Search

Die alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine lebensbedrohliche Erkrankung des Menschen, welche durch das infiltrative Wachstum des Metazestoden-Larvenstadiums des Fuchsbandwurms (Echinococcus multilocularis) in der Leber verursacht wird. Das tumorartige Wachstum des Metazestoden beruht auf einer Echinococcus-spezifischen Modifikation der anterior-posterioren-Körperachse (AP Achse). Es wird vermutet, dass dabei der anteriore Pol der invadierenden Oncospären-Larve zunächst abgeschaltet wird und sich der Metazestode anschließend asexuell als vesikuläres, posteriorisiertes Gewebes im Wirt vermehrt. Nach massiver Proliferation wird der anteriore Pol reetabliert und führt zur Bildung zahlreicher Bandwurm-Kopfanlagen (Protoskolizes). Da die Ausbildung der AP Körperachse evolutionsgeschichtlich konserviert über den wingless-related (Wnt)-Signalweg gesteuert wird, wurde in dieser Arbeit die Rolle von Wnt-Signaling bei der Musterbildung von E. multilocularis über molekular- und zellbiologische Studien näher beleuchtet. Zentraler methodischer Ansatz der vorliegenden Arbeit war ein E. multilocularis Stammzell-Kultursystem, das Primärzellsystem, welches die in vitro-Generierung von Metazestoden-Vesikeln durch Proliferation und Differenzierung von germinativen Zellen (Stammzellen) erlaubt. Über RNA-Sequenzierung wurde zunächst gezeigt, dass in Primärzellkulturen sowohl Markergene für posteriore Entwicklung in Richtung Metazestode wie auch für Anterior-und Protoskolexmarker exprimiert werden. Unter Verwendung von RNA-Interferenz (RNAi) wurde anschließend ein erfolgreicher Knockdown des vermuteten Hauptregulators des kanonischen Wnt-Signalwegs, β Catenin (em-bcat1), erreicht und führte zu einem charakteristischen, sogenannten ‚red dot‘ Phänotyp, dem ersten jemals beschriebenen RNAi Phänotyp für E. multilocularis-Primärzellen. Primärzellkulturen nach em-bcat1 RNAi zeigten eine stark verminderte Fähigkeit, Metazestoden-Vesikel zu bilden sowie eine Überproliferation von germinativen Zellen. Zusätzliche RNA-Seq-Analysen des Transkriptoms von RNAi(em-bcat1)-Kulturen zeigten eine signifikant verringerte Expression von Posterior- und Metazestodenmarkern, während Anterior- und Protoskolexmarker deutlich überexprimiert wurden. Durch umfangreiche Whole-mount-in-situ-Hybridisierung (WMISH)-Experimente wurden diese Daten für eine Reihe ausgewählter Markergene für posteriore (Metazestode; em-wnt1, em-wnt11b, em-muc1) und für anteriore Entwicklung (Protoskolex; em sfrp, em-nou-darake, em npp36, em-frizzled10) verifiziert. In allen genannten Fällen zeigte sich durch Änderung der Polarität eine verminderte Genexpression von Posteriormarkern, während Anteriormarker deutlich erhöht exprimiert wurden. Ähnlich wie bei den verwandten, freilebenden Planarien, führt demnach ein Knockdown des zentralen Wnt-Regulators β-Catenin bei E. multilocularis zu einer anteriorisierten, Anterior- und Protoskolexmarker dominierte Genexpression, welche der posteriorisierten Entwicklung zum Metazestoden entgegenwirkt. Neben Markergenen für die Ausbildung der AP-Achse wurden in dieser Arbeit auch solche für die medio-laterale (ML)-Körperachse bei Zestoden erstmals beschrieben. So zeigte sich, dass ein Slit-Ortholog (em slit) im E. multilocularis Protoskolex im Bereich der Körper-Mittellinie exprimiert wird und lieferte Hinweise darauf, dass, ähnlich zur Situation bei Planarien, die ML Achse von E. multilocularis durch Morphogengradienten aus slit (Mittellinie) und wnt5 (lateral) definiert wird. Im Metazestoden wird hingegen nur em-slit exprimiert. Der Metazestode besitzt damit als posterior-medianisiertes Gewebe Anlagen zur Polarität zur AP- und ML-Achse, welche erst mit Bildung von Protoskolizes vollständig etabliert werden. Schließlich deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass bei der Wiederherstellung der Körperachsen während der Entwicklung von Protoskolizes Hedgehog (Hh)-Signale entscheidend mitwirken. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit der zentrale Faktor des kanonischen Wnt Signalwegs, β-Catenin, als Hauptregulator der Entwicklung des tumorartig wachsenden E. multilocularis-Metazestoden identifiziert. Zudem wurde gezeigt, dass zur Metazestodenbildung neben einer Echinococcus-spezifischen Modifikation der AP Körperachse auch eine solche der ML Achse beiträgt. In humanen malignen Tumoren sind der Wnt-, Slit-Robo- und Hh-Signalweg gut erforschte Wirkstofftargets und könnten in Zukunft in ähnlicher Weise für eine zielgerichtete Therapie von AE dienen., Alveolar echinococcosis (AE) is a life-threatening human disease caused by the infiltrative growth of the metacestode larval stage of the fox tapeworm (Echinococcus multilocularis) within the host liver. According to previous research, the tumor-like growth of the metacestode is due to an Echinococcus-specific modification of the anterior-posterior (AP)-body axis formation. It is thus assumed that the invading oncosphere larva transiently represses the anterior pole, giving rise to metacestode vesicles which proliferate within the host as posteriorized tissue. Upon massive proliferation, the anterior pole is re-established at numerous sites within the metacestode tissue, yielding large numbers of tapeworm heads (protoscoleces). Since the formation of the AP-body axis is evolutionarily conserved and regulated by canonical wingless-related (Wnt) signaling, the present work investigated in detail the role of the Wnt-pathway in Echinococcus metacestode formation via molecular and cell biological studies. Methodologically, this work focussed on an Echinococcus stem cell cultivation system, called the primary cell system, which allows the in-vitro generation of mature metacestode vesicles through proliferation and differentiation of germinative cells (stem cells). By genome-wide RNA-Seq transcriptomics it is shown that primary cell cultures express marker genes for both posterior development towards the metacestode as well as anterior development of head organizers. By RNA interference (RNAi), successful knockdown of the presumed central regulator of canonical Wnt-signaling, β-catenin (em-bcat1), was achieved, yielding a striking phenotype ('red dot'), the first RNAi phenotype described for E. multilocularis primary cells. Primary cell cultures after em-bcat1 RNAi showed a greatly reduced ability to form metacestode vesicles as well as an overproliferation of germinative cells. Additional RNA-Seq analysis of the transcriptome of RNAi(em-bcat1) cultures indicated significantly decreased expression of posterior and metacestode markers whereas anterior and protoscolex markers were markedly overexpressed. These data were verified using whole-mount-in-situ-hybridization (WMISH) for several selected marker genes for posterior (metazestode; em-wnt1, em-wnt11b, em-muc1) and for anterior development (protoscolex; em-sfrp, em-nou-darake, em npp36, em frizzled10). In all cases, a change in polarity showed decreased gene expression of posterior markers whereas anterior markers were significantly increased in expression. Similar to the situation in related planarians, knockdown of β Catenin in E. multilocularis lead in anteriorized, anterior- and protoscolex marker-dominated gene expression and antagonized the formation of the posteriorized metacestode. In addition to marker genes for AP-axis formation, this work also established marker genes for the medio-lateral (ML)-body axis in cestodes for the first time. In particular, a slit orthologue (em slit) was shown to be expressed in the E. multilocularis protoscolex at the body midline and provided evidence that, similar to the situation in planarians, the ML-axis of E. multilocularis is defined by morphogen gradients consisting of slit (midline) and wnt5 (lateral). In contrast, only em-slit is expressed in the metacestode. Thus, the metacestode tissue is indeed posterior-medianized and the AP- and ML-axes are established only with formation of protoscoleces. Finally, the results of this work suggest that Hedgehog (Hh) signaling plays a critical role in the reestablishment of body axes during protoscoleces development. In conclusion, this work identified the central regulator of the canonical Wnt-signaling pathway, β-catenin, as a master regulator of E. multilocularis metacestode development. Furthermore, it is herein established that metacestode formation not only involves Echinococcus-specific modification of the AP-axis but also of the ML-axis. In human malignant tumors, the Wnt, Slit-Robo, and Hh-pathway are well-studied drug targets and may similarly serve for AE targeted therapy in the future.

Human alveolar echinococcosis (AE), which is caused by the cestode Echinococcus (E.) multilocularis, is an epidemiologically relevant issue in modern medicine and still poses a diagnostic and therapeutic challenge. Since diagnosis mainly relies on imaging procedures and serological testing, we retrospectively and comparatively analyzed the performance of an Echinococcus IgG screening ELISA, whole serum IgE, and two specific confirmatory ELISA platforms using the defined E. multilocularis antigens Em2-Em18 (Em2+) and recombinant Em18 (recEm18). With special emphasis on the clinical usefulness of recEm18, we correlated the laboratory results with clinical characteristics and imaging findings in a large and well-characterized cohort of N = 124 AE patients, who were followed over several years after either surgical plus subsequent pharmacological treatment or pharmacotherapy alone. All patients had routinely received PET-CTI every two years. Our data reveal strong correlations for both Echinococcus IgG and recEm18 with tracer uptake in PET-CTI and parasitic lesion size and number, suggesting additional clinical usefulness of recEm18 for certain constellations only, while IgG and Em2+ still appear reasonable and sensitive screening methods for initial diagnosis of AE. With this study, we aim to contribute to further optimizing medical care of AE patients. For instance, it might be reasonable to consider the replacement of some PET-CTI follow-ups by imaging procedures with less radiation exposure or serological means alone. Further studies that clarify the correlation of serological markers with ultrasound criteria might be particularly useful, and further retrospective as well as prospective investigations are justified in this context., publishedVersion

Bei der alveolären Echinokokkose (AE) handelt es sich um eine seltene, chronisch verlaufende Zoonose ausgelöst durch die Infektion mit dem E. multilocularis. Aufgrund der langen asymptomatischen Inkubationszeit der AE wird sie oft in einem fortgeschrittenen Stadium diagnostiziert. Patienten mit AE müssen ihr Leben lang starke Medikamente einnehmen und sich teilweise großen operativen Eingriffen unterziehen. Ziel der vorliegenden Studie war es daher die Untersuchung und Evaluation der körperlichen und psychischen Lebensqualität dieser Patienten im Vergleich zur Standardnormalbevölkerung. Zur Beurteilung der gesundheitsbezogenen Lebensqualität wurden 30 Patienten mittels des SF-36 Gesundheitsfragebogens zu ihrer körperlichen und psychischen Lebensqualität befragt. Die Ergebnisse dieser Befragung wurden anschließend mit einer alters- und geschlechtsspezifischen Kontrollpopulation gesunder Probanden verglichen. Zusätzlich zum SF-36 Gesundheitsfragebogen wurden noch sechs weitere AE spezifische Fragen gestellt. Hierdurch konnte ein erster Einblick in die gesundheitsbezogene Lebensqualität der Patienten mit AE gewonnen werden.

Die alveoläre Echinokokkose (AE), verursacht durch das Metacestoden- Larvenstadium des Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis (E. multilocularis), ist eine lebensbedrohliche Zoonose der nördlichen Hemisphäre mit eingeschränkten therapeutischen Möglichkeiten. Bei der Suche nach neuen Therapeutika haben Mitogen-activated Proteinkinase (MAPK) -Kaskaden als pharmakologische Zielstrukturen aufgrund ihrer essentiellen Rolle bei der Zellproliferation und -differenzierung ein großes Potenzial. In der vorliegenden Arbeit wurden durch BLAST- und reziproke BLAST-Analysen elf potenzielle MAPK Kinase Kinasen (MAP3K), fünf potenzielle MAPK Kinasen (MAP2K) und sechs potenzielle MAPK im E. multilocularis-Genom identifiziert, die teils hoch konserviert sind und in nahezu allen Entwicklungsstadien des Parasiten exprimiert werden. Diese Erkenntnisse lassen auf ein komplexes MAPK-Signaltransduktions- system in E. multilocularis mit großer Bedeutung für den Parasiten schließen. Transkriptomdatenanalysen und Whole Mount in Situ Hybridisierung (WMISH) zeigten, dass emmkkk1 (EmuJ_000389600) als einzige MAP3K neben der Expression in postmitotischen Zellen in besonderem Maße in proliferativen Stammzellen des Parasiten exprimiert wird und somit eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von Stammzellen spielen könnte. In Yeast-Two-Hybrid (Y2H) -Wechselwirkungsassays wurden Interaktionen von mehreren upstream- (EmGRB2) und downstream- wirkenden Signalkaskadekomponenten des JNK (EmMKK3, EmMPK3) und ERK (EmMKK3, EmMPK4) -Signalwegs gefunden. Daraus lässt sich schließen, dass EmMKKK1, analog zu seinem humanen Homolog HsM3K1, eine zentrale Rolle bei der Echinococcus-Wachstumsregulation durch Rezeptortyrosinkinasen und vielfältige weitere Funktionen im Parasiten besitzt. Anhand von Erkenntnissen an Platyhelminthes kann daher von einem großen Potenzial dieser neu charakterisierten Signalwege als chemotherapeutische Angriffspunkte ausgegangen werden, wenngleich erste RNA-Interferenz (RNAi)- und Inhibitorstudien an emmkkk1, emmpk1 und emmpk4 keine durchschlagenden Effekte auf das Überleben von Primärzellkulturen und die Bildung von Metacestodenvesikeln zeigten. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit mit EmMKKK1 und neuen ERK- und JNK-Signalwegen zentrale Komponenten der komplexen MAPK-Signalkaskaden in E. multilocularis identifiziert werden, die höchstwahrscheinlich einen großen Beitrag zur enormen Regenerationsfähigkeit der Echinococcus-Stammzellen leisten und vom Wirt abgeleitete Signale wie Insulin, Epidermaler Wachstumsfaktor (EGF) und Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF) über EmGRB2 in Proliferationsnetzwerke des Parasiten integrieren. Arzneimittel-Screening-Assays, die auf diese Signalwege abzielen, könnten daher zu alternativen Arzneimitteln führen, die alleine oder in Kombination mit einer bestehenden Chemotherapie (Benzimidazol) die Prognose von für AE-Patienten verbessern könnten., Alveolar echinococcosis (AE), caused by the metacestode larval stage of the fox tapeworm Echinococcus multilocularis (E. multilocularis), is a life-threatening zoonosis of the Northern Hemisphere with limited therapeutic options. In searches for a new chemotherapy, mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades are of great potential as new drug targets due to their essential role in cell proliferation and differentiation. In this work eleven potential MAPK kinase kinases (MAP3K), five potential MAPK kinases (MAP2K) and six potential MAPK were identified in the E. multilocularis genome by BLAST and reciprocal BLAST analyses, of which some are highly conserved and expressed in almost all developmental stages of the parasite. These findings suggest a complex MAPK signal transduction system in E. multilocularis with major importance for the parasite. Transcriptome data analysis and Whole Mount in Situ Hybridization (WMISH) showed that emmkkk1 (EmuJ_000389600) is the only MAP3K being decisively expressed in the proliferative parasite in addition to expression in postmitotic cells, and thus could play an important role in the differentiation of stem cells. In Yeast-Two-Hybrid (Y2H) interaction assays, interactions between several upstream (EmGRB2) and downstream signaling cascade components of JNK (EmMKK3, EmMPK3) and ERK (EmMKK3, EmMPK4) signaling pathways were detected. Thus, EmMKKK1, like its human homologue HsM3K1, appears to play a central role in Echinococcus growth regulation by receptor tyrosine kinases and seems to have diverse other functions in the parasite. Based on findings on other platyhelminths it can be expected that these newly characterized signaling pathways are of great potential as drug target, although first RNA interference (RNAi) and inhibitor studies on emmkkk1, emmpk1 and emmpk4 revealed no substantive effects on the survival of primary cell cultures and the formation of metacestode vesicles. In conclusion, the present work identified with EmMKKK1 and new ERK and JNK signaling pathways central components of the complex MAPK signaling cascades in E. multilocularis, which most likely contribute to the enormous regenerative capacity of Echinococcus stem cells and integrate host derived signals such as insulin, epidermal growth factor (EGF), and fibroblast growth factor (FGF) via EmGBR2 into proliferative networks of the parasite. Targeting these signaling pathways in drug screening assays might thus lead to alternative drugs that alone, or in combination with existing chemotherapy (benzimidazole), could improve the prognose of AE patients.

