Swine stocks are endemically infected with the major porcine pathogen Streptococcus (S.) suis. The factors governing the transition from colonizing S. suis residing in the tonsils and the exacerbation of disease have not yet been elucidated. We analyzed the sudden death of fattening pigs kept under extensive husbandry conditions in a zoo. The animals died suddenly of septic shock and showed disseminated intravascular coagulopathy. Genotypic and phenotypic characterizations of the isolated S. suis strains, a tonsillar isolate and an invasive cps type 2 strain, were conducted. Isolated S. suis from dead pigs belonged to cps type 2 strain ST28, whereas one tonsillar S. suis isolate harvested from a healthy animal belonged to ST1173. Neither S. suis growth, induction of neutrophil extracellular traps, nor survival in blood could explain the sudden deaths. Reconstituted blood assays with serum samples from pigs of different age groups from the zoo stock suggested varying protection of individuals against pathogenic cps type 2 strains especially in younger pigs. These findings highlight the benefit of further characterization of the causative strains in each case by sequence typing before autologous vaccine candidate selection.

Livestock across the world contract several infectious diseases of both bacterial and viral origin. Swine brucellosis caused by Brucella suis and swine influenza caused by Influenza A virus affect both domestic and feral swine populations. Both the diseases have zoonotic potential to cause disease in humans with serious complications apart from inflicting huge economic losses. Infected feral swine can also act as a source of spread and outbreak where the disease is not endemic. At present, there is no vaccine available for swine brucellosis. The currently used swine influenza vaccine may not be effective against influenza strains like the recent H1N1 strain that caused a pandemic. To develop an effective bivalent vaccine for swine against these two diseases, a leucine auxotroph of the USDA approved vaccine B. abortus strain RB51 was constructed along with leuB gene complementing plasmid pNS4 to over-express antigens from Brucella and influenza. This antibiotic resistance free system over-expressed Brucella derived antigens SOD, L7/L12 and WboA in three different constructs. Against a virulent challenge of B. suis, the candidate vaccine strain over-expressing both SOD and WboA protected mice more significantly than the control group and was also found to be better protective than other candidate vaccine strains over-expressing either SOD and L7/L12 together or SOD alone. Immunoassays (ELISA) suggested that the protection afforded is Th1 type mediated immune response, as cytokine IFN-γ and IgG2a antibody sub-isotype was observed in the splenocyte culture supernatant and serum samples respectively. The strain RB51leuB platform was not expressing influenza derived antigens Hemagglutinin (HA) and Nucleoprotein (NP) when screened for expression by immunoblot. Influenza antigens, HA, NP and ectodomain of matrix protein M2e, were not found to be expressing even after optimizing their codon usage to suit Brucella tRNA preference. However, RT-PCR showed that the influenza genes mRNA were produced. In conclusion, this dissertation describes the construction of an environmentally safe antigen over-expression platform and successful employment of the system as a candidate vaccine in protecting mice against B. suis challenge. This new platform is a potential candidate for developing vaccines against other infectious diseases of livestock. This document also discusses alternate strategies for expressing influenza antigens in a Brucella platform. / Ph. D.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible. / Streptococcus suis serotype 2 is an important swine pathogen responsible for diverse infections, meningitis being its most striking feature. In addition, it is an emerging agent of zoonosis, which has gained worldwide attention due to important outbreaks in Asia. Understanding the pathogenesis of S. suis infections still represents a challenge. Up to present, the pro-inflammatory response due to S. suis has only been studied in vitro, and there is still a great need of appropriate experimental models for both septic shock and meningitis. In the present study, we successfully developed an in vivo model of S. suis infection in adult mice infected by the intraperitoneal route. This model served to investigate the pro-inflammatory events that take place at both the systemic and Central Nervous System (CNS) levels associated with this important pathogen. In addition, this model was useful to determine if susceptibility to S. suis infection may be influenced by the genetic background of the host. The mouse model of S. suis infection was standardized in CD1 mice. Results showed sustained bacteremia during the 3 days post-infection (p.i.), accompanied by a quick and substantial release of different pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) and chemokines (KC, MCP-1 and RANTES) that lead to septic shock and 20% mortality in mice. Once the hallmark of the septic phase of S. suis infection was established in CD1 mice, research continued with the objective to confirm the role of inflammation in mortality and to determine if the genetic background of the host may influence the inflammatory response toward this pathogen and the further outcome of the disease. For this, the mouse model of S. suis infection was used with two genetically different inbred mouse strains, this is, C57BL/6 (B6) and A/J mice, which are