Mikrogameten des Schweinekokzids Cystoisospora suis

Einzellige Parasiten aus der Gruppe der Kokzidien sind bedeutende Krankheitserreger bei Mensch und Tier. Bei Schweinen parasitiert als Vertreter dieser Gruppe Cystoisospora suis im Dünndarm von Ferkeln und kann zu schweren Verdauungsstörungen führen. Diese Parasiten vollziehen eine komplizierte Entwicklung in ihrem Wirt, wobei zunächst eine Vermehrung durch Vielteilung erfolgt, die von einer geschlechtlichen Entwicklung gefolgt ist, bei der unterschiedliche Stadien entstehen, die kleinen, beweglichen Mikrogameten und die größeren, unbeweglichen Makrogameten. Die Bildung und Verschmelzung dieser Stadien ist eine Voraussetzung für die Vollendung des Lebenszysklus des Parasiten, allerdings ist über diese letzte Phase wenig bekannt. Mittels bildgebender, molekularbiologischer und proteinbiochemischer Methoden soll die Reifung und Verschmelzung der Gameten näher untersucht werden, um parasiteneigene Proteine, die nur in dieser Entwicklungsphase gebildet werden, zu finden und zu charakterisieren. Um diese Stadien und ihre Entwicklung auf Zellebene darzustellen und zu untersuchen, steht ein Zellkultursystem zur Verfügung, in dem die vollständige Entwicklung von Cystoisospora suis in Dünndarm-Zellen stattfindet, was die Beobachtung und Analyse der Gameten und ihrer Verschmelzung erlaubt. Dieser biologische Prozess ist auch für verwandte Erreger unverzichtbar in der Entwicklung, so dass deren genauere Beschreibung nicht nur neue Kontrollstrategien gegen Cystoisospora suis, sondern auch gegen andere Parasiten wie Toxoplasma gondii, einen wichtigen Krankheitserreger des Menschen, verspricht. Um die Parasitenstadien genauer zu analysieren werden sie in der Zellkultur vermehrt, isoliert, von den Wirtszellen abgetrennt und mittels RNA-Analyse der Genexpression und Proteinanalysen mittels bioinformatischer Methoden und mit Massenspektrometrie sowie bildgebender Techniken (konfokale Lasermikroskopie) charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Analyse der Mikrogameten. Sobald Mikrogameten-spezifische Proteine definiert sind, werden diese funktionell eingehender charakterisiert, indem sie mittels immunologischer Methoden daran gehindert werden, die Makrogameten zu befruchten, womit eine Weiterentwicklung der Parasiten in der Zellkultur verhindert werden soll. Dieses Projekt stellt einen wichtigen Schritt zur Erforschung der Zell- und Entwicklungsbiologie der Kokzidien dar und ermöglicht die Definition spezifischer neuer Angriffspunkte für die Infektionsvermeidung mit Kokzidien, speziell Cystoisospora suis beim Schwein.

Porzine Cystoisosporose, eine gastrointestinale Erkrankung von Saugferkeln, verursacht durch den einzelligen Parasiten Cystoisospora suis, betrifft Schweinezuchtbetriebe weltweit. Trotz seiner globalen Verbreitung sind wenig Einzelheiten des Lebenszyklus' dieses Parasiten bekannt, die Hinweise auf Interventionsziele für die Anwendung von Medikamenten oder Impfstoffen liefern könnten. In diesem Projekt haben wir ein Zellkulturformat entwickelt, um alle Entwicklungsstadien des Parasiten im Labor zu vermehren, und anschließend speziell die sexuell differenzierten Stadien (Gamonten und Gameten) analysiert, die ein sogenanntes Nadelöhr für die Parasitenentwicklung darstellen, da die Population während dieser Entwicklung sehr klein ist. Diese bestehen aus Makrogameten, den "weiblichen" Stadien, die groß und unbeweglich sind, und den begeisselten, sehr mobilen "männlichen" Stadien, den Mikrogameten. Diese Stadien sind typisch für Parasiten aus dem Protozoen-Stamm der Apicomplexa und bilden die Grundlage für deren genetische Vielfalt durch sexuelle Fortpflanzung; sie sind jedoch schlecht charakterisiert, da sie nur vorübergehend für kurze Zeit und in begrenzter Zahl vorhanden sind. Wir konnten zeigen, dass die Gameten von C. suis im Labor fusionieren und umweltbeständige Übertragungsstadien, Oozysten, bilden, und dass diese Bildung durch Antikörper unterbrochen werden kann, die gegen spezifische Proteine prä-sexueller und sexueller Stadien des Parasiten gerichtet sind. Um zu testen, ob die Impfung von Schweinen mit diesen Antigenen auch die Entwicklung des Parasiten im Schweinewirt unterbrechen könnte, impften wir trächtige Sauen und infizierten experimentell deren Nachkommen. Die in der Muttermilch enthaltenen Antikörper wurden unmittelbar nach der Geburt auf die Ferkel übertragen und konnten die Ferkel vor den Folgen einer experimentellen C. suis-Infektion, d.h. Parasitenausscheidung und Gewichtsverlust, schützen. Dieses Projekt führte uns von der Entschlüsselung der -Omics der Entwicklungsbiologie von C. suis zur Anwendung der Grundlagenforschung für erste Schritte hin zu einem veterinärmedizinischen Anti-Parasiten-Impfstoffs. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass nicht nur zelluläre, sondern auch sezernierte Proteine sowie Lipide, die in Vesikeln von der Oberfläche des Parasiten abgegeben werden, eine stadienspezifische Zusammensetzung aufweisen und sowohl der Kommunikation mit dem Wirt und auch intra-spezifischer Zellkommunikation, z.B. zwischen Makro- und Mikrogameten, dienen können, um deren Interaktion zu erleichtern. Die Ergebnisse dieses Projekts führten zu mehreren begutachteten Publikationen in internationalen Fachzeitschriften und zu einem Patent auf die Anti-C. suis-Impfung von Schweinen und zu neuen Forschungsfragen zur Biologie von C. suis und seinem nächsten Verwandten, Toxoplasma gondii, dem weltweit am häufigsten vorkommenden Parasiten beim Menschen. Im Gegensatz zu C. suis kann T. gondii im Labor nicht in seinem gesamten Entwicklungszyklus vermehrt werden, weshalb C. suis als alternativer Organismus zur Ergänzung der T. gondii-Forschung dienen kann, da er unter Laborbedingungen unter Verwendung einer begrenzten Anzahl von Tierversuchen studiert werden kann.