Zusammenfassung Yauhen Karliuk Einfluss der 3' nichttranslatierten Region von Chikungunya-Virus auf die Replikation in verschiedenen Stechmückenarten Institut für Tierhygiene und Öffentliches Veterinärwesen der Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im Februar 2022 52 Seiten, 7 Abbildungen, 116 Literaturangaben, 1 Publikation Schlüsselwörter: Chikungunya-Virus; 3′ UTR; direct repeats (DRs); CHIKV 3́ UTR-Deletionsmutante; Vektorkompetenz; Aedes vexans; Culex pipiens Einleitung: Arthropoden-übertragene Viren (Arboviren) spielen weltweit eine große Rolle für die Gesundheit von Menschen und Tieren. Das Chikungunya-Virus (CHIKV) wird v.a. durch Stechmücken der Gattung Aedes übertragen. Die Hauptvektoren sind Aedes aegypti (Ae. aegypti) und Aedes albopictus (Ae. albopictus), wobei letzterer sich zunehmend auch in gemäßigten Breiten etabliert. Ziele der Untersuchungen: Zum einen sollte untersucht werden, ob auch die Stechmückenarten Aedes vexans (Ae. vexans) und Culex pipiens molestus (Cx. pipiens), die in gemäßigten Klimazonen vorkommen, als CHIKV-Vektoren fungieren können. Zum anderen sollte der Einfluss von Deletionen der Sequenzwiederholungen (DR) in der 3‘ nichttranslatierten Region (3‘ UTR) auf die virale Replikation in Zellkultur und in Stechmücken untersucht werden. Tiere, Material und Methoden: Zunächst wurde eine CHIKV 3́ UTR-Deletionsmutante mit einer Deletion von DR1a und DR2a in der 3́ UTR (CHIKV-ΔDR) hergestellt und diese bezüglich der Wachstumskinetik mit Chikungunya-Wildtyp-Virus (CHIKV-WT) in C6/36- und Aag2-Stechmückenzellen sowie in BHK-21/J- Wirbeltier-Zellen verglichen. Um die Vektorkompetenz von beiden Viren in Stechmücken zu untersuchen, wurden Ae. aegypti, Ae. albopictus, Ae. vexans und Cx. pipiens in einem Insektarium gezüchtet. Bei den Infektionsexperimenten im S3-Labor wurden insgesamt 27 Ae. aegypti, 20 Ae. albopictus, 78 Ae. vexans und 62 Cx. pipiens Stechmücken verwendet. In diesen Experimenten wurden diese mit CHIKV-ΔDR und CHIKV-WT sowohl oral mit je 1x 10^6 PFU/ml über eine Fütterungsmembran als auch intrathorakal mit je 200 PFU (zur Umgehung der Mitteldarmbarriere) infiziert und an verschiedenen Tagen nach der Infektion und in verschiedenen Körperteilen sowie im Speichel auf virale RNA mittels Real-Time Reverser Transkription-Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) untersucht. Unterschiede in der Virusreplikation wurden entweder mit Mann-Whitney- oder Fisher’s Exakt-Test überprüft. Das Signifikanzniveau lag bei p < 0,05. Ergebnisse: Beide Viren, das CHIKV-WT und das CHIKV-ΔDR, zeigten ein vergleichbares Wachstum in Wirbeltier-Zellen (BHK-21/J) und erreichten einen Titer von 5x 10^8 PFU/ml. Das Wachstum beider Viren war auch in von Ae. albopictus abgeleiteten C6/36- Stechmückenzellen effizient, wobei CHIKV-WT ein um knapp eine Log-Stufe höheres Wachstum zeigte als CHIKV-ΔDR. In unseren Experimenten zeigte CHIKV-WT ein weniger effizientes Wachstum in von Ae. aegypti abgeleiteten Aag2-Stechmückenzellen, als in Ae. albopictus abgeleiteten C6/36-Stechmückenzellen, obwohl Ae. aegypti als Hauptvektor für CHIKV-WT gilt. In einer intrathorakalen und oralen Infektion konnten sowohl die bekannten CHIKV-Vektoren Ae. aegypti und Ae. albopictus als auch die einheimische Stechmückenarten Ae. vexans und Cx. pipiens erfolgreich infiziert werden. Bei einer intrathorakalen Infektion mit Umgehung der Mitteldarmbarriere wurde bei Ae. vexans oder Cx. pipiens eine effizientere Virusreplikation beobachtet als bei einer oralen Infektion. CHIKV-WT zeigte eine signifikant höhere Replikation in Ae. vexans im Vergleich zu CHIKV-ΔDR am Tag 7 und am Tag 14 nach der Infektion. Bei Cx. pipiens wurden signifikante Unterschiede für CHIKV-WT im Vergleich zu CHIKV-ΔDR nur am Tag 7 beobachtet. Schlussfolgerungen: Das beeinträchtigte Wachstum in C6/36- und Aag2-Zellen von CHIKV-ΔDR deutet darauf hin, dass die deletierten Sequenzwiederholungen spezifisch mit noch unbekannten Faktoren in Stechmückenzellen interagieren. Dennoch konnte CHIKV-ΔDR die bekannten CHIKV-Vektoren Ae. aegypti und Ae. albopictus problemlos nach intrathorakaler und oraler Infektion infizieren. Die Mitteldarm-Entweichungsbarriere scheint also nicht der einzige Faktor zu sein, der die Vektorkompetenz von Stechmücken beeinflusst. Auch die Replikationskinetik des Virus in den Sekundärgeweben scheint bei den verschiedenen Stechmückenarten unterschiedlich zu sein. Zwar umfassten unsere Studien zur oralen Infektion mit CHIKV nur einige einheimische Ae. vexans und Cx. pipiens Stechmücken, jedoch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese Stechmücken potenziell als Vektoren für CHIKV dienen können.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Alphaviren 2 2.1.1 Klassifikation 2 2.1.2 Virusmorphologie und Genomaufbau 2 2.1.3 Virusreplikation 4 2.2 Chikungunya-Virus 5 2.2.1 Übertragungszyklus 5 2.2.2 Epidemiologie 7 2.2.3 Genotypen und die 3′ UTR Region 9 2.2.4 Chikungunya-Fieber 12 2.3 Stechmücken 13 2.3.1 Taxonomie und Stechmückenarten in Deutschland 13 2.3.2 Allgemeine Morphologie, Biologie und Ökologie 14 2.3.2.1 Eiablage und Schlüpfen der Larven 15 2.3.2.2 Aquatische Entwicklungsstadien 16 2.3.2.3 Adulte 17 2.3.2.4 Flugverhalten und Überwinterungsstrategien 19 2.3.3 Arboviren in Deutschland 20 3 Publikation 26 3.1 Stellungnahme zum Eigenanteil an den Arbeiten zur Publikation 26 3.2 Publikation 27 4 Diskussion 42 5 Zusammenfassung 49 6 Summary 51 7 Literaturverzeichnis 53 8 Danksagung 66

Einleitung: Die Osteoarthritis ist für einen Großteil der Lahmheiten beim Pferd verantwortlich. Durch die starken Belastungen der equinen Gelenke schreitet die Osteoarthritis unweigerlich fort und setzt diese Tiere einem hohen Leidensdruck aus. Bisherige Therapien reichen nicht aus, um in osteoarthritischen Gelenken die physiologische Integrität des Knorpels wiederherzustellen. Humane und caprine nasale Knorpelzellen zeigten in präklinischen und klinischen Studien ein hohes Regenerationspotential und eine hohe Integrität nach autologer Implantation in Defekte des Gelenkknorpels. Dies wurde auf ihr „Hox-Gen-negatives“ Expressionsprofil zurückgeführt, das sich nach der Implantation dem des artikulären Knorpels anpasste. Ziel der Studie: Das Hox-Genexpressionsprofil nasaler Chondrozyten sollte mit denen artikulärer Chondrozyten in der Zellkultur verglichen werden, um den nasalen Knorpel auch beim Pferd als mögliche autologe Knorpelquelle zu identifizieren. Tiere, Material und Methoden: Knorpelgewebe wurde von 7 verstorbenen Pferden aus dem Nasenseptum und einem vorderen sowie hinterem Fesselgelenk entnommen, Chondrozyten isoliert und bis zur vierten Passage zweidimensional kultiviert. Während der Kultivierung wurden die Chondrozyten alle 3 bis 4 Tage mittelseines eigens erstellten Beurteilungsbogens evaluiert. Zellen aus der ersten (T1) und der dritten (T2) Subkultivierung wurden lysiert, die RNA extrahiert und in cDNA umgeschrieben. Es folgte eine qPCR, um die Expressionslevel von drei Hox-Genen (A3, D1, D8) und zwei knorpeltypischen Genen (SOX9, Kollagen II) an den drei verschiedenen Lokalisationen während T1 und T2 zu bestimmen. Die Quantifizierung der relativen Genexpression erfolgte anschließend mit der ΔΔCT-Methode unter Verwendung von RPL32 und GAPDH als Housekeeping-Gene. Zur statistischen Auswertung wurden die Multiple Lineare Regression, eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) und ein zweiseitiger t-Test herangezogen. Die Signifikanzniveaus aller statistischen Tests wurden auf α= 0,05 festgesetzt. Ergebnisse: Die Hox-Genexpressionen unterschieden sich in Bezug auf die drei Lokalisation und die Messzeitpunkte nicht signifikant voneinander. Die nasalen Chondrozyten wiesen während der ersten Subkultivierung gegenüber den artikulären Chondrozyten signifikant höhere Kollagen-II-Expressionen auf. Eine „Hox-Gen-negative“ Expression konnte für die Tierart Pferd nicht bestätigt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Pferde wahrscheinlich ein speziesspezifisches Hox- Gen-Expressionsmuster aufweisen und dass die equinen Hox-Genexpressionsprofile statistisch signifikanten individuellen Einflüssen unterliegen. Schlussfolgerung: Das equine Hox-Genexpressionsprofil unterliegt statistisch signifikanten individuellen Einflüssen, die bei einer potenziellen Zelltherapie zu beachten sind. Nasale Chondrozyten eignen sich beim Pferd aufgrund ihrer genetischen Ähnlichkeit, bezogen auf die Expressionen der untersuchten Hox-Gene, zu artikulären Chondrozyten und ihrer hohen Bereitschaft zur Kollagen-II-Bildung wahrscheinlich als potenzielle Quelle für die autologe chondrozytäre Implantation (ACI).:1. Einleitung ...................................................................................................... 1 2. Literaturübersicht .......................................................................................... 2 2.1 Knorpel ..................................................................................................... 2 2.1.1 Allgemeiner Überblick ....................................................................... 2 2.1.2 Chondrogenese und Regeneration .................................................. 3 2.1.3 Intraartikulärer Hyaliner Knorpel ....................................................... 3 2.1.4 Extraartikulärer Hyaliner Knorpel....................................................... 6 2.2 Osteoarthritis bei Mensch und Pferd ........................................................ 8 2.2.1 Bedeutung und Ätiologie ................................................................... 8 2.2.2 Pathogenese ..................................................................................... 9 2.2.3 Diagnostik ........................................................................................ 10 2.2.4 Bisherige Therapieansätze .............................................................. 12 2.3 Knorpelgewebe in der Forschung .............................................................13 2.3.1 Kultivierung von Chondrozyten ......................................................... 13 2.3.2 Tiermodelle in der Osteoarthritisforschung ....................................... 15 2.3.3 Neue Therapieansätze ..................................................................... 17 2.3.3.1 Stammzellbasierte Verfahren ...................................................... 17 2.3.3.2 Artikuläre autologe Chondrozyten .............................................. 19 2.3.3.3 Nasale Chondrozyten ................................................................. 21 2.4 Hox-Gene ................................................................................................ 22 2.4.1 Allgemeiner Überblick ..................................................................... ..22 2.4.2 Regulation der Hox-Gene ................................................................. 23 2.4.3 Erkrankungen im Zusammenhang mit Hox-Genen ........................... 25 3. Ziel der Studie ........................................................................................... 27 4. Publikation ................................................................................................ 28 5. Diskussion................................................................................................. 45 5.1 Primer ....................................................................................................46 5.2 Auswahl der Messzeitpunkte und Proben ............................................. 47 5.3 Hox-Genprofile kultivierter equiner Chondrozyten ................................ 49 5.4 Individuelle Hox-Genprofile ................................................................... 50 5.5 SOX9 und Kollagen II .............................................................................51 5.6 Hox-Genprofile im Vergleich verschiedener Spezies ............................. 53 5.7 Ausblick ................................................................................................ 53 6. Schlussfolgerung ...................................................................................... 55 7. Zusammenfassung ................................................................................... 56 8. Summary .................................................................................................. 58 9. Referenzen .............................................................................................. 60 9.1 Literaturverzeichnis .............................................................................. 60 9.2 Abbildungsverzeichnis.......................................................................... 71 10. Anhang .................................................................................................. 72 10.1 Evaluierungsbogen Chondrozytenkulturen ........................................ 72 10.2 Auszug aus der Korrelationsmatrix ..................................................... 73 10.3 Publikationsverzeichnis Christiane Storch .......................................... 74 11. Danksagung .......................................................................................... 