considered as the prototype of Th1-type and Th2-type mice, respectively. Results demonstrated a striking susceptibility to S. suis infection in A/J mice in comparison to B6 mice, with 100% mortality in the former mice strain at 20 h p.i., and 16 % mortality at 36 h p.i. for the latter. Very interestingly, and similarly to CD1 mice, bacteremia did not seem to be responsible for the death of mice, as both mice strains presented similar amounts of bacteria in blood and organs. Thus, it was postulated that the higher mortality in S. suis-infected A/J mice was due to uncontrolled septic shock. In fact, A/J mice presented very high levels of TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN-ɣ, that significantly exceeded those found in B6 mice. Remarkably, chemokine levels were similar between strains, suggesting their limited participation in the development of septic shock by S. suis. A greater survival of B6 mice was partially related to a better regulation of the pro-inflammatory cytokine cascade, as they showed a higher production of the anti-inflammatory cytokine IL-10 than A/J mice. The potential beneficial role of the IL-10 in mice infected with S. suis was confirmed using two approaches: the first, by blockage of the cell receptor of IL-10 (IL-10R) with an anti-mouse IL-10R monoclonal antibody (Mab) in B6 mice and the second by administrating recombinant mouse (rm)IL-10 (rmIL-10) to A/J mice. B6 mice that received the IL-10R MAb treatment before challenge with S. suis developed a clinical acute disease similar to that observed with A/J mice, with a striking and rapid increase in mortality and higher levels of TNF-α in comparison to those of infected mice that did not receive the treatment. Controversially, treatment with rmIL-10 significantly delayed the onset of septic shock in A/J mice infected with S. suis. These results show that survival from S. suis septic shock requires a tight regulation of pro- and anti-inflammatory mechanisms, and that the latter should be activated at the same time or soon after the onset of the pro-inflammatory response. This part of the study may represent a first step in the identification of host genes associated with resistance against S. suis. One of the most important achievements of the mouse model of infection described in this project is the development of distinct clinical signs of neurological disease in CD1 mice from 4 days p.i. Indeed, in CD1 mice that survived sepsis due to S. suis infection, clinical signs of neurological disease and vestibular syndrome, which are quite similar to those observed in clinical cases of S. suis meningitis in both pigs and humans, were observed. Studies of the brains of infected CD1 mice using in situ hybridization combined with immunocytochemistry, demonstrated that the CNS inflammatory response began with a significant increase in the transcription of Toll-like receptor (TLR)2 and CD14 initially in the brain microvasculature and choroid plexuses, suggesting that S. suis may use these structures as portals of entry to the brain. There also was activation of NF-κB (as indicated by transcriptional activation of IκBα as a reporter system) and TNF-α, IL-1β and MCP-1, mainly in cells identified as microglia and to a lesser extent in astrocytes. These signals reached different brain structures, mainly the brain cortex, corpus callosum, hippocampus, choroid plexuses, thalamus, hypothalamus and meninges. All of these pro-inflammatory events were associated with extensive areas of inflammation and necrosis, severe demyelination and presence of antigens of S. suis inside microglia. In vitro studies were conducted in order to better understand the interactions of S. suis and microglia. For this, mouse microglia were infected with a virulent wild type (WT) strain of S. suis. Two isogenic mutants deficient in capsule (CPS) or hemolysin production (suilysin, SLY) respectively, were also included for comparative purposes. The CPS was important for S. suis resistance to phagocytosis, and it also modulated the inflammatory response by hiding pro-inflammatory components from the bacterial cell wall. On the other hand, the absence of SLY, a potential cytotoxic factor, did not have a major impact on S. suis interactions with microglia. Studies with microglia helped to confirm previous findings in vivo in mice, as the WT S. suis strain induced the up-regulation of TLR2 and the production of several pro-inflammatory mediators, including TNF-α and MCP-1. As observed in mice, S. suis induced NF-kB translocation, which was more rapid for cells stimulated with the CPS-deficient mutant, suggesting that bacterial cell wall components are potent inducers of NF-kB. Moreover, WT S. suis promoted phosphotyrosine, PKC and different mitogen-activated protein kinase (MAPK) events. However, microglia infected with the CPS-deficient mutant showed overall stronger and more sustained phosphorylation profiles. Finally, the CPS also modulated S. suis-induced inducible nitrogen oxide synthase (iNOS) expression and further nitric oxide production in microglia, which could be related to neurotoxicity and vasodilatation in vivo. We are confident that our results may help to more fully understand the mechanisms underlying S. suis induction of inflammation, leading to the design of more efficient anti-inflammatory strategies for sepsis and meningitis. Finally, we believe this experimental model of infection in mice could also be useful for studying the pathogenesis of infections of the CNS, due to other bacteria.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

No description available.

