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Aufklärung des Infektionsweges der Gehirninfektion von Trypanosoma brucei und Charakterisierung der Parasiten im zentralen Nervensystem
Die Afrikanische Schlafkrankheit wird von Trypanosomen verursacht, die
die Tsetse-Fliege während einer Blutmahlzeit auf den menschlichen Wirt
überträgt. Initial besiedeln die Parasiten Blut und Lymphflüssigkeit, bevor sie
im 2. Krankheitsstadium in das zerebrale Nervensystem invadieren. Diese
Phase äußert sich klinisch in Koordinationsstörungen, verwaschener Sprache
und einer Deregulation des Schlaf-Wach-Zyklus. Auf Grund der Symptome
erschien es lange Zeit plausibel, dass Trypanosomen unter Ăśberwindung der
Blut-Hirn-Schranke ins Gehirnparenchym vordringen. Dazu mĂĽssten sie die
Glia limitans ĂĽberqueren, die das Gehirn komplett umgibt und nach auĂźen
und zu den Blutgefäßen hin abschirmt. Für Immunzellen sind solche
Migrationen ĂĽber die Blut-Hirn-Schranke beschrieben, doch handelt es sich
dabei um sehr komplexe Mechanismen, die spezifische Zell-Zell-Interaktionen
erfordern. Bei Trypanosomen sind solche Mechanismen in Säugetieren nicht
bekannt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Trypanosomen innerhalb des
Gehirnparenchyms nicht wie bisher angenommen überleben können. So
fĂĽhrt beispielsweise eine artifizielle Parasiten-Injektion in das Striatum nicht
zu einer Infektion. Des Weiteren traten intraperitoneal gespritzte Parasiten
(T. brucei brucei) nur selten innerhalb des Gehirnparenchyms von Wistar-
Ratten auf, wo sie von Mikrogliazellen phagozytiert wurden. Diese
Beobachtungen stellen die bisherige Lehrmeinung in Frage, Trypanosomen
überwänden die Blut-Hirn-Schranke und besiedelten das Gehirn. Stattdessen
scheint der Durchtritt durch die Blut-CSF-Schranke fĂĽr die
Krankheitsentwicklung viel entscheidender zu sein. Tatsächlich konnte
gezeigt werden, dass die Blut-CSF-Schranke im Laufe einer Infektion fĂĽr
kernspintomographische
Kontrastmittel
durchlässig
wird.
Wichtigste
Komponente der Blut-CSF-Schranke ist der Plexus choroideus, der fĂĽr die
Liquor-Bildung verantwortliche Teil der Ventrikelauskleidung. Dieser befindet
sich anatomisch gesehen auĂźerhalb des Gehirns und steht ĂĽber das
Ventrikelsystem in direkter Verbindung zu den Gehirnhäuten. Wie mittels
real-time PCR und Elektronenmikroskopie gezeigt, infizieren Trypanosomen
den Plexus choroideus, den Liquor und letztlich die Pia mater. Letztere könnte
dabei als immunprivilegiertes Habitat fungieren, von wo aus es zu einer
Reinfektion des Blutes (einem sogenannten relapse) kommen kann.
Da CSF offensichtlich trypanozid wirksame Substanzen enthält, ist es für
die Parasiten lebenswichtig, die Ventrikel so schnell wie möglich zu
durchqueren. Wie erwartet schwimmen aus dem Gehirn isolierte
Trypanosomen auffallend schnell und gerichtet, während sich Blutparasiten
der frühen Infektionsphase vergleichsweise langsam und stationär bewegen.
Darüber hinaus unterscheiden sie sich signifikant in ihrer Länge und sind
möglicherweise auch anderweitig adaptiert (z.B. gibt es Hinweise darauf, dass
sich Endosomen nicht nur im Bereich der Flagellumtasche abschnĂĽren). CSF
Infektionen erfolgen zyklisch und folgen damit dem Verlauf der Parasitämie.
Allerdings konnte auch gezeigt werden, dass dies nicht Folge Antikörper-
vermittelter
Immunreaktionen
ist,
da
kein
anti-trypanosomales
Immunglobulin G im Liquor nachgewiesen werden konnte.
Auf ihrem Weg ĂĽber die Blut-CSF-Schranke mĂĽssen Trypanosomen die
Epithelzellen des Plexus choroideus ĂĽberqueren. Diese nutzen unter anderem
Claudin-11 zur Ausbildung von tight junctions. Es konnte gezeigt werden, dasseine Wechselwirkung zwischen Trypanosomen und heterolog exprimiertem
Claudin-11 besteht. Zuletzt wurde die Fähigkeit von Trypanosomen
analysiert, andere Organe zu infiltrieren.