75 / Introduction: Osteoarthritis is responsible for most of the lameness in horses. Due to severe stress on equine joints, osteoarthritis inevitably progresses and results in a high degree of suffering. Current therapeutic options are not sufficient to restore the physiological integrity of the cartilage in osteoarthritic joints. Human and caprine nasal chondrocytes demonstrated high regenerative potential and integrity after autologous implantation into articular cartilage defects in preclinical and clinical studies. This was attributed to their “Hox gene negative” expression profile, matching the profile of articular cartilage after implantation. Aim of the study: The Hox gene expression profile of nasal chondrocytes was compared with those of articular chondrocytes in a cell culture to address nasal cartilage as a possible autologous source also in horses. Animals, Material and Methods: Cartilage was harvested from the nasal septum, one anterior and one posterior fetlock joint of deceased 7 horses, chondrocytes were isolated and cultured two-dimensionally until the fourth passage. During cultivation, chondrocytes were evaluated every 3 to 4 days using a specially designed assessment sheet. Cells were harvested during the first (T1) and third (T2) subcultivation. RNA was extracted and transcribed into cDNA. Subsequently, qPCR was performed to determine the expression levels of three Hox genes (A3, D1, D8) and two tissue-identifying genes (SOX9, collagen II) of the three locations after T1 and T2. Quantification of relative gene expression was performed with the ΔΔCT method using RPL32 and GAPDH as housekeeping genes. Multiple linear regression, one-way analysis of variance (ANOVA), and two-tailed t-test were used for statistical analysis. The significance levels of all statistical tests were set at α= 0.05. Results: Hox gene expressions were not significantly different in terms of localization and measurement time points. Nasal chondrocytes exhibited significantly higher collagen II expression than articular chondrocytes during the first subcultivation. 'Hox gene negative' expression could not be confirmed in horses. This study demonstrates that equine Hox gene expression pattern is likely species-specific and that equine Hox gene expression profiles are subject to statistically significant individual influences. Conclusion: The equine Hox gene expression profile is subject to statistically significant individual influences that should be considered in potential cell therapy. Nasal chondrocytes are probably suitable as a potential source for autologous chondrocyte implantation (ACI) in horses due to their genetic similarity, in terms of the expressions of the examined Hox genes, to articular chondrocytes and their high propensity for collagen II formation.:1. Einleitung ...................................................................................................... 1 2. Literaturübersicht .......................................................................................... 2 2.1 Knorpel ..................................................................................................... 2 2.1.1 Allgemeiner Überblick ....................................................................... 2 2.1.2 Chondrogenese und Regeneration .................................................. 3 2.1.3 Intraartikulärer Hyaliner Knorpel ....................................................... 3 2.1.4 Extraartikulärer Hyaliner Knorpel....................................................... 6 2.2 Osteoarthritis bei Mensch und Pferd ........................................................ 8 2.2.1 Bedeutung und Ätiologie ................................................................... 8 2.2.2 Pathogenese ..................................................................................... 9 2.2.3 Diagnostik ........................................................................................ 10 2.2.4 Bisherige Therapieansätze .............................................................. 12 2.3 Knorpelgewebe in der Forschung .............................................................13 2.3.1 Kultivierung von Chondrozyten ......................................................... 13 2.3.2 Tiermodelle in der Osteoarthritisforschung ....................................... 15 2.3.3 Neue Therapieansätze ..................................................................... 17 2.3.3.1 Stammzellbasierte Verfahren ...................................................... 17 2.3.3.2 Artikuläre autologe Chondrozyten .............................................. 19 2.3.3.3 Nasale Chondrozyten ................................................................. 21 2.4 Hox-Gene ................................................................................................ 22 2.4.1 Allgemeiner Überblick ..................................................................... ..22 2.4.2 Regulation der Hox-Gene ................................................................. 23 2.4.3 Erkrankungen im Zusammenhang mit Hox-Genen ........................... 25 3. Ziel der Studie ........................................................................................... 27 4. Publikation ................................................................................................ 28 5. Diskussion................................................................................................. 45 5.1 Primer ....................................................................................................46 5.2 Auswahl der Messzeitpunkte und Proben ............................................. 47 5.3 Hox-Genprofile kultivierter equiner Chondrozyten ................................ 49 5.4 Individuelle Hox-Genprofile ................................................................... 50 5.5 SOX9 und Kollagen II .............................................................................51 5.6 Hox-Genprofile im Vergleich verschiedener Spezies ............................. 53 5.7 Ausblick ................................................................................................ 53 6. Schlussfolgerung ...................................................................................... 55 7. Zusammenfassung ................................................................................... 56 8. Summary .................................................................................................. 58 9. Referenzen .............................................................................................. 60 9.1 Literaturverzeichnis .............................................................................. 60 9.2 Abbildungsverzeichnis.......................................................................... 71 10. Anhang .................................................................................................. 72 10.1 Evaluierungsbogen Chondrozytenkulturen ........................................ 72 10.2 Auszug aus der Korrelationsmatrix ..................................................... 73 10.3 Publikationsverzeichnis Christiane Storch .......................................... 74 11. Danksagung .......................................................................................... 75

Die zunehmende Ausbreitung des Usutu-Virus in Europa als Ursache für fatale Ausbruchsgeschehen innerhalb der Avifauna, insbesondere unter Sperlingsvögeln (Passeriformes) und Eulenartigen (Strigiformes), stellt in Zusammenhang mit einem neuroinvasiven sowie zoonotischen Potential ein Risiko für die Veterinär- sowie Humanmedizin dar. Trotz dieser Relevanz stehen derzeit keine zugelassenen Therapeutika gegen eine Usutu-Virus-Infektion zur Verfügung. Auf Basis indikationsfremder Substanzen mit pharmakologischer Zulassung im Sinne des drug repositioning sowie auf Grundlage der Gegenregulation viral-induzierter Modulationen des Zellmetabolismus wurde die Identifikation antiviraler Therapieoptionen gegen das Usutu-Virus in vitro angestrebt.:Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Usutu-Virus 2.1.1 Ursprung, Klassifikation und Epidemiologie 2.1.1 Transmissionszyklus und Wirtstropismus 2.1.2 Aufbau des Virions und des Genoms 2.1.3 Veterinärmedizinische Relevanz und pathologische Ausprägung 2.1.4 Humanmedizinische Bedeutung als Zoonose-Erreger 2.1.5 Vergleichende Aspekte zum West-Nil-Virus 2.2 Antivirale Präventions- und Therapieoptionen 2.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Immunprophylaxe 2.2.2 Pharmaka mit potentiell antiviraler Wirkung gegen Flaviviren 2.2.3 Identifizierte Substanzen gegen das Usutu-Virus 2.3 Zelluläre Systeme als antivirale Zielobjekte 2.3.1 Das Interferon-System und seine antivirale Schutzfunktion 2.3.2 Viral-induzierte Modulation des Wirtszellmetabolismus 3 Zielstellungen der Dissertation 4 Material 4.1 Zelllinien 4.2 Viruslinien 4.3 Zellkulturmedien 4.4 Pharmakologische und andere Substanzen 4.5 Chemikalien 4.6 Lösungen und Puffer 4.7 Antikörper 4.8 Reagenzien und Kit-Systeme 4.9 Enzyme und Nukleotide 4.10 Primer 4.11 Verbrauchsmaterialen 4.12 Geräte 4.13 Datenbanken und Software 5 Methodik 5.1 Zellkultivierungstechnik und PBMC-Isolation 5.2 Isolation von Usutu-Virus-Linien aus Gewebeproben in Zellkultur 5.2.1 Aufbereitung aviären Organmaterials 5.2.2 Typisierung von in Deutschland zirkulierenden Usutu-Virus-Linien (2019, 2020) 5.2.3 Virusanzucht in verschiedenen Zellkulturen zur Virusstock-Generierung 5.3 Quantifizierung des extrazellulären Virustiters 5.4 Immunfluoreszenzanalyse 5.5 Präparation pharmakologischer und anderer Substanzen 5.6 Infektionsansätze mit dem Usutu-Virus und WNV 5.7 Durchflusszytometrische Analyse 5.8 Zytotoxizitätsstudien 5.9 Extrazelluläre Fluxanalyse mittels Agilent Seahorse XF-Technologie 5.10 Statistische Analyse 6 Ergebnisse 6.1 Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 6.2 Replikationsdynamik des Usutu-Virus in verschiedenen Zelllinien 6.3 Pharmakologisches Screening zur antiviralen Wirksamkeit gegen das Usutu-Virus 6.4 Identifikation und Charakterisierung der antiviralen Eigenschaften von Ivermectin 6.5 Wirkung von Ivermectin gegen Linie 2 des West-Nil-Virus in einer aviären Zelllinie 6.6 Metabolischer Phänotyp Usutu-Virus-infizierter Zelllinien 6.7 Antivirale Inhibition der Glykolyse durch 2-Deoxy-D-Glukose 6.8 Einfluss von exogenem Interferon auf den Wirtszellmetabolismus unter Infektion 6.9 Auswirkung der Interferon-Rezeptor-Defizienz auf den Metabolismus unter Infektion 7 Diskussion 7.1 Typisierung und Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 7.2 Charakterisierung der zelltypspezifischen Permissivität und Replikationskinetik 7.3 Identifikation antiviral wirksamer Substanzen gegen das Usutu-Virus 7.4 Usutu-Virus-induzierte Modulation des Metabolismus als antiviraler Ansatz 8 Ausblick 9 Zusammenfassung 10 Summary 11 Literaturverzeichnis 12 Anhang 12.1 Zusatzmaterial 12.2 Publikation 1 12.3 Publikation 2 12.4 Publikation 3 12.5 Weitere Veröffentlichungen 13 Danksagung / The emerge of Usutu virus (USUV) in Europe as a causative agent of fatal outbreaks in avifauna, notably in Passeriformes and Strigiformes, as well as its neuroinvasive and zoonotic potential emphasize a considerable risk in veterinary and human medicine. Despite its relevance, recently, no approved drugs against USUV infections are available. The identification of antiviral therapeutic options against USUV in vitro was addressed based on the analysis of approved drugs of other medical indications in terms of drug repositioning and the counteraction of viral-induced alterations of the cellular metabolism.:Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Usutu-Virus 2.1.1 Ursprung, Klassifikation und Epidemiologie 2.1.1 Transmissionszyklus und Wirtstropismus 2.1.2 Aufbau des Virions und des Genoms 2.1.3 Veterinärmedizinische Relevanz und pathologische Ausprägung 2.1.4 Humanmedizinische Bedeutung als Zoonose-Erreger 2.1.5 Vergleichende Aspekte zum West-Nil-Virus 2.2 Antivirale Präventions- und Therapieoptionen 2.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Immunprophylaxe 2.2.2 Pharmaka mit potentiell antiviraler Wirkung gegen Flaviviren 2.2.3 Identifizierte Substanzen gegen das Usutu-Virus 2.3 Zelluläre Systeme als antivirale Zielobjekte 2.3.1 Das Interferon-System und seine antivirale Schutzfunktion 2.3.2 Viral-induzierte Modulation des Wirtszellmetabolismus 3 Zielstellungen der Dissertation 4 Material 4.1 Zelllinien 4.2 Viruslinien 4.3 Zellkulturmedien 4.4 Pharmakologische und andere Substanzen 4.5 Chemikalien 4.6 Lösungen und Puffer 4.7 Antikörper 4.8 Reagenzien und Kit-Systeme 4.9 Enzyme und Nukleotide 4.10 Primer 4.11 Verbrauchsmaterialen 4.12 Geräte 4.13 Datenbanken und Software 5 Methodik 5.1 Zellkultivierungstechnik und PBMC-Isolation 5.2 Isolation von Usutu-Virus-Linien aus Gewebeproben in Zellkultur 5.2.1 Aufbereitung aviären Organmaterials 5.2.2 Typisierung von in Deutschland zirkulierenden Usutu-Virus-Linien (2019, 2020) 5.2.3 Virusanzucht in verschiedenen Zellkulturen zur Virusstock-Generierung 5.3 Quantifizierung des extrazellulären Virustiters 5.4 Immunfluoreszenzanalyse 5.5 Präparation pharmakologischer und anderer Substanzen 5.6 Infektionsansätze mit dem Usutu-Virus und WNV 5.7 Durchflusszytometrische Analyse 5.8 Zytotoxizitätsstudien 5.9 Extrazelluläre Fluxanalyse mittels Agilent Seahorse XF-Technologie 5.10 Statistische Analyse 6 Ergebnisse 6.1 Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 6.2 Replikationsdynamik des Usutu-Virus in verschiedenen Zelllinien 6.3 Pharmakologisches Screening zur antiviralen Wirksamkeit gegen das Usutu-Virus 6.4 Identifikation und Charakterisierung der antiviralen Eigenschaften von Ivermectin 6.5 Wirkung von Ivermectin gegen Linie 2 des West-Nil-Virus in einer aviären Zelllinie 6.6 Metabolischer Phänotyp Usutu-Virus-infizierter Zelllinien 6.7 Antivirale Inhibition der Glykolyse durch 2-Deoxy-D-Glukose 6.8 Einfluss von exogenem Interferon auf den Wirtszellmetabolismus unter Infektion 6.9 Auswirkung der Interferon-Rezeptor-Defizienz auf den Metabolismus unter Infektion 7 Diskussion 7.1 Typisierung und Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 7.2 Charakterisierung der zelltypspezifischen Permissivität und Replikationskinetik 7.3 Identifikation antiviral wirksamer Substanzen gegen das Usutu-Virus 7.4 Usutu-Virus-induzierte Modulation des Metabolismus als antiviraler Ansatz 8 Ausblick 9 Zusammenfassung 10 Summary 11 Literaturverzeichnis 12 Anhang 12.1 Zusatzmaterial 12.2 Publikation 1 12.3 Publikation 2 12.4 Publikation 3 12.5 Weitere Veröffentlichungen 13 Danksagung