Alveolar echinococcosis, which is caused by the metacestode stage of the small fox tapeworm Echinococcus multilocularis, is a severe zoonotic disease with limited treatment options. For a better understanding of cestode biology the genome of E. multilocularis, together with other cestode genomes, was sequenced previously. While a few studies were undertaken to explore the E. multilocularis transcriptome, a comprehensive exploration of global transcription profiles throughout life cycle stages is lacking. This work represents the so far most comprehensive analysis of the E. multilocularis transcriptome. Using RNA-Seq information from different life cycle stages and experimental conditions in three biological replicates, transcriptional differences were qualitatively and quantitatively explored. The analyzed datasets are based on samples of metacestodes cultivated under aerobic and anaerobic conditions as well as metacestodes obtained directly from infected jirds. Other samples are stem cell cultures at three different time points of development as well as non-activated and activated protoscoleces, the larval stage that can develop into adult worms. In addition, two datasets of metacestodes under experimental conditions suitable for the detection of genes that are expressed in stem cells, the so-called germinative cells, and one dataset from a siRNA experiment were analyzed. Analysis of these datasets led to expression profiles for all annotated genes, including genes that are expressed in the tegument of metacestodes and play a role in host-parasite interactions and modulation of the host's immune response. Gene expression profiles provide also further information about genes that might be responsible for the infiltrative growth of the parasite in the liver. Furthermore, germinative cell-specific genes were identified. Germinative cells are the only proliferating cells in E. multilocularis and therefore of utmost importance for the development and growth of the parasite. Using a combination of germinative cell depletion and enrichment methods, genes with specific expression in germinative cells were identified. As expected, many of these genes are involved in translation, cell cycle regulation or DNA replication and repair. Also identified were transcription factors, many of which are involved in cell fate commitment. As an example, the gene encoding the telomerase reverse transcriptase (TERT) was studied further. Expression of E. multilocularis tert in germinative cells was confirmed experimentally. Cell culture experiments indicate that TERT is required for proliferation and development of the parasite, which makes TERT a potentially interesting drug target for chemotherapy of alveolar echinococcosis. Germinative cell specific genes in E. multilocularis also include genes of densoviral origin. More than 20 individual densovirus loci with information for non-structural and structural densovirus proteins were identified in the E. multilocularis genome. Densoviral elements were also detected in many other cestode genomes. Genomic integration of these elements suggests that densovirus-based vectors might be suitable tools for genetic manipulation of tapeworms. Interestingly, only three of more than 20 densovirus loci in the E. multilocularis genome are expressed. Since the canonical piRNA pathway is lacking in cestodes, this raises the question about potential silencing mechanisms. Exploration of RNA-Seq information indicated natural antisense transcripts as a potential gene regulation mechanism in E. multilocularis. Preliminary experiments further suggest DNA-methylation, which was previously shown to occur in platyhelminthes, as an interesting avenue to explore in future. The transcriptome datasets also contain information about genes that are expressed in differentiated cells, for example the serotonin transporter gene that is expressed in nerve cells. Cell culture experiments indicate that serotonin and serotonin transport play an important role in E. multilocularis proliferation, development and survival. Overall, this work provides a comprehensive transcription data atlas throughout the E. multilocularis life cycle. Identification of germinative cell-specific genes and genes important for host-parasite interactions will greatly facilitate future research. A global overview of gene expression profiles will also aide in the detection of suitable drug targets and the development of new chemotherapeutics against alveolar echinococcosis., Alveoläre Echinokokkose wird durch das Metazestodenstadium des kleinen Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis verursacht und medizinisch als eine schwere Zoonose mit begrenzten Behandlungsmöglichkeiten betrachtet. Um ein besseres Verständnis für die Biologie der Zestoden zu erlangen, wurde das Genom von E. multilocularis, zusammen mit denen anderer Zestoden, bereits sequenziert. Bisher wurden nur wenige Studien zum Transkriptom von E. multilocularis durchgeführt und eine umfassende Analyse der Transkriptionsprofile über verschiedene Stadien des Lebenszyklus hinweg fehlt bislang. Diese Arbeit stellt die bisher umfassendste Untersuchung des Transkriptoms von E. multilocularis dar. Unterschiede in der Genexpression in verschiedenen Stadien des Lebenszyklus und unter experimentellen Bedingungen wurden qualitativ und quantitativ untersucht. Dazu wurden Daten aus RNA-Sequenzierungen in drei biologischen Replikaten verwendet. Die untersuchten Datensätze beruhen auf Proben von Metazestoden, die unter aeroben und anaeroben Bedingungen kultiviert, sowie von Metazestoden, die direkt aus Gerbilen isoliert wurden. Weitere Proben umfassen Stammzellkulturen zu drei verschiedenen Entwicklungszeitpunkten sowie nicht-aktivierte und aktivierte Protoskolizes, das Larvenstadium das sich zu Adulten entwickeln kann. Zusätzlich wurden zwei Datensätze von Metazestoden unter experimentellen Bedingungen, die zur Identifizierung stammzellspezifischer (keimzellspezifischer) Gene geeignet sind, sowie ein Datensatz von einem siRNA-Experiment untersucht. Die Analyse dieser Datensätze führte zu Genexpressionsprofilen für alle annotierten Gene, unter anderem für Gene, die im Tegument des Metazestoden exprimiert werden und eine Rolle spielen bei Wirt-Parasit-Interaktionen und der Modulierung der Immunantwort des Wirts. Genexpressionsprofile liefern zudem Informationen über Gene, die für das infiltrative Wachstum des Parasiten in der Leber verantwortlich sein könnten. Des Weiteren wurden keimzellspezifische Gene identifiziert. Keimzellen sind die einzigen proliferierenden Zellen in E. multilocularis und daher von essentieller Bedeutung für die Entwicklung und das Wachstum des Parasiten. Durch eine Kombination von Keimzelldepletierungs- und Keimzellanreicherungsverfahren wurden Gene mit keimzellspezifischer Expression identifiziert. Wie erwartet, sind viele dieser Gene in der Translation, der Zellzyklusregulation oder DNA-Replikation und –Reparatur involviert. Darüber hinaus wurden keimzellspezifisch exprimierte Transkriptionsfaktoren detektiert, von denen viele in der Festlegung des Zellschicksals eine Rolle spielen. Als Beispiel eines keimzellspezifischen Genes wurde das Gen, das für die reverse Transkriptase (TERT) kodiert, genauer untersucht. Die Expression von E. multilocularis tert in Keimzellen wurde experimentell bestätigt. Zellkulturexperimente weisen darauf hin, dass TERT für die Proliferation und die Entwicklung essentiell ist. TERT ist daher ein potentiell interessantes Wirkstofftarget für die chemotherapeutische Behandlung der alveolären Echinokokkose. Zu den keimzellspezifischen Genen in E. multilocularis gehören auch Gene densoviralen Ursprungs. Es wurden mehr als 20 Densovirusloci mit Informationen für nicht-strukturelle und strukturelle Densovirusproteine im E. multilocularis-Genom identifiziert. Densovirale Elemente wurden auch in vielen anderen Zestodengenomen detektiert. Die genomische Integration dieser Elemente deutet darauf hin, dass densovirus-basierte Vektoren zur genetischen Manipulation von Zestoden geeignet sein könnten. Interessanterweise sind nur drei von mehr als 20 Densovirusloci im E. multilocularis-Genom exprimiert. Da es in Zestoden keinen kanonischen piRNA-Signalweg gibt, stellt sich die Frage nach möglichen Genabschaltungsmechanismen. Die Analyse der RNA-Sequenzierdaten ergab Hinweise auf natürliche Antisense-Transkripte als einen möglichen Genregulationsmechanismus in E. multilocularis. Vorläufige Experimente und bisherige Studien deuten weiterhin darauf hin, dass DNA-Methylierung ein Mechanismus der Genregulation und -abschaltung in Zestoden sein könnte. Die Transkriptionsdaten enthalten auch Informationen zu Genen, die in differenzierten Zellen exprimiert werden, wie zum Beispiel das Serotonintransportergen, das in Nervenzellen exprimiert wird. Zellkulturversuche weisen darauf hin, dass Serotonin und Serotonintransport eine wichtige Rolle bei der Proliferation, der Entwicklung und dem überleben von E. multilocularis spielen. Insgesamt bietet diese Arbeit einen umfassenden Transkriptionsdatenatlas über die Stadien des Lebenszyklus von E. multilocularis. Die Identifizierung von keimzellspezifischen Genen und Genen, die für die Interaktion zwischen Wirt und Parasit wichtig sind, wird die zukünftige Forschung erheblich erleichtern. Ein globaler Überblick über die Genexpressionsprofile wird zudem hilfreich sein bei der Entdeckung geeigneter Wirkstofftargets und bei der Entwicklung neuer Chemotherapeutika gegen die alveoläre Echinokokkose.

Background The main endemic areas of alveolar echinococcosis (AE) are in central Europe and western China. The infiltration of intrahepatic vascular and bile ducts as well as extrahepatic disease can lead to complications and may increase morbidity in AE. Purpose To evaluate the vascular/biliary involvement of hepatic alveolar echinococcosis (HAE) and distant extrahepatic disease at each of four locations in Germany, France, and China. Material and Methods Contrast-enhanced abdominal magnetic resonance imaging (MRI) scans of patients with HAE, 200 in total, were evaluated by five examiners. AE liver lesions were classified according to Kodama’s classification. Furthermore, distant extrahepatic manifestations were documented with additionally performed imaging modalities. Vascular/biliary involvement of hepatic manifestations as well as the presence of extrahepatic manifestations were correlated with the respective Kodama type of the liver lesion. Results Distant extrahepatic AE manifestations were significantly more frequent in China than in Europe (12/100 vs. 3/100; Fisher’s exact test: P=0.0286). A significant relationship exists between presence of distant extrahepatic disease manifestation and size of the AE liver lesion (132.53 ± 48.65 vs. 92.49 ± 50.06; P = 0.0030). Vascular/biliary involvement is significantly more frequent in China than in Europe (86/100 vs. 65/100; χ2 = 11.92; P = 0.0006). Vascular/biliary involvement depends on lesion size (111.10 ± 47.44 vs. 47.36 ± 24.36; P, publishedVersion

Bei Läsionen der hepatischen alveolären Echinokokkose (AE) können, je nach morphologischer Ausprägung, zystenähnliche Anteile zu finden sein. Aus diesem Grund gehört die AE neben der zystischen Echinokokkose (CE) zu den wichtigsten Differentialdiagnosen der häufigsten fokalen Leberläsionen, den benignen Leberzysten. Die vorliegende Arbeit ist die erste Studie, die normale Leberzysten und zystoide Anteile von AE-Läsionen gemäß der „Echinococcus multilocularis Ulm Classification for Computed Tomography“ (EMUC-CT) anhand von Dichtemessungen miteinander vergleicht. Hierfür wurden die Computertomografie-Bilddatensätze von Untersuchungen der Positronen-Emissions-Tomografie / Computertomografie (PET / CT) aus der Klinik für Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Ulm von Patienten mit hepatischer AE (n = 155) ausgewertet. Die Datenerhebung erfolgte retrospektiv aus der nationalen Echinokokkus-Datenbank des Klinikums. In die Kontrollgruppe wurden Patienten ohne AE oder CE bei denen nebenbefundlich im Rahmen anderer PET / CT-Untersuchungen zystische, nicht metastasensuspekte Läsionen diagnostiziert worden waren (n = 78) eingeschlossen. Das gesamte untersuchte Kollektiv betrug n = 233. Die Dichte zystoider Anteile von AE-Läsionen wurde anhand von Messungen der Hounsfield Units (HU) mittels einer manuell gezeichneten Region of Interest (ROI) mit einer Fläche von 30 ± 1 mm² mit der Dichte blander Leberzysten verglichen. Zudem wurden die Dichtewerte zystoider Anteile der einzelnen AE-Läsionstypen nach EMUC-CT untereinander verglichen. Die Messungen wurden bei den AE-Läsionen unabhängig voneinander von zwei Untersuchern und bei den blanden Leberzysten von einem Untersucher durchgeführt. Für die statistische Auswertung wurde die Statistik-Software SAS 9.4 benutzt. Das Signifikanzniveau wurde mit einem p-Wert < 0,05 festgelegt. Die HU-Messungen zystoider Anteile von AE-Läsionen mit Primärmorphologie Typ I – IV nach EMUC-CT ergaben einen Mittelwert von 21,82 ± 17,65 HU und unterschieden sich daher signifikant (p < 0,0001) von normalen Leberzysten, die einen Mittelwert von 2,93 ± 4,54 HU zeigten. Auch für die einzelnen AE-Typen war dieser Unterschied zu normalen Leberzysten jeweils signifikant. Darüber hinaus zeigten die HU-Werte der zystoiden Anteile in Typ I, II und IIIa / b sowie normaler Zysten jeweils signifikante Unterschiede (p < 0,0001) gegenüber Typ IV. Die HU-Messungen im Typ IV präsentierten dabei den mit Abstand höchsten Mittelwert (39,80 ± 17,23 HU). Eine Therapie mit Benzimidazol-Derivaten hatte unabhängig von der Dauer keinen Einfluss auf die Dichte-Werte der zystoiden Anteile der AE-Läsionen (p = 0,0838). Die Messung der Dichte zystoider Anteile in hepatischen AE-Läsionen bietet bei signifikant höheren Werten eine gute Differenzierungsmöglichkeit gegenüber normalen Leberzysten. Die Ergebnisse unterstreichen damit auch die Bedeutung der gewählten Terminologie in der EMUC-CT-Klassifikation, in welcher hypodense Areale zu Recht als „zystoid“ und nicht als „zystisch“ bezeichnet wurden. Solche Bereiche passen zu Konglomeraten aus Alveolen oder bereits unterschiedlich ausgeprägt liquifizierten Nekrosen. Es besteht ein Zusammenhang zwischen Läsionsgröße und Dichtewerten, vermutlich als Ausdruck unterschiedlich weit fortgeschrittener Läsionen. Die zu allen anderen Läsionstypen signifikant unterschiedliche und höchste Dichte bei Typ IV passt zum Aufbau dieser Läsion, in der neben einer hypodensen soliden Nekrose, als Zeichen der Vitalität eine zentrale Alveole unterschiedlicher Größe auftreten kann. In der Terminologie von EMUC-CT ist diesen beiden Läsionscharakteristika des Typ IV mit der Bezeichnung als „kleinzystoid / metastatisch“ Rechnung getragen. Da diese Bezeichnung freilich nur die morphologischen Aspekte beschreibt und nicht etwa ein Metastasierungspotential dieser Läsionen ausdrücken soll, wäre der Vorschlag, künftig die Terminologie unmissverständlicher als „kleinzystoid / metastasenartig“ zu präzisieren.

Alveolar echinococcosis (AE) is caused by the intermediate stage of Echinococcus multilocularis. We aimed to correlate computed tomography (CT) data with histology to identify distinct characteristics for different lesion types. We classified 45 samples into five types with the Echinococcus multilocularis Ulm Classification for Computed Tomography (EMUC-CT). The various CT lesions exhibited significantly different histological parameters, which led us to propose a progression model. The initial lesion fit the CT type IV classification, which comprises a single necrotic area with the central located laminated layer, a larger distance between laminated layer and border zone, a small fibrotic peripheral zone, and few small particles of Echinococcus multilocularis (spems). Lesions could progress through CT types I, II, and III, characterized by shorter distances between laminated layer and border zone, more spems inside and surrounding the lesion, and a pronounced fibrotic rim (mostly in type III). Alternatively, lesions could converge to a highly calcified, regressive state (type V). Our results suggest that the CT types mark sequential stages of the infection, which progress over time. These distinct histological patterns advance the understanding of interactions between AE and human host; moreover, they might become prognostically and therapeutically relevant., publishedVersion

Benzimidazoles are the only approved drugs for the treatment of inoperable human alveolar echinococcosis but may be limited due to intolerance or, rarely, ineffectiveness. A medical second-line or salvage therapy is not available, though it is urgently needed. We report long-term follow-up data from 14 patients who underwent salvage therapy with repurposed drugs with cumulatively 53.25 patient-years. Treatment response was evaluated by both clinical outcome and image studies, preferably PET/CT. Eleven patients received amphotericin B, and 70% of evaluable cases showed some positive treatment response, but side effects often limited therapy. Five patients received nitazoxanide, of which two showed clear progression but one achieved a lasting stable disease. One patient was treated with mefloquine combination therapy in advanced disease, and overall, a positive treatment response could not be assessed. Furthermore, we report on one patient receiving pembrolizumab for a concomitant malignancy, which did not result in a reduction of echinococcal manifestation. In summary, current options of salvage therapy can sometimes induce persistent disease control, although with potentially significant side effects and high treatment costs, and mortality remains high. No clear recommendation for a salvage therapy can be given; treatment remains highly experimental, and non-pharmaceutical interventions have to be considered., publishedVersion

Die humane alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine durch das Larvenstadium des Kleinen Fuchsbandwurms (Echinococcus multilocularis) verursachte Zoonose, die unbehandelt nach zehn bis 15 Jahren in 90 % der Fälle zum Tod führt. Ziel dieser systematischen Übersichtsarbeit ist die Etablierung eines weltweiten Literaturatlasses über die epidemiologisch relevante AE-Forschung des 21. Jahrhunderts. Hierfür wurde die globale Literatur von 2001 bis 2018 gemäß den standardisierten Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) mithilfe der bibliografischen Datenbanken MEDLINE und EMBASE über die Metasuchmaschinen PubMed bzw. Ovid durchsucht. Ergänzt wurde die Recherche durch die nichtenglischsprachigen Datenarchive China National Knowledge Infrastructure (CNKI), VIP (jeweils chinesisch), eLIBRARY.RU, CyberLeninka (jeweils russisch), Journals.research.ac.ir (persisch), E-Library der Universität von Jordanien (arabisch) sowie anhand der Suchmaschine Google Scholar. Für die Kartierung der betroffenen Länder und Regionen wurde die Software QGIS (Version 2.18.21) verwendet. Von insgesamt 4 098 detektierten wissenschaftlichen Arbeiten fanden 154 Publikationen Aufnahme in den finalen Literaturatlas. Die humane AE wurde im Zeitraum 2001 bis 2018 in 36 Ländern der nördlichen Hemisphäre beschrieben, nichtautochthone Fälle eingeschlossen. Erstmals wurden Berichte über die Erkrankung in Tadschikistan, Pakistan, Südkorea, Belgien, den Niederlanden, der Slowakei, Ungarn, Litauen, Lettland, Slowenien und Marokko in diesem Jahrhundert veröffentlicht. Weitere Erstbeschreibungen in Thailand, Taiwan und Dänemark wurden von den jeweiligen Autoren als nichtautochthon eingestuft. Die höchsten Gesamtfallzahlen (n ≥ 100 in einer Referenz) wurden in Japan, Frankreich, Deutschland, Polen, Litauen und der Schweiz vermeldet. In diese Gruppe zählen ebenso China und Kirgisistan, wo darüber hinaus die mit großem Abstand höchsten Prävalenzen berechnet wurden. Die vorliegende Arbeit unterstreicht sowohl die zunehmende Ausbreitung publizierter Fälle als auch deren steigende Zahl in West-, Ost- und Nordeuropa sowie in Mittelasien. Überdies offenbart diese Studie fundamentale Wissenslücken hinsichtlich der geografischen Reichweite und der Erkrankungsraten in vielen Teilen der Erde. Anhand bestehender Daten zeigt sich, dass in einigen bisher nichtendemischen Regionen mit einem Aufkommen humaner Infektionen gerechnet werden muss. Dieses Systematic Review bietet eine aktuelle und umfassende Übersicht der weltweiten epidemiologisch bedeutsamen Literatur und mithin der Distribution dieser seltenen Parasitose. Um die Ursachen und die Dynamik der Ausbreitung zu verstehen, sind zukünftig weitere epidemiologische Studien über die AE erforderlich.

