In-vitro-Koinfektionsstudien mit Toxoplasma gondii und Eimeria tenella in primären Hühnermakrophagen
Institut für Parasitologie der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig
Eingereicht im Feburar 2020
91 Seiten, 3 Publikationen, 2 eingreichte Manuskripte, 17 Abbildungen, 5 Tabellen, 188 Literaturangaben
Schlüsselwörter: Toxoplasma gondii, Eimeria tenella, Koinfektion, Makrophagen, in vitro, Wirt-Parasit-Interaktion, Parasitenwachstum, Wirtsimmunantwort, Cell-imaging
Einleitung: Toxoplasma gondii und Eimeria tenella sind intrazelluläre apikomplexe Parasiten, die in Hühnern weit verbreitet sind. Während Infektionen mit dem zoonotischen Erreger T. gondii beim Geflügel im Allgemeinen subklinisch verlaufen, kann E. tenella in Hühnerbeständen schwere Erkrankungen und wirtschaftliche Verluste verursachen. Aufgrund der hohen Seroprävalenz beider Parasiten bei Hühnern sind Koinfektionen wahrscheinlich. Hühnermakrophagen sind wichtig für die Wirtsimmunantwort gegen diese beiden Protozoen. Es ist jedoch wenig über die Wirt-Parasit- sowie Parasit-Parasit-Interaktion in Hühnermakrophagen während einer Koinfektion bekannt.
Ziele der Arbeit: Ein geeignetes In-vitro-Koinfektionsmodell für T. gondii- und E. tenella-Infektionen in primären Hühnermakrophagen wurde erstellt und angewendet, um die Makrophagenantwort auf beide Parasitenarten und Koinfektionen zu untersuchen.
Tiere, Material und Methoden: Von Monozyten abgeleitete Makrophagen wurden aus Hühnerblut isoliert und aufgereinigt. Eine Koinfektion mit zwei Tachyzoiten des RH-Stammes von T. gondii und zwei Sporozoiten des E. tenella-Houghton-Stammes pro Zelle wurde gleichzeitig oder nacheinander in vitro durchgeführt. Morphologische Veränderungen der Makrophagen und die Parasitenentwicklung wurden mittels Konfokalmikroskopie (CLSM) 2, 6, 12, 24, 48 und 72 Stunden nach Infektion (hpi) visualisiert. Die Parasitenvermehrung wurde evaluiert, indem die Expression des 529-bp-Fragments von T. gondii und des ITS-1-Genfragments von E. tenella durch qPCR bewertet wurden. Die Makrophagen-Phagozytose wurde durch Exposition gegenüber pH-sensitiven fluoreszierenden Biopartikeln stimuliert und durch ein dreidimensionales Modell unter Verwendung von CLSM und Imaris®-Software 2, 6, 12 und 24 hpi quantifiziert. Weiterhin wurden während der Infektion relevante Zytokine (IL-6, IL-10, IL-12, iNOS, TNF-α und IFN-γ) durch Genexpressionsanalyse 24, 48 und 72 hpi untersucht. Zusätzlich wurden die Zellinvasion durch und das Überleben von T. gondii im Verlauf einer sequentiellen Infektion evaluiert, indem Makrophagen zuvor der Infektion mit E. tenella ausgesetzt waren. Die Motilität invasiver Tachyzoiten wurde innerhalb von 20 hpi durch Live-Cell-Imaging verfolgt.
Ergebnisse: Die Makrophagen zeigten eine deutliche immunologische Reaktion und Phagozytoseaktivierung ab 2 hpi. Signifikante Veränderungen der Morphologie mit erhöhter Zellvakuolisierung und -ablösung wurden ab 24 hpi während der Koinfektion beobachtet. Bei zuvor E. tenella-exponierten Makrophagen fiel auf, dass T. gondii bei hoher Motilität über 4 Stunden an der Makrophagenmembran anhaftete, bevor es zu einer Penetration kam. Ab 24 hpi vermehrten sich T. gondii in koinfizierten Makrophagen besser als E. tenella. Eine Koinfektion hemmte die Phagozytoseaktivität von Makrophagen nach 2 hpi erheblich, so dass Biopartikel nicht aufgenommen wurden (12 hpi). Mittels qPCR wurde gezeigt, dass bei sequenzieller Koinfektion 2 hpi circa 4-fach weniger T. gondii überlebten als bei Monoinfektion (P < 0,05). Die Anzahl beider Parasiten nahm während der simultanen Koinfektion zu, aber bei der sequentiellen Koinfektion war die Vermehrung von T. gondii im Vergleich zur Monoinfektion bis 24 hpi auf etwa die Hälfte reduziert. Bis 72 hpi verdoppelte sich die Anzahl von E. tenella, während T. gondii bei Koinfektion in diesem Zeitraum auf dem gleichen Niveau wie 48 hpi blieb. Die mRNA-Expression von iNOS (48 hpi), TNF-α (72 hpi) und von IL-10 (48 hpi und 72 hpi) war während der Koinfektion im Vergleich zur E. tenella Monoinfektion signifikant (P < 0,05) erhöht.