Zusammenfassung Fanny Schnauß Volumetrie der Leber aus Spiral-CT-Datensätzen von 43 Hunden mit Portosystemischem Shunt Klinik für Kleintiere der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im April 2022 83 Seiten, 34 Abbildungen, 13 Tabellen, 197 Literaturangaben, 7 Seiten Anhang Schlüsselwörter: Portosystemischer Shunt, Hund, Leber, Computertomographie, Lebervolumina, Mikrohepatie, Volumetrie Einleitung: Portosystemische Shunts (PSS) sind Gefäßanomalien, welche Blut des portalen Gefäßsystems unter Umgehung der Leber in den systemischen Kreislauf leiten. Die resultierende Minderdurchblutung der Leber führt u. a. zu einem Mangel an Wachstumsfaktoren und folglich zu einer Mikrohepatie. In der vorliegenden Arbeit wurden computertomographische (CT) Daten zur Bestimmung präziser Lebervolumina genutzt. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich der Lebergrößen von Hunden mit PSS und ohne (Referenzgruppen). Ziele der Untersuchung: Es wurden folgende Zielstellungen bearbeitet: • Bestimmung der Präzision und Genauigkeit der Messwerte aus den CT-Daten (ex vivo Untersuchung). • Vergleich der Lebervolumina der Shunt-Patienten und der verschiedenen Subtypen mit denen der Referenzgruppen (ohne PSS, s.u.) • Die Normierung der Lebervolumina erfolgte anhand des Körpergewichts (BW), des metabolischen Körpergewichts (mBW), der Querschnittsfläche der Aorta (AAo) sowie der Querschnittsfläche des Rückenmarkkanals (AMc). Diese Normierungsmethoden wurden zur statistischen Signifikanzanalyse herangezogen und auf ihre Aussagekraft bewertet. • Analyse des präoperativen Lebervolumens als möglicher prospektiver Indikator für den Operationsverlauf sowie für den Grad der chirurgischen Einengung des Shunts. • Eruierung der postoperativen Zunahme des Lebervolumens. Tiere, Material und Methoden: Die Studie umfasst 43 Patienten mit PSS der Klinik für Kleintiere der Universität Leipzig aus den Jahren 2006 bis 2015. Als Referenzgruppe dienten 22 Hunde ohne PSS. Diese Referenzgruppe konnte weiterführend in unbestätigte Verdachtsfälle von PSS (10 Hunde) und Fälle ohne Hepatopathie (12 Hunde) unterteilt werden. Anhand der CT-Datensätze wurden retrospektiv die Lebervolumina der Tiere mittels Segmentierung und Volume-Rendering gemessen. Bei sechs Hunden mit PSS existieren Daten einer Folgeuntersuchung nach chirurgischer Versorgung, wodurch deren prä- und postoperative Lebervolumina gegenübergestellt werden konnten. In einer ex vivo Studie wurden zur Kontrolle der Messgenauigkeit der angewandten Methode sechs Lebern von Schlachtschweinen in unterschiedlichen Umgebungen (Luft, Wasser, Milch) einer CT unterzogen, anschließend deren Volumina mittels Wasserverdrängung im Wasserbad bestimmt und die Werte verglichen. Statistische Signifikanzprüfungen zwischen den unabhängigen Datengruppen erfolgten mittels Wilcoxon-Mann-Whitney-U-Test (keine Normalverteilung). Für die Prüfung auf signifikante Veränderungen der Messwerte vor und nach erfolgter Operation (verbundene Stichproben) wurde der Wilcoxon-Test verwendet (keine Normalverteilung). Ergebnisse: Es zeigten sich in allen vier Normierungen signifikant (p < 0,001) kleinere Lebervolumina für die 43 Hunde mit PSS im Vergleich zu den 22 Referenztieren (Normierung zum BW: 19,3 cm³/kg vs. 24,9 cm³/kg; mBW: 26,2 cm³/kg0,75 vs. 51,3 cm³/kg0,75; AAo: 2,6 cm vs. 4,6 cm; AMc: 2,6 cm vs. 7,5 cm). Beide Untergruppen unterschieden sich ebenfalls signifikant (jeweils p < 0,001) von der Gruppe der PSS Patienten. Keine signifikanten Unterschiede zeigten sich allerdings beim Vergleich der Hunde mit kongenitalem vs. erworbenem PSS, intra- (inPSS) vs. extrahepatischem Shunt (exPSS), rechtsseitigem vs. zentralem intrahepatischen PSS, den Subtypen der extrahepatischen PSS (portocavaler vs. Portophrenico- vs. Portoazygos-Shunt) und den Subtypen der portocavalen Shunts (gastroduodenal vs. splenocaval). Entgegen der Erwartung zeigten sich keine signifikanten Unterschiede der präoperativen Lebervolumina zwischen den Patienten bei denen in der ersten Operation (a) eine vollständige Ligatur des Shunts möglich war zu denen, die nur eingeengt werden konnten (b). Im Fall von 6 Patienten konnten prä- und postoperative CT- Aufnahmen verglichen werden. Nach einer medianen Zeitdifferenz von 72 Tagen zwischen den CT-Untersuchungen betrug die Volumenzunahme der Lebern 46,9 % (bzgl. der nicht nach Merkmalen normierten Lebervolumina). Zur Überprüfung der Richtigkeit des gewählten Analyseansatzes wurde in der ex vivo-Studie die mittlere Abweichung der Messwerte mit 5,1 ± 2,2 % bestimmt (CT-Daten vs. Wasserverdrängung der Schweinelebern). Die dreifachen Messungen ergeben eine mittlere Abweichung von nur 1,0 % (Präzision). Schlussfolgerungen: Die Messergebnisse der vorliegenden Studie zeigen klar auf, dass die Lebervolumina der Shunt-Patienten signifikant kleiner als die der Referenzgruppen ohne PSS sind. Diese signifikanten Unterschiede sind in allen Normierungen ersichtlich (jeweils p < 0,001). Allerdings ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen Untergruppen der PSS-Patienten. Zur Vergleichbarkeit der Zunahme der Lebervolumina post OP erwiesen sich die Normierungen über die Querschnittsfläche der Aorta sowie über die Querschnittsfläche des Rückenmarkkanals als besonders geeignet, da diese weniger abhängig von den postoperativen metabolischen Veränderungen sind. Die Daten zeigen, dass das präoperative Lebervolumen ein insuffizienter Prädiktor sowohl für den Operationsverlauf als auch den Grad der möglichen Einengung des Shunt-Gefäßes in der Erst-OP ist. Das Lebervolumen nach chirurgischer Einengung des Shunts nahm durchschnittlich um 46,9 % zu, erreichte jedoch in dem betrachteten Zeitraum in keiner der Normierung das mediane Volumen der Patienten ohne Shunt.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Funktion, Anatomie und Gefäßsystem der Leber 2.2 Pfortaderkreislauf 2.3 Ductus venosus (Ductus Arantii) 2.4 Portosystemischer Shunt 2.5 Kongenitaler portosystemischer Shunt 2.5.1 Pathogenese und Pathophysiologie 2.5.2 Ätiologie und Prädispositionen 2.5.3 Extrahepatischer Portosystemischer Shunt 2.5.4 Intrahepatischer portosystemischer Shunt 2.6 Erworbener portosystemischer Shunt 2.7 Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.7.1 Anamnese und klinische Symptome 2.7.2 Hepatoenzephales Syndrom 2.8 Bildgebende Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.8.1 Sonographie 2.8.2 Projektionsradiographie 2.8.3 Computertomographie 2.8.3.1 Nativ-CT und Kontrastmittelphasen der Leber 2.8.3.2 Dynamische Computertomographie 2.8.3.3 Segmentierung und Volume Rendering/Volumendarstellung 2.8.3.4 Leber-Volumetrie 2.8.3.5 Volume-Rendering 2.9 Therapie und Prognose des portosystemischen Shunts 3. Tiere, Material und Methoden 3.1 Patienten 3.2 Anästhesieprotokoll 3.3 Computertomographische Untersuchung 3.4 Auswertung der Datensätze und Volumetrie 3.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 3.6 Statistische Analyse 4. Ergebnisse 4.1 Getrennte Betrachtung der beiden Referenzgruppen 4.2 Vergleich aller Shunt-Patienten mit den Referenzgruppen 4.3 Klassifizierung der Untergruppen 4.3.1 Kongenitaler und erworbener portosystemischer Shunt 4.3.2 Extrahepatischer und intrahepatischer portosystemischer Shunt 4.3.3 Vergleich der Patienten nach dem Grad der Ligatur in der Erst-OP 4.4 Bestimmung des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 4.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 5. Diskussion 5.1 Messmethoden, Fehlerquellen 5.2 Normierungsmethoden 5.3 Vergleich der Lebervolumina der Hunde mit PSS und beider RG 5.4 Evaluation der verschiedenen Shunt-Typen 5.5 Zunahme des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 5.6 Vollständiger oder unvollständiger Verschluss in der ersten OP 5.7 Rasse, Geschlecht, Alter und Gewicht der zu vergleichenden Gruppen 5.8 Klinische Schlussfolgerungen 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang 9.1 Abbildungsverzeichnis 9.2 Tabellenverzeichnis 9.3 Anhang: weitere Abbildungen und Tabellen / Summary Fanny Schnauß Liver volumetry from spiral CT datasets of 43 dogs with portosystemic shunt Department for Small Animals, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in April 2022 83 pages, 34 figures, 13 tables, 197 references, 7 pages appendices Key words: portosystemic shunt, dog, liver, computed tomography, liver volume, microhepatia, volumetry Introduction: Portosystemic shunts (PSS) are vascular anomalies that divert blood from the portal vasculature into the systemic circulation, bypassing the liver. This results in a reduced blood supply to the liver leading, for instance, to a lack of growth factors and consequently to microhepatia. In the present work, computed tomography (CT) data was used to precisely determine liver volumes enabling a comparison of liver sizes of dogs with PSS to control animals. Objectives of this study: • Determination of the precision and accuracy of the measured values from the CT data. • Comparison of the liver volumes of the shunt patients (and various subtypes) with corresponding reference groups. • The liver volumes were normalized via body weight (BW), metabolic body weight (mBW), cross-sectional area of the aorta (AAo) and cross-sectional area of the spinal canal (AMc). These normalization methods were used for statistical significance analysis and to differentiate the patient groups. • Analysis of the preoperative liver volume as a possible prospective indicator for the course of the operation as well as for the degree of surgical narrowing of the shunt. • Determination of the postoperative increase of the liver volume. Animals, material and methods: The study included 43 shunt patients from the Clinic for Small Animals at the University of Leipzig, during the years from 2006 to 2015. 22 dogs served as the reference group. The reference group could be further subdivided into unconfirmed suspected cases of PSS (10 dogs) and cases without hepatopathy (12 dogs). Using the CT data sets, the liver volumes of the animals were measured retrospectively by means of segmentation and volume rendering. For six dogs with PSS, follow-up CT examinations after surgical treatment were conducted enabling a comparison of their pre- and post-operative liver volumes. To check the measurement accuracy of the method used, six livers from slaughter pigs were subjected to a CT examination in different environments (air, water, milk). These recordings went through the same volumetric analysis process as the dogs’ livers. This procedure further enabled a direct determination of the liver volumes by means of water displacement in a water bath. Statistical significance tests between the independent data groups were carried out using the Wilcoxon-Mann-Whitney U test. The Wilcoxon test was used to test for significant changes in the measured values before and after the operation (paired samples). Results: Significantly (p<0.001) smaller liver volumes for the 43 dogs with PSS compared to the 22 reference animals were found for all four normalizations (normalization to BW: 19.3 cm³/kg vs. 24.9 cm³/kg; mBW: 26.2 cm³/kg0,75 vs. 51.3 cm³/kg0,75; AAo: 2.6 cm vs. 4.6 cm; AMc: 2.6 cm vs. 7.5 cm). Both subgroups also differed significantly (each with p<0.001) from the group of PSS patients. However, no significant differences were found when comparing dogs with congenital vs. acquired PSS, inPSS vs. exPSS, right-sided vs. central inPSS, the subtypes of exPSS (portocaval vs. portophrenico vs. portoazygos shunt) and the subtypes of portocaval shunts (gastroduodenal vs. splenocaval). Contrary to expectations, there were no significant differences in the preoperative liver volumes between the patients where (a) a complete ligation of the shunt or (b) only a partial ligation was possible during the first operation. In the case of 6 patients, pre- and postoperative CT images could be evaluated and compared. After a median time-difference of 72 days between the CT examinations, the increase in volume of the livers was 46.9 % (liver volumes without normalization). Examinations of livers from slaughter pigs enabled both CT recordings and actual volume determinations using water displacement. These ex vivo experiments yielded a mean deviation from the measured values of 5.1 ± 2.2 % (accuracy). In addition, all volume measurements of the dog livers were carried out in triplicates, which in average only deviated by 1.0 % (precision). Conclusion: The results of the present study clearly show that the liver volumes of the shunt patients are significantly smaller than those of the reference groups. These significant differences can be seen in all normalizations (p<0.001 each). However, there were no significant differences between the various subgroups of PSS patients. The normalizations over the cross-sectional area of the aorta and over the cross-sectional area of the spinal canal are particularly suitable for comparing the increase in liver volumes after surgery. The data showed that the preoperative liver volume is an insufficient predictor for the course of the operation as well as for the degree of possible narrowing of the shunt vessel in the first OP. The liver volume after surgical narrowing of the shunt increased by an average of 46.9 %, but did not reach the median volume of the patients without a shunt by the time of the follow-up CT (independent of the normalization).:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Funktion, Anatomie und Gefäßsystem der Leber 2.2 Pfortaderkreislauf 2.3 Ductus venosus (Ductus Arantii) 2.4 Portosystemischer Shunt 2.5 Kongenitaler portosystemischer Shunt 2.5.1 Pathogenese und Pathophysiologie 2.5.2 Ätiologie und Prädispositionen 2.5.3 Extrahepatischer Portosystemischer Shunt 2.5.4 Intrahepatischer portosystemischer Shunt 2.6 Erworbener portosystemischer Shunt 2.7 Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.7.1 Anamnese und klinische Symptome 2.7.2 Hepatoenzephales Syndrom 2.8 Bildgebende Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.8.1 Sonographie 2.8.2 Projektionsradiographie 2.8.3 Computertomographie 2.8.3.1 Nativ-CT und Kontrastmittelphasen der Leber 2.8.3.2 Dynamische Computertomographie 2.8.3.3 Segmentierung und Volume Rendering/Volumendarstellung 2.8.3.4 Leber-Volumetrie 2.8.3.5 Volume-Rendering 2.9 Therapie und Prognose des portosystemischen Shunts 3. Tiere, Material und Methoden 3.1 Patienten 3.2 Anästhesieprotokoll 3.3 Computertomographische Untersuchung 3.4 Auswertung der Datensätze und Volumetrie 3.