Die alveoläre Echinokokkose, eine gefährliche Zoonose, wird durch den kleinen Fuchsbandwurm Echinococcus multilocularis (E. multilocularis) verursacht. Es besteht eine anhaltende Diskussion über die phylogenetische Einordnung und die genetische Diversität von E. multilocularis im Vergleich zu anderen Echinokokkenarten. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sollte die Genotypsierung von E. multilocularis-Isolaten, die vorwiegend aus dem Raum Brandenburg stammen, einen Überblick über die Diversität des Parasiten und dessen Verteilung in einem Endemiegebiet geben. Hierfür wurden insgesamt 101 Füchse, 91 aus Brandenburg und 10 aus Nordrhein-Westfalen untersucht. Zur Genotypisierung wurden 3 mitochondriale Marker sowie ein nuklearer Mikrosatelliten-Marker (EmsB) verwendet. Die mitochondrialen Marker wurden sequenziert. Die Sequenzdaten wurden sowohl untereinander als auch mit publizierten Sequenzdaten verglichen. Die Phylogenie wurde mittels mitochondrialen Marker rekonstruiert. Anhand des EmsB-Markers wurden die EmsB-Profile bestimmt und mit Hilfe der Methode des Kohonennetzes und der Methode zur Gruppierung der Sammons nicht-linearer Kartierung mit k-mean-clustering bestätigt. Sowohl durch die mitochondrialen Marker als auch durch den EmsB-Marker konnten bei Füchsen in Brandenburg und in Nordrhein-Westfalen Mischinfektionen mit unterschiedlichen E. multilocularis-Genotypen nachgewiesen werden. Weiterhin zeigte sich eine heterogene Verteilung der Genotypen in Brandenburg. Vier (D, E, G und H) der 5 am häufigsten in Europa vorkommenden EmsB-Profile wurden in den untersuchten Proben aus Brandenburg und Nordrhein-Westfalen nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die vier verwendeten Marker auch für die Genotypisierung von Proben aus einem begrenzten endemischen Gebiet nutzbar sind. Die in dieser Arbeit erhobenen Daten bilden eine Grundlage für weitere epidemiologische Studien im Raum Brandenburg und den angrenzenden Bundesländern., The alveolar echinococcosis (AE) is a serious zoonosis caused by the small fox tapeworm E. multilocularis. A discussion has been ongoing about the phylogeny and the genetic diversity of E. multilocularis in comparison to other Echinococcus species. In the frame of this doctoral thesis, an overview about the diversity and the distribution of this parasite in an endemic area is provided by genotyping of E. multilocularis isolates, predominantly from the area of Brandenburg. Altogether 101 foxes, 91 derived from Brandenburg and 10 derived from North Rhine- Westphalia were investigated. For genotyping three mitochondrial markers as well as a nuclear microsatellite marker (EmsB) was used. The mitochondrial markers were sequenced. The sequence data were compared to each other and to published data. The phylogeny was reconstructed using mitochondrial markers. Based on the EmsB marker, the EmsB profiles were determined and confirmed by the methods of kohonen network and grouping of Sammons non-linear mapping with k-mean clustering. With both, the mitochondrial makers and the EmsB marker, mixed infection with different E. multilocularis genotypes of foxes from Brandenburg and North Rhine-Westphalia could be detected. Furthermore, a heterogenic distribution of these genotypes in Brandenburg became evident. Four (D, E, G and H) out of the five in Europe dominating EmsB profiles were detected in the samples from Brandenburg and North Rhine-Westphalia. It could be shown that the four markers were suitable for genotyping samples obtained from a restricted endemic area. The data of this study form a basis for further epidemiological studies in the region of Brandenburg and the adjacent federal states.

Zusammenfassung Zusammenfassung Die alveoläre Echinokokkose ist eine seltene potentiell lebensbedrohliche Parasitose. Das Universitätsklinikum Ulm ist für diese seltene Erkrankung Referenzzentrum in Deutschland. Um ein möglichst großes Patienten-/ Vergleichskollektiv zu bekommen arbeitet die Universitätsklinik Ulm an der laufenden Erweiterung einer Datenbank von Patienten die an der alveolären Echinokokkose erkrankt sind. Um die Datenbank weiter zu vervollständigen wurden im Zuge dieser Dissertation Gewebeproben von Patienten mit alveolärer Echinokokkose angefordert, die in der Ulmer Datenbank verzeichnet waren, deren Material jedoch noch nicht in Ulm begutachtet wurde. Die Patienten, von welchen Material zur nochmaligen Begutachtung angefordert wurde, untersuchte man zum einen auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den Patientencharakteristika zum anderen wurden die einzelnen Befunde auf histologische Unterschiede und Gemeinsamkeiten untersucht. Auffällig war der große Altersunterschied bei Erstdiagnose zwischen dem externen und dem internen Kollektiv. In den Befunden gab es im Bezug auf die untersuchte Infektion mit Echinococcus multilocularis keine Unterschiede, sodass eine vollständige Übereinstimmung in den Diagnosen alveoläre Echinokokkose getroffen wurde. Auch bei den beiden Negativbefunden stimmten die Befunde überein. Bei den beiden Negativbefunden lag klinisch eine Erkrankung mit Echinococcus multilocularis vor, sodass davon auszugehen ist, dass die Läsion im histologischen Schnitt oder bei der Probenentnahme nicht getroffen wurde. Die Färbung mit dem Em2G11-Antikörper stellt eine sichere diagnostische Methode dar, bei der auch mit wenig Gewebe wie zum Beispiel bei einer Biopsie eine sichere Diagnose gestellt werden kann. Außerdem liegt mit dem Nachweis von small particles of Echinococcus multilocularis (spems) in den Sinusoiden nahe, dass eine systemische Komponente der alveolären Echinokokkose besteht. Die schwache Immunrektion und die fehlende Interaktion mit der Läsion bestätigt zum einen Theorien, wonach Echinococcus multilocularis die Immunantwort moduliert wirft aber auch Fragen auf, wodurch genau diese Modulation stattfindet und ob bzw. inwieweit spems hierbei eine Rolle spielen. Bei vier Fällen konnte eine definitive Aussage über eine Erkrankung an alveolärer Echinokokkose erst durch die Immunhistologie über den Nachweis von spems definitiv bestätigt werden. Daran schließt sich nun die Frage einer Referenzpathologie bei Echinococcus multilocularis an. Da Kriterien wie der Lamellarkörper nicht immer nachzuweisen sind ist die Immunhistologie mit dem Em2G11 Antikörper der periodic acid shiff-Färbung überlegen und somit zur Diagnosesicherung sicher sinnvoll. Obwohl der Em2G11 Antikörper nicht frei erwerblich ist, ist eine Referenzpathologie ggf. in Ulm in unklaren Fällen dennoch zu empfehlen. Besonders bei Punktaten und Aspiraten mit wenig Material ist eine Referenzpathologie mit dem Em2G11 Antikörper sicher sinnvoll, da über den Nachweis von spems auch bei fehlendem Lamellarkörper eine Infektion mit Echinococcus multilocularis sicher nachgewiesen werden kann.

Hintergrund: Die Alveoläre Echinokokkose (AE) ist in Deutschland eine seltene parasitäre Erkrankung durch den Parasiten Echinococcus multilocularis. Viele Fragestellungen zur Epidemiologie, Diagnostik, Behandlung und Versorgung der alveolären Echinokokkose konnten bislang nicht gelöst werden, da die nötigen Strukturen zur Durchführung wissenschaftlicher Arbeiten nicht vorlagen. Ziel war die „Etablierung einer nationalen Datenbank für die alveoläre Echinokokkose“ zur „Detektion von Risikogebieten und Ermittlung der Prävalenz zur Evaluation der Durchseuchungslage“. Material und Methoden: In der Implementierung und Networkingsphase folgte die Kontaktaufnahme mit den beteiligten Akteuren. Dabei erfolgte die Erstellung eines relationalen Datenbankschemas und die Implementierung in MySQL Workbench Version 6.3.5. In der Erhebungs- und Rekrutierungsphase folgte die Kontaktaufnahme, Datenerhebung und Übertragung der Patientendaten in die nationale Datenbank für die alveoläre Echinokokkose. Zur kartographischen Darstellung und Visulisierung der Durchseuchungslage kam die Software EpiInfo™ zum Einsatz. Die Moran’s I-Geoanalyse nach Cluster und Risikogebieten erfolgte mit GeoDa™. Für die statistische Auswertung der N=523 AE-Fälle kam das Auswertungssystem SAS Version 9.2. zum Einsatz. Das Signifikanzniveau wurde bei α=0.05 festgelegt. Ergebnisse: Die Analyse der N=523 AE-Fälle ergab eine Konzentration der Fälle in Baden-Württemberg und Bayern. Die Analyse auf Basis von Moran’s I ergab für Deutschland eine positive räumliche Autokorrelation (I=0.208815 mit Z=32,6175 und einem p-Wert von

Hintergrund: Die alveoläre Echinokokkose (AE) stellt eine der gefährlichsten Parasitosen des Menschen dar. Sie wird durch das Larvenstadium (Metazestode) des Fuchsbandwurmes (Echinococcus multilocularis) verursacht. Primärer Ansiedlungsort ist fast ausschließlich die Leber. Die parasitäre Geschwulst bildet alveolär formierte Raumforderungen, wächst langsam und infiltrativ. Laut Empfehlung der Weltgesundheitsorganisation (WHO), ist die Therapie der Wahl die radikale Resektion mit einem Sicherheitsabstand von 2 cm mit anschließender anthelminthischer Medikation mit Benzimidazolderivaten für mindestens zwei Jahre. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Prüfung dieser Empfehlung der WHO für den Sicherheitsabstand von 2 cm. Methoden: Es wurde der Langzeitverlauf von 92 operativ versorgten Patienten mit AE untersucht, die am Universitätsklinikum Ulm im Zeitraum 1993 – 2014 nachgesorgt wurden. Die Daten wurden retrospektiv mittels Krankenakte, Operationsbericht und histopathologischem Befund erfasst. Ergebnisse: Bei 47 von 92 Patienten betrug der Sicherheitsabstand zwischen 1 mm - 19 mm und bei 12 Patienten über 2 cm. Die restlichen 33 Patienten wurden ohne Sicherheitsabstand operiert (R1-Resektion). Ein Rezidiv trat bei 15 von 92 Patienten 4 Monaten bis 24 Jahre nach Erstoperation auf. Bei 13 von diesen 15 Patienten mit Rezidiv wurde kein Sicherheitsabstand eingehalten. Somit zeigten nur 2 Patienten von den 59 Patienten (3,4 %), bei denen ein Sicherheitsabstand von mindestens 1 mm berücksichtigt wurde, ein Rezidiv. Fazit: Ein Sicherheitsabstand von weniger als 2 cm ist vertretbar, wenn der Resektionsabstand stellenweise aus anatomischen Gründen die von der WHO empfohlenen 2 cm unterschreitet. Eine Resektion des parasitären Gewebes mit einem Sicherheitsabstand von mindestens 1 mm in Kombination mit postoperativer Medikation für 2 Jahre bietet den Patienten gute Chancen, langfristig krankheitsfrei zu bleiben.

Zielsetzung: Im Rahmen dieser Studie wurde erstmals die unlängst von T. Graeter et al. vorgestellte EMUC-CT-Klassifikation (Echinococcus multilocularis Ulm Classification – Computed tomography) im Verlauf von zwei CT-Untersuchungen hinsichtlich der Veränderung morphologischer Kriterien im Verlauf der Erkrankung unter kontinuierlicher antihelminthischer Therapie mittels Benzimidazolen bewertet. Material und Methoden: Es wurde retrospektiv ein Studienkollektiv von 72 Patienten (38 weiblich, 34 männlich) der Echinococcus-multilocularis-Datenbank der Universitätsklinik Ulm ausgewertet. Das mittlere Alter zum Zeitpunkt der Auswertung betrug 65,8 ± 16,2 Jahre. Die mittlere Zeit zwischen Baseline-CT und Follow-Up-CT betrug 39,8 ± 16,7 Monate. Alle CT-Untersuchungen wurden an der Universitätsklinik Ulm zwischen 2006 und 2014 durchgeführt. Patienten mit operativen Therapieansatz waren ausgeschlossen. Ergebnisse: Es konnte bestätigt werden, dass sich der Primärmorphologietyp als konstantester Teil der Klassifikation verhält, wohingegen das Kalzifikationsmuster als variablerer Teil der Klassifikation gilt. Die Assoziation von einzelnen Primärmorphologietypen mit bestimmten Kalzifikationsmustern wurde ebenfalls bestätigt. Die Läsionsgröße ist unter kontinuierlicher Therapie mittels Benzimidazolen meist abnehmend. Sowohl die Läsionsgröße, als auch die Anzahl der Läsionen unterscheidet sich bei den einzelnen Primärmorphologietypen. Der Anteil an extrahepatischer Beteiligung, sowie an vaskulärer und biliärer Beteiligung der Läsionen ist bei den einzelnen Primärmorphologietypen unterschiedlich hoch. Schlussfolgerung: Die einzelnen Primärmorphologietypen zeigen unterschiedliche prognostische Tendenzen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Größe und Anzahl ihrer Läsionen, sowie dem Anteil an extrahepatischer, vaskulärer und biliärer Beteiligung. Die Läsionsgröße ist im Verlauf unter kontinuierlicher antihelminthischer Therapie mittels Benzimidazolen meist abnehmend. Zukünftig könnten die Ergebnisse dieser Studie möglicherweise in die Therapieplanung von Patienten mit alveolärer Echinokokkose miteinbezogen werden.

Die alveoläre Echinokokkose, verursacht durch den Fuchsbandwurm (Echinococcus multilocularis), ist eine seltene und potentiell lebensbedrohliche Parasitose, die zu 98% die Leber befällt und sich wie ein maligner Tumor verhält. Ohne Therapie verläuft die Erkrankung chronisch progressiv mit einer Mortalitätsrate von 90-100%. Somit ist eine zügige Diagnostik unumgänglich. Häufig wird die Diagnose erst histopathologisch nach einer Punktion oder operativen Resektion gestellt. Die Abdomensonographie ist aufgrund der kostengünstigen, schnellen Verfügbarkeit und fehlender Strahlenbelastung in der Diagnostik der alveolären Echinokokkose die Methode der ersten Wahl. Da in der bisherigen, internationalen Literatur keine standardisierte, nach WHO-Leitlinien anerkannte sonographische Klassifikation der hepatischen alveolären Echinokokkose beschrieben ist, war es das Ziel dieser retrospektiven Arbeit eine solche zu etablieren. Gleichzeitig diente diese Arbeit der Entwicklung einer Echinokokkus multilocularis Datenbank. Hierin wurden zahlreiche persönliche, epidemiologische und klinische Parameter, sowie sämtliche Verlaufsuntersuchungen aller Patienten (n=385) mit alveolärer Echinokokkose, die sich vom 01.01.1999 bis 31.12.2014 in der Echinokokkus-Spezialambulanz innerhalb der Sektion Infektiologie und Klinischen Immunologie des Universitätsklinikums Ulm in Behandlung befanden, dokumentiert. Aufgrund fehlender Ultraschalluntersuchungen, schlechter Bildqualität oder unzureichender Beurteilbarkeit der Ultraschallbefunde wurden 200 Patienten ausgeschlossen. Bei 185 Patienten mit bestätigter alveolärer Echinokokkose wurden die Ultraschallbefunde von einem erfahrenen Untersucher reevaluiert, auf der Basis langjähriger Erfahrung in ein 5-gliedriges Ultraschall-Klassifikationsschema eingruppiert und als Echinococcus Multilocularis Ulm Classification-Ultrasound (EMUC-US) betitelt: 1. Sturm- und Hagelmuster, 2. pseudozystisches Muster, 3. pseudohämangiomartiges Muster, 4. Verknöcherungsmuster, 5. metastasenartiges Muster. Es konnten 95,1% der hepatischen alveolären Echinokokkose dem vorgestellten Klassifikationsmuster zugeordnet werden. Die häufigste Manifestationsform stellte in 54,1% der Fälle das Sturm- und Hagelmuster dar. Der Durchmesser der pseudozystischen Läsionen war verglichen mit den anderen Klassifikationsformen mit 120 ± 47,4 mm am größten. Nach erfolgter Benzimidazol-Therapie konnte häufig eine Konversion eines primären Sturm- und Hagelmusters in ein pseudozystisches Muster beobachtet werden. Das Verknöcherungsmuster stellt differentialdiagnostisch eine große Herausforderung dar, da echoreiche verkalkte Läsionen in diversen anderen Lebererkrankungen vorkommen können. Ebenso ist das pseudohämangiomartige Muster zum Teil sehr schwer von atypischen Hämangiomen abzugrenzen. Das metastasenartige Muster wurde bisher in keiner Studie beschrieben und weist im Gegensatz zu typischen Lebermetastasen kein Halo-Phänomen auf. Aufgrund der Komplexität der morphologischen Veränderungen oder dem gemeinsamen Auftreten von verschiedenen Mustern konnten in 4.9% der Fälle die Läsionen keinem der definierten Muster der neuen Ultraschallklassifikation zugeordnet werden. Mit Hilfe der Ultraschallklassifikation kann die Diagnostik, Interpretation, Zuordnung und Vergleichbarkeit sonographischer Befunde der hepatischen alveolären Echinokokkose verbessert werden. Sowohl die EMUC-US als auch die Datenbank können eine Grundlage für weitere wissenschaftliche Studien schaffen und den Informationsaustausch zwischen nationalen und internationalen Kliniken in Zukunft erleichtern.

