Health monitoring in great apes: The use of neopterin as a non-invasive marker in monitoring diseases in wild chimpanzees (Pan troglodytes verus)

Abstract

Great apes frequently die during outbreaks of infectious diseases. Research mainly focuses on these lethal outbreaks, but little is known on mild diseases and disease dynamics between outbreaks. To better understand the patterns of disease in great ape populations, it is of particular importance to continuously monitor their health status. The majority of pathogens has zoonotic potential, and is therefore also relevant for human health. Non-invasive techniques are used to monitor primate health, but they are restricted in their diagnostic range and to date, there is no precise technique available to measure diseases in wild great apes. In human medicine, neopterin, a sensitive marker of the cell-mediated immune response, is used to diagnose the presence and status of disease. This marker seems to be a good candidate to bridge this gap. As pathogen analysis in wild great apes is both time and resource consuming, I examined the potential use of urinary neopterin as a disease marker and unspecific screening tool to facilitate informed pathogen analysis in great ape health monitoring. To test this, urinary neopterin was correlated to other disease markers such as sickness behaviors, fever, and urine parameters. Seasonal variation in urinary neopterin levels was investigated as well. Urine samples and data were collected from wild chimpanzees (Pan troglodytes verus) of two habituated chimpanzee communities in the Taï National Park, Côte d´Ivoire. The data set consisted of longitudinal data of in total 23 individuals aged from three to twelve years, and collected between November 2013 and June 2016. The data collection comprised of daily sampling of urine samples for the quantitative determination of urinary neopterin (competitive ELISA), and for the performance of a urine dipstick test to screen for pathological findings. The measurement of the fecal temperature decline in fresh feces was used to estimate the body temperature. Behavioral activities were continuously recorded to detect sickness behavior (reduced play and travelling, increased resting). Relationships between disease markers were examined using weekly collected data of several individuals in a linear mixed model, and a case study approach describing a five days period of mild disease in a four years old male. Seasonal variation in urinary neopterin levels was tested using a linear mixed model. While the linear mixed model found no obvious relationship between urinary neopterin levels and other disease markers, the case study approach revealed a pattern resembling those found in humans. Urinary neopterin release correlated with prominent sickness behavior, fever and changes in urine parameters (leucocyturia, erythrocyturia, and hemoglobinuria). Interestingly, urinary neopterin increased with a delay of one day after onset of disease symptoms. Urinary neopterin levels indicated seasonal immune system activation peaking in times of low ambient temperatures. Finding an appropriate marker to monitor diseases in wild chimpanzees contributes towards understanding general disease mechanisms and outbreak dynamics in wild great apes. To account for the temporally dynamic interplay of immune system activation and disease symptoms, a case-oriented study design with consecutive daily sampling is appropriate. Using data sets consisting of weekly data collection is not suitable for this purpose. Urinary neopterin was shown to be a useful marker when examining seasonal immune system activation. Therein, I suggest the use of urinary neopterin as a non-invasive marker and unspecific screening tool in great ape health monitoring to identify relevant samples, individuals, populations, and time periods for selective pathogen analysis and zoonotic risk assessment.

