Current research focus

Funding: DFG, 482.000 EUR

Project Details:
Streptococcus suis is a frequent colonizer of the upper respiratory tract of pigs, but can also cause severe systemic diseases like meningitis and septicemia. However, pathogenesis of S. suis infection and the role of its virulence-associated factors, namely the pore-forming toxin suilysin (SLY) and the D-alanine-D-alanyl carrier ligase (DltA), is still not fully understood. So far, it is known that SLY damages different host cells by lytic pore formation and induces an inflammatory response leading to the release of cytokines, especially by monocytes/macrophages, and the recruitment of neutrophils. D-alanylation of lipoteichoic acids in the cell wall by DltA is known to increase resistance against antimicrobial peptides (AMPs) and phagocytosis of S. suis by neutrophils.
Our aim is to clarify the role of SLY and DltA in S. suis colonization of the porcine respiratory tract, systemic dissemination via the bloodstream, and invasion of the central nervous system. Thereby we will focus on their influence on innate immunity cells and the crosstalk between monocytes/macrophages and neutrophils. We hypothesize that the host compartments influence the expression of sly and dltA differentially and that vice versa SLY and DltA influence the host?s innate immune response by modulating the crosstalk between neutrophils and monocytes/macrophages contributing to the resistance of. S. suis towards immune defense mechanisms.
To investigate this, we will use complex in vitro cell culture systems that closely mimic the in vivo situation of the three main host compartments: a co-culture system of primary respiratory epithelial cells differentiated under air-liquid interface conditions and alveolar macrophages, porcine precision-cut lung slices, a reconstituted whole blood model, and the blood cerebrospinal fluid barrier model. Infection experiments will be performed with S. suis serotype 2 wild-type strain (wt), its isogenic mutants Δsly, ΔdltA, and ΔdltAΔsly as well as the respective complemented mutant strains.
We will start with the analysis of sly and dltA expression in the three compartments by quantitative real-time PCR and Western blotting, followed by the investigation of the neutrophil and the monocyte/macrophage response towards S. suis wt and sly- and dltA-deficient mutants. We will focus on the formation of neutrophil extracellular traps, reactive oxygen species production, phagocytic activity, and the release of certain cytokines and AMPs. Finally, we will investigate how secretions from monocytes/macrophages induced by S. suis infection influence neutrophils regarding their transmigration, inflammatory response, and phagocytic capacity, and vice versa.
The detailed investigation of the innate immune response towards S. suis infection in the three different compartments will help to better understand the switch of S. suis as a colonizer to an invasive pathogen, and how SLY and DltA are involved in this process.

Cooperation Partners:

Dr. Sophie Öhlmann (Institut für Bakteriologie und Mykologie, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig)

Funding: Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE), 554.060 EUR

Project Details:
Bacterial diarrhoeal diseases in pigs are of great economic importance, affect animal welfare in all age groups and contribute significantly to the use of antibiotics in pig. Of the seven Brachyspira species found in pigs, most diarrhoeal diseases are triggered by the species Brachyspira hyodsenteriae (BHY) and Brachyspira pilosicoli (BPI). Treatment of diarrhoea caused by brachyspiral infections is very time-consuming and only a small number of microbial agents are approved for treatment. The significance of differences in the pathogenic potential of different bacterial isolates and the influence of the genetic background of the pig is still unknown. Therefore, a reassessment of the brachyspirial infection to improve the animal welfare and reduce the use of antibiotics is needed. Consequently, the aim of the present project is to understand the pathogenesis of Brachyspira using our established in vitro intestinal organoid model. In addition, the influence of different Brachyspira species and the influence of different genetic backgrounds of the pigs will be investigated.

Project Details:
As part of the SeroFaSt - Mhyo project, a serological on-farm rapid test for the detection of
Mycoplasma hyopneumoniae infections in pigs. This test is intended to
differentiate between vaccinated and infected animals directly on the farm,
without the need for time-consuming and cost-intensive laboratory tests. The rapid identification of
infected animals should enable immediate, targeted treatment and thus lead to greater animal welfare and
and better consumer protection.

Project Details:
The project "Phages in small animal medicine" is a cooperative project of the Clinic for Small Animals, the Institute for Pharmacology, Toxicology and Pharmacy, the Institute for Food Quality and Food Safety/Center for Translational Studies, the Institute for Microbiology and the Institute for Pathology. The project aims at gaining new insights into the effectiveness of bacteriophages (phages) that specifically infect Staphylococcus (S.) pseudintermedius, ESBL-producing E. coli, Acinetobacter baumanii and Pseudomonas aeruginosa as well as multi-resistant enterococci. The use of specific bacteriophages will be tested in ex-vivo models.

