Mycoplasma bovis - GV

39. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 14. - 15. September 2010, Berlin
Wie viel Mensch ist die Maus?
- Chancen von Nutztiermodellen PD Dr. Dr. Petra Reinhold
Kontakt:
[email protected]
03641 – 804 2269
Jena
Institut für Molekulare Pathogenese
Tierversuchszahlen: 2.692.890 (2008)
20.000
1.8 Mio
18.000
1.6 Mio
16.000
1.4 Mio
14.000
1.2 Mio
12.000
1.0 Mio
10.000
800.000
8.000
600.000
6.000
400.000
4.000
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2.000
200.000
[Quelle: BMELV]
Frage 1
Weshalb werden ungleich mehr
Mäuse als andere Tierarten in der
medizinischen Forschung eingesetzt ?
Die übliche Meinung ….
PROS
CONS
genetisch charakterisiert
& gentechnisch verändert
genetisch heterogen
immunologische Tools
wenig immunologische Kits
geringe Reproduktionszeit
Repr.dauer×/ NachkommenØ
Daten schnell verfügbar
zeitaufwändig
[und publizierbar… !]
[Projektlaufzeit vs. Dauer Experiment]
kostengünstig
Kosten ×
einfache Handhabung
ethische Akzeptanz Ø
Die übliche Meinung ….
„Laut Tierschutzgesetz muss der Experimentator
die am niedrigsten entwickelte Spezies auswählen … „
Tierschutzgesetz §9 (2)
¾ Tierversuche sind auf das unerlässliche Maß zu beschränken.
¾ Bei der Durchführung ist der Stand der wissenschaftlichen
Erkenntnisse zu berücksichtigen.
1. Versuche an sinnesphysiologisch höher entwickelten Tieren,
insbesondere warmblütigen Tieren, dürfen nur durchgeführt werden,
soweit Versuche an sinnesphysiologich niedriger entwickelten Tieren
für den verfolgten Zweck nicht ausreichen.
2. Für den Tierversuch dürfen nicht mehr Tiere verwendet werden, als für
den verfolgten Zweck erforderlich ist.
Die aktuelle Situation ….
Last 20 years, emphasis on basic science & molecular biology
rather than whole organ physiology, leading to a lack of
¾ funding
¾ expertise
¾ education
¾ understanding
¾ enthusiasm
[Coates & Bush (2003) Ped. Pulm 36:175-177 ]
Consequence: major pitfalls in physiological research… !
“There is an urgent need to revitalize
physiological & pathophysiological research” .
Frage 2
Welche Relevanz haben aus
Mausmodellen abgeleitete Informationen ?
Die kritische Meinung ….
“Unexpected results and the failure to translate reductionistic
hypotheses into the biological reality of humans have shown
that
Î oversimplification of biological complexity is
becoming a problem in medical research
Î there is an urgent need to re-open the area of
functional research in complex biological systems”
[Walker M.J.A.: Functionalism still has a significant role in drug discovery and
biomedical research. ERS-Congress 2007 - oral presentation]
Vereinfachung versus biologische Komplexität ?
Die kritische Meinung ….
“… the use of inexpensive and convenient animal models
with vast ‘tool-kits’ cannot compensate for biological
irrelevance.”
“Animal research that focuses excessively on one laboratory
species will not succeed to transfer information from basic
discovery to clinical application.”
[Hein & Griebel (2003) Nat. Rev. Immunol. 3: 79-84]
Biologische Relevanz ?
Die kritische Meinung ….
“There is, however, no model in smaller laboratory animals that
demonstrates both chronic remodelling and long-term AHR …”
“… current models of asthma are limited by their lack of
chronicity which must be taken into account when interpreting
results of mechanistic and interventional studies before
extrapolating the findings to humans.”
Persistenz & Chronizität ?
Frage 3
Wieviel Mensch ist die Maus
?