Alveolar and cystic echinococcosis, caused by Echinococcus multilocularis and Echinococcus granulosus respectively, are severe zoonotic diseases with limited treatment options. The sole curative treatment is the surgical removal of the complete parasite material. Due to late diagnosis, chemotherapeutic treatment often is the only treatment option. Treatment is based on benzimidazoles, which merely act parasitostatic and often display strong side effects. Therefore, new therapeutic drugs are urgently needed. Evolutionarily conserved signalling pathways are known to be involved in hostparasite cross-communication, parasite development and survival. Moreover, they represent potential targets for chemotherapeutic drugs. In this context the roles of the serotonin- and cAMP-signalling pathways in Echinococcus were studied. Genes encoding serotonin receptors, a serotonin transporter and enzymes involved in serotonin biosynthesis could be identified in the E. multilocularis and E. granulosus genomes indicating that these parasites are capable of synthesizing and perceiving serotonin signals. Also the influence of exogenous serotonin on parasite development was studied. Serotonin significantly increased metacestode vesicle formation from primary cells and re-differentiation of protoscoleces. Inhibition of serotonin transport with citalopram significantly reduced metacestode vesicle formation from primary cells and caused death of protoscoleces and metacestodes. Furthermore, it could be shown that serotonin increased phosphorylation of protein kinase A substrates. Taken together, these results show that serotonin and serotonin transport are essential for Echinococcus development and survival. Consequently, components of the serotonin pathway represent potential drug targets. In this work the cAMP-signalling pathway was researched with focus on G-protein coupled receptors and adenylate cyclases. 76 G-protein coupled receptors, including members of all major families were identified in the E. multilocularis genome. Four genes homologous to adenylate cyclase IX were identified in the E. multilocularis genome and three in the E. granulosus genome. While glucagon caused no significant effects, the adenylate cyclase activator forskolin and the adenylate cyclase inhibitor 2’, 5’ didesoxyadenosine influenced metacestode vesicle formation from primary cells, re-differentiation of protoscoleces and survival of metacestodes. It was further shown that forskolin increases phosphorylation of protein kinase A substrates, indicating that forskolin activates the cAMP-pathway also in cestodes. These results indicate that the cAMP signalling pathway plays an important role in Echinococcus development and survival. To complement this work, the influence of different media and additives on E. granulosus protoscoleces was investigated. Anaerobic conditions and the presence of FBS prolonged protoscolex survival while different media influenced protoscolex activation and development. Taken together, this work provided important insights into developmental processes in Echinococcus and potential drug targets for echinococcosis chemotherapy., Alveoläre und zystische Echinokokkose, hervorgerufen durch Echinococcus multilocularis und Echinococcus granulosus, sind schwere zoonotische Erkrankungen mit eingeschränkten Behandlungsmöglichkeiten. Die einzig kurative Therapie besteht in der chirurgischen Entfernung des gesammten Parasitenmaterials. Aufgrund später Diagnosestellung stellt Chemotherapie oft die einzige Behandlungsmöglichkeit dar. Die derzeitige Therapie basiert auf Benzimidazolen, welche nur parasitostatisch wirken und oft schwere Nebenwirkungen hervorrufen. Neue Medikamente werden daher dringend benötigt. Evolutionär konservierte Signalwege sind bekanntermaßen an Wirt-Parasit Kreuzkommunikation, Parasitenentwicklung und deren Überleben beteiligt. Darüber hinaus stellen sie auch mögliche Angriffspunkte für Chemotherapeutika dar. In diesem Zusammenhang wurden die Rollen des Serotonin- und des cAMP-Signalwegs in Echinococcus untersucht. Gene für Serotoninrezeptoren, einen Serotonintransporter und für Enzyme, die in der Serotoninsynthese involviert sind, konnten in den E. multilocularis und E. granulosus Genomen identifiziert werden, was darauf schließen lässt, dass diese Parasiten in der Lage sind, Serotonin selbst herzustellen und zu sensieren. Des Weiteren wurde der Einfluss von exogenem Serotonin auf die Parasitenentwicklung untersucht. Serotonin förderte die Bildung von Metazestodenvesikeln aus Primärzellen und die Rückdifferenzierung von Protoskolizes signifikant. Die Hemmung des Serotonintransports mit Citalopram reduzierte die Bildung von Metazestodenvesikeln aus Primärzellen signifikant und führte zum Absterben von Protoskolizes undMetazestoden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Serotonin die Posphorylierung von Proteinkinase A Substraten erhöht. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass Serotonin und Serotonintransport essentiell f¨ur die Entwicklung und das Überleben von Echinococcus sind. Folglich stellen Komponenten des Serotoninsignalwegs potentielle Angriffspunkte für Medikamente dar. In dieser Arbeit wurde der cAMP-Signalweg mit Schwerpunkt auf G-Protein gekoppelte Rezeptoren und Adenylatzyklasen untersucht. 76 G-Protein gekoppelte Rezeptoren, inclusive Mitglieder aller Hauptfamilien, wurden im E. multilocularis-Genom identifiziert. Vier Homologe zur Adenylatzyklase IX wurden im E. multilocularis- Genom und drei im E. granulosus-Genom identifiziert. Während Glukagon keine signifikanten Effekte hervorrief, beeinflussten der Adenylatzyklase-Aktivator Forskolin und der Adenylatzyklase-Inhibitor 2’, 5’-Didesoxyadenosin die Bildung von Metazestodenvesikeln aus Primärzellen, die Rückdifferenzierung von Protoskolizes und das Überleben vonMetazestoden. Zudem wurde gezeigt, dass Forskolin die Phosphorylierung von Proteinkinase A-Substraten erhöht. Dies bestätigt, dass Forskolin den cAMP-Signalweg aktiviert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der cAMP-Signalweg eine wichtige Rolle in der Entwicklung und dem Überleben von Echinococcus spielt. Um diese Arbeit zu vervollständigen, wurde der Einfluss von verschiedenen Medien und Zusätzen auf E. granulosus Protoskolizes untersucht. Anaerobe Bedingungen und die Anwesenheit von FBS verlängerten das Überleben von Protoskolizes, während verschiedene Medien die Aktivierung und die Entwicklung von Protoskolizes beeinflussten. Insgesamt gibt diese Arbeit wichtige Einblicke in Entwicklungsprozesse von Echinococcus und zeigt potentielle Angriffspunkte für Medikamente auf.

The metacestode larval stage of the fox tapeworm Echinococcus multilocularis is the causative agent of alveolar echinococcosis (AE), one of the most lethal zoonosis of the northern hemisphere. The development of metacestode vesicles by asexual multiplication and the almost unrestricted infiltrative growth within the host organs is ensured from a population of undifferentiated, proliferative cells, so-called germinative cells. AE treatment options include surgery, if possible, as well as Benzimidazole-based chemotherapy (BZ). Given that the cellular targets of BZs, the -tubulins, are highly conserved between cestodes and humans, the chemotherapy is associated with considerable side-effects. Therefore, BZ can only be applied in parasitostatic doses and has to be given lifelong. Furthermore, the current anti-AE chemotherapy is ineffective in eliminating the germinative cell population of the parasite, which leads to remission of parasite growth as soon as therapy is discontinued. This work focuses on protein kinases involved in the proliferation and development of the parasite with the intention of developing novel anti-AE therapies. Polo-like kinases (Plks) are important regulators of the eukaryotic cell cycle and are involved in the regulation and formation of the mitotic spindles during the M-phase of the cell cycle. Plks have already been shown to be associated with deregulated cellular growth in human cancers and have been investigated as novel drug targets in the flatworm parasite Schistosoma mansoni. In the first part of this work, the characterisation of a novel and druggable parasite enzyme, EmPlk1, which is homologous to the polo-like kinase 1 (Plk1) of humans and S. mansoni (SmPlk1), is presented. Through in situ hybridisation, it could be demonstrated that emplk1 is specifically expressed in the Echinococcus germinative cells. Upon heterologous expression in the Xenopus oocyte system, EmPlk1 induced germinal vesicle breakdown, thus indicating that it is an active kinase. Furthermore, BI 2536, a compound originally designed to inhibit the human ortholog of EmPlk1, inhibited the EmPlk1 activity at a concentration of 25 nM. In vitro treatment of parasite vesicles with similar concentrations of BI 2536 led to the elimination of the germinative cells from Echinococcus larvae, thus preventing the growth and further development of the parasite. In in vitro cultivation systems for parasite primary cells, BI 2536 effectively inhibited the formation of new metacestode vesicles from germinative cells. Thus, BI 2536 has profound anti-parasitic activities in vitro at concentrations well within the range of plasma levels measured after the administration of safe dosages to patients (50 nM after 24 h). This implies that EmPlk1 is a promising new drug target for the development of novel anti-AE drugs that would specifically affect the parasite’s stem cell population, namely the only parasite cells capable of proliferation. In addition to the chemotherapeutic aspects of this work, the inhibitor BI 2536 could be further used to study the function of stem cells in this model organism, utilising a method of injection of parasite stem cells into metacestode vesicles, for instance, as has been developed in this work. In the second part of this work, a novel receptor tyrosine kinase, the Venus flytrap kinase receptor (EmVKR) of E. multilocularis has been characterised. Members of this class of single-pass transmembrane receptors have recently been discovered in the related trematode S. mansoni and are associated with the growth and differentiation of sporocyst germinal cells and ovocytes. The ortholog receptor in EmVKR is characterised by an unusual domain composition of an extracellular Venus flytrap module (VFT), which shows significant similarity to GABA receptors, such as the GABAB receptor (γ-amino butyric acid type B) and is linked through a single transmembrane domain to an intracellular tyrosine kinase domain with similarities to the kinase domains of human insulin receptors. Based upon the size (5112bp) of emvkr and nucleotide sequence specificities, efforts have been made to isolate the gene from cell culture samples to study the ligand for the activation of this receptor type in Xenopus oocytes. To date, this type of receptor has only been described in invertebrates, thus making it an attractive target for drug screening. In a first trial, the ATP competitive inhibitor AG 1024 was tested in our in vitro cell culture. In conclusion, the EmVKR represents a novel receptor tyrosine kinase in E. multilocularis. Further efforts have to be made to identify the activating ligand of the receptor and its cellular function, which might strengthen the case for EmVKR as a potential drug target. The successful depletion of stem cells in the metacestode vesicle by the Plk1 inhibitor BI 2536 gives rise to optimising the chemical component for EmPlk1 as a new potential drug target. Furthermore, this inhibitor opens a new cell culture technique with high potential to study the cellular behaviour and influencing factors of stem cells in vitro., Das Verbreitungsgebiet des kleinen Fuchsbandwurms erstreckt sich über die nördliche Hemisphäre und eine Infektion des Menschen verursacht eine meist tödliche verlaufende Parasitose, die alveolaren Echinococcose (AE). Durch infiltratives und asexuelles Wachstum des Larvenstadiums der AE im betroffenen Wirtsorgan kommt es zu einer tödlich verlaufenden Krankheit. Das Wachstum der Metacestoden wird dabei durch undifferenzierte proliferierende Stammzellen, den sog. „germinativen Zellen“ des Fuchsbandwurmes verursacht. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten von AE sehen neben einem chirurgischen Eingriff, der in den meisten Fällen nicht möglich ist, nur eine Chemotherapie mit Benzimidazolen (BZ) vor. Die Chemotherapie mit BZ richtet sich dabei gegen die β-Tubuline des Parasiten und ist überwiegend mit einer lebenslangen Behandlung verbunden. Obwohl sich die Behandlungsmöglichkeiten und die Prognose für Patienten seit der Verwendung von Benzimidazolen bedeutsam verbessert haben, kommt es dennoch zu starken Nebenwirkungen und die angewendete Chemotherapie wirkt nur parasitostatisch. Der Grund dafür liegt an der hohen Homologie zwischen den β-Tubulinen des Parasiten und des Menschen, welche die Zielproteine von Benzimidazolen sind. Um die Nebenwirkungen für den Patienten gering zu halten, werden die Benzimidazole nur in Konzentrationen verabreicht, die parasitostatisch wirken, was zu keiner Abtötung des Parasitengewebes führt. Darüber hinaus sind die gegenwärtigen AE-Medikamente nicht wirksam gegen die germinativen Zellen des Parasiten, was zu einem Wiederauftreten des Wachstums von Parasitengewebe führt, sobald die Chemotherapie unterbrochen wird. Die hier vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuen chemotherapeutischen Ansatzes gegen AE und befasst sich mit Proteinkinasen, die einen wesentlichen Einfluss auf die Proliferation und die Differenzierung von Zellen des Parasiten haben. Proteinkinasen, die in direkten Zusammenhang mit den Zellzyklus stehen, sind beispielsweise die Polo-like kinasen (Plk), welche die Bildung von mitotischen Spindelfasern während der M-Phase regulieren. Wie bereits in vorhergehenden Studien gezeigt werden konnte, sind Plks auch an der Entstehung von Krebs beteiligt und daher interessante Ansatzpunkte für die Entwicklung von neuen Chemotherapeutika. Darüber hinaus zeigte sich auch, dass Sie zur Chemotherapie von parasitären Krankheiten Verwendung finden könnten, wie zur Behandlung von Schistosomiasis, welche durch Schistosoma mansoni ausgelöst wird. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Polo-like kinase 1 (Plk1) aus E. multilocularis, die Homologien zur humanen Plk1 und der aus S. mansoni (SmPlk1) aufweist und daher als Ansatzpunkt für eine neuartige chemotherapeutische Behandlung von AE angesehen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass EmPlk1 in germinativen Zellen (Stammzellen) des Parasiten stark exprimiert wird und das es möglich ist, dieses orthologe Protein mit nanomolekularer Konzentration (25 nM) des Plk1 Inhibitors BI 2536 in seiner zellulären Funktion zu hemmen. Darüber hinaus führt die Behandlung in vitro zu einem Verlust von Stammzellen im Larvenstadium von E. multilocularis, was zu einer drastischen Verminderung des Wachstums und der Entwicklung des Parasiten führt. Des Weiteren konnte sehr deutlich gezeigt werden, dass bei Verwendung des Inhibitors BI 2536 in Zellkultursystemen mit „Primärzellen“ (80% Stammzellen) des Parasiten diese nicht mit mehr in der Lage sind in Metacestoden zu regenerieren. Dabei ist entscheidend, dass die verwendeten Konzentrationen des Inhibitors BI 2536 innerhalb der gemessenen Plasmakonzentrationen von Krebspatienten liegen (50 nM nach 48 Stunden). Die Inhibierung der Plk1 wird daher als vielversprechender neuer Ansatzpunkt einer Chemotherapie zur Behandlung der AE angesehen. Die Inhibierung der EmPlk1 hat einen wesentlichen Einfluss auf die Differenzierung von Stammzellen des Parasiten, wodurch das Wachstum und die weitere Entwicklung des Parasiten gehemmt werden. Des Weiteren kann neben der chemotherapeutischen Behandlung der Inhibitor BI2536 auch für das weitere Studium von Stammzellen und deren zelluläre Funktion in E. multilocularis genutzt werden. Dafür wurden erste in vitro Experimente mittels Injektion in stammzellfreie Metacestoden Vesikel durchgeführt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit einem neuen Transmembranrezeptor in E. multilocularis, der hier als Venus-Fliegenfallen-Rezeptor charakterisiert wird. Dieser Rezeptortyp wurde erst kürzlich in S. mansoni beschrieben und steht im Zusammenhang mit der Entwicklung und dem Wachstum von Keimzellen des Parasiten. Der Rezeptor weist eine ungewöhnliche Zusammensetzung aus einer extrazellulären Venusfliegenfallendomäne (VFT) mit starker Ähnlichkeit zu GABA Rezeptoren auf (γ-amino-Buttersäure Typ B) und ist über eine einzelne Transmembrandomäne mit einer intrazellulären Tyrosinkinasedomäne verbunden, die eine hohe Homologie zu humanen Insulinrezeptoren zeigt. Der lange Genabschnitt (5112bp) von emvkr mit sequenzspezifischen Eigenschaften war schwierig zu klonieren, um eine anschließende Expression in Xenopus Oozyten durchzuführen. Bisher wurde dieser Rezeptor nur in Invertebraten beschrieben und stellt somit einen interessanten Ansatzpunkt für die Entwicklung von neuen Chemotherapeutika dar. In einem ersten Versuch wurde die Wirkung des ATP-Kompetitive Inhibitors AG 1024 in unserer in vitro Zellkultur untersucht. Zusammenfassend wurde die Relevanz von EmVKR als neuartiger Tyrosinkinaserezeptor in E. multilocularis verdeutlicht. In anschließenden Studien sollte die Aktivierung durch Ligandenbindung an den Rezeptor, sowie seine weitere zelluläre Funktion untersucht werden. Diese Erkenntnisse könnten dann eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von neuen Medikamenten mit EmVKR spielen. Des Weiteren wurde die erfolgreiche Entfernung von Stammzellen aus Metacestoden Vesikel mit dem Plk1 Inhibitor BI 2536 gezeigt. Dies bietet nun die Option diesen Inhibitor auf das Wirkstoffziel EmPlk1 weiter zu optimieren. Darüber hinaus hat die Verwendung dieses Inhibitors den entscheidenden Zugang für eine neue Zellkulturtechnik ermöglicht, die das Studieren von Stammzellen und deren Einflussfaktoren in vitro bietet.

