Phänotypische und genetische Parameter ausgewählter klinischer und klinisch-chemischer Merkmale zur Charakterisierung der Resistenz gegenüber Sarcocystis miescheriana im F2-Modell beim Schwein

Abstract

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Beschreibung von klinischen und klinisch-chemischen Parametern bei F2-Kreuzungstieren (F2) der Rassen Meishan (ME) und Pietrain (PI) unter Einfluss einer S. miescheriana - Infektion und die Charakterisierung der Erblichkeit der Empfindlichkeit/Resistenz gegenüber der Sarkozystose. Um dieser Fragestellung nachzugehen wurden 139 F2-Tiere mit einer Dosis von 50.000 Sporozysten infiziert und in regelmäßigen Abständen klinisch untersucht. Die Blutprobennahmen fanden in zweiwöchigem Abstand statt. Neben dem Allgemeinbefinden, der Körpertemperatur, der Herz- und Atemfrequenz wurden ausgewählte Parameter des roten und weißen Blutbildes, Serumelektrolyte und -enzyme sowie Blutgase erfasst. Am 70. Tag p. i. wurden die Merozoiten im Musculus longissimus dorsi (M.l.d.) und im Herzmuskel ausgezählt. Für alle Merkmale wurden die physiologischen Werte jeden Tieres während eines Zeitraums von 1 Woche vor Versuchsbeginn aufgezeichnet, so dass jedes Tier als seine eigene Kontrolle dienen konnte. Weitere 12 F2-Schweine wurden als nicht infizierte Kontrolltiere mitgeführt. Zum direkten Vergleich erfolgte auch eine Infektion von je 4 reinrassigen ME- und PI-Schweinen. Hinsichtlich der eingangs aufgeführten Fragestellung ergeben sich somit folgende Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Im Wesentlichen können die bereits bekannten Aspekte der S. miescheriana - Infektion bestätigt werden. Auch nach geringgradigem Befall mit S. miescheriana kommt es zum klinischen Bild, geprägt durch Fieber in den Zeiträumen 12.-14. Tag p. i. sowie bei Pietrain und einigen F2-Tieren zusätzlich in der 6. Woche p. i.. Zusätzlich werden abnehmende Herzfrequenzen zu diesen Terminen beobachtet. Der Fiebergrad in der akuten Phase ist eng mit der am Ende realisierten Merozoitenzahl korreliert. Als Folge der Schizogonien im akuten Stadium der S. miescheriana - Infektion stellt sich eine ausgeprägte Thrombozyten-Reduktion ein, ohne dass allerdings die Werte in den pathologischen Bereich absinken. Drastische Verschiebungen im weißen Blutbild führen zu einer Neutrophilie mit stabkernigen Granulozyten und zu einer Eosinophilie. Je stärker die stabkernigen Granulozyten zunehmen, desto effektiver die Abwehr und desto weniger Merozoiten finden sich später in der chronischen Phase in der Muskulatur. Das gleiche gilt auch für die Eosinophilen. Die Werte der AP nehmen deutlich ab, während die Bilirubin und Kreatinin-Werte ansteigen. Die erstmals im Zusammenhang mit der Sarkozystose durchgeführten Untersuchungen zum Verlauf der Bilirubin-, Kreatinin- und AP-Spiegel bestätigen die körperliche Belastung, die sich bei den infizierten Schweinen unter der akuten Sarkozystose einstellt. Während der Muskelphase im chronischen Stadium der S. miescheriana-Infektion bleibt die Eosinophilie bestehen und eine Basophilie kommt hinzu. Lymphozyten und Neutrophile streben wieder ihren Ausgangswerten zu, wobei dieser Effekt unter starkem genetischem Einfluss steht. AST und CK sind erhöht, die AST-Werte überschreiten im Durchschnitt den physiologischen Bereich. Die CK-Werte stehen in dieser Zeit unter deutlichem genetischem Einfluss. Auch die Kalium-, pH- und pCO2-Werte steigen in dieser Phase als Ausdruck der ungünstigen Stoffwechsellage deutlich an. Die in den Vorversuchen (REINER et al., 2002a) gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich Rassenunterschiede bezüglich der Resistenz/Empfindlichkeit gegenüber der Sarkozystose bei Meishan- und Pietrain-Schweinen konnten in der vorgelegten Arbeit bestätigt werden. Die Unterschiede zwischen den Ausgangsrassen führten zu erheblichen Variabilitäten zahlreicher Einzelmerkmale bei den F2-Tieren. Genetische Komponenten an der Variabilität der Merkmale lassen sich vor allem für die Zahl der Merozoiten pro g Muskulatur, die aufgrund der Sarkozystis-Infektion gebildet werden, nachweisen. Heritabilitäten zwischen 0,5 und 1,0 bestätigen eindrucksvoll die vermutete genetische Basis der Resistenzunterschiede gegenüber S. miescheriana der Ausgangsrassen Meishan und Pietrain und verifizieren das vorgeschlagene