Experimentelle Untersuchungen zur Morphologie, Histopathologie und Immunologie der Tungiasis

Abstract

Tungiasis, eine durch das Weibchen von Tunga penetrans verursachte Ektoparasitose, ist in Lateinamerika, der Karibik und in Afrika, südlich der Sahara, endemisch. Obwohl die Erkrankung schon seit mehr als fünfhundert Jahre bekannt ist, sind die Kenntnisse über die Pathophysiologie, Immunologie und Pharmakotherapie, ausgesprochen spärlich, auch gibt es bisher kein Tiermodell, in dem die Zoonose erforscht werden kann. Ziel dieser Arbeit war es die Tungiasis experimentell in Wistarratten nachzuvollziehen und den Krankheitsverlauf klinisch, morphologisch und histopathologisch zu beschreiben. Zusätzlich sollte die Kinetik wichtiger Zytokine im Serum der Wistarratte während des Krankheitsverlaufes bestimmt werden. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, Wistarratten unter kontrollierten Bedingungen mit T. penetrans zu infizieren. Dies galt sowohl für das Labor, in dem in einem Käfigmodell nach einem Tag 87,5% aller exponierten Ratten infiziert waren, und als auch für die Exposition im Freiland, wo innerhalb von 14 Tagen 53,3% der Wistarratten sich mit T. penetrans infiziert hatten. Im nächsten Versuchsteil wurde an 141 Läsionen der Krankheitsverlauf an sechzehn verschiedenen Zeitpunkten beschrieben. Analog zur humanen Tungiasis erfolgten die Penetrationen fast ausschließlich an den Extremitäten (140/141), wobei in 89% der Fälle die hintere Extremität betroffen war. Der klinische Verlauf der Tungiasis bei der Wistarratte zeigte eine weitgehende Übereinstimmung mit der des Menschen. Entsprechendes galt für die morphologische Entwicklung des Parasiten im Gewebe, die mit Hilfe von rasterelektronen- und lichtmikroskopischen Aufnahmen dokumentiert wurde. Unterschiede wurden allerdings im histopathologischen Entzündungsmuster festgestellt. Während beim Menschen ein mononukleäres Infiltrat in der Dermis beobachtet wird, und die Basalmembran intakt bleibt, entwickelte sich bei der Tungiasis der Wistarratte ein ausgeprägtes granulozytäres Infiltrat und wurde die Basalmembran durch den wachsenden Parasiten zerstört. Die Bestimmung wichtiger Zytokine im Serum der Wistarratte zu sechs Zeitpunkten des Krankheitsverlaufes zeigte einen Anstieg der proinflammatorischen Zytokine TNF-α und IL-1β in der zweiten und dritten Woche der Infektion, während IL-4, ein Schlüsselzytokin für die TH2- Immunantwort, bereits in den ersten Krankheitstagen anstieg. IL-10, ein immunmodulierendes Zytokin, erreichte seinen Konzentrationsmaximum zum Höhepunkt der klinisch nachweisbarer Entzündungszeichen, d.h. zwischen dem sechsten und 16. Tag nach Penetration. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass es möglich ist, Wistarratten experimentell mit Tunga penetrans zu infizieren, Krankheitsverlauf bei Mensch und Wistarratte weitgehend übereinstimmen, und es Hinweise auf eine Modulation der proinflammatorischen Immunantwort im Laufe der Krankheit gibt. Durch Verwendung dieses Tiermodells sollte es als in Zukunft möglich sein, ein besseres Verständnis von Pathophysiologie und Immunologie der Tungiasis zu gewinnen und neue pharmakologische Ansätze auf ihre Wirksamkeit überprüfen zu können.

Tungiasis is an important health problem in poor communities in many Latin American, Caribbean and African countries. The parasitic skin disease is caused by the female sand flea Tunga penetrans. Although the infection has long been known, data on the ectoparasite s pathophysiology, immunology and pharmacological therapy are scant and there is no animal model in which the zoonosis could be properly investigated. The aim of this study was to infest Wistar rats experimentally with T. penetrans and to describe the natural history in rats with regard to the clinic, morphology and histopathology. Furthermore, the infestation in Wistar rats should be compared with human Tungiasis and the cytokine kinetics in the serum of the laboratory-raised Wistar rats during the natural course of the infection should be measured. For the first time, the present study has shown that Wistar rats can be easily infected experimentally with T. penetrans. In a laboratory, the tray of two cages were covered with sand and 60 free running adults of T. penetrans were placed on it together with four Wistar rats. After 24 hours 87,5% (7/8) of the Wistar rats were infected. For exposure in a natural environment, 4 to 6 rats were put into cages and placed on the ground in hyperendemic areas. More than fifty percent (16/30) of the exposed Wistar rats got infected during a period of 2 weeks. In the following part of the study, we described 141 lesions on 16 different stages during the natural course of the Wistar rat s infection. The penetrations took mainly place on the limbs (140/141), especially on the hind limbs of the rats (125/140). The observations showed that the clinical course of tungiasis in Wistar rats was comparable to that in humans. Also the morphological development of the parasite, documented with light and scanning electron microscopy (SEM) was equal. However, differences could be seen in the histopathological analysis. In contrast to humans, the basal membrane disrupted five days after penetration and a continuously growing portion of the flea was located in the dermis of the Wistar rat. This provoked an intense infiltration with eosinophil and neutrophil granulocytes while the inflammatory infiltrate in humans is characterized by monocytic cells. Furthermore, the serum concentration of important cytokines during the infection of the Wistar rat was determined on six different time points. The pro- inflammatory cytokines TNF-α and IL-1β showed an increase during the second and third week of the infection, while IL-4, a key factor for the differentiation of precursor helper cells into TH2 subsets, clearly preceded the augmentation of TNF-α and IL-1β. IL-10, an immune-modulating cytokine, had reached its highest serum concentrations between day 6 and day 16 after penetration, consequently during a time period clinically characterized by intense inflammatory signs. Summarizing, this study could show, that Wistar rats can be easily infected with T. penetrans and the natural history of Tungiasis in Wistar rats closely resembles the course of the infection in humans. Furthermore the results showed alterations in the serum concentration of pro-inflammatory cytokines of infected Wistar rats. The data indicate that the Wistar rat is an appropriate model to study the pathophysiology and immunology of Tungiasis and it seems particularly suitable for the evaluation of pharmacological approaches attempting to abrogate the in situ development of T. penetrans.