Molekulare Epidemiologie v. Pneumocystis carinii f. sp. suis

Pneumocystis (P.) spp. zählen zu den Pilzen und können in einer großen Anzahl von Säugetieren die Entstehung einer Lungenentzündung verursachen. Bei Mensch und Ratte wurde eine hohe Infektionsrate festgestellt, aber auch beim Schwein konnte Pneumocystis in 51% der Schweine mit Lungenentzündung und in 73% der Schweine ohne respiratorische Symptome nachgewiesen werden. Beim Menschen kann die Kolonisation der Lunge mit Pneumocystis zu verschiedenen potentiell wichtigen klinischen Effekten, wie zum Beispiel der Entstehung einer akuten Pneumonie, der Übertragung auf andere Menschen oder der Beteiligung an der Entstehung von Lungenkrankheiten führen. Die Schweinehaltung unterscheidet sich von Haltungsbedingungen anderer Tierarten dadurch, dass verschiedene Altersgruppen gemeinsam in einem Stall gehalten werden. Dieser Faktor fördert das Auftreten von polymikrobiell bedingten Krankheiten und gerade Atemwegserkrankungen verbreiten sich sehr leicht und stellen eine der wichtigsten Krankheitsursachen dar. Daten aus Voruntersuchungen zeigten, dass Pneumocystis ein förderlicher Kofaktor polymikrobiell bedingter respiratorischer Erkrankungen sein kann. Vor allem die Infektion von jungen Schweinen kann von wirtschaftlicher Bedeutung sein, da Entwicklungsdefizite, die früh im Leben auftreten, nur schwer ausgeglichen werden können. Derzeit ist das Genom von P. carinii f. sp. suis (im vorliegenden Antrag als P. suis bezeichnet) nahezu unbekannt. Durch die Sequenzierung des gesamten P. suis-Genoms werden nicht nur dessen Struktur, sondern auch Informationen über metabolische und andere biologische Eigenschaften verfügbar. Diese Daten können in weiterer Folge mit jenen von anderen Pneumocystis-Spezies verglichen werden. Die Charakterisierung des Genoms wird zu einem besseren Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Pneumocystis-Pneumonie beim Schwein beitragen und die Richtung für die Entwicklung neuer Strategien die Diagnose, Behandlung und Prävention betreffend vorgeben. Die Analyse von Proben aus verschiedenen Betrieben eröffnet die exzellente Möglichkeit zu untersuchen, ob unterschiedliche P. suis-Genotypen existieren. Außerdem können mögliche Assoziationen zwischen diesen Genotypen und der P. suis-Konzentration, dem Alter der Tiere, klinischen Symptomen und bestimmten Koinfektionen sowie die P. suis-Epidemiologie auf Herdenbasis evaluiert werden.

Pneumocystis-Spezies sind eine Gruppe ausgesprochen diverser opportunistischer Pilze, die an die Lungen einer Vielzahl von Säugetieren angepasst sind. Die Genomlandschaft von Pneumocystis (P.) carinii f. sp. suis (in diesem Abstract als P. suis bezeichnet) war völlig unbekannt, bevor wir dieses Projekt initiierten. Unser erstes Ziel war daher die Sequenzierung des Genoms von P. suis, um mithilfe des Vergleichs verschiedener Pneumocystis-Genome die genetischen Merkmale zu eruieren, die es dem Pilz ermöglichen, Schweine zu infizieren. In der Anfangsphase des Projekts stießen wir auf zwei wesentliche Hindernisse. Die infizierten Schweineproben enthielten nicht genügend P. suis-Organismen für die Sequenzierung. Außerdem waren alle Schweine mit mehreren genetisch unterschiedlichen Populationen infiziert, so dass es unmöglich war, ein homogenes Referenzgenom zu erstellen. Unser erster Versuch der Konstruktion des Genoms auf der Grundlage der Illumina-Sequenzierung resultierte in einer Genomchimäre. Wir wendeten einen anderen Ansatz an, der auf Nanopore-Technologie und Ad-hoc-Haplotyp-Phasing basierte, um eine Referenzgenomsequenz für mehrere P. suis-Populationen auf einmal zu erhalten. Eine vorläufige phylogenetische Analyse der aktuellen Daten deutet auf das Vorhandensein mehrerer hochgradig diverser P. suis-Spezies hin. Unser zweites Ziel war die Etablierung eines Verfahrens zur Genotypisierung von P. suis, um epidemiologische Untersuchungen des Pilzes zu erleichtern. Die Proben wurden an sechs Genomabschnitten typisiert. In allen untersuchten Proben wurden Koinfektionen mit einer genetischen Heterogenität von bis zu 20% festgestellt. Darüber hinaus unterschieden sich bei einigen Genen einzelne Nukleotide und es konnten sogar Subvarianten definiert werden. Auch bei Proben, die am selben Tag am selben Betrieb entnommen wurden, wurden Variationen der Genotypen beobachtet. Das dritte Ziel dieser Studie war es, die Epidemiologie von P. suis bei Schweinen in Verbindung mit anderen relevanten Atemwegserregern in österreichischen Betrieben zu untersuchen. Wir quantifizierten P. suis und 13 andere respiratorische Erreger in einer Kohorte von 50 Schweinen aus fünf österreichischen Betrieben mit einer Vorgeschichte von Atemwegserkrankungen zu fünf Zeitpunkten zwischen der ersten Lebenswoche und dem vierten Lebensmonat. Der Pilz war bereits in der Säugeperiode vorhanden, wenn auch in geringer Menge. Im Laufe der Zeit nahmen sowohl die P. suis-Menge als auch die Prävalenz (bis zu 88 % positive Tiere im dritten Lebensmonat) in jedem Betrieb zu. Auch die Prävalenz und Kombination der anderen respiratorischen Erreger unterschied sich im Laufe der Zeit erheblich. Die Ergebnisse von Sequenzierung und anschließender Genotypisierung von P. suis deuten auf einen heterogenen Organismus hin, der das ohnehin bereits komplexe respiratorische Koinfektonsszenario beim Schwein noch verkomplizieren könnte.