Krankheitsmodell. Hohe h2-Werte sprechen für die Beteiligung günstigerer und ungünstigerer Allele an der Variabilität von Merkmalen. Hohe Heritabilitäten vor der Infektion (d-7 bis d0) konnten für Herzfrequenz (0,5 1,0), Anisozytose (0,94) und Polychromasie (1,0), stabkernige Granulo-zyten (0,69), lgCK (0,43), Laktat (0,51), K+ (0,4), Ca2+ (0,35), HCO3- (0,42), BE (0,41) und O2sat (0,42) geschätzt werden. Die zugrunde liegenden Gene scheinen demnach an der Variabilität der F2-Tiere unabhängig von der Sarkozystis - Infektion beteiligt zu sein. Die additiv-genetische Variabilität spiegelt zum Teil die Unterschiede zwischen den Ausgangsrassen wieder. Zum Zeitpunkt der akuten Sarkozystose an d12 bis d14 wiesen die Parameter Atemfrequenz (0,5), Polychromasie (0,57), Poikilozytose (0,3), stabkernige Granulozyten (0,47), eosinophile Granulozyten (0,43), AP (0,49), AST (0,55), lgCK (0,35), Na+ (0,35), Ca2+ (0,59), Kreatinin (0,67) und Bilirubin (0,24) mittlere bis hohe Heritabilitäten auf. Die Veränderung gegenüber der Situation vor Infektionsbeginn können also teilweise auf unterschiedliche, von den Ausgangsrassen ererbte Allele zurückgeführt werden, die den Verlauf der Sarkozystose und damit die Resistenz/Empfindlichkeit der einzelnen Schweine beeinflussen. Besonders erwähnenswert sind dabei die Gehalte an eosinophilen Granulozyten und der stabkernigen Granulozyten. Als Folge der durch diese Gene initiierten, bislang unbekannten Abwehrprozesse zeigt sich eine signifikante additiv-genetische Variabilität in Merkmalen, die die Belastung des Organismus beschreiben, wie z.B. AP, AST, CK, Bilirubin und Kreatinin. Entsprechendes gilt für die chronische Phase der Sarkozystose, für die mittlere bis hohe Erblichkeiten für die Herzfrequenz (1,0), Leukozyten (0,36), stabkernige Granulozyten (0,49), AP (0,55), lgCK (0,54), Na+ (1,0), Ca2+ (0,9), pH-Wert (0,34) und BE (0,42) festgestellt wurden. Die hohe additiv-genetische Variabilität der Merozoitenzahlen, die am Tag 70 p. i. in der Muskulatur nachweisbar war und die auf standardisierte 50.000 Sporozysten als Infektionsdosis zurückgeht, belegt und quantifiziert zusammen mit den entsprechenden Werten anderer die Sarkosporidieninfektion charakterisierender Parameter die Erblichkeit der Resistenz/Empfindlichkeit gegenüber S. miescheriana bei Schweinen auf Basis der epizootiologisch differierenden Rassen Meishan und Pietrain. Die Ergebnisse sprechen für das Vorliegen unterschiedlich günstiger Allele, deren zukünftige molekulare Charakterisierung zu einer Verbesserung des Verständnisses von Sarkosporidieninfektionen und eventuell zur markergestützten Selektion beim Schwein als Prophylaxemaßnahme führen könnte. The present study describes clinical and clinical-chemical parameters of F2-crossbred animals derived from the chinese breed Meishan (ME) and european Pietrain (PI) with and without challenge with S. miescheriana and heritabilities of those parameters and susceptibility/resistance to a S. miescheriana-challenge. 139 F2-animals were infected with a dose of 50.000 sporocysts and examined regularly. Blood sampling was done at intervals of 2 weeks. Beside the general condition, rectal temperature, heart- and breathing rate, parameters of the red and white blood cell count, serum electrolytes and serum enzymes as well as blood gases were collected. On day 70 p. i. M. longissimus dorsi (M.l.d.) and heart were analysed for numbers of merozoites. For all characteristics the physiological parameters of each animal were mapped during a one-week-period before the beginning of the experiment, so that each animal could serve as its own control. Another 12 F2-pigs were carried along as non-infected controls. For direct comparison 4 purebred ME- and PI-pigs were challenged additionally. The following results and conclusions were obtained: The already known aspects of the S. miescheriana-infection can be basically acknowledged. Even a mild infection with S. miescheriana results in clinical signs, shaped by a first fever peak at days 12-14 p. i. and a second fever peak in Pietrain and some F2-animals at the 6th week p. i.. Additionally at these times decreased heart rates are noticed. The fever rate in the acute phase is closely correlated with the number of merozoites in skeletal muscle. As a result of the schizogonies during acute phase of