Schlussfolgerungen: In dem Koinfektionsmodell wurde eine Interaktion zwischen T. gondii und E. tenella beobachtet. Zusätzlich zu den morphologischen Veränderungen und der Phagozytosehemmung der Makrophagen unterschieden sich die Parasitenvermehrung sowie die Zytokinexpression zwischen Koinfektion und Monoinfektion. E. tenella beeinträchtigt das aktive Eindringen von T. gondii in Wirtszellen, wie dies erfolgt, ist derzeit noch nicht geklärt. / In vitro co-infection studies on Toxoplasma gondii and Eimeria tenella in primary poultry macrophages
Institute of Parasitology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig
Submitted in February 2020
91 pages, 3 publications, 2 submitted manuscripts, 17 figures, 5 tables, 188 references
Keywords: Toxoplasma gondii, Eimeria tenella, co-infection, macrophages, in vitro, host-parasite interaction, parasite growth, host immune response, cell imaging.
Introduction: Toxoplasma gondii and Eimeria tenella are intracellular apicomplexan parasites that are widely distributed in chicken. Whereas infections with the zoonotic pathogen T. gondii are generally subclinical in poultry, E. tenella may cause severe disease and economical loss in chicken herds. Due to the high seroprevelences with both parasites in chicken, co-infections are likely to exist. Chicken macrophages are essential in the host innate immune response against these two protozoa. However, little is known about the host-parasite and parasite-parasite interaction in chicken macrophages during co-infection.
Objectives: A suitable in vitro model for both T. gondii and E. tenella infection in chicken primary macrophages was established and applied to study the course of infection in mono- or co-infection.
Animals, materials and methods: Monocyte-derived macrophages were isolated and purified from chicken blood. Co-infection with two T. gondii RH strain tachyzoites and two E. tenella Houghton strain sporozoites per cell were performed simultaneously or sequentially in vitro. Morphologic alterations of macrophages and parasite development were visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) at 2, 6, 12, 24, 48 and 72 hours post infection (hpi). Parasite growth was evaluated by assessing expression of the 529-bp fragment of T. gondii and ITS-1 gene fragment of E. tenella by qPCR in parallel. Macrophage phagocytosis was stimulated by exposure to pH sensitive fluorescent bioparticles and quantified by a three-dimensional model using CLSM and Imaris® software at 2, 6, 12 and 24 hpi. Furthermore, infection-related cytokines (IL-6, IL-10, IL-12, iNOS, TNF-α and IFN-γ) were evaluated by gene expression analysis at 24, 48, 72 hpi. The course of sequential infection was evaluated to determine cell invasion and survival of T. gondii in macrophages previously exposed to E. tenella sporozoites. Motility of invasive stages was tracked at the early phase of infection (within 20 hpi) by real time life cell imaging.
Results：By cell imaging, macrophages displayed distinctly immunologic activation and phagocytosis at 2 hpi and thereafter. Significant changes of morphology with increased cell vacuolation and detachment were observed on 24 hpi during co-infection. T. gondii tachyzoites adhered for more than 4 hours to host cells displaying high motility instead of cell entry during the early sequential co-infection. However, T. gondii showed better replication than E. tenella in co-infected macrophages from 24 hpi onwards. Co-infection caused inhibition of phagocytosis by macrophages and bioparticles were not incorporated into co-infected cells at 12 hpi by CLSM. By qPCR, it was shown that approximately 4-fold less T. gondii survived in sequentially co-infected cultures at 2 hpi as compared to mono-infection (P < 0.05). Replication of both parasites increased during simultaneous co-infection whereas only half numbers of replicated T. gondii was found in sequential co-infection compared to mono-infection at 24 hpi. At the end of the study period (72 hpi), E. tenella multiplication tended to double increase while T. gondii replication was not distinctly altered during co-infection compared to 48 hpi. Expression of mRNA for iNOS at 48 hpi, for TNF-α at 72 hpi and for IL-10 at 48 and 72 hpi was significantly elevated during co-infection compared to mono-infection (P < 0.05).
Conclusions：Mutual interaction between T. gondii and E. tenella were observed in the selected co-infection model. Increased macrophage stress may explain vacuolization and phagocytosis inhibition. In addition to morphologic alterations of macrophages, cytokine up/down- regulation differed between co-infected and mono-infected macrophage cultures. It appears that E. tenella, impairs the active penetration of T. gondii into host cells which deserves further study. The established in vitro infection model may serve to investigate host immune response of macrophages to diverse intracellular pathogens that infect chicken.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:71473 |
| Date | 10 July 2020 |
| Creators | Zhang, Runhui |
| Contributors | Daugschies, Arwid, Joachim, Anja, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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