The Journal of Immunology 2004, 172: 2731-2738
Immunbiologie
Mensch
Maus
leukozytäres Blutbild
(30-70 % neutrophile Granulozyten;
30-50 % Lymphozyten)
lymphozytäres Blutbild
(10-25 % neutrophile Granulozyten;
75-90 % Lymphozyten)
neutrophile Granulozyten bilden
Defensine (= antimikrobielle Peptide)
keine Defensin-Expression in
neutrophile Granulozyten
Interleukin-8 (IL-8) ist bedeutender
Faktor in Entzündungsantwort
Il8-Gen nicht vorhanden
iNOS Induktion in Makrophagen
durch IFN-αβ, IL-4+ anti-CD23,
(sowie evtl. weitere Zytokine)
iNOS (inducible NO synthase)
Induktion in Makrophagen durch
IFN-γ und LPS
Insgesamt bislang > 80 bekannte Unterschiede zwischen Maus und Mensch
bzgl. der angeborenen und adaptiven Immunantwort ! [Mestas & Hughes 2004]
Genetik
~ 30 000 Gene
~ 30 000 Gene
99 % verwandt
(Stand 2002)
Genomanalyse 2009
19 042 Gene
20 210 Gene
( 80 % )
nur 15 178 Gene
sind funktional
verwandt
( 75 % )
So richtig ähnlich sind sich Mensch und Maus nicht, dennoch sind die Nager die
wichtigsten Labortiere für die Erforschung menschlicher Krankheiten.
US-amerikanische, schwedische und britische Forscher haben nun das Erbgut
von Mäusen erneut und viel exakter entziffert – und mit dem des Menschen
verglichen ...
(Tagesspiegel vom 27.05.2009)
Genomanalyse 2009
19 042 Gene
~ 22 000 Gene
auch bei anderen
Säugetieren
vorkommend
( ~ 80 % )
2009 Apr 24; 324(5926): 522-528
The genome sequence of taurine cattle:
a window to ruminant biology and evolution
Bovine Genome Sequencing and Analysis Consortium
Genomanalyse 2009
19 042 Gene
~ 22 000 Gene
auch bei anderen
Säugetieren
vorkommend
( ~ 80 % )
… ein Genomvergleich zeigte, dass das Rindergenom dem menschlichen
Erbgut wesentlich ähnlicher sei als dem Erbgut von Mäusen oder Ratten.
Im Verlaufe der Evolutionsgeschichte . . . hätten Rinder im Vergleich zum
Menschen mehr Schutzgene gegenüber Krankheitserregern entwickelt; dies
könne bei der Erforschung menschlicher Krankheiten Bedeutung gewinnen.
(Deutsches Tierärzteblatt 6/2009; 819-820)
Are pigs more human than mice?
Elferink & Beuers: J. Hepatol. 2009, 50: 838-841
Cystic Fibrosis (Mukoviszidose)
Erbkrankheit, bei der durch einen genetischen Defekt
die Sekrete von exokrinen Drüsen verdickt sind.
•
•
•
•
•
Lunge: Verlegung der Bronchien mit zähflüssigem Schleim
Magen-Darm-Trakt: Verdickung des Darminhaltes
Bauchspeicheldrüse: Verstopfung der Ausführungsgänge
Galle: Verstopfung der Gallengänge.
Samenleiter: Verklebung und Verödung der Samenleiter
Das Mukoviszidose-Gen (CFTR-Gen für cystic fibrosis
transmembrane regulator) wurde 1989 entdeckt.
Are pigs more human than mice?
Elferink & Beuers: J. Hepatol. 2009, 50: 838-841
Rogers et al.: Science. 2008, 321(5897):1837-41.
• Mice with a disrupted CFTR gene have greatly facilitated CF studies, but the
mutant mice do not develop the characteristic manifestations of human CF,
including abnormalities of the pancreas, lung, intestine, liver, and other organs.
• Newborn pigs lacking CFTR exhibited defective chloride transport and
developed meconium ileus, exocrine pancreatic destruction, and focal biliary
cirrhosis, replicating abnormalities seen in newborn humans with CF.
• The pig model may provide opportunities to address persistent questions about
CF pathogenesis and accelerate discovery of strategies for prevention and
treatment.
Chancen von ‘domestic animal models’
‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion:
Ähnlichkeiten in der Pathogenese
Langzeitstudien:
Mechanismen von Persistenz & Chronizität
Diagnostische Verfahren aus Humanmedizin sind direkt
anwendbar (Vergleichbarkeit der Daten)
Intra-individuelle Erfassung von funktionellen,
inflammatorischen und morphologischen Veränderungen
(Ø inter-individuelle Variabilität; Ø Tierzahlen)
Chancen von ‘domestic animal models’
‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion:
Ähnlichkeiten in der Pathogenese
Langzeitstudien:
Mechanismen von Persistenz & Chronizität
Diagnostische Verfahren aus Humanmedizin sind direkt
anwendbar (Vergleichbarkeit der Daten)
Intra-individuelle Erfassung von funktionellen,
inflammatorischen und morphologischen Veränderungen
(Ø inter-individuelle Variabilität; Ø Tierzahlen)
Natürlich vorkommende respiratorische
Erkrankungen bei Tieren als
‘alternative’ Modelle
Asthma – Katzen
Ski-Asthma - Schlittenhunde
COPD / Asthma – Pferde
Chronische Atemwegserkrankungen
Institute of Molecular Pathogenesis
Exercise-induced Asthma
Am J Respir Crit Care Med. 2002 Sep 15;166(6):878-82.
