Der Weg zur Enterocolitis Vakzine

Prof. Dr. Erwin Reinwald, Institut für Veterinär-Biochemie, Freie Universität Berlin

Enterocolitis-Vakzinierung und deren Problematik

Clostridium perfringens ist nicht nur beim Menschen verantwortlich für die Entstehung von Wundbrand und Nahrungsmittelvergiftungen sondern auch Verursacher ökonomisch bedeutsamer Durchfallerkrankungen der Nutztiere, z. B. bei Rind und Schwein. In Kaninchen entsteht durch diese Erreger die sog. Enterocolitis, eine entzündliche, hoch infektiöse und mit großen Tierverlusten verbundene Darmlähmung.

Die Krankheitsentstehung ist noch weitgehend unbekannt. Es wird jedoch vermutet, dass die im Darm befindlichen und sich dort vermehrenden Clostriden Giftstoffe (Toxine) absetzen, die die Darmwand schädigen und damit ein Eindringen sowohl der Toxine als auch möglicherweise von Keimen in das Körperinnere ermöglichen. Als Folge kommt es dann zu den bekannten Enterocolitissymptomen. Hauptkandidat für diese toxische Wirkung ist das sog. alpha- Toxin, ein membranschädigendes Eiweißmolekül (Protein). Mitwirken könnte auch das erst 1997 entdeckte sog. beta2- Toxin, das aber nicht in allen Clostridenstämmen anzutreffen ist. In sofern ist seine Rolle als Verursacher der Enterocolitis eher gering einzuschätzen.

Normalerweise baut ein Tier gegen fremde "Eindringlinge" eine Abwehr auf (den sog. Immunschutz). Dabei werden sehr häufig Abwehrmolekühle (Antikörper) produziert, die sich an Toxine oder Zellen anlagern und diese so inaktivieren. Da aber der Aufbau des Immunschutzes Zeit benötigt, beginnt ein "Wettrennen" zwischen Infektionsanstieg (Bakterienwachstum und Toxinproduktion) und Immunabwehr, das die Abwehr bei hoch infektiösen Erregern oder massiver Infektion häufig nicht gewinnt. Der Tod der Tiere ist dann unvermeidlich.

Um die Abwehr zu stärken kann man impfen, z. B. durch Behandlung mit abgetöteten Erregern oder inaktivierten Toxinen 8Toxoid-Vakzine). Dann sind die Tiere auf eine eventuelle Infektion bereits vorbereitet. Die Abwehr ist bereits "scharf gemacht und die Eindringlinge werden so schnell eliminiert, dass keine Schädigungen beobachtet werden. Eine solche Impfung funktioniert immer dann gut und ist auch lang anhaltend wirksam, wenn der verursachende Keim einheitlich ist und in seinen Eigenschaften konstant bleibt. Dies ist aber häufig nicht der Fall. Das wissen wir alle aus dem Humanbereich, wo eine Massenimpfung (konstanter Erreger) einen lebenslangen Immunschutz garantiert, wo aber andererseits eine Grippeimpfung (hochvariabler Erreger) jährlich erneuert werden muss.

Gerade da stellt sich nun das Enterocolitis Vakzinierungs Problem. Die in Deutschland innerhalb der Kaninchen kursierende Clostridienpopulation ist nicht einheitlich. Das führt dazu, dass man zwar unter Umständen eine lokal wirksame Stallvakzine produzieren kann, die aber außerhalb des Bestandes häufig unwirksam ist und deren Schutzwirkung innerhalb des Bestandes nicht anhält, da von außen durch Aufnahme neuer Tiere auch neue, gegen die Vakzine unempfindliche Erreger in diesen "geimpften" Bestand gelangen. Damit beginnt innerhalb des Bestandes das ganze Problem von neuem.

Eine Lösung dieses Problems könnte ein Impfstoff gegen möglichst alle kursierenden Clostridien sein oder zumindest gegen die "gefährlichsten". Dies ist aber einfacher gesagt als getan. So weiß man über die hierzulande in Kaninchen existierenden Clostridien herzlich wenig. Weder ist die Zahl der Stämme bekannt noch deren Eigenschaften, d. h. welche Toxine werden überhaupt produziert und wie variabel sind diese untereinander. Welche Stämme sollen für eine Vakzinierung ausgewählt werden, welche nicht? Niemand würde hohe Kosten in eine Impfstoffentwicklung investieren, wenn nicht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür bestünde, dass am Ende auch ein wirksamer und flächendeckender herauskommt. In der Hoffnung möglichst schnell einen Impfstoff zu erhalten, könnte man nun "herumprobieren", d. h. alle möglichen Clostridienisolate züchten, deren Toxine isolieren, diese inaktivieren und Vakzinentwicklungen in Gang setzen. Eine solche Strategie setzt auf das Zufallprinzip und niemand kann sagen ob dabei am Ende etwas Sinnvolles herauskommt. Der ZDRK hat sich daher entschlossen einen rationaleren, sprich wissenschaftlicheren Ansatz zu unterstützen, der nicht primär die Impfstoffentwicklung zum Ziel hat, sondern vielmehr dazu dient, die Toxine der in Deutschland kursierenden Clostridien Stämme zu charakterisieren. Mit diesem Wissen lässt sich dann in einem zweiten Schritt eine gezielte Vakzinentwicklung in Angriff nehmen. So stochert man nicht mehr im Nebel herum und weiß genau welche Stämme dafür viel versprechend sind. Ein solches Vorgehen mag auf den ersten Blick Zeitverschwendung bedeuten, ist es aber häufig nicht. Man denke nur an die Fälle wo man als Laie versucht durch "Ausprobieren" ein defektes Gerät zu reparieren und dann doch den Experten kommen lassen muss, der erst auf Grund der richtigen Diagnose eine schnelle Reparatur ermöglichen kann. Im Folgenden möchte ich versuchen die in unserem Hause begonnene Clostridientoxin - Charaktensierungsstrategie verständlich zu machen und auch kurz auf erste Ergebnisse eingehen.