The metacestode larva of Echinococcus multilocularis is the causative agent of alveolar echinococcosis (AE), one of the most dangerous zoonotic diseases in the Northern Hemisphere. Unlike “typical” metacestode larvae from other tapeworms, it grows as a mass of interconnected vesicles which infiltrates the liver of the intermediate host, continuously forming new vesicles in the periphery. From these vesicles, protoscoleces (the infective form for the definitive host) are generated by asexual budding. It is thought that in E. multilocularis, as in other flatworms, undifferentiated stem cells (so-called germinative cells in cestodes and neoblasts in free-living flatworms) are the sole source of new cells for growth and development. Therefore, this cell population should be of central importance for the progression of AE. In this work, I characterized the germinative cells of E. multilocularis, and demonstrate that they are indeed the only proliferating cells in metacestode vesicles. The germinative cells are a population of undifferentiated cells with similar morphology, and express high levels of transcripts of a novel non-autonomous retrotransposon family (ta-TRIMs). Experiments of recovery after hydroxyurea treatment suggest that individual germinative cells have extensive self-renewal capabilities. However, germinative cells also display heterogeneity at the molecular level, since only some of them express conserved homologs of fgfr, nanos and argonaute genes, suggesting the existence of several distinct sub-populations. Unlike free-living flatworms, cestode germinative cells lack chromatoid bodies. Furthermore, piwi and vasa orthologs are absent from the genomes of cestodes, and there is widespread expression of some conserved neoblast markers in E. multilocularis metacestode vesicles. All of these results suggest important differences between the stem cell systems of free-living flatworms and cestodes. Furthermore, I describe molecular markers for differentiated cell types, including the nervous system, which allow for the tracing of germinative cell differentiation. Using these molecular markers, a previously undescribed nerve net was discovered in metacestode vesicles. Because the metacestode vesicles are non-motile, and the nerve net of the vesicle is independent of the nervous system of the protoscolex, we propose that it could serve as a neuroendocrine system. By means of bioinformatic analyses, 22 neuropeptide genes were discovered in the E. multilocularis genome. Many of these genes are expressed in metacestode vesicles, as well as in primary cell preparations undergoing complete metacestode regeneration. This suggests a possible role for these genes in metacestode development. In line with this hypothesis, one putative neuropeptide (RGFI-amide) was able to stimulate the proliferation of primary cells at a concentration of 10-7 M, and the corresponding gene was upregulated during metacestode regeneration., Das Metazestoden Larvenstadium von Echinococcus multilocularis ist die Ursache für die alveoläre Echinokokkose (AE), eine der gefährlichsten Zoonosen in der nördlichen Hemisphäre. Im Gegensatz zu Metazestoden anderer Bandwürmer wächst es zu einem Labyrinth verknüpfter Vesikel, die in der Peripherie permanent neu gebildet werden und dabei die Leber des Wirts infilitrieren. In diesen Vesikeln werden die Protoskolizes (das infizierende Stadium für den Endwirt) durch asexuelle Knospung aus der Vesikelwand heraus gebildet. Man geht davon aus dass in E. multilocularis, wie in anderen Plattwürmen, undifferenzierte Stammzellen (so gennante „Germinative cells” in Bandwürmern und Neoblasten in Turbellarien) der einzige Ursprung neuer Zellen für Wachstum und Entwicklung sind. Deshalb sollte diese Zellpopulation eine zentrale Rolle im Fortschritt der AE spielen. In dieser Arbeit habe ich die Germinative cells von E. multilocularis charakterisiert und zeige, dass sie tatsächlich die einzigen sich vermehrenden Zellen in Metazestodenvesikeln sind. Die Germinative cells sind eine Population von undifferenzierten Zellen mit ähnlicher Morphologie, die eine hohe Zahl an Transkripten einer neuen Retrotransposonfamilie (ta-TRIMs) exprimieren. Experimente nach Behandlung mit Hydroxyurea deuten darauf hin, dass einzelne Germinative cells die Fähigkeit haben sich selbst zu erneuern. Allerdings, zeigen die Germinative cells auch Heterogenität auf molekurarer Ebene, da nur manche von Ihnen konservierte Homologe von fgfr, nanos und argonaute Genen exprimieren, was auf die Existenz eindeutiger Subpopulationen hinweist. Im Gegensatz zu Turbellarien fehlen den Germinative cells von Zestoden “Chromatoid bodies”, weiterhin fehlen dem Genom der Zestoden Orthologe von piwi und vasa und es werden einige Neoblastenmarker in den Metazestodenvesikeln von E. multilocularis umfassend exprimiert. All diese Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Stammzellsystemen von Turbellarien und Zestoden auf. Ich beschreibe ausserdem molekulare Marker für differenzierte Zelltypen, inklusive solche des Nervensystems. Mit diesen Markern wurde ein Nervennetz in Metazestodenvesikeln endeckt, das bis dato unbeschrieben war. Da die Vesikel unbeweglich sind und ihr Nervennetz unabhängig vom Nervensystem des Protoscolex ist wird angenommen dass es als Neuroendokrinsystem dient. Mit Hilfe von Genomanalysen wurden 22 Neuropeptidgene im Genom von E. multilocularis entdeckt. Viele von ihnen werden sowohl in Metazestodenvesiklen exprimiert als auch in Primärzellpräparationen, die zu kompletten Vesikeln regenerieren. Das weist auf eine mögliche Rolle dieser Gene in der Metazestodenentwicklung hin. Einhergehend mit dieser Hypothese war ein putatives Neuropeptid (RGFIamide) in der Lage die Vermehrung von Primärzellen bei einer Konzentration von 10-7 M zu stimulieren, dabei war das korrespondierende Gen während der Metazestodenregeneration hochreguliert.

Efficacies of selected drugs against in vitro cultivated Echinococcus multilocularis metacestodes: Alveolar echinococcus is a highly lethal parasitic disease in humans. It is caused by the larval stage (Metacestode) of tapeworm Echinococcus multilocularis (E. multilocularis). Two chemotherapeutics are licensed for the treatment, Albendazole (Eskazole R) and Mebendazole (Vermox forte R). Undesired side-effects and non-response to the therapy can be reason to terminate the treatment. Alternative drugs and lower dose of Albendazole or Mebendazole are necessary. E. multilocularis vesicles, which were grown intraperitoneally into mice, were transferred into culture flasks together with human liver cell line hep-G2. We evaluated macroscopically and microscopically the effect of following Anthelmintics at various concentrations: Albendazole, praziquantel and ivermectin. Neither ivermectin nor praziquantel damaged E. multilocularis vesicles. Low concentration of Albendazole (0.1 myg/ml) caused 50 % damage after 12 - 13 days. While combination of praziquantel together with Albendazole caused 50 % damage of E. multilocularis vesicles after 2 - 3 days, ivermectin together with low concentration of Albendazole created 50 % damage after 4 - 5 days. We combined in another test series the protease inbibitor Ritonavir, a cytochrom-p450-inhibitor, with Albendazole. Remarkably, 50 % damage of E. multilocularis vesicles was after 3 - 4 days achieved. Maybe a baby-dose Ritonavir modified the metabolism of Albendazole. These combinations could be a possible alternative to standard therapy. Our results encourage the implementation of pre-clinical trials in vivo to secure these effects.

Parasitic helminths share a large degree of common genetic heritage with their various hosts. This includes cell-cell-communication mechanisms mediated by small peptide cytokines and lipophilic/steroid hormones. These cytokines are candidate molecules for host-parasite cross-communication in helminth diseases. In this work the function of two evolutionary conserved signaling pathways in the model cestode Echinococcus multilocularis has been studied. First, signaling mechanisms mediated through fibroblast growth factors (FGF) and their cognate receptors (FGFR) which influence a multitude of biological functions, like homeostasis and differentiation, were studied. I herein investigated the role of EmFR which is the only FGFR homolog in E. multilocularis. Functional analyses using the Xenopus oocyte expression system clearly indicate that EmFR can sense both acidic and basic FGF of human origin, resulting in an activation of the EmFR tyrosine kinase domain. In vitro experiments demonstrate that mammalian FGF significantly stimulates proliferation and development of E. multilocularis metacestode vesicles and primary cells. Furthermore, DNA synthesis and the parasite’s Erk-like MAPK cascade module was stimulated in the presence of exogenously added mammalian FGF. By using the FGFR inhibitor BIBF1120 the activity of EmFR in the Xenopus oocyte system was effectively blocked. Addition of BIBF1120 to in vitro cultivated Echinococcus larval material led to detrimental effects concerning the generation of metacestode vesicles from parasite stem cells, the proliferation and survival of metacestode vesicles, and the dedifferentiation of protoscoleces towards the metacestode. In conclusion, these data demonstrate the presence of a functional EmFR-mediated signaling pathway in E. multilocularis that is able to interact with host-derived cytokines and that plays an important role in larval parasite development. Secondly, the role of nuclear hormone receptor (NHR) signaling was addressed. Lipophilic and steroid hormone signaling contributes to the regulation of metazoan development. By means of in silico analyses I demonstrate that E. multilocularis expresses a set of 17 NHRs that broadly overlaps with that of the related flatworms Schistosoma mansoni and S. japonicum, but also contains several NHR encoding genes that are unique to this parasite. One of these, EmNHR1, is homolog to the DAF-12/HR-96 subfamily of NHRs which regulate cholesterol homeostasis in metazoans. Modified yeast-two hybrid analyses revealed that host serum contains a ligand which induces homodimerization of the EmNHR1 ligand-binding domain. Also, a HNF4-like homolog, EmHNF4, was characterized. Human HNF4 plays an important role in liver development. RT-PCR experiments showed that both isoforms of the EmHNF4 encoding gene are expressed stage-dependently suggesting distinct functions of the two isoforms in the parasite. Moreover, specific regulatory mechanisms on the convergence of NHR signaling and TGF-β/BMP signaling pathways in E. multilocularis have been identified. On the one hand, EmNHR1 directly interacted with the EmSmadC and on the other hand EmHNF4b interacted with EmSmadD, EmSmadE which are all downstream signaling components of the TGF-β/BMP signaling pathway. This suggests cross-communication in order to regulate target gene expression. With these results, further studies on the role of NHR signaling in the cestode will be facilitated. Also, the first serum-free in vitro cultivation system for E. multilocularis was established using PanserinTM401 as medium. Serum-free co-cultivation with RH-feeder cells and an axenic cultivation method have been established. With the help of this serum-free cultivation system investigations on the role of specific peptide hormones, like FGFs, or lipophilic/steroid hormones, like cholesterol, for the development of helminths will be much easier., Parasitäre Würmer weisen eine große genetische Verwandtschaft mit ihren Wirten auf. Diese schließt auch Zell-Zell-Kommunikationsmechanismen ein, die sowohl durch Peptidhormone als auch durch lipophile/steroidale Hormone vermittelt werden. Man vermutet, dass diese Stoffe eine wichtige Rolle bei der Wirt-Parasiten-Kreuzkommunikation spielen. Deshalb untersuchte diese Arbeit die Funktion von zwei konservierten Signalwegen im Modellorganismus Echinococcus multilocularis. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Fibroblast Growth Factors (FGF). Diese steuern durch die Bindung an spezifische FGF-Rezeptoren (FGFR) eine Vielzahl von biologischen Funktionen, wie beispielsweise Homöostase- und Differenzierungsprozesse. Zunächst wurde EmFR, das einzige FGFR-Homolog im Fuchsbandwurm in Xenopus Oozyten heterolog exprimiert. Dabei wurde nachgewiesen, dass der Rezeptor sowohl acidic als auch basic FGF erkennen kann und dies zur Aktivierung der Tyrosinkinasedomäne führt. Außerdem förderte im in vitro Experiment die exogene Zugabe dieser Wirtsfaktoren die Proliferation und Entwicklung von Metacestodenvesikeln und Primärzellen. Darüber hinaus wurden die DNA-Synthese und die Erk-MAPK-Kaskade des Parasiten stimuliert. Im Gegensatz dazu konnte durch die Hinzugabe des FGFR-Inhibitor BIBF1120 die Aktivität des Rezeptors im Xenopus Oozytensystem erfolgreich blockieret werden. Durch den Inhibitor wurde die Regeneration von Metacestodenvesikeln aus Stammzellen, die Proliferation und das Überleben von Metacestodenvesikeln verhindert und eine Dedifferenzierung von Protoskolizes verursacht. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass E. multilocularis einen funktionellen durch EmFR-vermittelten Signalweg besitzt, welcher in der Lage ist, mit Wirtszytokinen zu interagieren und eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Echinococcus Larvenstadien spielt. Außerdem wurde die Bedeutung der Nukleären Hormon Rezeptoren (NHR) für den Parasiten untersucht. Lipophile und steroidale Hormone regulieren viele Entwicklungsprozesse in Metazoen. Mittels in silico Analyse konnten 17 Rezeptoren der NHR-Familie in E. multilocularis identifiziert werden, die größtenteils mit dem NHR Repertoire von Schistosoma mansoni und S. japonicum übereinstimmen. Allerdings wurden auch Rezeptoren identifiziert, die einzigartig für E. multilocularis sind. Einer dieser Rezeptoren, EmNHR1, ist homolog zur DAF-12/HR-96 Familie, die den Cholesterinstoffwechsel in Metazoen reguliert. Yeast-Two Hybrid Experimente zeigten, dass Wirtsserum den putativen Liganden von EmNHR1 enthält, da dessen Zugabe zur Homodimerisierung der EmNHR1-Liganden-bindungsdomäne führte. Außerdem wurde mit EmHNF4 ein weiterer Rezeptor charakterisiert, dessen humanes Homolog die Entwicklung der Leber beeinflusst. RT-PCR-Experimente zeigten, dass die zwei entdeckten Isoformen von EmHNF4 stadienspezifisch exprimiert werden, was auf mögliche Funktionsunterschiede deutet. Darüber hinaus wurde sowohl für EmNHR1, als auch für EmHNF4 beobachtet, dass die DNA-Bindungsdomänen mit Komponenten des TGF-β/BMP-Signalwegs direkte Proteininteraktionen eingehen. Während EmNHR1 mit EmSmadC interagiert, zeigte EmHNF4b eine Reaktion mit EmSmadD und EmSmadE, was auf eine Kreuzkommunikation zwischen beiden Signalwegen deutet. Diese Ergebnisse werden zukünftige Studien bezüglich der Funktion von NHR-Signalwegen in Zestoden deutlich erleichtern. Weiterhin wurde in dieser Arbeit das erste serum-freie in vitro Kultivierungssystem für E. multilocularis etabliert. PanserinTM401 diente als Medium sowohl für die Kultur mit Fütterzellen als auch für eine axenische Kulturmethode. Mit Hilfe dieses Systems können in Zukunft Untersuchungen über die Rolle von Peptidhormonen wie FGF, oder lipophilen bzw. steroidalen Substanzen, wie Cholesterin, bei der Parasitenentwicklung besser untersucht werden.