Diese Ergebnisse lassen die Gehirninfektion afrikanischer Trypanosomen
in einem völlig neuen Licht erscheinen und eröffnen neue Ansätze der
Medikamenten-Entwicklung und -Applikation.African trypanosomes induce sleeping sickness. They are transmitted
during a blood meal of the tsetse fly and appear primarily in the blood and
lymphatic system, before they enter the central nervous system. During this
2nd stage, the parasite induces a deregulation of the sleep-wake-cycles
(hence the name) and some additional phenomena like coordination
problems and disturbance of speech. It was thus a logical assumption that
trypanosomes cross the blood-brain barrier and nestle somewhere between
the brain cells. The brain, however, is completely covered by a dense barrier,
the so-called glia limitans that surrounds the brain and covers the blood
vessels, with the latter being the literal blood-brain barrier. It is known that
some immune cells are able to cross this barrier, but this needs a
sophisticated mechanism and very specific cell-cell interactions that were
never observed for trypanosomes within the mammalian host. In this work
we show that trypanosomes cannot develop inside the brain parenchyma.
Indeed, injecting parasites directly into the brain parenchyma led not to an
infection. Likewise, after an intraperitoneal infection of Wistar rats, T. brucei
brucei could be observed very rarely inside the brain parenchyma, where the
parasites were readily phagocytized by microglia. These observations make it
necessary to reconsider the common opinion that the parasites cross the
blood-brain barrier and settle inside the brain, whereas factually crossing the
blood-CSF barrier seems much more important for pathogenesis. In fact,
during prolonged infection the blood-CSF barrier was found to be leaky for
contrast agents used in magnet resonance tomography. The blood-CSF
barrier is formed by the choroid plexus, i.e. the part of the ventricles where
cerebrospinal fluid is formed. Anatomically, the ventricle system lies outside
the brain and extends to the meninges, which surround the brain next to the
glia limitans. As shown in this work by real-time PCR mapping and electron
microscopy, trypanosomes infiltrate the choroid plexus, CSF and finally the
pia mater, the innermost one of the meninges. This habitat might function as
a refuge, from where reinfections of the blood (so-called relapses) could
easily occur.
CSF itself has been proven to be toxic for trypanosomes, which would
make it necessary for them to cross the ventricle’s hostile environment as
fast as possible. In fact, trypanosomes isolated from brain show a very rapid
movement of their flagellum and swim in a much more directed manner
compared to trypanosomes found at an early infection stage in blood.
Moreover, they are significantly longer and might have evolved some other
adaptations to survive in the brain (probably endocytosis which is not
restricted to the flagellar pocket as in bloodstream forms). Furthermore, it is
demonstrated that CSF infections occur periodically, following the parasite
titer in blood. However, this process seems to be independent of antibody-
mediated immune response, as anti-trypanosomal immunoglobulin G could
not be found in CSF. For crossing the blood-CSF barrier, trypanosomes have
to overcome the plexus epithelial cells. These cells are connected by claudin-
11 containing tight junctions. It is shown in this work that trypanosomes
interact with heterologously expressed claudin-11. Finally, infiltration of
trypanosomes into other organs has been analyzed.
These results put new lights on the infection strategy and will open new
avenues for treatment and drug development
Late Stage Infection in Sleeping Sickness
At the turn of the 19th century, trypanosomes were identified as the causative agent of sleeping sickness and their presence within the cerebrospinal fluid of late stage sleeping sickness patients was described. However, no definitive proof of how the parasites reach the brain has been presented so far. Analyzing electron micrographs prepared from rodent brains more than 20 days after infection, we present here conclusive evidence that the parasites first enter the brain via the choroid plexus from where they penetrate the epithelial cell layer to reach the ventricular system. Adversely, no trypanosomes were observed within the parenchyma outside blood vessels. We also show that brain infection depends on the formation of long slender trypanosomes and that the cerebrospinal fluid as well as the stroma of the choroid plexus is a hostile environment for the survival of trypanosomes, which enter the pial space including the Virchow-Robin space via the subarachnoid space to escape degradation. Our data suggest that trypanosomes do not intend to colonize the brain but reside near or within the glia limitans, from where they can re-populate blood vessels and disrupt the sleep wake cycles
Reactive Programming Experience with REScala
Reactive programming is a recent programming paradigm that specifically targets reactive applications. Over the years, a number of reactive languages have been proposed, with different combinations of features, and various target domains.
Unfortunately, there is a lack of knowledge about the experience of developing software applications with reactive languages. As a result, a number of design choices in reactive programming languages remain disconnected from experience and the applicability of reactive programming to various domains remains unclear.
To bridge this gap, we report on our experience of developing reactive applications as well as teaching reactive programming in REScala, which we collected over several years of research and practice