Control of veterinary and human parasitic nematodes relies heavily on chemotherapy with anthelmintics but drug resistance is a growing problem. Against the widely used macrocyclic lactones (MLs), drug resistance has emerged in several nematode species and this is a particular challenge in parasites of ruminants and horses. For instance, ML resistance is globally widespread in an important pathogen of foals, Parascaris univalens. In order to find a sustainable solution for this problematic trend, a good knowledge of the underlying resistance mechanisms is considered imperative but the mechanisms of ML resistance are mostly unknown. Among other mechanisms, ATP-binding-cassette (ABC)-transporters and particularly members of the ABCB subfamily, the P-glycoproteins (Pgps), have been proposed as contributors to ML resistance in several nematode species but their functional role remains to be elucidated. In this PhD project, the complete Pgp repertoire in the horse roundworm P. univalens was characterized by transcriptome-guided RT-PCR and Sanger sequencing identifying a total of ten Pgps. Using a diverse set of transcriptome resources, the tissue expression patterns of Pgps were characterized in P. univalens and in Caenorhabditis elegans showing strong intestinal and moderate epidermal expression. No inducibility of individual P. univalens Pgp expression was found by examining a novel transcriptome generated from adult P. univalens incubated with ivermectin or a control. To investigate the function of nematode Pgps and their substrate range, heterologous expression of P. univalens Pgps in different model organisms was employed. In a yeast model the interaction with different anthelmintics was characterized. In C. elegans the uptake routes and barriers into the worm were characterized by selectively inducing drug ingestion. At the intestinal and epidermal barrier, transgenic Pgp expression reduced susceptibility to ivermectin and moxidectin. In conclusion, this work demonstrates that Pgps are likely to be contributors to ML resistance and indicates that their protective effect results from enhancing barrier function. In order to reverse Pgp-mediated resistance, preliminary analyses to identify inhibitors specific to nematode Pgps were performed and first results instigate a more detailed characterization.
Die Strategie zur erfolgreichen Bekämpfung von Infektionen mit parasitischen Nematoden beruht hauptsächlich auf chemotherapeutischer Intervention mit Anthelmintika, doch die Verbreitung von Resistenzen bereitet ein zunehmendes Problem. Gegen die häufig eingesetzten makrozyklischen Lactone (MLs) bestehen Resistenzen bereits in einer Reihe von parasitischen Nematoden und insbesondere bei Parasiten von Pferden und Wiederkäuern ist diese Entwicklung eine Herausforderung. Die ML Resistenz im pathogenen Pferdespulwurm Parascaris univalens beispielsweise, ist global weit verbreitet. Ein gutes Verständnis der zugrundeliegenden Resistenzmechanismen ist für die Entwicklung einer nachhaltigen Entwurmungsstrategie essenziell, jedoch sind die ML Resistenzmechanismen weitgehend unbekannt. Neben anderen Mechanismen konnten die P-glycoproteine (Pgps) als mögliche Kandidatengene für die ML Resistenz identifiziert werden, doch ihre funktionale Rolle im Resistenzgeschehen bleibt unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde durch Transkriptom-geleitete RT-PCR und Sanger-Sequenzierung das gesamte Repertoire von insgesamt 10 Pgps im Pferdespulwurms P. univalens entschlüsselt. Auf Basis verfügbarer Transkriptomdaten wurden die Gewebeexpressionsprofile der einzelnen Pgps in dem Modellnematoden Caenorhabditis elegans vergleichend untersucht. Dabei wurde eine starke Expression im Darm und eine moderate Expression in der Epidermis bzw. im Hautmuskelschlauch (in P. univalens) festgestellt. Anhand eines neu generierten Transkriptom-Datensatzes, welcher durch die Inkubation adulter Würmer mit oder einer Kontrolle generiert wurde, konnte keine Induzierbarkeit der Expression einzelner Pgps festgestellt werden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass Pgps die Suszeptibilität gegenüber MLs reduzieren können und, dass dieser Effekt auf eine Barrierefunktion in der Epidermis und im Darm zurückgeführt werden kann. Um die Pgp-vermittelte Resistenz zu reversieren wurden zudem erste Experimente zur Identifizierung von Nematoden-spezifischen Pgp-Inhibitoren durchgeführt und die Ergebnisse bestärken die Notwendigkeit einer detaillierteren Charakterisierung der neuen Substanzen.