alpha- und bata2-Toxine von Clostridienisolaten aus Kaninchen

Clostridien können, stammunterschiedlich, mehrere Toxine (alpha, beta, beta2, epsilon, delta, iota) produzieren und werden danach in 5 Gruppen eingeteilt (Tab. l). Das alpha-Toxinwird von allen Clostridien produziert, das erst 1997 entdeckte beta2-Toxin kann, muss aber nicht in allen Gruppen vorkommen. Während die Rolle der beta -, epsilon-, delta- und iota-Toxine in der Pathogenese der Durchfallerkrankungen weitgehend verstanden ist, ist die Rolle des alpha- und beta2- Toxins gegenwärtig unklar. es ist aber im Kaninchen ziemlich unstrittig, dass gerade das alpha- und möglicherweise auch zusätzlich das beta2- Toxin für die Enterocolitis verantwortlich zu machen ist. Problematisch für das Krankheitsgeschehen ist darüber hinaus, dass das beta2- Toxin freie Stämme "überspringen" könnte und diese dann in beta2- Träger mit eventuell größerem Infektionspotenzial verwandeln würde. Auch darüber ist aber gegenwärtig nichts bekannt. Alle Toxine, und damit auch das alpha- und beta2- Toxin gehören zur Stoffklasse der Proteine. Dies sind in der Natur weit verbreitete Biomoleküle, in denen kettenartig sog. Aminosäure-Bausteine 8von denen 20 verschiedene existieren) aneinandergehängt sind. So ist das alpha- Toxin eine Kette von ca. 400, das beta2- Toxin eine solche von ca. 280 Aminosäuren, entsprechen also, auf unsere Sprache übertragen, einem Wert mit 400 bzw. 280 Buchstaben. Variabilitäten in diesen Toxinen entstehen durch Aminosäure (=Buchstaben) -Einfügungen oder -Entfernungen. Wenn das Abwehrsystem neutralisierende Antikörper bildet, so tut es das nicht gegen das komplette Toxin, sondern nur gegen relative kurze Abschnitte (ca. 7 Aminosäuren lang). Unterscheiden sich in diesen durch Antikörper erkannten bereichen 2 Toxine (Sequenzvariabilität), dann erstreckt sich der Immunschutz nur auf den Stamm, mit dem die Impfung durchgeführt wurde.  

Will man die alpha- und beta2- Toxine aller in Deutschland kursierenden Clostridien charakterisieren, muss man also die Aminosäuresequenzen (sprich, Buchstabenreihenfolge) beider Proteine ermitteln. Es wäre an dieser Stelle sicher eine Überforderung des Lesers die Strategie zu beschreiben mittels dieser man dieses Ziel erreichen kann. Nur soviel sei gesagt. Es werden dazu hochmoderne Methoden der molekularen Biologie eingesetzt, die nur in speziell eingerichteten und zugelassenen Labors durchgeführt werden dürfen. Diese Methoden erlauben nach meiner Einschätzung die Sequenzierung der alpha- und beta2- Toxine der in Deutschland kursierenden Clostridienstämme (Isolate aus der Stammsammlung von Frau Dr. Rossi, Borkheide) in einem Zeitraum von ca. 2 Jahren. Mit diesen Daten wird man nicht nur nach meiner Überzeugung eine sinnvolle Vakzinierungsstrategie entwickeln können mit der Hoffnung die Enterocolitisproblematik unter Kontrolle zu bringen.

 

Erste Ergebnisse

Das Projekt läuft seit einigen Monaten und hat bisher bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Nicht nur wurden die mit jedem neuen Projekt verbundenen technischen Anlaufschwierigkeiten überwunden, sondern es wurde bereits eines der alpha- Toxine (Isolat Regensburg) sequenziert, 5 weitere sind in Bearbeitung. Auch die Sequenz eines der beta2- Toxine (Isolat Torgau) wurde ermittelt. Dessen Sequenz unterscheidet sich erheblich von denen jener Stämme, die aus schweinen isoliert wurden. Die Unterschiede sind so groß, dass man sicher vorhersagen kann, dass eine Vakzine basierend auf beta2 Sequenzen aus Clostridienisolaten von Schwein in Kaninchen unwirksam wären. Dies unterstreicht noch einmal, wie wichtig die Ermittlung der Toxinsequenzen aus Kaninchen-Isolaten ist.

Ausblick

Versucht man aus unseren momentanen Kenntnisstand Prognosen über die Weiterentwicklung des Projektes zu machen, so bin ich optimistisch, dass wir das uns gesteckte Ziel in dem vorgesehenen Zeitraum erreichen, wenngleich man in der Wissenschaft immer wieder auch mit Überraschungen rechnen muss. Ich glaube, der ZDRK hat eine gute Entscheidung getroffen, ein Projekt zu fördern, welches nicht nur den Wissenschaftler "befriedigt" sondern den Züchter vor Ort in nicht allzu ferner Zeit eine Lösung des Enterocolitis-Problems in Aussicht stellen kann.

Quelle: 6. Informationsbroschüre für die Freunde der Widderzucht.