S. miescheriana-infection, a distinctive reduction of platelets becomes evident, while values do not exceed the physiological range of this parameter. Dramatic displacements in white blood cell counts demonstrate neutrophilia, characterized by unsegmented granulocytes as well as eosinophilia. The stronger the unsegmented granulocytes and eosinophiles increase, the more effective the defense and the less merozoites can be found in skeletal muscle in the end of the study. Alkaline phosphatase (AP) decreases clearly, whereas bilirubin and creatinine show an increase due to challenge. Courses of bilirubin, creatinine and AP-level were accomplished for the first time in connection with sarcocystiosis and confirm the physical strain that develops in infected pigs under acute exposure. During the muscle phase in the chronic stage of the S. miescheriana-infection, eosinophils persist and basophiles increase too. Lymphocytes and neutrophils tend to their basic values. This effect seems to be under strong genetic influence. AST and CK increase, AST-values passing on average the physiological range. CK-values are obviously under genetic influence during this phase. As a term of the adverse metabolic state, the potassium-, pH- and pCO2-values increase dramatically during chronic sarcocystosis. Results regarding breed differences in resistance/susceptibility to S. miescheriana between Meishan and Pietrain, gained from the preliminary study of REINER et al. (2002a), could be confirmed in the present study. Differences between founder breeds caused considerable variability in numerous traits obtained from F2-animals. Genetic components of this variability can primarily be verified by the rate of merozoites per Gramm of skeletal muscle tissue. Heritabilities between 0.5 and 1.0 prove imposingly the presumed genetic basis of differing resistance/susceptibility to S. miescheriana, verifying the recommended disease model. High h2-values argue for the contribution of beneficial and adverse alleles on the variability of susceptibility. High heritabilities were also estimated for heart rate (0.5 1.0), anisocytosis (0.94) and polychromasia (1.0), unsegmented granulocytes (0.69), lgCK (0.43), lactate (0.51), K+ (0.4), Ca2+ (0.35), HCO3- (0.42), BE (0.41) and O2sat (0.42) before infection (d-7 until d0). The underlying genes seem to be involved in the variability of the F2-animals independent of S. miescheriana-infection. The additive-genetic variability partly reflects the differences among founder breeds. At the time of acute Sarcocystis-infection (d12-d14) breathing rate (0.5), polychromasia (0.57), poikilocytosis (0.3), unsegmented granulocytes (0.47), eosinophile granulocytes (0.43), AP (0.49), AST (0.55), lgCK (0.35), Na+ (0.35), Ca2+ (0.59), creatinine (0.67) and bilirubin (0.24) showed medium to high heritabilities. The alteration compared with the situation before the onset of infection could partly be attributed to different alleles inherited from the founder breeds that influence the process of Sarcocystis-infection, and therefore the resistance of each pig. Particularly, the concentrations of eosinophile granulocytes and unsegmented granulocytes must be mentioned. As a result of the so far unknown defense processes initiated from the genes of interest, it shows a significant additive-genetic variability of the traits that characterise the strain of the organism e.g. AP, AST, CK, bilirubin and creatinine. The same is true for the chronic phase of sarcocystiosis, for that medium to high heritabilities of the heart rate (1.0), leukocytes (0.36), unsegmented granulocytes (0.49), AP (0.55), lgCK (0.54), Na+ (1.0), Ca2+ (0.9), pH-value (0.34) and BE (0.42) were determined. High additive-genetic variability of merozoite numbers in muscle tissues, that were derived from a standardised challenge with 50.000 sporocysts, document and quantifie, along with further parameters of Sarcocystis-infection, the heritability of resistance to S. miescheriana in pigs on the basis of the epizootiologically differing breeds Meishan and Pietrain. The results argue for the existence of different favourable alleles, whose future molecular characterisation could lead to an enhancement of the understanding of protozoa-infections and possibly to marker-assisted selection in swine disease prophylaxis.