Techn. University, Diss., 2005--Darmstadt.

Porcine parvovirus (PPV) is considered to be one of the most important causes of reproductive failure in swine. Fetal death, mummification, stillbirths and delayed return to estrus are some of the clinical signs commonly associated with PPV infection in a herd. The virus genome is considered to be conservative, with substitution rates near to that of their host. However, it has been shown that some parvoviruses exhibit a substitution rate close to that commonly determined for RNA viruses. In this scenario, new PPV phenotypes may reduce the effectiveness of the currently used vaccines, recommending the continuous monitoring of the currently prevalent PPV strains. In addition, a number of novel porcine parvoviruses have been described during the last decade, but the importance and characteristics of these viruses remain unknown. In the present dissertation, three studies were performed to address the PPV genetic variability, to monitor the emergence of new PPV strains and the prevalence of novel parvoviruses. In the first study, recent PPV field isolates from Austria, Brazil, Germany and Switzerland were sequenced and analyzed. These samples, together with sequences retrieved from GenBank, were included in three datasets (viral protein complete gene, viral protein partial gene and non-structural protein complete gene). For each dataset, the nucleotide substitution rate was determined and a molecular clock estimated. The analysis revealed that for the new strains, the amino acids substitutions were located mainly in the viral capsid loops. Only the capsid protein datasets present the higher suitability for phylogenetic analysis. In them, a higher divergence was found, with three well defined clusters. By inferring the evolutionary dynamics of the PPV sequences, a nucleotide substitution rate of approximately 10 -4 substitutions per site per year was found for these datasets. An association of the phylogenetic tree with the molecular clock revealed that the main divergence of the PPV strains for the viral protein ocurred in the last 30 years. In the second study, the population dynamic of PPV isolates from swine herds was analyzed using PPV complete protein gene and partial sequences deposited in GenBank. The population dynamic of the virus was calculated using a Bayesian approach with a Bayesian skyline coalescent model. Additionally, an in vitro model was performed by twenty-one consecutives passages of the Challenge strain (a virulent field strain) and NADL2 strain (a vaccine strain) in PK15 cell-line supplemented with polyclonal antibodies raised against the vaccine strain (negative control was not supplemented). The Bayesian analysis indicated a decrease in the population diversity over the years and the predominance of some PPV strains. In agreement, the in vitro study revealed that a lower number of mutations appeared for both viruses in the presence of anti-PPV antibodies in comparison with the control passages without antibodies. In the third study, tonsils and hearts from 100 pigs were collected in a German slaughterhouse in 2010 and tested for PPV, porcine parvovirus 2 (PPV2), porcine parvovirus 3 (PPV3) and porcine parvovirus 4 (PPV4). Positive samples of PPV, PPV2 and PPV3 were sequenced. PPV was observed in 60/100 hearts and 61/100 tonsils and PPV2 in 55/100 hearts and 78/100 tonsils. PPV3 and PPV4 could not be detected in the heart samples but 20/100 and 7/100, respectively, of the tonsils were tested positive. The phylogenetic analysis of the PPV, PPV2 and PPV3 sequences revealed that the German samples could be divided in at least two clusters or clades for each virus. Altogether, it can be concluded that PPV is continuously evolving. Apparently, PPV vaccines largely used in the last 30 years probably have reduced the genetic diversity of the virus and induced the predominance of strains with distinct capsid profile from the original vaccine-based strain. Moreover, the high prevalence of the PPV, PPV2 and PPV3 and their genetic diversity highlight the importance of the continuous monitoring of these viruses.