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible. / Streptococcus suis serotype 2 is an important swine pathogen responsible for diverse infections, meningitis being its most striking feature. In addition, it is an emerging agent of zoonosis, which has gained worldwide attention due to important outbreaks in Asia. Understanding the pathogenesis of S. suis infections still represents a challenge. Up to present, the pro-inflammatory response due to S. suis has only been studied in vitro, and there is still a great need of appropriate experimental models for both septic shock and meningitis. In the present study, we successfully developed an in vivo model of S. suis infection in adult mice infected by the intraperitoneal route. This model served to investigate the pro-inflammatory events that take place at both the systemic and Central Nervous System (CNS) levels associated with this important pathogen. In addition, this model was useful to determine if susceptibility to S. suis infection may be influenced by the genetic background of the host. The mouse model of S. suis infection was standardized in CD1 mice. Results showed sustained bacteremia during the 3 days post-infection (p.i.), accompanied by a quick and substantial release of different pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) and chemokines (KC, MCP-1 and RANTES) that lead to septic shock and 20% mortality in mice. Once the hallmark of the septic phase of S. suis infection was established in CD1 mice, research continued with the objective to confirm the role of inflammation in mortality and to determine if the genetic background of the host may influence the inflammatory response toward this pathogen and the further outcome of the disease. For this, the mouse model of S. suis infection was used with two genetically different inbred mouse strains, this is, C57BL/6 (B6) and A/J mice, which are considered as the prototype of Th1-type and Th2-type mice, respectively. Results demonstrated a striking susceptibility to S. suis infection in A/J mice in comparison to B6 mice, with 100% mortality in the former mice strain at 20 h p.i., and 16 % mortality at 36 h p.i. for the latter. Very interestingly, and similarly to CD1 mice, bacteremia did not seem to be responsible for the death of mice, as both mice strains presented similar amounts of bacteria in blood and organs. Thus, it was postulated that the higher mortality in S. suis-infected A/J mice was due to uncontrolled septic shock. In fact, A/J mice presented very high levels of TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN-ɣ, that significantly exceeded those found in B6 mice. Remarkably, chemokine levels were similar between strains, suggesting their limited participation in the development of septic shock by S. suis. A greater survival of B6 mice was partially related to a better regulation of the pro-inflammatory cytokine cascade, as they showed a higher production of the anti-inflammatory cytokine IL-10 than A/J mice. The potential beneficial role of the IL-10 in mice infected with S. suis was confirmed using two approaches: the first, by blockage of the cell receptor of IL-10 (IL-10R) with an anti-mouse IL-10R monoclonal antibody (Mab) in B6 mice and the second by administrating recombinant mouse (rm)IL-10 (rmIL-10) to A/J mice. B6 mice that received the IL-10R MAb treatment before challenge with S. suis developed a clinical acute disease similar to that observed with A/J mice, with a striking and rapid increase in mortality and higher levels of TNF-α in comparison to those of infected mice that did not receive the treatment. Controversially, treatment with rmIL-10 significantly delayed the onset of septic shock in A/J