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 3.6 Statistische Analyse 4. Ergebnisse 4.1 Getrennte Betrachtung der beiden Referenzgruppen 4.2 Vergleich aller Shunt-Patienten mit den Referenzgruppen 4.3 Klassifizierung der Untergruppen 4.3.1 Kongenitaler und erworbener portosystemischer Shunt 4.3.2 Extrahepatischer und intrahepatischer portosystemischer Shunt 4.3.3 Vergleich der Patienten nach dem Grad der Ligatur in der Erst-OP 4.4 Bestimmung des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 4.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 5. Diskussion 5.1 Messmethoden, Fehlerquellen 5.2 Normierungsmethoden 5.3 Vergleich der Lebervolumina der Hunde mit PSS und beider RG 5.4 Evaluation der verschiedenen Shunt-Typen 5.5 Zunahme des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 5.6 Vollständiger oder unvollständiger Verschluss in der ersten OP 5.7 Rasse, Geschlecht, Alter und Gewicht der zu vergleichenden Gruppen 5.8 Klinische Schlussfolgerungen 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang 9.1 Abbildungsverzeichnis 9.2 Tabellenverzeichnis 9.3 Anhang: weitere Abbildungen und Tabellen

Einleitung: Eimeria (E.) spp. und Toxoplasma (T.) gondii sind intrazelluläre Protozoen aus dem Phylum Apicomplexa und stellen bedeutende Pathogene dar. Infektionen mit Eimeria spp. sind Auslöser der Kokzidiose, welche eine der ökonomisch bedeutsamsten Erkrankungen in der Geflügelproduktion darstellt. Die Toxoplasmose des Huhnes hingegen verläuft in der Regel subklinisch. Da beide Parasiten, Eimeria spp. und Toxoplasma gondii, weltweit verbreitet sind, können natürliche Koinfektionen auftreten. Prävalenzstudien mit Hilfe molekularer und serologischer Untersuchungsmethoden sind geeignet, um die Vorkommen, Verbreitung, und Speziesidentität von einzelnen Apicomplexa zu untersuchen, was zu besserer Diagnose, Kontrolle, und Bestandsüberwachung beiträgt. Trotz vorliegender Hinweise, dass bei Koinfektionen zu einer Interaktion zwischen Eimeria und Toxoplasma kommt, existieren Erkenntnislücken hinsichtlich der Häufigkeit und der Bedeutung von natürlichen Koinfektionen des Huhnes unter Feldbedingungen, insbesondere mit Augenmerk auf verschiedene Nutzungstypen, Produktions- und Haltungsbedingungen. Ziele der Untersuchungen: Die Ziele der Untersuchungen waren die Erhebung der Prävalenzen von verschiedenen Eimeria spp. und von T. gondii bei Hühnern, sowie die Häufigkeit ihres Auftretens als Einzel- und Koinfektionen unter Feldbedingungen unter Berücksichtigung verschiedener Nutzungstypen und Haltungsbedingungen in Griechenland. Tiere, Material und Methoden: Die Auswahl der für diese Feldstudie untersuchten Hühnerbestände erfolgte auf Basis der Anzahl von kommerziellen Hühnerhaltungen in drei Hauptregionen Griechenlands. Nach offiziellen Angaben des griechischen Ministeriums für Ländliche Entwickung und Lebensmittel konzentriert sich die griechische Geflügelindustrie hauptsächlich auf Epirus (im Nordwesten), Zentralmazedonien, und Zentralgriechenland. Die Probenentnahme erfolgte in kommerziellen und Hinterhofhaltungen, wobei die Probenanzahl proportional zur Anzahl entsprechender Haltungsformen in der jeweiligen Region gewählt wurde (n = 50). Es wurden Legehennen (n = 21), langsam wachsende Broiler (n = 15) und Hinterhofhühner beprobt (n = 14), welche verschiedenen Produktions- und Haltungsbedingungen zugeordnet waren (Haltung in ausgestalteten Käfigen, Bodenhaltung mit Einstreu und Biohaltung). Konventionelle intensive Broileraufzuchten wurden nicht berücksichtigt. Für die Erhebung der Häufigkeiten von Eimeria spp.-Infektionen wurden aus allen ausgewählten Beständen Einstreuproben gesammelt (n = 756). Die Broilerherden wurden zu einem Zeitpunkt bei der Schlachtung erneut beprobt, indem die Därme der Einzeltiere gesammelt wurden (n = 162). Die Einstreu-/Darminhaltsproben wurden quantitativ mittels McMaster-Verfahrens auf den Eimeria spp.-Oozystengehalt (als Oozysten pro Gramm Kot, OPG) untersucht. Die Eimeria-Oozysten aus positiven Proben wurden für weitere molekulare Analysen aufgereinigt und aufbewahrt. Die Eimeria-Speziesbestimmung erfolgte durch spezies-spezifische DNA-Nachweise, und die Quantifizierung der einzelnen Arten erfolgte semiquantitativ. Um die Häufigkeit von T. gondii-Infektionen zu bestimmen, wurden Blutproben (n = 1,021) von Einzeltieren zur serologischen Untersuchung mittels TgSAG1 ELISA entnommen, zeitgleich zur o. g. Beprobung der Bestände für die Einstreuproben. Für Hinterhofhaltungen mit Tieren variablen Alters wurden ältere Tiere bevorzugt beprobt, und in kommerziellen Legehennenhaltungen wurden die Tiere im Alter von ca. 10 Monaten beprobt. In beiden Fällen wurden von T. gondii-seropositiven Tieren bei der Schlachtung die Herzen gewonnen (n = 322). In Broilerhaltungen wurden ebenfalls Blutproben und das Herz während des Schlachtungsprozesses zum T. gondii-Nachweis entnommen. Das Herzgewebe wurde in einer magnetic capture Polymerasekettenreaktion (mc-PCR) sowie einem Mausbioassay auf Präsenz und Genotyp einzelner Isolate untersucht. Parallel zu den Laboruntersuchungen wurden Daten zu Haltungsbedingungen, Biosicherheitsmaβnahmen, Lage, Bestandsgröβe, Krankheitsgeschichte etc. mittels standardisierter Fragebögen erfasst, um potenzielle Risikofaktoren für Eimerien- und/oder T. gondii-Infektionen zu bestimmen. Die Datenanalyse erfolgte durch Multilevel-Modelling (generalized linear mixed modelling fit by maximum likelihood (Laplace approximation)) mittels dem R-Programm (https://www.r-project.org, Version 4.0.2, Paket lme4), dem Kruskal-Wallis-Test und bivariaten Spearman-Korrelationen im PSPP-Prgramm (GNU PSPP 1.3.0). Ergebnisse: Insgesamt lag die Nachweisrate für Eimeria spp.-Infektionen bei 85,7 %. Alle sieben Hühnereimerienspezies wurden identifiziert, wobei E. acervulina (79,3 %) und E. tenella (65,5 %) die höchste Prävalenz aufwiesen. Infektionen mit mehreren Eimeria-Arten (79,3 %) waren deutlich häufiger anzutreffen als Einzelinfektionen (20,7 %). Als Risikofaktoren wurden Herdengröβe, Art des Auslaufs und Produktionssystem identifiziert. Zwischen respiratorischen Erkrankungen und mittlerer OPG wurde in Broilerhaltungen eine sehr starke Korrelation beobachtet (P < 0.001). Biohaltungen zeigten eine höhere Prävalenz von E. tenella (P = 0,023). Nutzung einer bewachsenen Auslauffläche war stark mit der Präsenz von E. brunetti korreliert (P < 0,001). Die T. gondii-Seroprävalenz über alle untersuchten Tiere betrug 9,5 %. Dabei testeten 41,2 % aller Hinterhofhühner seropositive. In 70 % der Bio- und Freilaufhaltungen wurde mindestens ein Tier seropositiv getestet. Es wurden keine T. gondii-seropositiven Broiler gefunden, obwohl mit Hilfe der mc-PCR positive DNA-Nachweise erfolgten. Dies belegt die hohe Sensitivität der mc-PCR und ihre potenzielle Eignung für die Detektion früher Infektionen bei Hühnern. Die T. gondii-Isolate, welche im Mausbioassay gewonnen wurden, wurden als Typ II (ToxoDB#3) genotypisiert, was durch Mikrosatellitenanalyse bestätigt wurde. Für T. gondii-Infektionen wurden Produktionssystem und Futterautomatisierung als Risikofaktoren identifiziert, wobei Auslaufbeweidung die Wahrscheinlichkeit für T. gondii-Infektionen erhöht. Die Gegenwart von Katzen stellte hingegen keinen nachweisbaren Risikofaktor für T. gondii-Seropositivität auf Bestands- oder Einzeltierniveau dar. Koinfektionen mit beiden Protozoen wurden in 87% aller untersuchten Hühnerbestände nachgewiesen, wobei Hinterhof-, Bio-, und Freilandhaltungen am häufigsten betroffen waren. In den moisten Fällen von Koinfektionen wurde E. acervulina nachgewiesen. Schlussfolgerungen: Die Prävalenz sowohl von Eimeria spp. als auch von T. gondii war generell hoch und auf einem vergleichbaren Niveau mit den Ergebnissen früherer Studien in anderen Ländern. Faktoren wie Produktionssystem, Haltungs- und Managementbedingungen sind mit dem Risiko von Mono- oder Koinfektionen verbunden. Die gewonnenen Erkenntisse erlauben die gezielte Planung zukünftiger Studien hinsichtlich sich ändernder Haltungsbedingungen, z. B. dem Trend zur verstärkten Bio- und tierfreundlichen Hühnerhaltung uns dem Einsatz langsam wachsender Rassen. Es besteht auch in Griechenland ein Bedarf an nachhaltiger Kontrolle von Kokzidieninfektionen, einschlieβlich der Minimierung zoonotischer Erreger wie T. gondii in Nutztierbeständen. Die verwendeten serologischen und molekularen Methoden können nach den Studienerkenntnisse ausserdem zur frühzeitigen Überwachung von T. gondii–Infektionen in Hühnerbeständen beitragen.:Chapter 1 - Introduction Chapter 2 - Literature Review 2.1 Eimeria spp. 2.1.1 Life cycle 2.1.2 Diagnosis and control of Coccidiosis in chickens 2.1.3 Economic Impact of Coccidiosis 2.1.4 Prevalence of Eimeria spp. in chicken farms 2.1.5 Data of chicken coccidiosis from Greece 2.2 Toxoplasma gondii 2.2.1 Life cycle 2.2.2 Toxoplasmosis and Zoonotic Importance 2.2.3 Prevalence in poultry and risk factors 2.2.4 T. gondii data from Greece 2.3 Co-existence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii in chickens Chapter 3 - Overview of own scientific work 3.1 Aims 3.2 Presentation of own scientific work: Publications 3.2.1 Publication 1: Prevalence and molecular detection of Eimeria species in different types of poultry in Greece and associated risk factors. 3.2.2 Publication 2: Prevalence and molecular characterization of Toxoplasma gondii in different types of poultry in Greece, associated risk factors and co-existence with Eimeria spp. Chapter 4 - Overreaching Discussion Chapter 5 - Conclusions Chapter 6 - Summary Chapter 7 - Zusammenfassung Chapter 8 - References Acknowledgements / Introduction: Eimeria spp. and Toxoplasma gondii are intracellular Apicomplexan protozoa and represent important pathogens for chickens. Coccidiosis, caused by Eimeria spp. is one of the most notable diseases in chickens having a high economic impact on the poultry industry worldwide, while toxoplasmosis is usually subclinical in these hosts. As both Eimeria spp and Toxoplasma gondii have a broad worldwide distribution, natural co-infections in chickens can occur. Prevalence studies using molecular and serological techniques have proven a very useful approach to study the diversity and distribution of these parasites’ mono-infections, further contributing to more efficient diagnosis, control and monitoring. Despite existing indications that these two parasites interact when the host is infected simultaneously, there are still knowledge gaps regarding the frequency and impact of naturally occurring co-infections under field conditions, particularly in different types of poultry, production and housing systems. Objective: Determination of the level of occurrence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii mono- and co-infections under field conditions, in different types of chickens and farm profiles in Greece. Animals, materials and methods: Selection of poultry operations was based on the number of commercial farms in three major Greek regions, as poultry farms in Greece are highly concentrated in Epirus (in North-Western Greece), Central Macedonia, and Central Greece, based on the data from the Hellenic Ministry of Rural Development and Food. Sampling from both commercial operations and backyard farms was conducted proportionately to their frequency (n=50) and type of flocks included in the study were layers (n=21), slow-growing broilers (n=15) and backyard chickens (n=14), under different production and housing systems (enriched cages, floor-housed in litter, free-range and organic systems). Conventional intensively reared broilers were not included in the study. To record Eimeria spp. occurrence, faecal samples were collected from the litter of the chicken housing (n=756). Broiler flocks were followed up to the slaughterhouse for a second sampling where the whole gut was collected (n=162). Samples were quantitatively examined by a modified McMaster technique to calculate oocysts per gram (OPG) of faeces, followed by collection and purification of the oocysts for further molecular analysis. Species identification was performed by multiple PCR assays using species-specific primers and PCR bands were categorized by intensity semiquantitavely. To record Toxoplasma gondii infections, simultaneously to faecal sampling, blood samples (n=1,021) were also collected from individual animals for serological T. gondii detection via TgSAG1 ELISA. In our sampled broiler flocks, animals were sampled at slaughter, where blood samples and the heart were collected for T. gondii detection. In backyard flocks, blood samples were taken from the older animals and in layers from individual animals (at the age of approximately 10 months). Toxoplasma positive animals were followed up to slaughter to collect heart tissue (n=322), further processed for bioassay in KO mice and mc-PCR in order to characterize Toxoplasma gondii isolates. In parallel, potential risk factors and impact regarding mono- and co-infection of both parasites were investigated through an obtained questionnaire containing additional information about farm management, biosecurity status, location, production rate and diseases history. For the data analysis a multilevel-modelling (generalized linear mixed modelling fit by maximum likelihood (Laplace approximation)) was performed using R (https://www.r-project.org) version 4.0.2, by applying the package lme4, as well as Kruskal-Wallis tests and bivariate correlations in PSPP statistical program (GNU PSPP 1.3.0). Results: Overall Eimeria spp. positivity level was 85.7%. All seven Eimeria species were identified with E. acervulina (79.3%) and E. tenella (65.5%) being the most prevalent ones. Mixed infections (79.3%) were more common than single-species (20.7%) Significant identified risk factors were flock size, type of outdoor area, and production system. A very strong correlation (p < 0.001) was found between the presence of respiratory disease and the average OPG level in broiler farms. Organic flocks showed higher prevalence of E. tenella (p = 0.023), while presence of vegetation at the outdoor area correlated strongly with E. brunetti (p < 0.001). Toxoplasma gondii seroprevalence was 9.5%. 