Funding: DFG, 362.650 EUR

Project Details:
Es wird allgemein angenommen, dass virale und bakterielle Co-Infektionen im Respirationstrakt prädisponierend für Infektionen durch Streptococcus suis sind. Wahrscheinlich beruhen die prädisponierenden Effekte auf einer Beeinträchtigung mukoziliärer Clearance- und Barrierefunktionen sowie auf Modulationen der Immunantwort, die Adhärenz und Invasion von S. suis fördern. Allerdings sind die Prozesse und Mechanismen der Interaktionen von S. suis mit co-infizierten respiratorischen Zellen bisher nur wenig bekannt. Unsere bisherigen Ergebnisse ergaben, dass porzine Influenzaviren (SIV) die Interaktionen von S. suis mit respiratorischen Zellen in einem zweistufigen Prozess beeinflussen. Initial wird die Adhärenz und Kolonisation der Streptokokken durch Bindung von Sialinsäureresten der Kapselpolysaccharide an Hämagglutinin an der Oberfläche SIV-infizierter Zellen vermittelt. In einem zweiten Schritt wird durch SIV-induzierte Ziliostase und Reduzierung der mukosalen Barriere die Invasion von S. suis in tiefere Zellschichten ermöglicht. Dieser Prozess ist sehr wichtig für die Pathogenität von S. suis, da er Voraussetzung für die weitere Invasion in den Blutkreislauf und die Ausbreitung des Erregers ist.
Im Folgeprojekt werden wir uns auf die Effekte mukosaler Schäden durch co-infizierende Pathogene auf Interaktionen von S. suis mit der respiratorischen Barriere konzentrieren. Wir gehen davon aus, dass das Ausmaß der mukosalen Schädigung einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf einer S. suis Infektion hat. Wir werden die gleichen primären Zellmodelle nutzen wie im vorherigen Projekt. Allerdings werden wir als co-infizierendes Pathogen statt SIV nun Bordetella bronchiseptica einsetzen. Von B. bronchiseptica ist bekannt, dass in Schweinen Co-Infektionen mit S. suis auftreten (beide sind am Porcine Respiratory Disease Complex beteiligt). Zudem haben experimentelle Infektionen gezeigt, dass B. bronchiseptica Schweine für intranasale Infektionen mit S. suis prädisponiert. Unsere bisherigen Untersuchungen haben außerdem ergeben, dass B. bronchiseptica mukosale Schäden verursacht, die von Ziliostase bis zur Ablösung Zilien-tragender Epithelzellen reichen, was zur Förderung der Adhärenz, Invasion und Zytotoxizität von S. suis führte. Daher sind unsere Hauptziele (i) die Charakterisierung von Effekten (milder und schwerer) mukosaler Schäden durch B. bronchiseptica auf die Adhärenz und Invasion von S. suis, (ii) die nähere Klärung der Rolle des S. suis Toxins Suilysin in diesen Interaktionen sowie (iii) die Analyse der Zellantwort von B. bronchiseptica-infizierten respiratorischen Zellen auf S. suis. Als Erkenntnisgewinn erwarten wir nähere Einblicke in die komplexen Pathogen-Wirt Interaktionen während der initialen Phase von S. suis Infektionen und, allgemein, während bakteriell-bakterieller Co-Infektionen im porzinen Respirationstrakt. Darüber hinaus können unsere Analysen der Wirtszellantworten dazu beitragen, Modulationen mukosaler Immunantworten durch Co-Infektionen zu identifizieren.