mice infected with S. suis. These results show that survival from S. suis septic shock requires a tight regulation of pro- and anti-inflammatory mechanisms, and that the latter should be activated at the same time or soon after the onset of the pro-inflammatory response. This part of the study may represent a first step in the identification of host genes associated with resistance against S. suis. One of the most important achievements of the mouse model of infection described in this project is the development of distinct clinical signs of neurological disease in CD1 mice from 4 days p.i. Indeed, in CD1 mice that survived sepsis due to S. suis infection, clinical signs of neurological disease and vestibular syndrome, which are quite similar to those observed in clinical cases of S. suis meningitis in both pigs and humans, were observed. Studies of the brains of infected CD1 mice using in situ hybridization combined with immunocytochemistry, demonstrated that the CNS inflammatory response began with a significant increase in the transcription of Toll-like receptor (TLR)2 and CD14 initially in the brain microvasculature and choroid plexuses, suggesting that S. suis may use these structures as portals of entry to the brain. There also was activation of NF-κB (as indicated by transcriptional activation of IκBα as a reporter system) and TNF-α, IL-1β and MCP-1, mainly in cells identified as microglia and to a lesser extent in astrocytes. These signals reached different brain structures, mainly the brain cortex, corpus callosum, hippocampus, choroid plexuses, thalamus, hypothalamus and meninges. All of these pro-inflammatory events were associated with extensive areas of inflammation and necrosis, severe demyelination and presence of antigens of S. suis inside microglia. In vitro studies were conducted in order to better understand the interactions of S. suis and microglia. For this, mouse microglia were infected with a virulent wild type (WT) strain of S. suis. Two isogenic mutants deficient in capsule (CPS) or hemolysin production (suilysin, SLY) respectively, were also included for comparative purposes. The CPS was important for S. suis resistance to phagocytosis, and it also modulated the inflammatory response by hiding pro-inflammatory components from the bacterial cell wall. On the other hand, the absence of SLY, a potential cytotoxic factor, did not have a major impact on S. suis interactions with microglia. Studies with microglia helped to confirm previous findings in vivo in mice, as the WT S. suis strain induced the up-regulation of TLR2 and the production of several pro-inflammatory mediators, including TNF-α and MCP-1. As observed in mice, S. suis induced NF-kB translocation, which was more rapid for cells stimulated with the CPS-deficient mutant, suggesting that bacterial cell wall components are potent inducers of NF-kB. Moreover, WT S. suis promoted phosphotyrosine, PKC and different mitogen-activated protein kinase (MAPK) events. However, microglia infected with the CPS-deficient mutant showed overall stronger and more sustained phosphorylation profiles. Finally, the CPS also modulated S. suis-induced inducible nitrogen oxide synthase (iNOS) expression and further nitric oxide production in microglia, which could be related to neurotoxicity and vasodilatation in vivo. We are confident that our results may help to more fully understand the mechanisms underlying S. suis induction of inflammation, leading to the design of more efficient anti-inflammatory strategies for sepsis and meningitis. Finally, we believe this experimental model of infection in mice could also be useful for studying the pathogenesis of infections of the CNS, due to other bacteria.