Menschenaffen sterben vor allem bei Ausbrüchen von Infektionskrankheiten. Diese Krankheitsausbrüche stehen aufgrund ihrer hohen Mortalität im Fokus der Forschung, aber relativ wenig ist bekannt über milde Erkrankungen und Krankheitsdynamiken, die sich zwischen Krankheitsausbrüchen abspielen. Um Krankheitsdynamiken in Menschenaffenpopulationen zu erkennen und besser zu verstehen, ist es wichtig, ihren Gesundheitsstatus kontinuierlich zu überwachen. Da die Mehrzahl der bei den Menschenaffen vorkommenden Krankheitserreger zoonotisches Potenzial besitzt, ist deren Gesundheit auch in hohem Maße relevant für die menschliche Gesundheit. Bei der Gesundheitsüberwachung von Menschenaffen werden nichtinvasive Methoden verwendet, welche jedoch in ihrer diagnostischen Reichweite beschränkt sind. Beispielsweise stehen für die Einschätzung von Krankheitszuständen und der Aktivierung des Immunsystems keine aussagekräftigen Methoden zur Verfügung. In der Humanmedizin wird Neopterin, welches ein Marker für den Grad der zell-vermittelten Immunantwort ist, zur Diagnostik von Krankheiten herangezogen. In der vorliegenden Arbeit wurde Neopterin im Urin von wilden Schimpansen bestimmt und das Verhältnis zu anderen Krankheitsmarkern (Krankheitsverhalten, Fieber, Urinparameter) analysiert. Des Weiteren wurde getestet, ob Neopterin für ein unspezifisches Screening im Hinblick auf eine gezielte Probenauswahl für die Krankheitserregeranalyse bei wilden Schimpansen geeignet ist. Dazu wurden das potenzielle Vorhandensein saisonaler Schwankungen in der Immunsystemaktivierung und der Einfluss klimatischer Faktoren näher untersucht. Die nichtinvasiv gesammelten Daten und Urinproben für die Bestimmung des Neopteringehaltes stammen von wilden Schimpansen (Pan troglodytes verus) aus dem Taï Nationalpark, Côte d´Ivoire. Insgesamt wurden 23 Schimpansenjungtiere im Alter von drei bis zwölf Jahren von November 2013 bis Juni 2016 beprobt. Es wurden Urinproben gesammelt für die Bestimmung des Neopteringehaltes (kompetitiver ELISA) im Urin und für die Durchführung eines Urintests. Die Ermittlung der Körpertemperatur erfolgte über den Temperaturabfall in Kotproben direkt nach dem Kotabsatz. Die kontinuierliche Aufzeichnung des Verhaltens diente der Erkennung von Krankheitsverhalten (reduzierte Aktivitäten, gesteigerte Ruhephasen). Um den potenziellen Nutzen von Neopterin als sensitiver Marker in der Gesundheitsüberwachung von wilden Schimpansen zu testen, wurden zwei Analyseansätze miteinander verglichen. Für ein Fallbeispiel wurden täglich Daten eines vierjährigen Jungtieres während einer circa fünf Tage andauernden milden Erkrankung gesammelt und untersucht. Dem gegenüber stand die Analyse mithilfe eines linearen gemischten Modells, die wöchentlich gesammelte Daten mehrerer Jungtiere über einen Zeitraum von drei Jahren umfasste. Saisonale Schwankungen in der Immunsystemaktivierung wurden ebenfalls in einem linearen gemischten Modell analysiert und umfassten Daten aller Jungtiere über den dreijährigen Studienzeitraum. Die Ausscheidung von Neopterin im Urin korrelierte mit ausgeprägtem Krankheitsverhalten, Fieber und erhöhten Urinparametern (Leukozyturie, Erythrozyturie, Hämoglobinurie) im Fallbeispiel. Hervorzuheben ist, dass der Neopterinanstieg erst einen Tag später nach Einsetzen von Krankheitssymptomen zu beobachten war. Insgesamt ähnelten die Kinetik der Neopterinausscheidung sowie die Beziehungen zu den anderen Krankheitsmarker denen des Menschen. Die Analyse mithilfe des linearen gemischten Modells konnte jedoch keinen signifikanten Zusammenhang zwischen erhöhten Neopterinwerten und den anderen Krankheitsmarkern herstellen. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Neopterinausscheidung im Urin von wilden Schimpansen saisonal schwankte und eine saisonal bedingte, jährlich wiederkehrende Immunsystemaktivierung vorlag. Kältestress hatte einen negativen Effekt auf die Neopterinspiegel im Urin. Um Beziehungen zwischen Neopterin und Krankheitsmarkern bei Menschenaffen zukünftig besser untersuchen zu können, empfiehlt sich eine kontinuierliche Datenaufnahme über mehrere Tage. Dynamische Krankheitsgeschehen können mit einem aus wöchentlich gesammelten Daten bestehenden Datensatz nicht hinreichend untersucht werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass Neopterin eine vielversprechende nichtinvasive Methode zum unspezifischen Screening von Urinproben bei wilden Schimpansen darstellt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis allgemeiner Krankheitsmechanismen in wilden Schimpansen bei. Die Bestimmung von Neopterin in nichtinvasiv gesammelten Urinproben hilft bei der Identifizierung und gezielten Auswahl von Proben, Individuen, Populationen sowie Zeiträumen für eine effektive Analyse von Krankheitserregern und zur Risikobewertung im Rahmen der Gesundheitsüberwachung von Mensch und Menschenaffen.