41.2% of the backyard chickens sampled were seropositive and 70% of the organic and free-range layer farms had at least one Toxoplasma gondii seropositive hen. No serologically positive broilers were found, however mc-PCR revealed positive samples, stressing out the high sensitivity and potential contribution of this method in early detection of the parasite. Toxoplasma gondii isolates obtained by mouse bioassay were genotyped and found to belong to type II (ToxoDB#3) as confirmed also by microsatellite typing. The most significant risk factors were production system and feeding system automation, with free-grazing practices increasing the likelihood for Toxoplasma infections. Presence of cats showed no association with Toxoplasma gondii seropositivity on a farm and individual animal level. The two protozoan parasites were found to co-exist in 87% of the studied poultry operations, with backyard, organic and free-range farms showing the highest occurrence. E. acervulina was the species identified in most of the co-existence cases. Conclusions: Prevalence of both Eimeria spp. and Toxoplasma gondii is overall high and comparable with findings from similar studies in other countries. Production system, husbandry and management conditions relate to increased risk of both mono- and co-infections, giving useful insights and indications for future studies, particularly in the light of increasing application of slow-growing, organic and “higher welfare” poultry farming practices. It could be shown that also in Greece there is a need for sustainable coccidiosis control, both in terms of Eimeria spp. infection control and of a minimization of T. gondii introduction to operations. A combination of the serological and molecular methods used in this study can contribute to earlier and more accurate diagnosis of Toxoplasma gondii infections in chickens, which is a crucial and sensitive subject for safeguarding transmission to humans.:Chapter 1 - Introduction Chapter 2 - Literature Review 2.1 Eimeria spp. 2.1.1 Life cycle 2.1.2 Diagnosis and control of Coccidiosis in chickens 2.1.3 Economic Impact of Coccidiosis 2.1.4 Prevalence of Eimeria spp. in chicken farms 2.1.5 Data of chicken coccidiosis from Greece 2.2 Toxoplasma gondii 2.2.1 Life cycle 2.2.2 Toxoplasmosis and Zoonotic Importance 2.2.3 Prevalence in poultry and risk factors 2.2.4 T. gondii data from Greece 2.3 Co-existence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii in chickens Chapter 3 - Overview of own scientific work 3.1 Aims 3.2 Presentation of own scientific work: Publications 3.2.1 Publication 1: Prevalence and molecular detection of Eimeria species in different types of poultry in Greece and associated risk factors. 3.2.2 Publication 2: Prevalence and molecular characterization of Toxoplasma gondii in different types of poultry in Greece, associated risk factors and co-existence with Eimeria spp. Chapter 4 - Overreaching Discussion Chapter 5 - Conclusions Chapter 6 - Summary Chapter 7 - Zusammenfassung Chapter 8 - References Acknowledgements

Einleitung: Das West Nil-Virus (WNV) und das Usutu-Virus (USUV) zirkulieren seit vielen Jahren in Europa und sind auch in Deutschland endemisch geworden. Beide Viren können schwere Erkrankungen in Vögeln auslösen. Zudem kann insbesondere WNV auch zu schweren neurologischen Erkrankungen bei Menschen und Pferden führen, und unentdeckte WNV-Infektionen sind ein Risiko für die Sicherheit von Blutspenden. WNV und USUV werden von Stechmücken als biologische Vektoren übertragen, wobei sich verschiedene Mückenspezies in ihrer Vektorkompetenz unterscheiden können. Die Kenntnis über die Vektorkompetenz von Mückenspezies ist essentiell für die effiziente Überwachung und Bekämpfung dieser Viren. Weitgehend unbekannt ist jedoch, welche Auswirkungen Ko-Infektionen mit WNV und USUV auf die Vektorkompetenz von Stechmücken haben. Ziele der Untersuchungen: Ziel der ersten Studie war es, die Vektorkompetenz der bislang wenig untersuchten Mückenspezies Aedes punctor für WNV zu bestimmen. Mit der zweiten Studie sollten Mono- und simultane Ko-Infektionen mit WNV und USUV in verschiedenen Stechmückenarten (Culex pipiens Biotyp pipiens, Culex pipiens Biotyp molestus, Aedes vexans) durchgeführt werden, um die Auswirkungen von Ko-Infektionen auf die Übertragung beider Viren zu bestimmen. Tiere, Material und Methoden: Die für die Versuche verwendeten Stechmücken wurden entweder in Deutschland gesammelt oder stammten aus den Laborkolonien am Friedrich-Loeffler-Institut. Die Infektionen erfolgten oral über Blut, welches ein oder beide Viren enthielt und über Wattestäbchen angeboten wurde. Blutgesogene Weibchen wurden über einen definierten Zeitraum unter definierten Umweltbedingungen inkubiert. Nach Ablauf der Inkubationszeit wurden die noch lebenden Tiere durch das Entfernen der Beine und Flügel immobilisiert, um die Gewinnung von Speichel zu ermöglichen. Ein Teil der Speichelprobe wurde auf eine Zellkultur gegeben, um infektiöse Viruspartikel nachzuweisen. Zur Bestimmung der Infektion, Dissemination und potenzieller Übertragung wurden die Körper, die Beine und Flügel, die Speichelproben sowie der Überstand der Zellkultur mit einer quantitativen Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) auf virale RNA untersucht. Im Falle der Ko-Infektionsstudie wurden zeitgleich Mono-Infektionen durchgeführt und die Ergebnisse verglichen, um potenzielle Veränderungen in Empfänglichkeit oder Übertragung feststellen zu können. Ergebnisse: In der ersten Studie zeigte sich, dass Ae. punctor nicht vektorkompetent für WNV ist. Von insgesamt 155 untersuchten Weibchen waren nur 7 Tiere mit WNV infiziert. In den Speichelproben wurden weder infektiöse Viruspartikel noch virale RNA nachgewiesen. In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass sowohl Cx. pipiens Biotyp pipiens als auch Cx. pipiens Biotyp molestus effektive Vektoren für WNV und USUV sein können. Im Gegensatz dazu waren Ae. vexans Weibchen nicht empfänglich für eine Infektion durch WNV oder USUV. In den Ko-Infektionen zeigte sich, dass die Empfänglichkeit für USUV in Cx. pipiens Biotyp pipiens verringert und in Ae. vexans erhöht war. In Cx. pipiens Biotyp molestus waren hingegen keine Unterschiede zwischen Mono- und Ko-infektionen festzustellen. Bei Cx. pipiens Biotyp molestus wurden infektiöse Partikel beider Viren in Speichelproben gefunden, was auf eine potenzielle Ko-Übertragung hindeutet. Schlussfolgerung: Aufgrund der Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass Ae. punctor und Ae. vexans derzeit keine Rolle bei der Übertragung von WNV oder USUV spielen und daher vorerst bei Überwachungsprogrammen in Deutschland nicht berücksichtigt werden müssen. Für Cx. pipiens Mücken konnte hingegen die Rolle als Hauptvektoren für WNV und USUV durch Infektionsstudien bestätigt werden. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Interaktion zwischen WNV und USUV in der Stechmücke speziesabhängig variiert. Aufgrund dessen ist eine Untersuchung von Ko-Infektionen in weiteren potenziellen Vektorspezies notwendig, um ein besseres Verständnis der Interaktionen zu bekommen. Die Studie zeigt auch, dass unter Umständen auch nicht vektorkompetente Spezies durch eine Ko-Infektion eine Rolle in der Übertragung der Viren spielen könnten. In Gebieten, in denen WNV und USUV sympatrisch zirkulieren, sollte diese Erkenntnis in den Überwachungs- und Bekämpfungsstrategien berücksichtigt werden. Eine potenzielle Ko-Übertragung beider Viren wurde zwar beobachtet, trat innerhalb dieser Studie aber selten auf und scheint daher eher eine geringe Rolle spielen. / Introduction: West Nile virus (WNV) and Usutu virus (USUV) have been circulating in Europe for many years and have also become endemic in Germany. Both viruses can cause severe diseases in birds. In addition, WNV in particular can also lead to severe neurological diseases in humans and horses, and undetected WNV infections pose a risk to the safety of blood donations. Both WNV and USUV are transmitted by mosquitoes as biological vectors, whereby different mosquito species can differ in their vector competence. Knowledge of the vector competence of various mosquito species is essential for efficient surveillance and control of these viruses. What is largely unknown, however, is the impact of co-infections with WNV and USUV on the vector competence of mosquitoes. Objective: The aim of the first study was to determine the vector competence of the mosquito species Aedes punctor for WNV, which has so far been little studied. The second study aimed to perform mono- and simultaneous co-infections with WNV and USUV in different mosquito species (Culex pipiens biotype pipiens, Culex pipiens biotype molestus, Aedes vexans) in order to determine the impact of co-infections on the transmission of both viruses. Animals, material and methods: The mosquitoes used for the experiments were either collected in Germany or were taken from the laboratory colonies at the Friedrich-Loeffler-Institute. Mosquitoes were orally infected via a blood that contained one or both viruses using cotton sticks. Engorged females were incubated over a defined period of time under defined environmental conditions. At the end of the incubation period, surviving animals were immobilized by removing the legs and wings, and saliva was obtained. Part of each saliva sample was placed on cell culture to detect infectious virus particles. To determine infection, dissemination and potential transmission, the bodies, legs and wings, saliva samples and supernatant of the cell culture were analyzed for viral RNA by a quantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-qPCR). During the co-infection study, mono-infections were carried out at the same time as the co-infections and results were compared in order to be able to determine potential changes in susceptibility or transmission. Results: In the first study, Ae. punctor showed to be not susceptible for WNV. Of a total of 155 females examined, only 7 females were found infected. Neither infectious viral particles nor viral RNA was found in saliva samples. In the second study it could be shown that Cx. pipiens biotype pipiens as well as Cx. pipiens biotype molestus can be effective vectors for WNV and USUV. In contrast, Ae. vexans was not susceptible to an infection with WNV or USUV. In Co-infections, it was shown that the susceptibility to USUV was reduced in Cx. pipiens biotype pipiens and increased in Ae. vexans. In Cx. pipiens biotype molestus, however, no differences were found between mono- and co-infections. In Cx. pipiens biotype molestus mosquitoes, infectious particles of both viruses were found in saliva samples, indicating a potential co-transmission by this species. Conclusion: Based on the results, it can be assumed that Ae. punctor and Ae. vexans do not play a role in WNV and USUV transmission and therefore currently do not need to be included in a surveillance in Germany. In contrast, the role of Cx. pipiens mosquitoes as main vectors for WNV and USUV could be confirmed by infection studies. It could also be shown that the interaction between WNV and USUV in the mosquito vector varies and is species dependent. Therefore, an investigation of co-infections in various potential vector species and even different populations is essential to get a better understanding of the interactions between both viruses within the mosquito. The study also showed that, under certain circumstances, non-vector-competent species might also play a role in the transmission of the viruses in the event of a co-infection. Thus, in areas where WNV and USUV are both endemic, surveillance and control programs should take this knowledge into account. Potential co-transmission of both viruses was observed, but was rare in this study and therefore seems to play a rather minor role.