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In den vorliegenden Studien wurden verschiedene diagnostische Verfahren zum Nachweis von Protozoen und Nematoden im Hinblick auf Sensitivität, Arbeitsaufwand und Kosten miteinander verglichen. Zudem wurde die Eignung der PCR zur molekularen Charakterisierung der Cryptosporidium spp. exemplarisch an Igelkotproben getestet. Bei der Untersuchung von 90 Ferkelkotproben auf I. suis war die Sensitivität eines Kotausstriches mit nachfolgender Autofluoreszenzmikroskopie (AM) signifikant höher als bei einem Flotationsverfahren (FV) mit NaCl-Zucker-Lösung und bei dem kombinierten Sedimentations-Flotations-Verfahren (KSFV) mit verschiedenen Flotationslösungen (NaCl, ZnSO4, NaCl-Zucker-Lösung) mit nachfolgender Lichtmikroskopie. Zudem ist der Arbeitsaufwand für die AM deutlich geringer als bei dem FV und KSFV. Die höheren apparativen Kosten für die AM sind bei hohem Probendurchsatz durch den geringeren Zeitaufwand und der höheren Sensitivität gerechtfertigt. Die Anzahl Kryptosporidien-positiver Proben war bei der Untersuchung von 103 Kälberkotproben auf Cryptosporidium sp. mittels Enzymimmunoassays (EIA; ProSpecT® Cryptosporidium Microplate Assay) im Vergleich zur Karbolfuchsin-Färbung (CF) nach HEINE (1981) und der modifizierten-Ziehl-Neelsen-Färbung (MZN) nach HENRIKSEN u. POHLENZ (1982) am höchsten und signifikant höher als bei der Anwendung der MZN, wenn 10 Blickfelder durchmustert wurden. Bei der Untersuchung von 74 Igelkotproben auf Cryptosporidium sp. mittels EIA (ProSpecT®), einem immunochromatographischen Verfahren (FASTest® CRYPTO Strip), der MZN nach HENRIKSEN u. POHLENZ (1981) und einem direkten Immunfluoreszenz-Test (IFA; MERIFLUOR Cryptosporidium/Giardia) wurden in 9 (EIA), 10 (FASTest®), 11 (MZN) und 12 (IFA) Proben Cryptosporidium sp. nachgewiesen. Der Arbeitsaufwand des FASTest® und der CF ist mit dem EIA vergleichbar, während der IFA und die MZN mehr Zeit benötigen. Die Anwendung des FASTest®, des IFA und des EIA ist mit höheren Kosten verbunden als bei den Färbemethoden, können aber gut in den Arbeitsablauf eines diagnostischen Labors eingefügt werden und sind einfach auszuwerten. Darüber hinaus wurden 45 Kotproben, welche bis zu 27 Tage bei verschiedenen Temperaturen (+6 °C, +16 °C, +30 °C, +40 °C) gelagert wurden, untersucht, um einen Einfluss der Temperatur auf das Untersuchungsergebnis von EIA, CF und MZN zu ermitteln. Während sich die Anzahl positiver Proben bei der Untersuchung mit den Färbemethoden temperatur- und zeitabhängig reduzierte, wurde das Untersuchungsergebnis mittels EIA von der Lagerungstemperatur nicht beeinflusst, so dass ungekühlt transportierte Proben vorzugsweise mit dem EIA untersucht werden sollten. Dagegen ist die CF aufgrund ihrer einfachen und preiswerten Durchführung zur Untersuchung einer hohen Anzahl an Proben geeignet, sofern eine ununterbrochene Kühlung der Proben gewährleistet ist und diese innerhalb von drei Tagen untersucht werden. Der FASTest® ist zur Anwendung in Tierarztpraxen und Ställen geeignet, da zur Untersuchung kein Mikroskop benötigt wird und die Resultate schnell vorliegen. Die Verwendung des IFA, der Kryptosporidien-Oozysten und Giardien-Zysten nachweist, bietet sich vor allem bei Proben an, die auf beide Protozoen untersucht werden sollen. Das Vorkommen der Kryptosporidiose bei unterentwickelten und geschwächten Igeln, welche zum Überwintern in Igelstationen aufgenommen werden, ist hoch. Von 188 untersuchten Igelkotproben konnten in 29,8 % der Proben Cryptosporidium spp. nachgewiesen werden. Durch die Genotypisierung der Kryptosporidien aus 15 positiven Igelkotproben mittels RFLP-PCR basierend auf dem 18S rRNA-Gen konnte in allen untersuchten Proben die Präsenz von C. parvum gezeigt werden. Mit Hilfe der Multilocus-Sequenz-Typisierung der Fragmente des 60kDa Glycoprotein-Gens, des 18S rRNA-Gens, des Actin-Gens und des 70 kDa Hitzeschockprotein-Gens konnten drei verschiedene