Die Alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine lebensbedrohliche Zoonose, die durch das Metazestoden-Larvenstadium des Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis ausgelöst wird. Nach Eintritt des Parasiten in den Zwischenwirt wird zunächst eine potentiell anti-parasitische, Th1-dominierte Immunantwort ausgelöst, welche anschließend in der chronischen Phase graduell durch eine permissive, Th2-dominierte Antwort ersetzt wird. Als Ergebnis einer zugrunde liegenden Immunmodulation durch den Parasiten können Echinococcus-Larven für Jahre bis Jahrzehnte im Wirt persistieren und verhalten sich ähnlich einem perfekt transplantierten Organ. Über die molekulare Basis der Immunmodulation durch den Parasiten ist derzeit wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden geeignete Kultursysteme für verschiedene E. multilocularis Larvenstadien verwendet, um den Einfluss exkretorisch/sekretorischer Metaboliten (E/S-Produkte) auf Wirts-Immuneffektor-Zellen zu studieren. E/S-Produkte kultivierter Larven, die die frühe (Primärzellen) und chronische (Metazestode) Phase der Infektion repräsentieren induzierten Apoptose und tolerogene Eigenschaften in Dendritischen Zellen (DC) des Wirts, während solche von Kontroll-Larven (Protoskolizes) keine derartigen Effekte zeigten. Dies zeigt, dass die frühen infektiösen Stadien von E. multilocularis in DC ein tolerierendes Milieu erzeugen, welches sehr wahrscheinlich die initiale Etablierung des Parasiten in einer Phase begünstigt, in der er höchst sensitiv gegenüber Wirtsangriffen ist. Interessanterweise förderten E/S-Produkte des Metazestoden in vitro die Konversion von CD4+ T-Zellen in Foxp3+, regulatorische T-Zellen (Treg) während E/S-Produkte von Primärzellen oder Protoskolizes dies nicht vermochten. Da Foxp3+ Tregs generell als immunosuppressorisch bekannt sind, deuten diese Daten an, dass der Metazestode aktiv eine Induktion von Tregs herbeiführt, um eine permissive Immunsuppression während einer Infektion zu erreichen. Eine substantielle Zunahme von Anzahl und Frequenz Foxp3+ Tregs konnte zudem in Peritoneal-Exsudaten von Mäuuen nach intraperitonealer Injektion von Parasitengewebe gemessen werden, was anzeigt, dass eine Expansion von Foxp3+ Tregs auch während der in vivo Infektion von Bedeutung ist. Interessanterweise konnte in dieser Arbeit ein Activin-Orthologes des Parasiten, EmACT, identifiziert werden, weleches vom Metazestoden sekretiert wird und ähnlich wie humanes Activin in der Lage ist, eine TGF-β-abhängige Expansion von Tregs in vitro zu induzieren. Dies zeigt an, dass E. multilocularis evolutionsgeschichtlich konservierte Zytokine nutzt, um aktiv die Wirts-Immunantwort zu beeinflussen. Zusammenfassend deuten die gewonnenen Daten auf eine wichtige Rolle Foxp3+ Tregs, welche u.a. durch EmACT induziert werden, im immunologischen geschehen der AE hin. Ein weiterer Parasiten-Faktor, EmTIP, mit signifikanten Homologien zum T-cell Immunomodulatory Protein (TIP) des Menschen wurde in dieser Arbeit näher charakterisiert. EmTIP konnte in der E/S-Fraktion von Primärzellen nachgewiesen werden und induzierte die Freisetzung von IFN-γ in CD4+ T-Helferzellen. Durch Zugabe von anti-EmTIP-Antikörpern konnte zudem die Entwicklung des Parasiten zum Metazestoden in vitro gehemmt werden. EmTIP dürfte daher einerseits bei der frühen Parasiten-Entwicklung im Zwischenwirt eine Rolle spielen und könnte im Zuge dessen auch die Ausprägung der frühen, Th-1-dominierten Immunantwort während der AE begünstigen. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit zwei E. multilocularis E/S-Faktoren identifiziert, EmACT und EmTIP, die ein hohes immunmodulatorisches Potential besitzen. Die hier vorgestellten Daten liefern neue, fundamentale Einsichten in die molekularen Mechanismen der Parasiten-induzierten Immunmodulation bei der AE und sind hoch relevant für die Entwicklung anti-parasitischer Immuntherapien., Alveolar echinococcosis (AE) is a severe and life-threatening disease caused by the metacestode larva of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis. Parasite entry into the host evokes an early and potentially parasiticidal Th1 immune response that is gradually replaced by a permissive Th2 response. An immunoregulatory environment has also been reported in the host as the disease progresses. As a result of immunomodulation, E. multilocularis larvae persist in the host for decades without being expelled, and thus almost act like a perfect transplant. Very little is currently known on the molecular basis of the host immunomodulation by E. multilocularis. In this work, in vitro cultivation systems were used to assess the influence of metabolites released by the parasite larvae (E/S products) on host immune effector cells. E/S products of cultivated larvae that respresent the early (primary cells) and chronic (metacestode vesicles) phase of AE induced apoptosis and tolerogenic properties (poor responsiveness to LPS stimulation) in host dendritic cells (DC) whereas those of control larvae (protoscoleces) failed to do so. These findings show that the early infective stage of E. multilocularis induces tolerogenicity in host DC, which is most probably important for generating an immunosuppressive environment at an infection phase in which the parasite is highly vulnerable to host attacks. Interestingly, metacestode E/S products promoted the conversion of naïve CD4+ T-cells into Foxp3+ regulatory T-cells in vitro, whereas primary cell and protoscolex E/S products failed to do it. Since Foxp3+ regulatory T-cells are generally known to mediate immunosuppression, the present finding indicates that Foxp3+ regulatory T-cells, expanded by E/S products of the metacestode larva, could play a role in the parasite-driven immunomodulation of the host observed during AE. Furthermore, a substantial increase in number and frequency of suppressive Foxp3+ regulatory T-cells could be observed within peritoneal exudates of mice following intraperitoneal injection of E. multilocularis metacestodes, indicating that Foxp3+ regulatory T-cells could also play an important role in E. multilocularis-driven immunomodulation in vivo. Interestingly, a parasite activin ortholog, EmACT, secreted by metacestodes, was shown to expand host regulatory T-cells in a TGF-β-dependent manner, similarly to mammalian activin A. This observation indicated that E. multilocularis utilizes evolutionarily conserved TGF-β superfamily ligands, like EmACT, to expand host regulatory T-cells. Taken together, the present findings suggest EmACT, a parasite activin secreted by the metacestode and capable of expanding host regulatory T-cells, as an important player in the host immunomodulation by E. multilocularis larvae. Another parasite factor EmTIP, homologous to mammalian T-cell immunomodulatory protein (TIP) was characterized in this work. EmTIP could be detected in the secretions of the parasite primary cells and localized to the intercellular space within the parasite larvae. EmTIP blockade inhibited the proliferation of E. multilocularis primary cells and the formation of metacestode vesicles indicating a major role for parasite development. Furthermore, EmTIP evoked a strong release of IFN-γ by CD4+ T-cells hence suggesting that the secretion of this factor as a result of its role in parasite development could “secondarily” induce a potentially protective Th1 response. In conclusion, this work identified two molecules, EmACT and EmTIP, with high immunomodulatory potential that are released by E. multilocularis larvae. The data presented do provide insights into the mechanisms of parasite-driven host immunomodulation during AE that are highly relevant for the development of anti-parasitic immune therapies.

Retrospektive Analyse des in den Jahren 1989-2010 am Universitätsklinikum Ulm resezierten und in der Abteilung Pathologie histopathologisch gesicherten Echinokokkosen-Materials. Bei den 41 Patienten mit E. multilocularis-Infektion betrug das Durchschnittsalter 50,0 Jahre, davon 26 weiblich und 15 männlich. Bei den 49 Patienten mit E. granulosus-Infektion betrug das Durchschnittsalter 37,7 Jahre, davon 26 weiblich und 23 männlich. Aus den klassischen Endemiegebieten für E. granulosus kommen 69,2%. Bei 5 Patienten ohne Migrationshintergrund, kann eine Infektion in Deutschland angenommen werden. 92,8% der Patienten mit Alveolärer Echinokokkose stammen aus Deutschland. Bei 75,6% der E. multilocularis-Patienten war die Leber betroffen, bei 9,7% zusätzlich eine Lymphknotenmanifestation im hepatischen Abflussgebiet. Bei 53,1% an E. granulosus-Erkrankten war die Leber betroffen, bei 12,2% die Lunge. Bei insgesamt 65,8% E. multilocularis-Resektionen war keine Aussage bezüglich des Sicherheitsabstandes zum Absetzungsrand zu treffen; der mit 7,3% häufigste Abstand bei E. multilocularis-Resektionen betrug 0,7 mm. Eine Aussage zum Abstand der E. granulosus-Resektionen konnte in nur zwei Fällen getroffen werden. Als wichtigstes Merkmal zur histopathologischen Diagnosesicherung konnte die unterschiedlich dicke PAS positive Lamellarstruktur herausgearbeitet und bestätigt werden. Nekrosen, v.a. bei E. multilocularis, erwiesen sich in kritischen Fällen als hilfreich. Problematisch bleibt der Knochenbefall durch E. granulosus, da keine typische, dicke Lamellarstruktur ausgebildet wird, wodurch eine diffuse, dünne Lamellarstruktur entsteht, die leicht mit E. multilocularis zu verwechseln ist.

Alveolar echinococcosis (AE), a severe and life-threatening disease is caused by the small fox tapeworm Echinococcus multilocularis. Currently, the options of chemotherapeutic treatment are very limited and are based on benzimidazole compounds, which act merely parasitostatic in vivo and often display strong side effects. Therefore, new therapeutic drugs and targets are urgently needed. In the present work the role of two evolutionarily conserved signalling pathways in E. multilocularis, namely the insulin signalling cascade and Abl kinases, has been studied in regard to host-parasite interaction and the possible use in anti-AE chemotherapy., Die alveoläre Echinokokkose ist eine ernste und lebensgefährliche Erkrankung, die durch den kleinen Fuchsbandwurm ausgelo ̈st wird. Die gegenwärtigen chemotherapeutischen Behandlungsmöglichkeiten beschränken sich auf die Behandlung mit Benzimidazolen, die in vivo nur parasitostatische Wirkung besitzen und häufig sehr starke Nebenwirkungen aufweisen. Aus diesem Grund besteht ein dringendes Bedürfnis nach neuen Medikamenten und Angriffszielen für diese. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle zweier evolutionsgeschichtlich konservierter Signalsysteme, der Insulin Signalweg und die Abl Kinasen in E. multilocularis in Hinblick auf die Wirt-Parasiten Interaktion und dem mo ̈glichen Nutzen in der AE Chemotherapie untersucht.

Die Larvalstadien von Echinococcus multilocularis verursachen beim Menschen das Krankheitsbild der alveolären Echinokokkose (AE), welches laut WHO die gefährlichste parasiten-induzierte Zoonose in Mitteleuropa darstellt. Weitere Erkenntnisse über Infektionsverlauf und mögliche protektive Mechanismen gegen eine Infektion mit diesem Zestoden sind daher von großem Wert. In beinahe allen vorangegangenen Infektionsstudien mit Echinococcus multilocularis im Zwischenwirt wurde die Methode der sekundäre Echinokokkose als Infektionsweg gewählt. Da diese nicht dem natürlichen Verlauf entspricht, können resultierende Immunantworten, insbesondere in der Frühphase der Infektion, nicht ohne Einschränkungen auf die einer primären alveolären Echinokokkose übertragen werden. In der vorliegenden Arbeit die Methode der primären AE durchgeführt. Die Antigene EM95 und EMGAPDH wurden einerseits in einer konservativen Vakzinierungsstrategie als aufgereinigte Proteine in Verbindung mit einem Adjuvans subkutan appliziert, andererseits wurde ein System entwickelt, in welchem diese Antigene von Salmonellen exprimiert und im Falle von EM95 durch das HämolysinA-Transportsystems erfolgreich exportiert werden. In zwei unabhängigen Immunisierungsstudien, in welchen EMGAPDH mit Saponin als Adjuvans subkutan appliziert wurde, konnte eine signifikante Reduktion der Zystenbildung erzielt werden. Die Parasitenbürde verringerte sich gegenüber den infizierten Kontrolltieren um 76,4% im ersten Versuch und 86,1% im zweiten Versuch. Durch die subkutane Immunisierung mit dem Antigen EM95 konnte die Parasitenlast in zwei Versuchen um 96,9% bzw. 98,4% gegenüber den infizierten Kontrolltieren verringert werden. Ein Einfluss der sekretorischer Einheit und der Transmembrandomain von EM95 kann aufgrund der hier durchgeführten Studien ausgeschlossen werden. Die subkutanen Immunisierungen mit den rekombinanten Antigenen EM95 und EMGAPDH induzierten einen hohen Antikörpertiter gegen diese Proteine, welche vorwiegend auf den IgG-Subklassen IgG1 und IgG2a beruhten. E. multilocularis - Gesamtantigen ? spezifische Antikörper konnten nach 4wöchiger Infektionsdauer weder bei geschützten Tieren noch den infizierten Kontrollgruppen festgestellt werden. Aufgrund der erhöhten Ausschüttung von IFNγ nach Immunisierung mit den rekombinanten Antigenen EM95 und EMGAPDH scheint eine Beteiligung von zytotoxischen T-Zellen und NK-Zellen an den protektiven Immunmechanismen gegen eine Infektion mit E. multilocularis höchst wahrscheinlich. Werden die hier untersuchten immunologischen Parameter der vakzinierten Tiere zusammengefasst, beruhen die protektiven Mechanismen auf eine Th1-geprägte Immunantwort. Eine Beteiligung von Th2-Komponenten ist jedoch denkbar, da zumindest in einem Teil der Studien eine Detektion von IL-10 erfolgte und eine ausgeprägte IgG1 Antikörper-Bildung nach Immunisierung stattfand. Durch den Einsatz des Plasmides pVDL9.3 gelang es in dieser Arbeit erstmalig das Metazooen-Protein EM95 des Zestoden Echinococcus multilocularis erfolgreich mittels des HämolysinA-Systems aus dem Vektor Salmonella typhimurium zu exportieren. Durch die Immunisierung mit ZpVDL9.3EM95 konnte in einer Studie eine 78%ige Reduktion der Metazestodenlast gegenüber der infizierten Kontrollgruppe erzielt werden. Mäuse, welche mit dem EMGAPDH exprimierenden Salmonellen-Stamm ZpVDL9.3EMGAPDH immunisiert wurden, bildeten 73% weniger Zysten aus. In einem weiteren Versuch, in dem zu dem Salmonella-Vektor ZpVDL9.3EMGAPDH eine weitere subkutane Immunisierung mit EMGAPDH erfolgte, erzielte eine Abnahme der Metazestodenbildung um 87%. Eine Kontroll-Immunisierung mit S. typhimurium führte ebenfalls zu einer signifikanten Reduktion der Metazestodenlast um 68%. Eine Bildung von Antikörpern gegen die E. multilocularis ? Antigene EM95 und EMGAPDH konnte nach Immunisierung mit den Salmonella-Vektoren nicht nachgewiesen werden. Die Antikörperbildung gegen S. typhimurium dagegen war deutlich ausgeprägt. Eine subkutane Immunisierung post infectionem mit EM95 und Saponin als Adjuvans zu den Zeitpunkten 4dpi, 7dpi, 24dpi und 60dpi führte weder zu einer Reduktion der Metazestodenlast, noch wurde eine Veränderung in der Größe der einzelnen Zysten festgestellt. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der schützenden Eigenschaften von EM95 und EMGAPDH unter Anwendung des natürlichen Infektionsmodus erhöhen das Verständnis protektiver Immunmechanismen gegen eine Echinococcus multilocularis Infektion. Die Konstruktion eines Immunisierungssystems in Form einer Salmonella typhimurium ? Lebendvakzine, welche Metazoen-Antigene exportiert, eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Immunisierungenansätze gegen diverse Parasiten. The larval stages of Echinococcus multilocularis are the causative agents of the human alveolar echinococcosis (AE), which is according to the WHO the most important parasite-induced zoonosis in middle Europe. Additional knowledge about the infection process and possible protective mechanisms against an infection with this cestode would be of great value. Almost all previous studies about Echinococcus multilocularis infections in the intermediate host were carried out by using the secondary echinococcosis as route of infection. This route of infection doesn?t correspond to the natural route, the oral uptake of Echinococcus eggs resulting in a primary alveolar echinococcosis. Thereby the resulting immune responses of the secondary AE cannot be converted without reservations to the primary AE, especially in the early stages of the infection. On that account the primary AE was carried out in this study. On the one hand a conservative vaccination with purified antigen EM95 and EMGAPDH in combination with an adjuvant was subcutaneous administered and on the other hand a system was developed in which the antigen EM95 were expressed by salmonellae and exported via the hemolysinA-transport system. A significant reduction of the formation of cysts could be achieved in two separate immunisation trials with EMGAPDH combined with the adjuvant Saponin which was administered subcutaneously. The manifestation of cysts was reduced by 76.4 % in the first and 86.1 % in the second trial compared to the infected control group. The subcutaneous immunisation with the antigen EM95 reduced the manifestation of cysts even by 96.9 % and 98.4 % respectively. Sixty percentages of the animals showed a complete protection against an infection with E. multilocularis in both trials. Based of the experiments which were carried out during this study, the influence of the secretory unit or the transmembrane domain of EM95 can be excluded. The subcutaneous immunisation with the recombinant antigens EM95 and EMGAPDH induced a high antibody titre against those proteins, which based predominantly on the IgG-subclasses IgG1 and IgG2a. The detection of specific antibodies against E. multilocularis crude antigen after duration of infection of 4 weeks was neither in protected animals nor in the infected control group possible. The vaccination trials with the recombinant antigens EM95 and EMGAPDH lead us to the conclusion that the murine immune system was stimulated to detect suitable target epitopes of the oncosphere surface and to destroy these oncospheres by classical complement activation. It seems very probable that cytotoxic T-cells and natural killer cells are involved in the protective immune mechanisms against an E. multilocularis infection owing to the finding of an increased release of IFNγ as a result of an immunisation with the recombinant antigens EM95 and EMGAPDH. Summarizing the investigated immunological parameters, the protective mechanisms are based on a Th1 associated immune response. Nevertheless, an involvement of Th2 components is conceivable due to the fact that at least in parts of the study the cytokine IL-10 and a distinct IgG1 antibody response could be detected past the immunisation. By the use of the plasmid pVDL9.3 we succeeded for the first time to manipulate Salmonella typhimurium to export the metazoan protein EM95 via the hemolysinA-system. The immunisation with ZpVDL9.3EM95 resulted in a reduction of manifested cysts by 78 % compared to the infected control group. Mice immunized with ZpVDL9.3EMGAPDH, where an export was not accomplished, showed a decrease in cysts manifestation by 73 %. The amount of cysts could be further reduced up to 87 % by the combined immunisation with the Salmonella vector ZpVDL9.3EMGAPDH and a subcutaneous application of EMGAPDH. A significant reduction of cysts (68 %) could be also observed by the control immunisation with plain S. typhimurium. Antibodies against the E. multilocularis antigens EM95 and EMGAPDH could not be detected after the immunisation with the Salmonella vectors. However, the antibody formation against S. typhimurium was strongly developed. A subcutaneous post infection immunisation trial with EM95 in combination with the adjuvant Saponin at the time of 4dpi, 7dpi, 24dpi and 60dpi led neither to a reduction of the amount of cysts nor to a change in size of the developed cysts. The gained insights of this study into the protective potential of EM95 and EMGAPDH on the basis of a natural infection rout expand the knowledge and understanding about the protective immune mechanisms against an Echinococcus multilocularis infection. The development of an immunisation system in form of a Salmonella typhimurium live vaccine, with the ability of exporting metazoan antigens, opens up new possibilities of immunisation strategies against diverse parasites in future.