The life of microorganisms is characterized by two main tasks, rapid growth under conditions permitting growth and survival under stressful conditions. The environments, in which microorganisms dwell, vary in space and time. The microorganisms innovate diverse strategies to readily adapt to the regularly fluctuating environments. Phenotypic heterogeneity is one such strategy, where an isogenic population splits into subpopulations that respond differently under identical environments. Bacterial persistence is a prime example of such phenotypic heterogeneity, whereby a population survives under an antibiotic attack, by keeping a fraction of population in a drug tolerant state, the persister state. Specifically, persister cells grow more slowly than normal cells under growth conditions, but survive longer under stress conditions such as the antibiotic administrations. Bacterial persistence is identified experimentally by examining the population survival upon an antibiotic treatment and the population resuscitation in a growth medium. The underlying population dynamics is explained with a two state model for reversible phenotype switching in a cell within the population. We study this existing model with a new theoretical approach and present analytical expressions for the time scale observed in population growth and resuscitation, that can be easily used to extract underlying model parameters of bacterial persistence. In addition, we recapitulate previously known results on the evolution of such structured population under periodically fluctuating environment using our simple approximation method. Using our analysis, we determine model parameters for Staphylococcus aureus population under several antibiotics and interpret the outcome of cross-drug treatment. Next, we consider the expansion of a population exhibiting phenotype switching in a spatially structured environment consisting of two growth permitting patches separated by an antibiotic patch. The dynamic interplay of growth, death and migration of cells in different patches leads to distinct regimes in population propagation speed as a function of migration rate. We map out the region in parameter space of phenotype switching and migration rate to observe the condition under which persistence is beneficial. Furthermore, we present an extended model that allows mutation from the two phenotypic states to a resistant state. We find that the presence of persister cells may enhance the probability of resistant mutation in a population. Using this model, we explain the experimental results showing the emergence of antibiotic resistance in a Staphylococcus aureus population upon tobramycin treatment. In summary, we identify several roles of bacterial persistence, such as help in spatial expansion, development of multidrug tolerance and emergence of antibiotic resistance. Our study provides a theoretical perspective on the dynamics of bacterial persistence in different environmental conditions. These results can be utilized to design further experiments, and to develop novel strategies to eradicate persistent infections. / Das Leben von Mikroorganismen kann in zwei charakteristische Phasen unterteilt werde, schnelles Wachstum unter Wachstumsbedingungen und Überleben unter schwierigen Bedingungen. Die Bedingungen, in denen sich die Mikroorganismen aufhalten, verändern sich in Raum und Zeit. Um sich schnell an die ständig wechselnden Bedingungen anzupassen entwickeln die Mikroorganismen diverse Strategien. Phänotypische Heterogenität ist eine solche Strategie, bei der sich eine isogene Popolation in Untergruppen aufteilt, die unter identischen Bedingungen verschieden reagieren. Bakterielle Persistenz ist ein Paradebeispiel einer solchen phänotypischen Heterogenität. Hierbei überlebt eine Popolation die Behandlung mit einem Antibiotikum, indem sie einen Teil der Bevölkerung in einem, dem Antibiotikum gegenüber tolerant Zustand lässt, der sogenannte "persister Zustand". Persister-Zellen wachsen unter Wachstumsbedingungen langsamer als normale Zellen, jedoch überleben sie länger in Stress-Bedingungen, wie bei Antibiotikaapplikation. Bakterielle Persistenz wird experimentell erkannt indem man überprüft ob die Population eine Behandlung mit Antibiotika überlebt und sich in einem Wachstumsmedium reaktiviert. Die zugrunde liegende Popolationsdynamik kann mit einem Zwei-Zustands-Modell für reversibles Wechseln des Phänotyps einer Zelle in der Bevölkerung erklärt werden. Wir untersuchen das bestehende Modell mit einem neuen theoretischen Ansatz und präsentieren analytische Ausdrücke für die Zeitskalen die für das Bevölkerungswachstums und die Reaktivierung beobachtet werden. Diese können dann einfach benutzt werden um die Parameter des zugrunde liegenden bakteriellen Persistenz-Modells zu bestimmen. Darüber hinaus rekapitulieren wir bisher bekannten Ergebnisse über die Entwicklung solch strukturierter Bevölkerungen unter periodisch schwankenden Bedingungen mithilfe unseres einfachen Näherungsverfahrens. Mit unserer Analysemethode bestimmen wir Modellparameter für eine Staphylococcus aureus-Popolation unter dem Einfluss mehrerer Antibiotika und interpretieren die Ergebnisse der Behandlung mit zwei Antibiotika in Folge. Als nächstes betrachten wir die Ausbreitung einer Popolation mit Phänotypen-Wechsel in einer räumlich strukturierten Umgebung. Diese besteht aus zwei Bereichen, in denen Wachstum möglich ist und einem Bereich mit Antibiotikum der die beiden trennt. Das dynamische Zusammenspiel von Wachstum, Tod und Migration von Zellen in den verschiedenen Bereichen führt zu unterschiedlichen Regimen der Populationsausbreitungsgeschwindigkeit als Funktion der Migrationsrate. Wir bestimmen die Region im Parameterraum der Phänotyp Schalt-und Migrationsraten, in der die Bedingungen Persistenz begünstigen. Darüber hinaus präsentieren wir ein erweitertes Modell, das Mutation aus den beiden phänotypischen Zuständen zu einem resistenten Zustand erlaubt. Wir stellen fest, dass die Anwesenheit persistenter Zellen die Wahrscheinlichkeit von resistenten Mutationen in einer Population erhöht. Mit diesem Modell, erklären wir die experimentell beobachtete Entstehung von Antibiotika- Resistenz in einer Staphylococcus aureus Popolation infolge einer Tobramycin Behandlung. Wir finden also verschiedene Funktionen bakterieller Persistenz. Sie unterstützt die räumliche Ausbreitung der Bakterien, die Entwicklung von Toleranz gegenüber mehreren Medikamenten und Entwicklung von Resistenz gegenüber Antibiotika. Unsere Beschreibung liefert eine theoretische Betrachtungsweise der Dynamik bakterieller Persistenz bei verschiedenen Bedingungen. Die Resultate könnten als Grundlage neuer Experimente und der Entwicklung neuer Strategien zur Ausmerzung persistenter Infekte dienen.