This study investigated the effects of abomasal infusion of essential fatty acids, especially alpha-linolenic acid, and conjugated linoleic acid on their distribution in milk fat and blood plasma and on the plasma inflammatory response in dairy cows from late to early lactation. The most important essential fatty acids for ruminants are alpha-linolenic acid and linoleic acid. They are abundant in pasture which is nowadays reduced in the ration of dairy cows due to the replacement of fresh feeds by preserved diets. Conjugated linoleic acid is formed as a by-product during ruminal biohydrogenation of essential fatty acids and has been associated with positive effects on the energy metabolism and immune system. Forty rumen-cannulated Holstein Friesian cows were assigned to four treatment groups in their late second lactation. Prior to supplementation, cows were fed a total mixed rations with a low-fat content. In late gestation cows were abomasally treated with coconut oil, linseed and safflower oil, conjugated linoleic acid, or both. Performance data, milk composition and fatty acid pattern in milk and plasma as well as inflammatory response parameters in plasma were measured regularly. Furthermore, liver tissue was tested for the abundance of genes related to the inflammatory response.:TABLE OF CONTENTS ABBREVIATIONS 1. INTRODUCTION 2. LITERATURE OVERVIEW 2.1 Essential Fatty Acids and Conjugated Linoleic Acid 2.1.1 Essential Fatty Acids (EFA) 2.1.2 Conjugated Linoleic Acid (CLA) 2.1.3 EFA in Dairy Cow Nutrition 2.2 Fatty Acid Distribution in Blood, Erythrocyte Membranes, and Milk Fat 2.2.1 Plasma Lipids 2.2.2 EFA and CLA in Plasma Lipids 2.2.3 EFA and CLA in Erythrocyte Membranes 2.2.4 EFA and CLA in Milk Fat 2.3 Effects of EFA and CLA on Inflammatory Processes during the Transition Period 2.3.1 Metabolic and Immunological Challenges during the Transition Period 2.3.2 Effects of EFA on the Metabolism, Inflammatory- and Immune Response 2.3.3 Effects of CLA on the Metabolism, Inflammatory- and Immune Response 2.4 Scope of the Thesis 3. PUBLICATION 4. GENERAL DISCUSSION 4.1 Abomasal Infusion 4.2 Animal Performance 4.3 Distribution of EFA and CLA in Blood and Milk Fat 4.4 Effects of EFA and CLA on Plasma and Hepatic Acute Phase and Inflammatory Response 4.5 Conclusion and Practical Considerations 4.5.1 Summary of EFA effects 4.5.2 Summary of CLA effects 4.5.3 Summary of synergistic effects of EFA and CLA 4.5.4 Summary of Observations apart from Treatments and Practical Considerations 5. SUMMARY 6. ZUSAMMENFASSUNG 7. REFERENCES APPENDIX

Untersuchung zur Wirkung von intranasal verabreichtem Xylometazolin bei brachy- und normozephalen Hunden: Impuls-Oszillometrie und akustische Rhinometrie P. Franco, J. P. Hueber, G. U. Oechtering Klinik für Kleintiere, Arbeitsgruppe Brachyzephalie, Universität Leipzig Einleitung: Die zuchtbedingte Verkürzung des Gesichtsschädels brachy - zephaler Hunderassen hat zu einer Reihe klinisch relevanter morphologischer und physiologischer Veränderungen geführt. Hierzu zählen stenotische Naseneingänge, eine durch fehlgebildete Conchen obstruierte Nasenhöhle sowie ein verdicktes und verlängertes Gaumensegel. Diese Einengung der oberen Atemwege führt zu Atemnot und ausgeprägter Belastungsintoleranz, was als Brachyzephales Atemnotsyndrom (BAS) bezeichnet wird. Xylometazolin ist ein für den Menschen zugelassenes Alpha-Sympathomime - tikum. Topische und systemische Sympathomimetika werden beim Menschen zur Behandlung nasaler Kongestionen zum Abschwellen der Nasenschleimhaut eingesetzt. Zielstellung: Ausgehend von der Hypothese, dass Xylometazolin auch bei Hunden zu einem Abschwellen der Nasenschleimhaut führt und dass die Morphologie der Nasenmuscheln sich zwischen den zwei Zielgruppen unterscheidet, sollte der intranasale Strömungswiderstand bei brachy- und normozephalen Hunden vor und nach Xylometazolingabe mit Impuls- Oszillometrie untersucht werden. Zusätzlich wurden in der Beaglegruppe mit akustischer Rhinometrie das Nasenhöhlenvolumen und die minimale Querschnittsfläche bestimmt. Methodik: Die Messungen erfolgten nach dem Prinzip der Impuls-Oszillometrie (IOS) und akustischer Rhinometrie. In einer prospektiven klini - schen Studie wurden 10 brachyzephale Hunde (5 Möpse, 5 Französische Bulldoggen) und 6 Beagles untersucht. Bei den anästhesierten, spontan atmenden Tieren wurde der intranasale Strömungswiderstand mit Impuls- Oszillometrie unmittelbar vor und 30 Minuten nach intranasal verabreichtem Xylometazolin gemessen. Messungen mit akustischer Rhinometrie erfolgten zusätzlich vor und nach Xylometazolingabe. Bei allen Tieren wurden die oberen Atemwege endoskopisch und computertomographisch untersucht. Ergebnisse: Der aus drei Messungen gemittelte intranasale Strömungswiderstand bei Patienten mit BAS betrug vor Xylometazolingabe 0,87 ± 0,097 kPa/(L/s). Nach Xylometazolingabe reduzierte sich der intranasale Strömungswiderstand um etwa 48% auf 0,42 ± 0,55 kPa/(L/s). Vergleich - bare Ergebnisse ermittelten wir in der Beaglegruppe. Nach Xylometazolingabe ergab sich bei den Beagles eine Zunahme des Nasenvolumens und der minimalen Querschnittsfläche. Schlussfolgerungen: Wir konnten erstmals zeigen, dass Xylometazolin auch bei Hunden zum Abschwellen der Nasenschleimhaut führt und sich das Abschwellverhalten zwischen brachy- und normozephalen Hunden kaum voneinander unterscheidet. A13 Abstracts 18. Jahrestagung der DVG-FG InnLab © Schattauer 2010 Tierärztliche Praxis Kleintiere 1/2010

Die Therapiemöglichkeiten für Pferde, die an Culicoides-Hypersensitivität (Sommerekzem) leiden, sind heute noch oft unbefriedigend. Sie reduzieren sich größtenteils auf symptomatische Behand-lungen und auf die Vermeidung der allergieauslösenden Allergene. Es existieren Studien, bei denen rekombinante Proteine in ihrer Wirksamkeit auf die Culicoides-Hypersensitivität beim Pferd untersucht wurden. Für die spezifische Immuntherapie gibt es in der Veterinärmedizin bislang keine oralen Präparate für eine mögliche sublinguale Therapie. Am Beispiel der Culicoides-Hypersensitivität soll letztlich ein Verfahren für die spezifische Immuntherapie entwickelt werden, bei dem die Peptide sowohl zur Diagnostik als auch Therapie allergischer Erkrankungen in der Veterinärmedizin genutzt werden können. In der vorliegenden Studie wurden erste Schritte in diese Richtung unternommen. Dafür wurden eine intrakutan zu applizierende Darreichungsform und eine für das Pferd neuartige, sublingual zu applizierende Arzneiform eingesetzt. Ausgewählte, synthetisch hergestellte Peptide von Mücken der Gattung Culicoides wurden bezüglich ihres Potentials für die spezifische Immuntherapie hinsichtlich der Sicherheit bei ihrer Anwendung im Pferd und Nutzung in der serologischen Diagnostik untersucht. Sieben ausgewählte Peptide, bestehend aus 30-35 Aminosäuren, wurden für in-vitro und in-vivo-Untersuchungen an gesunden (n=6) und an Sommerekzem erkrankten (n=12) Pferden eingesetzt. Nach einer Testphase auf die Verträglichkeit an klinisch gesunden Pferden, wurden die an Culicoides-Hypersensitivität erkrankten Tiere randomisiert in zwei Gruppen (intradermale und sublinguale Arzneiform) eingeteilt. Sie bekamen im Sonner, bei möglicher natürlicher Culicoides-Exposition die jeweilige Arzneiform über 21 Wochen hinweg verabreicht. Während dieser Zeit fanden in regelmäßigen Abständen Kontrollen des Gesundheitszustandes der Tiere statt, bei denen insbesondere klinische Symptome, Blutbilder und die Bildung spezifischer Antikörper erfasst wurden. Das Hautbild der Tiere wurde in Woche 1, 13 und 25 mithilfe eines Sommerekzem-Scores beurteilt. Die zwölf häufigsten vom Ekzem betroffenen Stellen am Pferde-körper wurden hierbei unabhängig voneinander bewertet. Die Besitzer der Tiere wurden mithilfe eines Fragebogens nach ihrer Meinung zur Entwicklung bzw. Ausprägung der klinischen Symptome und dem Befinden ihres Pferdes befragt. Zur Detektion spezifischer Antikörper im Serum der Tiere, unter Verwendung rekombinanter Pepti-de als Antigen, konnten für IgE und die IgG-Isotypen IgG1, IgG3/5 und IgG4/7 direkte bzw. indirekte ELISA etabliert werden. Des Weiteren wurde ein kommerzielles ELISA-Kit verwendet, um den Verlauf der IgE-Gesamtkonzentration während der Studienlaufzeit zu untersuchen. Aufgrund der geringen Studienteilnehmerzahl und vieler nicht verwendbarer Daten aus den ELISA Untersuchungen wurde die statistische Auswertung auf deskriptive Analysen beschränkt. Beide Applikationsarten wurden von den Studienteilnehmern gut toleriert und vertragen. Die Verabreichung der Sublingualtablette konnte durch die zuvor geschulten Pferdebesitzer eigenständig durchgeführt werden. Zu Beginn der Studie betrug der Dermatitisgrad 14 Punkte in der intradermalen Gruppe bzw. 13,67 Punkte in der sublingualen Gruppe. Am Ende der Studienlaufzeit lag der durchschnittliche Dermatitisgrad bei 40,33 bzw. 38,50 Punkten. Damit verschlechterte er sich während der Studienlaufzeit. Der Gehalt an gesamtem IgE im Serum der Probanden sank während des Untersuchungszeitraumes über beide Gruppen hinweg von 2,7 U/l auf 2,1 U/l. Bei den Tieren der Intradermalen Applikationsgruppe reduzierte sich das freie IgE dabei um 0,8 U/l und in der Sublingualen Gruppe um 0,3 U/l. Die Peptid-basierten ELISA zur spezifischen Serologie verschiedener Serum-Antikörperklassen waren nicht valide auswertbar. Die Untersuchungen zu peptidspezifischen IgE ergaben individuelle Verlaufsformen. Da keine Kontrollgruppe ohne Peptid-Applikation eingeschlossen wurde und die Studie in der Saison mit unkontrollierter, natürlicher Culicoides-Exposition durchgeführt wurde, ist keine Aussage zur Wirksamkeit der Behandlung auf klinische oder serologische Parameter möglich. Die entwickelte Sublingualtablette war durch ihre Form, Stabilität und Handhabung gut anwendbar und kann als Applikationsmethode in der Veterinärmedizin in Erwägung gezogen werden. Die synthetischen Peptide waren für den Einsatz in-vivo unschädlich und einsetzbar. Es bleibt zukünftigen Untersuchungen vorbehalten, ihr diagnostisches und therapeutisches Potential zur An-wendung bei Culicoides-Hypersensitivität und gegebenenfalls weiteren allergisch bedingten Erkrankungen des Pferdes weiter zu evaluieren. Aufgrund von limitierenden Faktoren, wie der sehr kleinen Zahl an Studienteilnehmern, dem Fehlen einer Placebogruppe und der Durchführung während der Expositionszeit hat die vorliegende Arbeit insgesamt präliminären Charakter.:Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Allergie 2.1.1 Allergene 2.1.1.1 Charakteristika von Allergenen (Was macht eine Substanz zum Allergen) 2.1.1.2 Kreuzreaktivitäten 2.1.2 Typ-I-Allergie 2.1.2.1 Produktion sensibilisierender Antikörper bei Erstkontakt 2.1.2.2 Ausbildung allergischer Reaktionen bei Folgekontakt 2.1.3 Immunglobulin-System des Pferdes 2.1.4 Potenzielle Bedeutung der IgG-Isotypen bei verschiedenen Erkrankungen 2.2 Das Sommerekzem des Pferdes 2.2.1 Epidemiologie, Ätiologie und Pathogenese 2.2.2 Bedeutende Allergene 2.2.3 Diagnostische Ansätze 2.2.3.1 In-vivo-Test (Intradermal Test) 2.2.3.2 In-vitro-Tests 2.2.3.3 Nachweis von IgE 2.2.3.4 Funktionelle in-vitro-Tests 2.2.4 Therapeutische Ansätze 2.2.4.1 Vermeidung Allergenkontakte, medikamentöse Therapieversuche 2.2.4.2 Allergenspezifische Immuntherapie (ASIT) 2.2.4.3 Desensibilisierung mit nativen Allergenextrakten 2.3 Wechsel von Allergenextrakten auf die molekulare Ebene der Allergene - Bedeutung für Diagnostik und Therapie 2.4 Einsatz synthetischer Peptide in der ASIT 3 Geräte, Material und Methoden 3.1 Geräte 3.2 Material 3.2.1 Klinikbedarf 3.2.2 Laborbedarf 3.2.3 Reagenzien, Puffer und Lösungen 3.2.4 Allergene (Peptide) - Auswahl und Synthese 3.2.5 Antikörper 3.3 Tiere 3.3.1 Gesunde Kontrollgruppe 3.3.2 An Sommerekzem erkranke Studienteilnehmer 3.4 Methoden 3.4.1 Blutentnahme und weitere Verarbeitung 3.4.2 Herstellung der arzneilichen Formulierungen 3.4.2.1 Arzneiliche Formulierung für die intradermale Applikation 3.4.2.2 Arzneiliche Formulierung für die orale Applikation 3.4.3 Prüfung der Unbedenklichkeit an klinisch gesunden Pferden 3.4.3.1 Durchführung der Unbedenklichkeitsprüfung 3.4.3.2 Kontrollen des Gesundheitsstatus 3.4.4 Verabreichung der hergestellten Applikationslösungen an Patienten 3.4.4.1 In-Vivo-Test (Intradermaltest) 3.4.4.2 Intradermale Verabreichung der individuellen Peptidlösungen 3.4.4.3 Orale Verabreichung der individuellen Peptidlösungen 3.4.5 Klinische Veränderungen infolge der SIT 3.4.5.1 Dokumentation und