Die Alveoläre Echinokokkose ist eine bedeutende, gefährliche Parasitose des Menschen. Über die molekularen Grundlagen und Mechanismen der Wirt-Parasit- Interaktion ist bislang nur wenig bekannt. In den letzten Jahren konnten Hinweise erlangt werden, dass Wirt und Parasit über evolutionsgeschichtlich konservierte Signalsysteme kommunizieren. Eines dieser Systeme ist das TGF-b/BMP-Signaltransduktionssystem. TGF-β-Signaltransduktionskomponenten steuern grundlegende Prozesse der Entwicklung und Differenzierung in allen Tieren. Über dieses Signalsystem wird ein weites Spektrum von zellulären Prozessen wie Proliferation, Apoptose und Differenzierung reguliert. Dieses System besteht aus strukturell verwandten Zytokinen der TGF-β (transforming growth factor β) bzw. BMP (bone morphogenetic protein)-Familie, membranständigen Rezeptoren der TGF-β-Rezeptorfamilie (Typ I und Typ II) sowie intrazellulären Signaltransduktoren der Smad-Familie. Bislang konnten verschiedene Echinokokken Smad-Faktoren (EmSmadA, EmSmadB, EmSmadC und EmSmadD) sowie drei Echinokokken Rezeptoren der Typ I Familie (EmRSK1, EmRSK2, EmRSK3) in E. multilocularis identifiziert werden. Ein Mitglied der TGF-β Typ II-Rezeptorfamilie war bislang noch nicht beschrieben. In dieser Arbeit wird ein solches Molekül vorgestellt, EmRSK4 (=TGF-b Typ IISerin/ Threonin Kinase Rezeptor aus Echinococcus multilocularis). Genexpressionsanalysen und immunhistochemische Untersuchungen zeigen an, dass EmRSK4 in der Germinalschicht des E. multilocularis Metacestoden zusammen mit EmRSK1 (=BMP Typ I-Serin/Threonin Kinase Rezeptor) exprimiert wird. Studien an heterolog exprimierten Rezeptoren zeigten, dass EmRSK4 funktionell aktiv ist und mit humanen Typ I-Rezeptoren einen Komplex bilden kann. Diese Studien zeigen auch, dass EmRSK4 mit EmRSK1 einen aktiven heterologen Typ I-/Typ II-Rezeptorkomplex in HEK293-T Zellen bildet, der durch Wirts-BMP2 stimuliert wird und EmSmadB aktiviert. In Untersuchungen mit EmRSK2 (= TGF-β Typ ISerin/ Threonin Kinase Rezeptor) konnte gezeigt werden, dass bei Anwesenheit beider Rezeptoren, EmRSK2 und EmRSK4, eine Phosphorylierung von EmSmadC nachweisbar ist, während eine Phosphorylierung von EmSmadA auch ohne die Anwesenheit von EmRSK4 stattfindet. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass der Inhibitor SB-431452 die Kinaseaktivität von EmRSK2 hemmt. Nach Zugabe von exogenem BMP2 zu Metazestodenvesikel konnten Hinweise erhalten werden, dass ein bislang noch nicht charakterisiertes, zusätzliches EmSmad aktiviert wird. Zusammengenommen lässt die Co-Expression von EmRSK1 mit EmRSK4 in der Germinalschicht, die Bildung eines BMP-responsiven Komplexes aus beiden Rezeptoren und die Phosphorylierung mindestens eines zellulären Faktors nach exogener Zugabe von Wirts-BMP2 zu Metacestodenvesikeln darauf schließen, dass beide Rezeptoren während einer Infektion an der Sensierung von BMP Signalen des Wirts beteiligt sein könnten, Alveolar echinococcosis is an important and dangerous parasitosis in humans which is caused by the larval stage of the fox-tapeworm E. multilocularis. Up to now, little is known about the molecular mechanisms of the interaction between the human host and the parasite. During recent years, evidence could be obtained that the host and the parasite communicate through evolutionary conserved signal systems. One of these is the TGF- β/BMP signal transduction system. TGF-β signal transduction components regulate basic processes of development and differentiation in all animals such as proliferation, apoptosis and differentiation. The system consists of structurally related cytokines of the TGF-β (transforming growth factor β)/BMP (bone morphogenetic protein) family, transmembrane receptors of the TGF-β receptor family called the type I and type II receptor as well as intracellular signal transducers of the Smad family. So far different Echinococcus Smad factors (EmSmadA, EmSmadB, EmSmadC and EmSmadD) as well as three Echinococcus receptors of the type I family (EmRSK1, EmRSK2 and EmRSK3) have been identified. No member of the TGF-β type II receptor family has as yet been reported for E. multilocularis. In this study such a receptor, EmRSK4 (=TGF-β type II serine/threonine kinase receptor from Echinococcus multilocularis), has been identified and characterized. Gene expression studies and immunohistochemistry show that EmRSK4 and EmRSK1 (=TGF-β type I serine/threonine kinase receptor) are co-expressed together in the germinal layer of the parasitic metacestode. Studies on heterologously expressed receptors show that EmRSK4 is able to form a functionally active complex with EmRSK1 which is stimulated by host BMP2 and activates EmSmadB. Studies with EmRSK2 (=TGF-β type I serine/threonine kinase receptor) showed that a phosphorylation of EmSmadC is only detectable in the presence of both receptors, EmRSK2 and EmRSK4, while EmRSK2 does not require EmRSK4 for activating EmSmadA. Furthermore it could be shown that the inhibitor SB-431452 inhibits the kinase activity of EmRSK2. After addition of exogenous BMP2 to metacestode vesicles elevated phosphorylation of an as yet uncharacterized Smad-factor was detected, indicating that intact parasite vesicles are able to respond to exogenous host cytokines. Taken together the Co-expression of EmRSK1 and EmRSK4 in the germinal layer, the formation of a BMP responsive complex and the phosphorylation of at least onecellular factor after exogenous addition of host BMP2 to metacestode vesicles suggest that both receptors play a role in sensing of BMP signals during an infection.

Die alveoläre Echinokokkose ist eine, vorrangig in der nördlichen Hemisphäre verbreitete, parasitäre Erkrankung. Verursacht wird sie beim Menschen durch das Larvenstadium des Fuchsbandwurms. Homeoboxgene sind hochkonservierte Gene, die die Morphogenese von Lebewesen steuern. Die Anzahl und die Bedeutung von Homeoboxgenen in der Entwicklung von E.multilocularis waren bislang unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnten mit Hilfe von Sequenzanalysen im Genom des Fuchsbandwurms erstmals Homeoboxgene identifiziert und deren Expressionsmuster mittels PCR in verschiedenen Larvenstadien charakterisiert werden. Von insgesamt 23 gefundenen Homeoboxgenen wurden 15 Gene auf ihre larvenstadienspezifische Expression untersucht. Neun der untersuchten Gene zeigten in dem gewählten Versuchsaufbau eine Expression in den untersuchten Larvenstadien, fünf davon zeigten eine verstärkte Expression in den späten Larvenstadien. Für acht dieser neun Gene ließen sich darüber hinaus Hinweise auf eine Prozessierung ihrer mRNA über den Mechanismus des Trans-Spleißens finden. Vorangehende Versuche der Arbeitsgruppe von Prof. Brehm hatten einen Zusammenhang zwischen einer Stimulation früher Entwicklungsstadien der Parasitenlarven mit dem Zytokin BMP-2 und dessen rascherer Entwicklung in spätere Entwicklungsstadien nahegelegt. Die Auswirkung einer Behandlung früher Entwicklungsstadien mit dem Zytokin BMP-2 auf die jeweilige Genexpression wurde daher für die ausgewählten 15 Gene überprüft. Fünf Gene zeigten unter dessen Einfluss eine verstärkte Expression. Zwei darunter waren solche, die eine stärkere Expression in späten Larvenstadien aufwiesen. Diese zwei Gene stellen nun Kandidaten dar, die an der Entwicklung von E.multilocularis maßgeblich beteiligt sein könnten. Durch die Untersuchungen dieser Arbeit ergaben sich wichtige Hinweise auf die Entwicklung und die Regulationsmechanismen der Genexpression von E. multilocularis. Sie bilden eine Grundlage, die Rolle der Homeoboxgene für den Fuchsbandwurm näher zu beschreiben und die hormonelle Kreuzregulation zwischen Parasit und Wirt weiter zu studieren., Alveolar Echinococcosis is a rather rare parasitic disease, mainly occuring in the northern hemisphere. It is caused by the larval stage of the flatworm Echinococcus multilocularis. Homeoboxgenes are highly conserved genes, that play a crucial role in the development of organism. Until now neither the number in nor the importance of these genes for E.multilocularis was known. Within this study we could identify the homeoboxgenes in the genome of E.multilocularis and analyse the expression pattern in different larval stages. All together we found a number of 23 homeoboxgenes, the expression pattern in different larval stages was analysed for 15 genes. Within the chosen experimental setup nine of the genes were expressed, five showed higher expression in later larval stages. Furthermore there was a strong hint for the processing of mRNA through trans-splicing for eight genes. Previous experiments of the working group Brehm had shown a relation between a stimulation of young metacestodes with the cytokine BMP-2 and a faster development towards later larval stages. Therefore we anaylsed the effect of the cytokine BMP-2 on the geneexpression pattern of fifteen genes. Under its influence five genes showed higher expression rates. Two belonged to the group of genes that had shown higher expression in later larval stages. These two genes could potentially be candidates with a high significance in the development of E.multilocularis. Due to this work we could elucidate important hints for the development of E.multilocularis and the regulation of its gene expression. Based on these findings it will be possible to study the role of homeoboxgenes and the host-parasite cross-regulation in E.multilocularis in more detail.

Echinococcus multilocularis verursacht die Alveoläre Echinokokkose (AE), eine lebendsbedrohliche Krankheit mit limitierten chemotherapeutischen Möglichkeiten. Die jetzige Anti-AE Chemotherapie basiert auf einer einzigen Wirkstoffklasse, den Benzimidazolen. Obwohl Benzimidazole in vitro parasitozid wirken, wirken sie in vivo bei AE-Behandlung lediglich parasitostatisch und rufen schwere Nebenwirkungen hervor. In Fällen operabler Läsionen erfordert die Resektion des Parasitengewebes über einen längeren Zeitraum eine chemotherapeutische Unterstützung. Damit sind die jetzigen Behandlungsmöglichkeiten inadäquat und benötigen Alternativen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Signalwege von Plattwürmern analysiert, um potentielle Targets für neue therapeutische Ansätze zu identifizieren. Dabei konzentrierte ich mich unter Anwendung von molekularbiologischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden auf Faktoren, die an Entwicklung und Proliferation von E. multilocularis beteiligt sind. Darunter waren die drei MAP kinases des Parasiten EmMPK1, ein Erk1/2-Ortholog, EmMPK2, ein p38-Ortholog und EmMPK3, ein Erk7/8-Ortholog. Des Weiteren identifizierte und charakterisierte ich EmMKK2, ein MEK1/2-Ortholog des Parasiten, welches zusammen mit den bekannten Kinasen EmRaf und EmMPK1 ein Erk1/2-ähnliches MAPK Modul bildet. Ich konnte zudem verschiedene Einflüsse von Wirtswachstumsfaktoren wie EGF (epidermal growth factor) und Insulin auf die Signalmechanismen des Parasiten und das Larvenwachstum zeigen, darunter die Phosphorylierung von Elp, ein Ezrin-Radixin-Moesin ähnliches Protein, die Aktivierung von EmMPK1 und EmMPK3 und eine gesteigerte mitotische Aktivität der Echinokokkenzellen. Zusätzlich wurden verschiedene Substanzen auf ihre letale Wirkung auf den Parasiten untersucht, darunter befanden sich (1.) generelle Inhibitoren von Tyrosinkinasen (PP2, Leflunamid), (2.) gegen die Aktivität von Rezeptor-Tyrosin-Kinasen gerichtete Präparate, (3.) ursprünglich anti-neoplastische Wirkstoffe wie Miltefosin und Perifosin, (4.) Inhibitoren von Serin/ Threonin-Kinasen, die die Erk1/2 MAPK Kaskade blockieren und (5.) Inhibitoren der p38 MAPK. In diesen Untersuchungen hat sich EmMPK2 aus den folgenden Gründen als vielversprechendes Target erwiesen. Aminosäuresequenz-Analysen offenbarten einige Unterschiede zu menschlichen p38 MAP Kinasen, welche sehr wahrscheinlich die beobachtete gesteigerte basale Aktivität des rekombinanten EmMPK2 verursachen, verglichen mit der Aktivität humaner p38 MAPK-α. Zusätzlich suggerieren die prominente Autophosphorylierungsaktivität von rekombinantem EmMPK2 und das Ausbleiben einer Interaktion mit den Echinococcus MKKs einen unterschiedlichen Regulierungsmechanismus im Vergleich zu den humanen Proteinen. Die Aktivität von EmMPK2 konnte sowohl in vitro als auch in kultivierten Metazestodenvesikeln durch die Behandlung mit SB202190 und ML3403, zwei ATP kompetitiven Pyridinylimidazolinhibitoren der p38 MAPK, in Konzentrations-abhängiger Weise inhibiert werden. Zudem verursachten beide Substanzen, insbesondere ML3403 die Inaktivierung von Parasitenvesikeln bei Konzentrationen, die kultivierte Säugerzellen nicht beeinträchtigten. Ebenso verhinderte die Anwesenheit von ML3403 die Generation von neuen Vesikeln während der Kultivierung von Echinococcus Primärzellen. Das Targeting von Mitgliedern des EGF-Signalwegs, insbesondere der Erk1/2-ähnlichen MAPK Kaskade mit Raf- und MEK- Inhibitoren verhinderte die Phosphorylierung von EmMPK1 in in vitro kultivierten Metazestoden. Obwohl das Parasitenwachstum unter diesen Konditionen verhindert wurde, blieb die strukturelle Integrität der Metazestodenvesikeln während der Langzeitkultivierung in Anwesenheit der MAPK Kaskade-Inhibitoren erhalten. Ähnliche Effekte wurden beobachtet nach Behandlung mit den anderen zuvor aufgeführten Inhibitoren. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass verschiedene Targets identifiziert werden konnten, die hoch sensibel auf die Anwesenheit der inhibitorischen Substanzen reagierten, aber nicht zum Absterben des Parasiten führten, mit Ausnahme der Pyridinylimidazolen. Die vorliegenden Daten zeigen, dass EmMPK2 ein Überlebendsignal vermittelnden Faktor darstellt und dessen Inhibierung zur Behandlung der AE benutzt werden könnte. Dabei erwiesen sich p38 MAPK Inhibitoren der Pyridinylimidazolklasse als potentielle neue Substanzklasse gegen Echinokokken., Echinococcus multilocularis is the causative agent of alveolar echinococcosis (AE), a life-threatening disease with limited options of chemotherapeutic treatment. Anti-AE chemotherapy is currently based on a single class of drugs, the benzimidazoles. Although acting parasitocidic in vitro, benzimidazoles are merely parasitostatic during in vivo treatment of AE and cause severe site effects. In the case of operable lesions, the resection of parasite tissue needs to be supported by a prolonged chemotherapy. Thus, the current treatment options for AE are inadequate and require alternatives. In the present work, the flatworm signaling pathways were analyzed to establish potential targets for novel therapeutic approaches. I focused on factors that are involved in development and proliferation of E. multilocularis using molecular, biochemical and cell biological methods. Among the analysed factors were three MAP kinases of the parasite, EmMPK1, an Erk-1/2 orthologue, EmMPK2, a p38 orthologue and EmMPK3, an Erk7/8 orthologue. Further, I identified and characterized EmMKK2, a MEK1/2 orthologue of the parasite, which, together with the known kinases EmRaf and EmMPK1, forms an Erk1/2-like MAPK module. Moreover, I was able to demonstrate several influences of host growth factors such as EGF (epidermal growth factor) and insulin on worm signaling mechanisms and larval growth, including the phosphorylation of Elp, an ezrin-radixin-moesin like protein, EmMPK1, EmMPK3 and increased mitotic activity of Echinococcus cells. In addition, several substances were examined for their efficacy against the parasite including (i) general tyrosine kinase inhibitors (PP2, leflunamide), (ii) compounds designed to inhibit the activity of receptor tyrosine kinases, (iii) anti-neoplastic agents (miltefosine, perifosine), (iv) serine/threonine kinase inhibitors that have been designed to block the Erk1/2 MAPK cascade and (v) inhibitors of p38 MAPKs. In these studies, EmMPK2 proved to be a promising drug target for the following reasons. Amino acid sequence analysis disclosed several differences to human p38 MAPKs, which is likely to be the reason for the observed enhanced basal activity of recombinant EmMPK2 towards myelin basic protein in comparison to human recombinant p38 MAPK-α. In addition, the prominent auto-phosphorylation activity of the recombinant EmMPK2 protein together with the absence of an interaction with the Echinococcus MKKs suggest a different mechanism of regulation compared to the human enzyme. EmMPK2 activity could be effectively inhibited in vitro and in cultivated metacestode vesicles by treatment with SB202190 and ML3403, two ATP-competitive pyridinyl imidazole inhibitors of p38 MAPKs, in a concentration-dependent manner. Moreover, both compounds, in particular ML3403, caused parasite vesicle inactivation at concentrations which did not affect cultured mammalian cells. Likewise, during the cultivation of Echinococcus primary cells, the presence of ML3403 prevented the generation of new vesicles. Targeting members of the EGF signaling pathway, particulary of the Erk1/2-like MAPK cascade, with Raf and MEK inhibitors prevented the phosphorylation of EmMPK1 in metacestodes cultivated in vitro. However, although parasite growth was prevented under these conditions, the structural integrity of the metacestode vesicles maintained during long-term cultivation in the presence of the MAPK cascade inhibitors. Similar results were obtained when studying the effects of other drugs mentioned above. Taken together, several targets could be identified that reacted with high sensitivity to the presence of inhibitory substances, but did not cause the parasite’s death with one exception, the pyridinyl imidazoles. Based on the presented data, I suggest pyridinyl imidazoles as a novel class of anti-Echinococcus drugs and imply EmMPK2 as survival signal mediating factor, the inhibition of which could be used for the treatment of AE.