Aufgabenstellung dieser Arbeit ist es, wichtige Hinweise zur Verbesserung der Betreuung von Ovis d. dalli, einer in menschlicher Obhut noch äußerst krankheitsanfälligen Tierart, zu erarbeiten. Dafür wird die Haltung von Ovis d. dalli in 3 deutschen zoologischen Gärten bezüglich der Häufigkeitsverteilung der klinischen Erkrankungen, der Todesursachen, der annualen Verteilung der Geburten, der Populationsdynamik, der Fütterung und der Gehegegestaltung untersucht. Weiterhin werden Referenzwerte für labordiagnostische Parameter bei klinisch gesunden Tiere gewonnen. Die Erkrankungshäufigkeit – Erk/Jahr – wird als Beurteilungskriterium für das klinische Herdengeschehen empfohlen. Die Gesamterkrankungshäufigkeit liegt bei 1,09 Erk/Jahr, wobei sich eine Zunahme der Erkrankungshäufigkeit während der Haltungsperioden nachweisen läßt. Der Vergleich der Erkrankungshäufigkeiten ergibt, daß die Schwerpunkte des klinischen Geschehens im Bereich des Digestionsapparates, des Bewegungsapparates und bei Weibchen im Abortgeschehen liegen. Als besonders schwerwiegendes Geschehen erweist sich die Paratuberkulose in 2 Beständen. Weitere bedeutungsvolle Krankheiten sind Chorioptesräude, Ostertagiose und systemische Infektionen der Jungtiere. Für eine Beurteilung der Schutzwirkung der Impfstoffe sind die Gruppen zu klein und zu viele ungeklärte epizootiologische Fragen offen, um eine eindeutige Aussagen treffen zu können. Die Besonderheiten der labordiagnostischen Parameter, die in den eigenen Untersuchungen bestimmt werden, bestätigen im wesentlichen die Werte von Untersuchungen aus der Wildbahn. Bei der Auswertung der Todesursachen stehen mit 37 % ebenfalls Störungen des Verdauungsapparates im Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt sind mit 29 % Störungen des Respirationsapparates, die im klinischen Geschehen eine unbedeutende Rolle spielen. In menschlicher Obhut und in der Wildbahn sind Pasteurella sp. maßgeblich am Pneumoniegeschehen beteiligt. Die meisten Verluste treten während der Aufzuchtphase auf, so daß die Überlebenswahrscheinlichkeit zu Beginn der Geschlechtsreife für Männchen bei 29,5 % und für Weibchen bei 40,3 % liegt. Der Konzentratfutteranteil der Fütterung sollte günstiger über den Tag verteilt und nicht als Erstfutter am Morgen verabreicht werden. Die Fütterung von Rauhfutter sollte in überdachten Raufen erfolgen. Der annuale Zyklus der Nahrungsveränderung in der Wildbahn – mit der Zielstellung der Senkung der Aufzuchtverluste – sollte durch höhere Rohproteinanteile in der Ration ab April wenigstens partiell simuliert werden. Die Verabreichung von Supplementen ist sorgfältig zu kontrollieren, um einen Abusus zu vermeiden. Die Analyse der Populationsdynamik hat die stetige Überalterung der Bestände ausgewiesen, die zu langsamen Generationsfolgen und zum Zusammenbruch von Populationen geführt hat. Für die wildbahnunabhängige Erhaltung von Ovis d. dalli in menschlicher Obhut ist es notwendig, mit dem stattfindenten Inzuchtprozeß gezielt umzugehen. Insbesondere ist zur Vorbeuge von hereditären Störungen eine Anpaarung mit nur einem Bock über einen längeren Zeitraum zu vermeiden. Bei der Gehegegestaltung sind komplizierte Aufbauten zu vermeiden, da sie möglicherweise ein erhöhtes Verletzungsrisiko in sich bergen. Als vorteilhalft werden Stallungen mit mehreren Zugängen, Sichtblenden durch Strukturierung des Geheges und Verhinderung des direkten Besucherkontaktes erkannt. Für die Reduzierung von Stressoren in der Herde – insbesondere während der Lammsaison – sind Muttergruppen nur während der Brunft gemeinsam mit geschlechtsreifen Böcken zu halten. / It is the goal of this study to research