klinische Beurteilung der Symptome 3.4.5.2 Fragebogen zur objektiven Einschätzung durch die Patientenbesitzer 3.4.6 In-Vitro-Test (ELISA) 3.4.6.1 Prinzip des ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) 3.4.6.2 Methode des eingesetzten ELISA 3.4.7 Statistik 4 Ergebnisse 4.1 Auswahl und Einsatz synthetischer Peptide für die Diagnostik und Therapie des equinen Sommerekzems 4.1.1 Arzneiliche Formulierung für den Intrakutantest 4.1.2 Arzneiliche Formulierung für die Intradermale Applikation 4.1.3 Arzneiliche Formulierung für die orale Applikation 4.2 Klinische Veränderungen infolge der SIT 4.2.1 Dermatitisgrad– Beurteilung des Hautbildes 4.2.2 Veränderte Symptomatik in der Studienlaufzeit – Einschätzung der Besitzer 4.3 Labordiagnostische Veränderungen infolge der SIT 4.3.1 Differentialblutbild 4.3.2 Ergebnisse des IgE-ELISA 4.3.3 Ergebnisse des IgG-ELISA 4.4 Vergleich der Werte des IgE ELISA mit den klinischen Symptomen (Score) 5 Diskussion 5.1 Einsatz synthetisch hergestellter Peptide in der Diagnostik und Therapie 5.2 Therapeutischer Einsatz synthetisch hergestellter Peptide für die intradermale Applikation 5.3 Etablierung einer Arzneiform für die sublinguale Therapie beim Pferd 5.4 Klinische Veränderungen in Folge der SIT 5.5 Therapiebegleitende Labordiagnostik 6 Zusammenfassung 7 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang 8.1 Tierkarte der Vorstudie mit klinisch gesunden Pferden 8.2 Besitzereinverständniserklärung und Datenschutzerklärung am Beispiel der Intradermalen Verabreichung 8.3 Tierkarte zur Erfassung des Gesundheitsstatus und Symptomentwicklung 8.4 Protokoll zur Durchführung des Intradermaltests 8.5 Protokoll zur Evaluierung des Dermatitisscores der an SE erkankten Pferde 8.6 Fragebogen zur Besitzerbefragung am Ende der Studie 8.7 Protokoll zur Durchführung eines ELISA am Beispiel der Untersuchung auf peptidspezifisches IgE im Patientenserum 9 Danksagung / The treatment options for horses suffering from Culicoides hypersensitivity are still often unsatisfac-tory. They are mainly reduced to symptomatic treatments and avoiding the allergy-triggering aller-gens. In various studies recombinant proteins were examined for their effectiveness on Culicoides hyper-sensitivity in horses. However, there are currently no oral preparations available in veterinary medicine for specific immunotherapy. Using Culicoides hypersensitivity as an example, a process for specific immunotherapy shall ulti-mately be developed in which the peptides can be used for both, the diagnosis and therapy od allergic diseases in veterinary medicine. The present study tool the first steps in this direction. For this purpose, an intracutaneously adminis-tered dosage form and a sublingually administered dosage form, which is new for horses, were used. Selected, synthetically produced peptides from mosquitoes of the genus Culicoides were ex-amined regarding their potential for specific immunotherapy in terms of their safety after application in horses in-vivo and their use in serology. Seven selected peptides, consisting of 30-35 amino acids, were used for in-vitro and in-vivo studies on healthy (n=6) and horses suffering from Culicoides hypersensitivity (n=12). After a test phase for tolerability in clinically healthy horses, the animals suffering from Culicoides hypersensitivity were randomly divided into two groups (intradermal and sublingual dosage forms). They were administered the respective dosage form for 21 weeks during the summer season with possible natural Culicoides exposure. During this time, the animals' health status was checked at regular intervals, in particular clinical symptoms, blood counts and the formation of specific antibodies were recorded. The skin appearance of the animals was assessed at weeks 1, 13 and 25 using a dermatitis score. The twelve most common areas on the horse's body affected by eczema were evaluated inde-pendently of each other. The owners of the animals were asked using a questionnaire about their opinion on the development or severity of their horse's clinical symptoms and well-being. To detect specific antibodies in the serum of the animals, using recombinant peptides as antigen, direct and indirect ELISAs were established for IgE and the IgG isotypes IgG1, IgG3/5 and IgG4/7. Furthermore, a commercial ELISA kit was used to examine the course of the total IgE concentration during the study period. Due to the small number of study participants and numerous invalid data from the ELISA studies, the statistical analysis was limited to descriptive analyses. Both types of application were well tolerated by the study participants. The administration of the sublingual tablet could be carried out by previously trained horse owners. At the start of the study, the dermatitis score was 14 points in the intradermal group and 13.67 points in the sublingual group. At the end of the study period, the average dermatitis grades were 40.33 and 38.50 points, respectively, and deteriorated during the course of this study. The owner survey revealed a slight improvement in symptoms compared to previous years. The level of total, free IgE in the test subjects' serum fell from 2.7 U/l to 2.1 U/l during the study period. In the animals in the intradermal application group, the free IgE was reduced by 0.8 U/l and in the sublingual group by 0.3 U/l. Peptide-based ELISA to determine different serum antibody isotypes binding the peptides could not be evaluated reliably. Peptide-specific IgE revealed individ-ual variations. Due to the lack of a control group without peptide application and conduction of the study during the season with uncontrolled, natural Culicoides exposure conclusions of effectiveness regarding clinical disease or serological effects cannot be drawn. The sublingual tablet developed was easy to use due to its shape, stability and handling and can be considered as an application method in veterinary medicine. The synthetic peptides were harmless and usable for in-vivo application. It remains reserved for future studies to further evaluate its diagnostic and therapeutic potential for use in equine Culicoides hypersensitivity and possibly other allergic diseases in horses. Due to limiting factors such as the very small number of study participants, the lack of a placebo group and the implementation during the exposure period, the present work is of a preliminary nature.:Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Allergie 2.1.1 Allergene 2.1.1.1 Charakteristika von Allergenen (Was macht eine Substanz zum Allergen) 2.1.1.2 Kreuzreaktivitäten 2.1.2 Typ-I-Allergie 2.1.2.1 Produktion sensibilisierender Antikörper bei Erstkontakt 2.1.2.2 Ausbildung allergischer Reaktionen bei Folgekontakt 2.1.3 Immunglobulin-System des Pferdes 2.1.4 Potenzielle Bedeutung der IgG-Isotypen bei verschiedenen Erkrankungen 2.2 Das Sommerekzem des Pferdes 2.2.1 Epidemiologie, Ätiologie und Pathogenese 2.2.2 Bedeutende Allergene 2.2.3 Diagnostische Ansätze 2.2.3.1 In-vivo-Test (Intradermal Test) 2.2.3.2 In-vitro-Tests 2.2.3.3 Nachweis von IgE 2.2.3.4 Funktionelle in-vitro-Tests 2.2.4 Therapeutische Ansätze 2.2.4.1 Vermeidung Allergenkontakte, medikamentöse Therapieversuche 2.2.4.2 Allergenspezifische Immuntherapie (ASIT) 2.2.4.3 Desensibilisierung mit nativen Allergenextrakten 2.3 Wechsel von Allergenextrakten auf die molekulare Ebene der Allergene - Bedeutung für Diagnostik und Therapie 2.4 Einsatz synthetischer Peptide in der ASIT 3 Geräte, Material und Methoden 3.1 Geräte 3.2 Material 3.2.1 Klinikbedarf 3.2.2 Laborbedarf 3.2.3 Reagenzien, Puffer und Lösungen 3.2.4 Allergene (Peptide) - Auswahl und Synthese 3.2.5 Antikörper 3.3 Tiere 3.3.1 Gesunde Kontrollgruppe 3.3.2 An Sommerekzem erkranke Studienteilnehmer 3.4 Methoden 3.4.1 Blutentnahme und weitere Verarbeitung 3.4.2 Herstellung der arzneilichen Formulierungen 3.4.2.1 Arzneiliche Formulierung für die intradermale Applikation 3.4.2.2 Arzneiliche Formulierung für die orale Applikation 3.4.3 Prüfung der Unbedenklichkeit an klinisch gesunden Pferden 3.4.3.1 Durchführung der Unbedenklichkeitsprüfung 3.4.3.2 Kontrollen des Gesundheitsstatus 3.4.4 Verabreichung der hergestellten Applikationslösungen an Patienten 3.4.4.1 In-Vivo-Test (Intradermaltest) 3.4.4.2 Intradermale Verabreichung der individuellen Peptidlösungen 3.4.4.3 Orale Verabreichung der individuellen Peptidlösungen 3.4.5 Klinische Veränderungen infolge der SIT 3.4.5.1 Dokumentation und klinische Beurteilung der Symptome 3.4.5.2 Fragebogen zur objektiven Einschätzung durch die Patientenbesitzer 3.4.6 In-Vitro-Test (ELISA) 3.4.6.1 Prinzip des ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) 3.4.6.2 Methode des eingesetzten ELISA 3.4.7 Statistik 4 Ergebnisse 4.1 Auswahl und Einsatz synthetischer Peptide für die Diagnostik und Therapie des equinen Sommerekzems 4.1.1 Arzneiliche Formulierung für den Intrakutantest 4.1.2 Arzneiliche Formulierung für die Intradermale Applikation 4.1.3 Arzneiliche Formulierung für die orale Applikation 4.2 Klinische Veränderungen infolge der SIT 4.2.1 Dermatitisgrad– Beurteilung des Hautbildes 4.2.2 Veränderte Symptomatik in der Studienlaufzeit – Einschätzung der Besitzer 4.3 Labordiagnostische Veränderungen infolge der SIT 4.3.1 Differentialblutbild 4.3.2 Ergebnisse des IgE-ELISA 4.3.3 Ergebnisse des IgG-ELISA 4.4 Vergleich der Werte des IgE ELISA mit den klinischen Symptomen (Score) 5 Diskussion 5.1 Einsatz synthetisch hergestellter Peptide in der Diagnostik und Therapie 5.2 Therapeutischer Einsatz synthetisch hergestellter Peptide für die intradermale Applikation 5.3 Etablierung einer Arzneiform für die sublinguale Therapie beim Pferd 5.4 Klinische Veränderungen in Folge der SIT 5.5 Therapiebegleitende Labordiagnostik 6 Zusammenfassung 7 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang 8.1 Tierkarte der Vorstudie mit klinisch gesunden Pferden 8.2 Besitzereinverständniserklärung und Datenschutzerklärung am Beispiel der Intradermalen Verabreichung 8.3 Tierkarte zur Erfassung des Gesundheitsstatus und Symptomentwicklung 8.4 Protokoll zur Durchführung des Intradermaltests 8.5 Protokoll zur Evaluierung des Dermatitisscores der an SE erkankten Pferde 8.6 Fragebogen zur Besitzerbefragung am Ende der Studie 8.7 Protokoll zur Durchführung eines ELISA am Beispiel der Untersuchung auf peptidspezifisches IgE im Patientenserum 9 Danksagung

Einleitung: Die Transitphase ist bei Milchkühen mit gravierenden Veränderungen im Metabolismus verbunden. Darüber hinaus ist sie mit Umstellungen im Haltungsumfeld verbunden, welche die Adaptationsmechanismen der Kühe beanspruchen. Aufgrund dieser Herausforderungen erhöht sich das Risiko für produktionsbedingte Erkran¬kungen. Die Leber übernimmt aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen, u.a. als Hauptorgan des Stoffwechsels, eine besondere Rolle. Nach wie vor sind die zu Grunde liegenden pathophysiologischen Abläufe nicht vollständig ergründet. Neue Analysemethoden, wie die Metabolomics Technologie, ermöglichen tiefere Einsichten in Stoffwechselvorgänge und Ursachen für individuelle Unterschiede der Erkran¬kungswahrscheinlichkeit sowie die Wirkweise von metaphylaktischen bzw. therapeu¬tischen Maßnahmen. Die positiven Wirkungen von Butafosfan und Cyanocobalamin (BCC) hinsichtlich Ketoseprävention und Leistung wurden bereits aufgezeigt. Die zugrundeliegenden Wirkmechanismen sind jedoch unzureichend erforscht. Zur Erlan¬gung evidenzbasierter Erkenntnisse sind auch in der Buiatrik aktuell noch prospektive, randomisierte, verblindete Tierversuche nötig. Sie sind mit Risiken für die Gesundheit und Produktivitätsverlusten bei den Versuchstieren verbunden. Genaue Angaben zu Qualität und Quantität derartiger Ausfälle für Feldversuche gibt es allerdings kaum. Ziele der Untersuchung: Die Dissertationsschrift hatte das Ziel, das Metabolom im Lebergewebe in Bezug zu klinischen und laborchemischen Merkmalen sowie zu Gesundheits- und Produktionsdaten von Milchkühen während der Transitphase zu charakterisieren. Weiterhin sollte der Effekt der metaphylaktischen Behandlung mit BCC auf das Leber-Metabolom evaluiert sowie die Auswirkungen eines intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen erfasst werden. Tiere, Material und Methoden: Aus einer Herde mit 660 Deutsch-Holstein-Kühen wurden im ersten Teil der Studie 87 gesunde Kühe einbezogen (Publikation 1). Diese wurden ab Tag 14 ante partum (Tag –14) bis Tag 49 post partum (Tag 49) täglich klinisch überwacht. An den Tagen –7 bis –5 und 