The insulin receptor ortholog EmIR of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis displays significant structural homology to the human insulin receptor (HIR) and has been suggested to be involved in insulin sensing mechanisms of the parasite’s metacestode larval stage. In the present work, the effects of host insulin on Echinococcus metacestode vesicles and the proposed interaction between EmIR and mammalian insulin have been studied using biochemical and cell-biological approaches. Human insulin, exogenously added to in vitro cultivated parasite larvae, (i) significantly stimulated parasite survival and growth, (ii) induced DNA de novo synthesis in Echinococcus, (iii) affected overall protein phosphorylation in the parasite, and (iv) specifically induced the phosphorylation of the parasite’s Erk-like MAP kinase orthologue EmMPK1. These results clearly indicated that Echinococcus metacestode vesicles are able to sense exogenous host insulin which induces a mitogenic response. To investigate whether EmIR mediates these effects, anti-EmIR antibodies were produced and utilized in biochemical assays and immunohistochemical analyses. EmIR was shown to be expressed in the germinal layer of the parasite both on the surface of glycogen storing cells and undifferentiated germinal cells. Upon addition of exogenous insulin to metacestode vesicles, the phosphorylation of EmIR was significantly induced, an effect which was suppressed in the presence of specific inhibitors of insulin receptor-like tyrosine kinases. Furthermore, upon expression of EmIR/HIR receptor chimera containing the extracellular ligand binding domain of EmIR in HEK 293 cells, a specific autophosphorylation of the chimera could be induced through the addition of exogenous insulin. These results indicated the capability of EmIR to sense and to transmit host insulin signals to the Echinococcus signaling machinery. The importance of insulin signaling mechanisms for parasite survival and growth were underscored by in vitro cultivation experiments in which the addition of an inhibitor of insulin receptor tyrosine kinases led to vesicle degradation and death. Based on the above outlined molecular data on the interaction between EmIR and mammalian insulin, the parasite’s insulin receptor orthologue most probably mediates the insulin effects on parasite growth and is, therefore, a potential candidate factor for host-parasite communication via evolutionary conserved pathways. In a final set of experiments, signaling mechanisms that act downstream of EmIR have been analyzed. These studies revealed significant differences between insulin signaling in Echinococcus and the related cestode parasite Taenia solium. These differences could be associated with differences in the organo-tropism of both species., Der orthologe Insulinrezeptor EmIR des Fuchsbandwurmes Echinococcus multilocularis weist signifikante strukturelle Homologie zum humanen Insulinrezeptor (HIR) auf. Es wurde schon seit geraumer Zeit vermutet, dass EmIR an den Mechanismen beteiligt sein könnte, die es dem Metacestoden Larvenstadium des Parasiten erlauben Insulin zu detektieren. In dieser Arbeit wurden die Effekte von Wirtsinsulin auf Echinococcus Metacestoden-Vesikel und die vermutete Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern mittels biochemischer und zellbiologischer experimenteller Ansätze untersucht. Die exogene Zugabe von humanem Insulin zu in vitro kultivierten Parasitenlarven hatte folgende Effekte: (i) das Überleben und das Wachstum des Parasiten wurde signifikant stimuliert; (ii) die DNA de novo Synthese in Echinococcus wurde induziert; (iii) die generelle Proteinphosphorylierung des Parasiten wurde beeinflusst; (iv) die Phosphorylierung der orthologen Erk-like MAP Kinase, EmMPK1, des Parasiten wurde spezifisch induziert. Diese Beobachtungen zeigen deutlich, dass Echinococcus Metacestoden-Vesikel exogenes Insulin des Wirtes detektieren können und dass dieses Insulin einen mitogenischen Effekt auf den Parasiten hat. Um zu untersuchen, ob diese Effekte durch EmIR vermittelt werden, wurden anti-EmIR Antikörper hergestellt und in biochemischen experimentellen Ansätzen und immunohistochemischen Analysen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass EmIR in der Germinalschicht des Parasiten expremiert wird, sowohl an der Oberfläche von Glykogen-Speicherzellen als auch von undifferenzierten Germinalzellen. Nach der Zugabe von exogenem Insulin konnte eine signifikante Zunahme der Phosphorylierung von EmIR festgestellt werden. Diese Stimulierung konnte durch die Zugabe eines spezifischen Inhibitors für Insulinrezeptor-ähnliche Tyrosinkinasen unterdrückt werden. Desweiteren konnte mittels der Expression eines chimären EmIR/HIR-Rezeptors, der die extrazelluläre Ligandenbindungsdomäne von EmIR enthielt, in HEK293 Zellen gezeigt werden, dass die Zugabe von exogenem Insulin eine spezifische Autophosphorylierung der Chimäre induziert. Diese Ergebnisse bezeugen die Fähigkeit von EmIR Insulin-abhängige Signale des Wirtes einerseits zu detektieren und andererseits an die Echinococcus Signalwege weiter zu leiten. Die Bedeutung von Insulin-Signalmechanismen für das Überleben und das Wachstum des Parasiten konnte durch in vitro Kultivierungsexperimente aufgezeigt werden. Die Zugabe eines Inhibitors spezifisch für Insulinrezeptor Tyrosinkinasen verursachte die Degradation und den Tod der Metacestoden-Vesikel. Basierend auf den dargelegten molekularen Daten bezüglich der Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern erscheint es sehr wahrscheinlich, dass der orthologe Insulinrezeptor des Parasiten die Effekte von Insulin auf das Wachstum des Parasiten vermittelt. Aus diesem Grund ist EmIR ein potentieller Kandidat für die Kommunikation zwischen Wirt und Parasiten mittels evolutionär konservierten Signalwegen. Die Signalmechanismen unterhalb von EmIR wurden in abschließenden Experimenten untersucht. Diese offenbarten deutliche Unterschiede in der Weiterleitung von Insulin induzierten Signalen zwischen Echinococcus und dem verwandten parasitären Zestoden Taenia solium. Diese Unterschiede könnten mit dem unterschiedlichen Organtropismus beider Arten in Verbindung stehen.

Die inneren Organe von 86 Marderhunden aus dem nordostbrandenburgischen Gebiet wurden einer vollständigen helminthologischen Sektion unterzogen, Muskelproben von 360 Marderhunden und 123 Rotfüchsen auf Muskeltrichinen untersucht, sowie 220 Marderhundseren mit ELISA überprüft. Alle Marderhunde erwiesen sich als Parasitenträger. Insgesamt konnten drei Trematoden- (Isthmiophora melis, Alaria alata, Metorchis bilis), drei Zestoden-(Mesocestoides sp., Taenia polyacantha, Echinococcus multilocularis) und sieben Nematodenarten (C. aerophila, Trichinella spiralis, Uncinaria stenocephala, Crenosoma vulpis, Molineus patens, Toxocara canis, Capillaria plica) nachgewiesen werden. Damit hat der Marderhund ein dem Rotfuchs vergleichbares Helminthenspektrum. Unterschiede in der Häufigkeit des Auftretens sind auf eine unterschiedliche Präferenz der Nahrungskomponenten zurückzuführen. Eine direkte gesundheitliche Gefährdung des Menschen durch Parasiten des Marderhundes erscheint im Untersuchungsgebiet hinsichtlich einer Infektion mit E. multilocularis gering, höher ist dagegen das Risiko einer Larva migrans -Infektion durch Askariden oder Ankylostomatiden., Internal organs of 86 raccoon dogs originating from the northeastern districts of the Federal State Brandenburg were subjected to a complete helminthological dissection. In addition, muscle samples of 360 raccoon dogs and 123 red foxes were examined for Trichinella larvae. Furthermore, 220 serum samples from raccoon dogs were tested in an indirect ELISA for the presence of Trichinella antibodies. All raccoon dogs were infested with parasites. Altogether three trematodes (Isthmiophora melis, Alaria alata, Metorchis bilis), three cestodes (Mesocestoides sp., Taenia polyacantha, Echinococcus multilocularis) and seven nematode species (Uncinaria stenocephala, Crenosoma vulpis, Molineus patens, Toxocara canis, Capillaria plica, C. aerophila, Trichinella spiralis) could be identified. Thereby, the raccoon dog has a comparable helminth spectrum as well known for red foxes. Differences in the frequency of the occurrence of helminthes in both hosts can be explained by different food preferences. The direct risk of health impairment for humans due to E. multilocularis infected raccoon dogs appears to be low in the area under investigation. In contrast to the risk to obtain larva migrans infections caused by ascaridae or ancylostomatidae seems to be higher.

Es wird angenommen, dass die invasiven Stadien parasitärer Helminthen zur Organfindung und zur Weiterentwicklung auf die Sensierung spezifischer Wirts-Signale angewiesen sind, wobei die molekulare Natur dieser Signale bislang weitgehend ungeklärt ist. Vorangegangene Untersuchungen am Fuchsbandwurm Echinococcus multilocularis, dem Erreger der alveolären Echinokokkose, hatten bereits ergeben, dass dessen Metacestoden-Larvenstadium zur Weiterentwicklung kleine, lösliche Wirtsmoleküle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals ein axenisches (Wirtszell-freies) Kultursystem für das Metacestoden-Stadium entwickelt, mittels dessen sich diese Fragestellungen in vitro angehen lassen. Mit Hilfe dieses Kultursystems konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die drei Wirts-Hormone/Zytokine, Insulin, epidermal growth factor (EGF) und bone morphogeneic protein 2 (BMP2), einen Einfluss auf die Proliferation und die Differenzierung von E. multilocularis haben. Während für Insulin und EGF Wachstums-stimulierende Effekte gezeigt werden konnten, förderte BMP2 die Differenzierung des Metacestoden zum nächsten Larvenstadium, dem Protoscolex. In Modellorganismen wie Säugern, Drosophila und Caenorhabditis elegans verlaufen die durch Insulin- und EGF-ähnlichen Zytokine induzierten Signalmechanismen über die sogenannte mitogen activated protein (MAP)-Kinase-Kaskade. Um zu untersuchen, ob die externe Zugabe von Wirts-Insulin bzw. -EGF in einer Stimulierung der MAPK-Kaskade des Parasiten führt, wurden in dieser Arbeit zunächst die Komponenten dieses Signalweges bei E. multilocularis auf molekulargenetischer und biochemischer Ebene charakterisiert. Die Arbeiten umfassten Studien zu kleinen GTPasen des Parasiten (EmRas, EmRap1, EmRap2, EmRal), zu einem Orthologen der Kinase Raf (EmRaf), sowie Orthologen der Kinasen MEK (EmMKK) und ERK (EmERK). Es konnte gezeigt werden, dass diese Faktoren in E. multilocularis Teil einer MAP-Kinase-Kaskade sind. Zudem wurde nachgewiesen, dass diese Faktoren stromabwärts eines EGF-Rezeptor-Orthologen (EmER) des Parasiten fungieren, welches ebenfalls in der vorliegenden Arbeit analysiert wurde. Damit wurden die Voraussetzungen geschaffen, den Einfluss exogen zugegebenen Insulins bzw. EGFs auf die Aktivierung der MAP-Kinase-Kaskade im Parasiten zu untersuchen. Erste Analysen zeigten bereits, dass die zentrale Komponente dieser Kaskade, EmERK, durch die genannten Wirts-Zytokine aktiviert wird. Dies legt nahe, dass Wirt-Parasit-Kommunikationsmechanismen über evolutionsgeschichtlich konservierte Signalsysteme eine wichtige Rolle im Infektionsgeschehen der alveolären Echinokokkose spielen. Aufbauend auf dem axenischen Kultursystem ist es in dieser Arbeit auch erstmals gelungen, Primärzellkulturen für E. multilocularis anzulegen und die Parasitenzellen zur in vitro Neubildung von Metacestoden-Vesikeln anzuregen. Erste Experimente zur genetischen Manipulation dieser Primärzellen konnten erfolgreich durchgeführt werden. Aufbauend auf der hier vorgestellten Methodik sollte es in künftigen Untersuchungen möglich sein, stabil transfizierte Echinococcus-Zellen zu generieren und diese zur Herstellung vollständig transgener Parasiten-Stadien zu nutzen. Dies würde die zur Untersuchung der E. multilocularis-Entwicklung und der Wirt-Parasit-Interaktionsmechanismen bei einer Infektion zur Verfügung stehenden Methoden entscheidend erweitern und könnte u.a. zur weiteren biochemischen Analyse der in dieser Arbeit dargestellten Signalmechanismen des Parasiten herangezogen werden., It is assumed that the invasive stages of parasitary helminths are reliant on the sensing of specific host signals for organ targeting and development. The molecular nature of these signals is still mostly unsettled. Previous studies on the fox tapeworm Echinococcus multilocularis, the causative organism of alveolar echinococcosis showed that the metacestode larval stage requires small, soluble host molecules to develop further. For the first time, in this study an axenic (without host cells) culture system for the metacestode stage was developed which allows to address these questions in vitro. Using this culture system it could be shown that the three host hormomes/zytokines, insulin, epidermal growth factor (EGF) and bone morphogeneic protein 2 (BMP2) have influence on proliferation and differentiation of E. multilocularis. While insulin and EGF had growth-stimulating effects, BMP2 results in metacestode differentiation to the next larval stage, the protoscolex. In model organisms such as mammals, Drosophila und Caenorhabditis elegans the signals induced by insulin and EGF-related zytokines are transferred by the so-called mitogen activated protein (MAP) kinase cascade. In order to determine whether external addition of host insuline or host EGF leads to a stimulation of the MAPK cascade of the parasite, initially the components of the signal path of E. multilocularis were characterized on the moleculargenetic and biochemical level. The research comprised studies on small GTPases of the parasite (EmRas, EmRap1, EmRap2, EmRal) and an orthologue of the Raf Kinase (EmRaf) as well as orthologues of the MEK kinase (EmMKK) and ERK kinase (EmERK). It could be shown that the mentioned factors are part of a MAP kinase cascade in E. multilocularis. Furthermore it could be demonstrated that these factors act downstream of an EGF-receptor orthologue (EmER) of the parasite, which was also analysed in this study. Thereby a base was provided to investigate the influence of exogenic added insulin or EGF on the activation of the MAP kinase cascade in the parasite.First analyses showed that the mentioned host cytokines activate EmERK, the central component of this cascade. This suggests that host-parasite communication via evolutionary conserved signal systems play an important role in the infection scenario of the alveolar echinococcosis. Based on the axenic culture system, for the first time primary cells for E. multilocularis could be cultured and in vitro regeneration of metacestode vesicles could be excited in the parasite cells. First experiments on genetic manipulation on the primary cells were effected successfully. On this basis it should be possible to generate stable transfected Echinococcus cells and use these to generate completely transgenic parasite stages in future studies. This would be a critical extension of the set of methods available for research of the development of E. multilocularis and the host-parasite interaction mechanisms in an infection and could be drawn on for further biochemical analyses of the signal mechanisms of the parasites presented in this study.