Subtypen-Familien (IIa, IIc und eine neue als VIIa vorgeschlagene Subtypen-Familie) erkannt werden. Die von den Igeln ausgeschiedenen Kryptosporidien-Oozysten mit zum Teil nachgewiesenem zoonotischen Potential (IIa Subtypen-Familie) könnten eine Infektionsquelle für den Menschen sein, aber auch ein antropozoonotisches Potential (IIc Subtypen-Familie) sollte in Betracht gezogen werden, so dass die Hygiene in den Igelstationen einen hohen Stellenwert einnehmen sollte. Die Untersuchungsergebnisse zum Nachweis von Eimeria-Arten beim Kalb von 70 Sammelkotproben, hergestellt aus 10 Einzelkotproben (SKP10), bzw. von 30 Sammelkotproben, zusammengesetzt aus 5 Einzelkotproben (SKP5), wurden mit denen der zugehörigen Einzelkotproben (EKP) verglichen. Die Resultate der EKP (arithmetischer Mittelwert) und der zugehörigen SKP weisen mit den signifikant häufigeren Abweichungen im Bereich von bis zu 100 Oozysten pro Gramm Kot (OpG) eine geringe Differenz zwischen den beiden Verfahren auf. Durch den sicheren Nachweis von Eimeria-Oozysten bei einem erwarteten Oozystengehalt von nur 202 OpG (SKP10) und 122 OpG (SKP5) ist die Untersuchung von Kälbersammelkotproben, eine Methode mit geringem Arbeitsaufwand und geringen Untersuchungskosten, zum Nachweis einer klinischen oder subklinischen Kokzidiose geeignet. Bei 51 Pferdekotproben wurde jeweils dreimal das kombinierte Sedimentations-Flotations-Verfahren (KSFV), wobei die Entnahme von verschiedenen Lokalisationen der Kotprobe (aus der Randregion, dem Inneren oder aus beiden Lokalisationen) erfolgte, und jeweils dreimal das KSFV mit vorheriger Homogenisierung einer größeren Kotmenge zum Nachweis von Nematodeneier durchgeführt. Eine Anhäufung der Strongyliden- und Ascarideneier in einem bestimmten Bereich der Proben konnte durch die Untersuchungen der verschiedenen Lokalisationen (á 10 g Kot) nicht nachgewiesen werden, so dass eine weitgehend homogene Verteilung dieser Nematodeneier in einer Pferdekotprobe wahrscheinlich ist. Zudem konnten die Untersuchungsergebnisse des KSFV, bei welchem 10 g Kot untersucht werden, durch die vorherige Homogenisierung einer größeren Probenmenge nicht verbessert werden. Zum Nachweis von Nematoden beim Pferd sollte dem Labor eine ausreichende Probenmenge (ca. 50 g) zugesandt werden. Die Homogenisierung einer größeren Probenmenge vor der Durchführung einer diagnostischen Methode, bei der Aliquote von mindestens 10 g Kot Verwendung finden, ist unnötig. / The studies presented were carried out to compare different diagnostic methods for detection of protozoa and nematodes regarding sensitivity, expenditure of human labour and costs. Besides, the ability of the PCR for the molecular characterization of the Cryptosporidium spp. was tested exemplarily in faecal samples of hegdehogs. The examination of ninety faecal samples of suckling piglets showed a significantly higher sensitivity of faecal smears examined by autofluorescence microscopy (AM) compared to the flotation method (FV) using NaCl-sucrose solution and the combined sedimentation-flotation method (KSFV) using different flotation solutions (NaCl, ZnSO4, NaCl-sucrose) scanned by bright field microscopy. Moreover the expenditure of human labour by AM is considerably lower than FV and KSFV. The costs related to equipment for AM is justified in case of high sample throughput and by superior sensitivity. The enzyme immunoassay (EIA; ProSpecT® Cryptosporidium Microplate Assay) was the most sensitive method for diagnosis of cryptosporidiosis in calves (n = 103) compared to the carbol fuchsin (CF; HEINE 1981) and modified Ziehl-Neelsen (MZN; HENRIKSEN a. POHLENZ 1982) staining techniques. The sensitivity of the EIA was significantly higher than the MZN, if ten fields of view were scanned. 