1 bis 3 wurden die Kühe intravenös mit BCC in zwei Dosierungen (5 / 10 ml Catosal® pro 100 kg Körpermasse; 0,05 mg / ml Cyanocobalamin, 100 mg / ml Butafosfan; Bayer Animal Health GmbH, Leverkusen, Deutschland) bzw. Natriumchlorid-haltigem Placebo behandelt. Die statistische Analyse wurde mit multivariaten [partielle Diskriminanzanalyse der kleinsten Quadrate (PLS-DA)] und univariaten Methoden (lineares gemischtes Modell) durchgeführt. Den Kühen wurden mehrfach Blut- (n = 8), Lebergewebe- (n = 4) und Harnproben (n = 13) entnommen. Zu sieben Zeitpunkten wurde die Leber sonographisch untersucht bzw. die Rückenfettdicke vermessen. Sämtliche Gesundheits-, Leistungs- und Reproduk¬tionsmerkmale wurden digital im Programm Herde® (dsp-Agrosoft GmbH, Ketzin / Havel, Deutschland) dokumentiert. Im zweiten Teil der Studie wurden gesundheitliche Schäden, die potenziell mit den Versuchsmaßnahmen im Zusammenhang standen, erfasst und ausgewertet. Dazu wurden 206 Kühe als nicht manipulierte Vergleichstiere für die Gesundheits- und Produktionsmerkmale hinzugezogen (Publikation 2). Die Milchleistung Ergebnisse: Insgesamt bestätigen die Ergebnisse stoffwechselassoziierte Veränder¬ungen im Metabolom während der Transitphase. Die Kühe wurden anhand derartiger Unterschiede des Leber-Metaboloms in drei Metabotypen (A – C) eingeteilt. Die Be¬handlung mit BCC wirkte sich unterschiedlich auf diese Stoffwechselprofile aus. Die Veränderungen im Leber-Metabolom deuten auf die Steigerung der Beta-Oxidation und den effizienteren Triacylglycerol-Export in der Leber hin. Dieser Effekt war auf phänotypische Merkmale beim Einsatz der höheren Dosis im Vergleich zur niedrigeren Dosis signifikant. Der deutlichste Behandlungseffekt wurde beim Metabotyp B am Tag 7 beobachtet. Für den zweiten Teil der Dissertation wurden die Folgen des durch¬geführten Tierversuches näher untersucht. Die meisten Schäden waren mit der Entnahme der Leberbiopsien assoziiert (Biopsiestelle: diffuse Entzündung der Bauch¬wand, erhöhte Echogenität im Lebergewebe). Die Milchleistung der Versuchskühe lag unter und die somatische Zellzahl über der der nicht-manipulierten Vergleichskühe (statistisch signifikant, P=0.001). Bei den Versuchskühen wurde eine geringere Totgeburtenrate erreicht. Der Versuch hatte keinen Einfluss auf die Überlebensdauer der Versuchstiere. Schlussfolgerungen: Es konnten Kühe identifiziert werden, die aufgrund ihres Metabotyps während der Transitphase einem besonderen Risiko ausgesetzt waren (Metabotyp B). Für diese Risikotiere konnte eine dosisabhängige, positive Wirkung der Behandlung mit BCC auf den Gesundheitsstatus erzielt werden. Weiterhin zeigte sich, dass ein intensives Studienprotokoll bei Milchkühen im Herkunftsbetrieb unterschiedliche Auswirkungen auf Gesundheits- und Produktionskennzahlen haben kann. Diese Analyse trägt zur Abschätzung der Risiken derartiger Verfahren bei und kann somit hilfreich bei der Planung und Durchführung weiterer Studien sein.:1. EINLEITUNG 1 2. LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Die Transitphase bei Milchkühen 4 2.1.1 Physiologie der Adaptation 4 2.1.2 Das Lipomobilisationssyndrom 7 2.2 Untersuchungen des Metaboloms zur Ergründung pathophysiologischer Reaktionsnetzwerke in der Transitphase 10 2.2.1 „Omics“-Methoden 10 2.2.2 Metabolomics 11 2.2.3 Technische Durchführung 11 2.2.4 Anwendung in der Veterinärmedizin 12 2.3 Prinzipien pro- und metaphylaktischer Maßnahmen in der Transitphase 14 2.3.1 Zufuhr von Energieträgern 19 2.3.2 Beeinflussung des Pansenmikrobioms 19 2.3.3 Beeinflussung des Leberstoffwechsels 220 2.4 Auswirkungen von Studienprotokollen auf den Organismus von Versuchstieren 23 2.4.1 Evidenzbasierte Medizin 23 2.4.2 Evidenzbasierte Veterinärmedizin: Versuche am Tier 24 2.4.3 Belastungen durch Studienprotokolle 25 2.4.4 Beurteilung studienassoziierter Belastungen 26 2.5 Schlussfolgerungen aus der Literaturrecherche und Arbeitshypothesen 27 3. MATERIAL UND METHODEN 29 3.1 Studiendesign 29 3.1.1 Tierversuchsantrag und Präambel 29 3.1.2 Patientenmaterial 29 3.2 Spezielle Untersuchungsgänge der Kühe der Versuchsgruppe 30 3.2.1 Untersuchungen 30 3.2.2 Probenentnahme 30 3.2.3 Probenhandling und Analyse von Blut-, Leber- und Harnproben 32 3.2.4 Sonographische Untersuchung 321 4. PUBLIKATION 1 332 5. PUBLIKATION 2 565 6. DISKUSSION 743 6.1 Präambel 743 6.2 Diskussion der Eignung des Versuchsprotokolls zur Beantwortung der Zielstellung 74 6.3 Angewandtes Therapieschema und Effekte der Butafosfan- und Cyanocobalamintherapie 75 6.3.1 Dosierung, Applikationsart und Behandlungshäufigkeit 754 6.3.2 Diskussion des Therapieschemas im Kontext der neuen EU-Tierarznei¬mittel-Verordnung 78 6.3.3 Mögliche Effekte bei erkrankten Tieren, Ausblick 79 6.4 Diskussion der Auswirkungen des intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen der Milchkühe während des Versuchs 80 6.4.1. Direkte Schäden an den Tieren durch studienbedingte Manipulationen 80 6.4.2. Auswirkung auf die Gesamtgesundheit der Tiere 821 6.4.3. Einfluss auf das Abgangsgeschehen bei den Tieren 843 6.5 Bedeutung der Befunddokumentation in Protokollen und Verwendung von Scoring-Sheets zur Datenerhebung sowie der Wert einer Überwachung der Versuchstiere durch erfahrene Tierärzte 84 7 ZUSAMMENFASSUNG 87 8 SUMMARY 89 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 10 ANHANG 118 11 DANKSAGUNG 151 / Introduction: The transition period in dairy cows is characterised by significant metabolic changes. Management changes commonly occur at the same time, causing stress and impairing the adaptation mechanisms of the cows, which increases the risk of production diseases. The liver is the main metabolic organ and therefore plays a crucial role in the adaptive changes that occur in the transition period. However, several basic pathophysiological mechanisms that occur in the transition period are not completely understood. Novel methods of analysis such as metabolomics technology improve the interpretation of metabolic processes and the individual differences in the probability of illness among cows. Furthermore, these techniques allow a better understanding of the modes of action of metaphylactic and therapeutic measures. The beneficial effects of Butafosfan and cyanocobalamin (BCC) with respect to ketosis prevention and milk yield have been established but the underlying mechanisms of action are not completely understood. Prospective, randomised and blinded animal testing remains a cornerstone of the search for evidence-based knowledge in many medical fields including buiatrics. However, animal testing is associated with an increased risk of health problems and loss of production, and the magnitude and types of risks are not clearly defined. Objectives: The primary goal of this dissertation was to characterise the metabolome of liver tissue in relation to clinical and laboratory variables as well as health and production parameters in transitional dairy cows. A secondary goal was to investigate the effect of metaphylactic treatment with BCC on the metabolome of the liver and the effect of an intensive experimental protocol on the health and production parameters in dairy cows. Animals, Materials and Methods: In the first part of the study (publication 1), 87 healthy cows from a herd of 660 German Holstein cows were used. The cows were monitored clinically every day from day 14 antepartum (day –14) until day 49 postpartum (day 49). On days –7 to –5 and 1 to 3, the cows received either 5 or 10 ml BCC (Catosal® per 100 kg body weight; 0.05 mg/ml cyanocobalamin, 100 mg/ml Buta¬fosfan; Bayer Animal Health GmbH, Leverkusen, Germany) or a placebo of coloured isotonic saline solution administered intravenously. Statistical analysis was performed using multivariate [partial least squares discriminant analysis (PLS-DA)] and univariate methods (linear mixed model). The cows underwent serial blood (n = 8), liver biopsy sample (n = 4) and urine (n = 13) collection and sonographic examination of the liver (n = 7) and measurement of the back fat (n = 7). The herd management software Herde® (dsp-Agrosoft GmbH, Ketzin/ Havel, Germany) was used to document health, fertility and production parameters. The second part of the study (publication 2) dealt with adverse health effects that were potentially associated with the experimental protocol. For this purpose, 206 control cows were used for the comparison of health and production data. Results: Overall, the findings of this study confirm the occurrence of metabolomic changes related to metabolic processes during the transition period. The cows were divided into 3 metabolomic profiles (A to C) based on the changes in the liver metabolome. The effect of BCC on these profiles differed. The changes in the liver metabolome suggested an increase in β-oxidation and more efficient triacylglycerol export in the liver of cows treated with the higher dose of BCC. A comparison of the 2 doses of BCC showed that the higher dose had a significant effect on phenotypic traits. The largest treatment effect was seen in metabolomic profile B on day 7. Most study protocol-associated lesions were related to the liver biopsy procedure and included diffuse inflammation of the abdominal wall at the biopsy site and increased echogenicity of the hepatic tissue. In the experimental cows, the milk yield was lower, the somatic cell count was higher and the stillbirth rate was lower compared with the control cows (statistically significant, P=0.001). The survival rate did not differ between the experimental and control cows. Conclusions: This study allowed the identification of cows with an increased risk of metabolic disease based on their metabolic profile (profile B) during the transition period. A positive and dose-dependent effect of BCC on the health status was seen in those cows. An intensive experimental protocol can have different effects on health and production parameters in dairy cows. This study improves risk assessment for intensive experimental protocols and facilitates the planning and execution of future studies that involve animal testing.:1. EINLEITUNG 1 2. LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Die Transitphase bei Milchkühen 4 2.1.1 Physiologie der Adaptation 4 2.1.2 Das Lipomobilisationssyndrom 7 2.2 Untersuchungen des Metaboloms zur Ergründung pathophysiologischer Reaktionsnetzwerke in der Transitphase 10 2.2.1 „Omics“-Methoden 10 2.2.2 Metabolomics 11 2.2.3 Technische Durchführung 11 2.2.4 Anwendung in der Veterinärmedizin 12 2.3 Prinzipien pro- und metaphylaktischer Maßnahmen in der Transitphase 14 2.3.1 Zufuhr von Energieträgern 19 2.3.2 Beeinflussung des Pansenmikrobioms 19 2.3.3 Beeinflussung des Leberstoffwechsels 220 2.4 Auswirkungen von Studienprotokollen auf den Organismus von Versuchstieren 23 2.4.1 Evidenzbasierte Medizin 23 2.4.2 Evidenzbasierte Veterinärmedizin: Versuche am Tier 24 2.4.3 Belastungen durch Studienprotokolle 25 2.4.4 Beurteilung studienassoziierter Belastungen 26 2.5 Schlussfolgerungen aus der Literaturrecherche und Arbeitshypothesen 27 3. MATERIAL UND METHODEN 29 3.1 Studiendesign 29 3.1.1 Tierversuchsantrag und Präambel 29 3.1.2 Patientenmaterial 29 3.2 Spezielle Untersuchungsgänge der Kühe der Versuchsgruppe 30 3.2.1 Untersuchungen 30 3.2.2 Probenentnahme 30 3.2.3 Probenhandling und Analyse von Blut-, Leber- und Harnproben 32 3.2.4 Sonographische Untersuchung 321 4. PUBLIKATION 1 332 5. PUBLIKATION 2 565 6. DISKUSSION 743 6.1 Präambel 743 6.2 Diskussion der Eignung des Versuchsprotokolls zur Beantwortung der Zielstellung 74 6.3 Angewandtes Therapieschema und Effekte der Butafosfan- und Cyanocobalamintherapie 75 6.3.1 Dosierung, Applikationsart und Behandlungshäufigkeit 754 6.3.2 Diskussion des Therapieschemas im Kontext der neuen EU-Tierarznei¬mittel-Verordnung 78 6.3.3 Mögliche Effekte bei erkrankten Tieren, Ausblick 79 6.4 Diskussion der Auswirkungen des intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen der Milchkühe während des Versuchs 80 6.4.1. Direkte Schäden an den Tieren durch studienbedingte Manipulationen 80 6.4.2. Auswirkung auf die Gesamtgesundheit der Tiere 821 6.4.3. Einfluss auf das Abgangsgeschehen bei den Tieren 843 6.5 Bedeutung der Befunddokumentation in Protokollen und Verwendung von Scoring-Sheets zur Datenerhebung sowie der Wert einer Überwachung der Versuchstiere durch erfahrene Tierärzte 84 7 ZUSAMMENFASSUNG 87 8 SUMMARY 89 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 10 ANHANG 118 11 DANKSAGUNG 151