properties of clouds and hence it has an important impact on weather and climate. Primary ice formation is a consequence of either homogeneous or heterogeneous ice nucleation. The latter process is catalyzed by a foreign substance called Ice Nucleating Particle (INP). Mineral dust particles were found to contribute to atmospheric INPs. Most types of mineral dust are ice active below -20 °C. In contrast, atmospheric observations indicate that immersion freezing as one of the most important heterogeneous ice nucleation processes can occur at temperatures higher than -15 °C. One possible explanation for cloud glaciation at high temperatures might be the presence of biological material (e.g. bacteria) inducing ice nucleation. Our fundamental process and even qualitative understanding concerning atmospheric heterogeneous ice nucleation is limited. In the framework of the present thesis, experimental and theoretical work was carried out to improve the basic understanding of the immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs. On the basis of model simulations immersion freezing experiments were designed at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS). The immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs was studied in dependence of temperature and particle surface area/number at LACIS. As a results of the present thesis, it was found that the immersion freezing behavior of kaolinite being a proxy of mineral dust INPs does not depend on the droplet volume, but on the particle surface area. The kaolinite particles investigated caused freezing below -30 °C. In contrast, Ice Nucleation Active (INA) protein complexes that are attributed to bacterial INPs were found to induce freezing at -7 °C. Furthermore, it was shown that the ice nucleation activity of protein complexes is very similar regardless of whether the INA protein complex is attached to the outer cell membrane of intact bacteria or to cell membrane fragments. The immersion freezing ability depends on the number and type of INA protein complexes present in the droplet ensemble. The immersion freezing ability of mineral dust and bacterial INPs was parameterized accounting for the time effect. With this, results from literature could be reproduced for both INP types. These parameterizations can be used in e.g. cloud resolving atmospheric models.

Clostridium difficile infection (CDI) is the most common cause of health-care-associated infectious diarrhea. Recurrence rates are as high as 20–30% after standard treatment with metronidazole or vancomycin, and appear to be reduced for patients treated with fidaxomicin. According to the literature, the risk of CDI recurrence increases after the second relapse to 30–65%. Accurate data for Germany are not yet available. Methods: Based on the research database of arvato health analytics (Munich, Germany), a secondary data analysis for the incidence, treatment characteristics and course of CDI was performed. The database included high granular accounting information of about 1.46 million medically insured patients covering the period 2006–2013, being representative for Germany. The analysis was based on new-onset CDI in 2012 in patients which either received outpatient antibiotic therapy for CDI or were hospitalized. Results: The ICD-10 coded incidence of CDI in 2012 was 83 cases per 100,000 population.