Results:

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21505594.2020.1858604?rfr_dat=cr_pub++0pubmed&url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org

Funding: DFG, 225.065 EUR

Project Details:
Mycobacterium (M.) avium ist neben M. bovis die wohl bedeutendste mykobakterielle Spezies mit tiermedizinischer Relevanz. Taxonomisch ist sie in vier Subspezies eingeteilt: M. avium subsp. avium (MAA), M. avium subsp. silvaticum (MAS), M. avium subsp. paratuberculosis (MAP) und M. avium subsp. hominissuis (MAH). MAA, MAS und MAP sind obligate Tierpathogene. MAA und MAS verursachen die Geflügeltuberkulose bzw. Geflügeltuberkulose-ähnliche Veränderungen in Wildtauben. MAP ist der Erreger der Paratuberkulose der Wiederkäuer. Dagegen ist MAH ein Umweltkeim und opportunistischer Erreger von Infektionen vornehmlich des Schweins und Menschen, der aber auch sporadisch bei anderen Tierspezies gefunden wird. Relativ wenig weiß man über die Pathogenität und Wirtspräferenz der einzelnen M. avium Subspezies. Trotz ihrer hohen genetischen Identität unterscheiden sie sich bezüglich ihrer Genomgröße und des Genomaufbaus. Es wird vermutet, dass die Subspezies-spezifischen Gene und Genomabschnitte für Eigenschaften codieren, die zu Unterschieden in der Pathogenität und Wirtsanpassung beitragen.
Seit langem ist bekannt, dass MAA Stämme nach Infektion der Maus virulenter sind als MAH oder MAP Stämme. Eigene Untersuchungen zeigen, dass zur gesteigerten Virulenz von MAA eine nur bei MAA infizierten Mäusen vorkommende Bildung von MAA beherbergenden, Stickstoffmonoxid produzierenden, monozytären, myeloiden Suppressorzellen (mMDSC) beiträgt. Diese Zellen beeinflussen die Immunantwort der Maus und tragen zur Verschlechterung des Infektionsverlaufs bei. Im beantragten Projekt soll in einem systembiologischen Ansatz ermittelt werden, welche Eigenschaften von MAA zur Bildung von mMDSC und zum Überleben in mMDSC beitragen. Dies soll über die Analyse des in vivo Transkriptoms und Proteoms in der Maus, kombiniert mit Daten von Mausinfektionen, mit einer Transposonbank von MAA durchgeführt werden. Wir erwarten uns Erkenntnisse zu den Grundlagen der M. avium Pathogenität und Virulenz, die zur Vorbeugung, Erkennung oder Behandlung von M. avium Infektionen und auch anderer mykobakterieller Infektionen bei Tier und Mensch nutzbar wären.

Funding: BLE, 675.000 EUR

Project Details:
Als Ziele einer zukunftsweisenden landwirtschaftlichen Schweineproduktion werden die Steigerung von Tierwohl, Verbraucherschutz und Produktionseffizienz gleichermaßen definiert. Im Rahmen der Schweineproduktion immer wieder auftretende Atemwegserkrankungen, die für mehr als die Hälfte aller Antibiotikaverabreichungen verantwortlich sind, erschweren oftmals das Erreichen dieser Ziele. Dabei spielt Mycoplasma hyopneumoniae (M.hyo) eine zentrale Rolle. Der Erreger verursacht einerseits eine interstitielle Lungenentzündung, vor allem bei Absetz- und Mastschweinen ("enzootische Pneumonie"), andererseits erhöht er bei einer Besiedelung des Atemtraktes aber vor allem auch die Anfälligkeit der Tiere gegenüber anderen Lungeninfektionserregern. Eine Impfung verhindert nur die klinische Erkrankung der betroffenen Bestände, nicht jedoch die Besiedelung der Lungen durch den Erreger. Da derzeit nicht zwischen Impf- und Infektionsantikörpern unterschieden werden kann, ist die Beteiligung des Erregers oft schwer abschätzbar, was die Einleitung gezielter, wirtschaftlich effizienter Behandlungskonzepte, vor allem bei chronisch-rezidivierenden Atemwegserkrankungen erschwert.
Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung eines innovativen Schnelltest, der es direkt im Betrieb, ohne aufwendige Probenentnahme, Probenversand und externe Laborkosten ermöglicht, regelmäßig den serologischen Antikörperstatus der Schweine in Bezug auf M. hyopneumoniae zu überprüfen und zu überwachen, und dabei zwischen Impf-Antikörpern und Infektionsantikörpern zu unterscheiden. Ein solcher on-farm Schnelltest würde daher zur Steigerung des Tierwohls und der Verbrauchersicherheit führen sowie, durch Zeit- und Kostenersparnis, auch zu einer Steigerung der Produktionseffizienz der landwirtschaftlichen Schweineproduktion beitragen.
Die Entwicklung dieses Schnelltests erfordert die Identifizierung und Validierung von Antigenen, die (I) nur während der Infektion von M.hyo gebildet werden und im Schwein zur Bildung von Antikörpern führen, (II) nicht von Antikörpern, die nach der Immunisierung von Schweinen mit kommerziell zugelassenen Impfstoffen gebildet werden (Impf-Antikörper), erkannt werden, und die (III) spezifisch für M.hyo sind, d.h. die keine Kreuzreaktivität mit Antikörpern gegen andere, beim Schwein vorkommende Mycoplasma Arten (M. hyosynoviae, M. hyorhinis, M. flocculare) zeigen.