the important factors that would contribute to a better care of Ovis d. dalli – a species which is still rather prone to disease in human care. Therefore the keeping of Ovis d. dalli was studied in three German zoological gardens with respect to incidence rates, causes of death, annual distribution of births, population dynamics, feeding, and enclosure design. Furthermore, reference values for laboratory parameters in healthy animals could be gained. The incidence rate (cases of disease per annum) is recommended as criterion for the evaluation of the current health state of a flock. In this study the total incidence rate is 1.09 cases/annum, whereby an increase in the incidence rate could be documented for the periods of keeping. The comparison of incidence rates shows that the main areas of healthconcerns are located in the digestive system, the skeletal and muscular system, and in females abortions. As a particularly serious event paratuberculosis in two stocks needs to be mentioned. Further important disorders include Chorioptes mange, Ostertagia infection and systemic infection in young animals. Due to many unsolved epizootiological issues and too small groups, the evaluation of the effectiveness of vaccines defies definite and conclusive interpretation. The specific pattern of laboratory values, which were determined in the investigations of this study, confirm basically the values drawn from investigations in the wild. The analysis of deaths also shows that with 37 %disorders of the digestive system are a main area of concern. Another area of concern are disorders of the respiratory system with 29 %, which play a less important role in clinical cases. In human care as well as in the wild primarily Pasterurella sp. are involved in pneumonia cases. The highest losses occur during the rearing stage so that the probability of survival at the beginning of maturity is 29.5 % in males and 40.3 % in females. The portion of concentrated food in the feed should be better spread out throughout the whole day and not be given all at once with the first morning feed. The feeding of roughage should be offered in troughs with coverd shelters. In order to lower the number of lossses during rearing, the annual cycle of food changes in the wild should be at least partially copied by feeding higher portions of crude protein starting in April. The adding of supplements needs to be carefully controlled to prevent abuse. The analysis of population dynamics reveals a continuous increase in the percentage of old animals resulting in slower alternation rates of generations and the breakdown of populations. In order to keep Ovis d. dalli successfully in human care – independent from the wild, it is imperative to pay the current inbreeding the required attention. To prevent hereditary disorders it is particularly important to avoid breeding with only one ram over longer periods of time. Enclosure design should abstain from sophisticated structures because they seem to increase the risk of injury. As advantageous the following features could be identified: shelters with several entrances, structuring of the enclosure in such a way that visibility is limited and direct contact with visitores is prevented. To reduce stress in the flock, especially during lambing season, groups of ewes are to be kept with mature rams only during rutting season.

Universiẗat, Diss., 2002--München. / Enth. 5 Sonderabdr. aus verschiedenen Zeitschr. Text engl.

Universiẗat, Diss., 2003--Münster (Westfalen).

Universiẗat, Diss., 2003--Bonn.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2005--Bonn.

University, Diss., 2005--Kiel.