„Racing Alaskan sled dogs have airway dysfunction similar to
"ski asthma" that persists despite having 4 months of rest.”
Davis et al. (2005) Medicine & Science in Sports & Exercise 37: 337-341
Asthma
Natürlich vorkommende respiratorische
Erkrankungen bei Tieren als
‘alternative’ Modelle
Tuberkulose – Rind
Mycobacterium bovis
MRSA – Schwein
Staphylococcus aureus
RSV – Kalb
Respirat. Syncytial Virus
Mykoplasmen – Kalb
Mycoplasma bovis
Chlamydien – Rind, Pferd, Schwein, …
INFEKTIONEN:
natürliche Erreger - Wirt - Systeme
Institute of Molecular Pathogenesis
Microbes and Infection 10 (2008) 711-715
Bovine tuberculosis may prove to be an excellent model for
human tuberculosis when aspects like
pathogenesis,
pathology,
the development of a latent state of the infection, and
immune responses to tuberculosis
(like innate immunity, group 1 CD1-restricted T cell responses,
and phosphoantigen-reactive gamma-delta T cells)
are considered.
Small animal models (murine models)
Although small animals offer the advantages of low cost,
genetic malleability and high throughput, they cannot reproduce
many aspects of human pulmonary pathophysiology. For
this reason, it is very important to use physiologically relevant
large animal models whenever possible.
RSV
humanes RSV (HRSV) & bovines RSV (BRSV) sind
genetisch eng verwandt
RSV-Infektion bei Kindern und Kälbern sind vergleichbar:
9 Erstinfektion im Alter von 1–3 Monaten
(trotz vorhandener passiv erworbener Antikörper !)
9 Bronchiolitis & Hyperreagibilität der Atemwege
Das Kalb repräsentiert den besten natürliche Wirt für RSV
BRSV als Modell für humanes RSV
Effect of infection with bovine respiratory syncytial virus
on pulmonary clearance of an inhaled antigen in calves
Laurel J. Gershwin et al.
American Journal of Veterinary Research (2008) 69: 416-422
„Impact for Human Medicine — Infection of humans with
respiratory syncytial virus early after birth is associated with
subsequent development of allergic asthma. Results for
BRSV infection in these calves suggested a supportive
mechanism for this scenario.“
Infektionen als Co-Faktor chronischer
Atemwegserkrankungen
?
„The atypical bacteria -- specifically, Chlamydia
pneumoniae and Mycoplasma pneumoniae –
deserve special attention.“
„An animal model … would be ideal, but at
present no model exists in which chronic
infection with these organisms results in
bronchial hyperresponsiveness.“
Kraft, M.: The role of bacterial infections in asthma. (2000)
Clin. Chest Med. 21: 301-313
Natürliche Modelle chronischer Infektionen ?
• sub-klinische Veränderungen
• persistierend für mindestens 6 Monate
Natürliches Modell einer chronisch-persistierenden
respiratorischen Chlamydien-Infektion
Respiratorische Mycoplasma bovis Infektionen des
Rindes weisen pathogenetische Ähnlichkeiten mit der
Mycoplasma pneumoniae Infektion des Menschen auf.
Experimentelle Mycoplasma bovis Infektion der
Lunges des Kalbes resultierte in Th2-Immunantwort.
Persistenz of Mycoplasma bovis Infektionen!
Chancen von ‘domestic animal models’
‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion:
Ähnlichkeiten in der Pathogenese
Langzeitstudien:
Mechanismen von Persistenz & Chronizität
Diagnostische Verfahren aus Humanmedizin sind direkt
anwendbar (Vergleichbarkeit der Daten)
Intra-individuelle Erfassung von funktionellen,
inflammatorischen und morphologischen Veränderungen
(Ø inter-individuelle Variabilität; Ø Tierzahlen)
Fazit (1)
Kein Tiermodell wird in der Lage sein,
alle Charakteristika einer respiratorischen
Erkrankung des Menschen widerzuspiegeln.
Ù
Fazit (2)
Verantwortung der Wissenschaftler:
Auswahl der am besten geeigneten Spezies
(entsprechend der spezifischen Fragestellung)
Etablierung von biologisch relevanten Modellen
Charakterisierung mit geeigneten Methoden
durch kompetente Zusammenarbeit zwischen
Human- und Veterinärmedizin