Project Details:
Frequencies of Glaesserella parasuis isolates resistant against various antimicrobial substances will be compared in the years 2006-2021

Results:

Wiencek I, Hartmann M, Merkel J, Trittmacher S, Kreienbrock L, Hennig-Pauka I. Temporal Patterns of Phenotypic Antimicrobial Resistance and Coinfecting Patho-gens in Glaesserella parasuis Strains Isolated from Diseased Swine in Germany from 2006 to 2021. Pathogens 2022; 11: 721. doi: 10.3389/fvets.2021.802570

Project Details:
The aim of this project is to characterize the situation of S. suis-related disease outbreaks on farms. The main influence of PRRSV circulation on farms, specific S. suis genotypes and pathotypes on tonsils and predefined environmental factors on the occurrence and development of S. suis-related disease will be assessed. The aim is to elaborate recommendations for practice with regard to outbreak prevention on farms.

Cooperation Partners:

Kooperationspartner des EU Projektes PigsSuis (PROGRAM FOR INNOVATIVE GLOBAL PREVENTION OF STREPTOCOCCUS SUIS, Referenznummer 727966

Funding: DFG, 356.350 EUR

Project Details:
Marine Säugetiere sind Indikatorarten für den Gesundheitszustand des marinen Ökosystemes und durch eine Vielzahl von biotischen und abiotischen Faktoren bedroht. An der deutschen Küste zählen respiratorsche Infektionen zu den häufigsten Krankheiten in Seehunden (Phoca vitulina). Streptococcus phocae, ein bakterielles Pathogen, das als Gram-positiv, beta-hämolytisch, fakultativ anaerob, Katalase-negativ und serologisch sehr heterogen charakterisiert ist, wird dabei häufig in diesem Zusammenhang isoliert. Die molekularen Infektionsmechanismen sind allerdings kaum bekannt.
Daher ist es Ziel dieses beantragten Projektes Virulenz-assoziierte Eigenschaften wie Adhärenz, Kolonisierung, Biofilmbildung, Eindringen und cytotoxische Effekte von verschiedenen S. phocae-Stämmen, die aus Seehunden isoliert wurden, zu charakterisieren. Dazu werden Untersuchungen in zwei Modellen durchgeführt, die sich besonders gut zur Untersuchung von respiratorischen Pathogenen eignen: ?Air-Liquid-interface (ALI) Cultures? und ?Precision-Cut Lung Slices? (PCLS)? von Seehunden, die entweder selbst von frischen Kadavern entnommen werden oder von unserer Kooperationspartnerin Frau Prof. Prof. h.c. Dr. Ursula Siebert zur Verfügung gestellt werden. Beide Modelle beinhalten hoch ausdifferenzierte, primäre Lungen-Epithelzellen, die uns erlauben, natürliche Bedingungen nachzuahmen und das Pathogen unter in-vivo-nahen Bedingungen zu untersuchen. Durch den Vergleich von Phänotyp mit dem entsprechenden Genotyp sollen Pathotypen identifiziert werden, die zukünftig eine bessere Einschätzung der Epidemiologie virulenter Stämme ermöglichen. Grundlage der genotypischen Untersuchungen sind Genomsequenzen einer Sammlung verschiedener S. phocae-Stämme, die uns von einem weiteren Kooperationspartner, Herr Prof. Dr. Marcus Fulde aus Berlin zur Verfügung gestellt werden.
Die Ergebnisse aus diesem Projekt werden helfen, die molekularen Mechanismen, die zu einer Infektion von Lungen-Epithelzellen in Seehunden führen, besser zu verstehen. Dies ist besonders wichtig, da es sich bei S. phocae um ein relativ neu aufkommendes Pathogen in der Wildnis handelt, dessen mögliches zoonotisches Potential zudem noch nicht geklärt ist.

Results:

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0296368

Cooperation Partners:

Prof. Dr. Marcus Fulde, FU Berlin, FB Veterinärmedizin