74 faecal samples of hedgehogs were examined with the EIA (ProSpecT®), an immunochromatographic method (FASTest® CRYPTO Strip), the MZN (HENRIKSEN u. POHLENZ (1981)) and a direct immunofluorescent assay (IFA; MERIFLUOR Cryptosporidium/Giardia). Cryptosporidium sp. were detected in 9 (EIA), 10 (FASTest®), 11 (MZN) und 12 (IFA) faecal samples. The hands on time of the FASTest® and CF is comparable to EIA while the IFA and MZN are more time-consuming. The examination of the FASTest®, IFA and EIA is combined with higher costs than the staining techniques, but they can be integrated in the work flow of a routine diagnostic laboratory easily and evaluation is simple. Moreover 45 faecal samples stored up to 27 days at different temperature (+6 °C, +16 °C, +30 °C, +40 °C) were examined to evaluate the influence of temperature on the results of EIA, CF and MZN. While the number of the positive samples of stained smears decreased in a temperature and time-dependent manner, the results of the EIA were not influenced by sample storage at any temperature, so that samples transported without cooling should be examined preferably by EIA. Nevertheless the CF due to its simplicity and low costs is suited for scanning of a high number of samples, if they were cooled continuously and examined within three days. The FASTest® is qualified for use in veterinary practice and stables, because the examination requires no microscope and the results are obtained immediately. The IFA, which can detect Crypotsporidium oocysts as well as Giardia cysts, is suited especially for faecal samples suspected to contain both protozoa. Cryptosporidial infections are very frequent in hedgehogs which are admitted for hibernation to hedgehog rehabilitation centres because of their insufficient body weight and weakness. Cryptosporidium spp. were detected in 29.8 % of 188 faecal samples of hedgehogs. The genotyping of Cryptosporidium spp. by PCR and RFLP-PCR based on the 18S ribosomal RNA gene were performed on 15 faecal samples of hedgehogs positive for Cryptosporidium spp. and suggested the presence of C. parvum in all samples. Multilocus sequence typing on partial 60 kDa glycoprotein gene, 18S rRNA gene, actine gene, 70 kDa heat shock protein gene sequences revealed 3 different subtype families: IIa, IIc and a new proposed as VIIa subtype family. Some of the Cryptosporidium oocysts excreted from hedgehogs are zoonotical (IIa subtype family) or anthropozoonotic(IIc subtype family). Thus hygienic measurements to avoid transmission are essential in hedgehog rehabilitation centres. The results of examination of 70 pooled faecal samples originating from 10 calves (SKP10) and 30 pooled faecal samples originating from 5 calves (SKP5) for detection of Eimeria spp. were compared with the arithmetic means of opg (oocysts per gram of faeces) counts of the respective single 10 or 5 samples. A low difference between both methods of less than 100 opg was significantly more frequently observed than higher differences. Low values of 202 opg and 122 opg were reliably detected in SKP10 und SKP5, respectively, and thus examination of pooled faecal samples appears to be suitably sensitive and cost effective to detect clinical and subclinical coccidiosis in calves. 51 faecal samples of horses were examined three times by KSFV for nematode eggs by taking aliquots from different locations of the same faecal samples (from the margin, from inside and from both locations). Thereafter the KSFV with the homogenisation of a larger amount of faeces was also carried out three times. The examination of samples from the different locations (each 10 g of faeces) delivered no evidence for accumulation of nematode eggs (strongyles and Parascaris equorum) in the faeces and thus the distribution of the nematode eggs appears sufficiently homogeneous in faecal samples of horses. Homogenisation of a larger amount of faeces did not improve the results of coproscopy. For diagnostic purposes 50 g faeces per sample should be shipped to the laboratory. The homogenisation of a larger amount of faeces before using a diagnostic method is dispensable, if aliquots of 10 g faeces are examined.