Entwicklung und Validierung eines Protein
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Entwicklung und Validierung eines Protein
Tierärztliche Hochschule Hannover Entwicklung und Validierung eines Protein-Microarrays zur simultanen serologischen Untersuchung von Fleischsaftproben auf Erreger von Zoonosen und Produktionskrankheiten beim Schwein INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung des Grades eines Doktors der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae (Dr. med. vet.) vorgelegt von Sebastian Hahne Bad Oeynhausen Hannover 2014 Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Diana Meemken Institut für Lebensmittelqualität und –sicherheit Tierärztliche Hochschule Hannover 1. Gutachter: Prof. Dr. Diana Meemken 2. Gutachter: Prof. Dr. Ralph Goethe Tag der mündlichen Prüfung: 12.06.2014 Gefördert durch: Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Gefördert über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE), Förderkennzeichnen 28011HS013 Meiner Familie gewidmet Erste Ergebnisse dieser Arbeit wurden bereits veröffentlicht: MEEMKEN, D., S. HAHNE, G. KLEIN, C. ENGEMANN, J. GABERT, T. BLAHA, (2012): Der Microarray als simultanes, miniaturisiertes Testsystem zur Nutzung im Rahmen der "Fleischsaftmultiserologie" In: ALPHA Informationsgesellschaft; Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft; Bundesverband der beamteten Tierärzte (Hrsg.): Amtstierärztlicher Dienst und Lebensmittelkontrolle (Sonderausgabe) 53. Arbeitstagung des Arbeitsgebietes Lebensmittelhygiene: Dreiländertagung; Programm- und Abstract-Band, GarmischPartenkirchen, 25.-28.09.2012; Lampertheim: Alpha Informationsgesellschaft, 2012, 102 MEEMKEN, D., S. HAHNE, G. KLEIN, C. BÄCHLEIN, C. ENGEMANN, J. GABERT, T. BLAHA, (2012): Einsatz von Microarrays im Rahmen der "Fleischsaftmultiserologie" In: Ellerbroek, L. (Hrsg.): Abstracts zum BfR-Symposium: Zur Weiterentwicklung der Fleischuntersuchung - Stand und Perspektiven BfR-Symposium: Zur Weiterentwicklung der Fleischuntersuchung - Stand und Perspektiven, Berlin, 07.02.2013; 2013, 12 HAHNE, S., T. BLAHA, G. KLEIN, C. ENGEMANN, J. GABERT, C. SANDER, D. LICHTER, D. MEEMKEN (2013): "Meat Juice Multi-Serology" - development of a swine specific microarray In: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft (Hrsg.): 16th International symposium of the World Association of Veterinary Laboratory Diagnosticians (WAVLD), 10th OIE Seminar, 32nd Symposium of AVID Berlin, Germany, 05.08.06.2013; Giessen: DVG Service, 2013, 48 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................... 1 1 Einleitung ........................................................................................................... 1 2 Literaturübersicht .............................................................................................. 3 2.1 Rechtliche Grundlagen ................................................................................. 3 2.2 Tiergesundheitsprogramme ......................................................................... 5 2.2.1 Tiergesundheitsüberwachung in Dänemark ............................................. 5 2.2.2 Tiergesundheitsüberwachung in den Niederlanden .................................. 6 2.2.3 Tiergesundheitsüberwachungsprogramme in Deutschland ...................... 7 2.3 Antikörper - ein Einblick in die Immunologie ................................................. 9 2.3.1 Maternale Antikörper und die immunologische Lücke ............................ 12 2.4 Vor- und Nachteile der serologischen Untersuchung ................................. 14 2.5 Serologische Testsysteme – eine Auswahl ................................................ 15 2.5.1 ELISA als Testsystem............................................................................. 15 2.5.2 Protein-Microarray als Testsystem ......................................................... 17 2.5.3 Bead-based Technologie als Testsystem ............................................... 19 2.5.4 Vor- und Nachteile ähnlicher Verfahren gegenüber der MicroarrayTechnologie ....................................................................................................... 20 2.5.4.1 ELISA ............................................................................................. 20 2.5.4.1.1 Vorteile ....................................................................................... 20 2.5.4.1.2 Nachteile .................................................................................... 21 2.5.4.2 X-Map-Technologie ........................................................................ 21 2.5.4.2.1 Vorteile ....................................................................................... 21 2.5.4.2.2 Nachteile .................................................................................... 21 2.6 Untersuchungsmedium Fleischsaft ............................................................ 21 2.7 Ausgewählte Erreger .................................................................................. 22 2.7.1 Ausgewählte lebensmittelsicherheitsrelevante Erreger .......................... 23 2.7.1.1 Salmonella spp. .............................................................................. 23 2.7.1.2 Toxoplasma gondii ......................................................................... 25 2.7.1.3 Trichinella spiralis ........................................................................... 26 2.7.1.4 Yersinia enterocolitica .................................................................... 27 2.7.1.5 Hepatitis E-Virus............................................................................. 28 2.7.2 Tiergesundheitsrelevante Antigene ........................................................ 29 3 2.7.2.1 Influenza A ..................................................................................... 29 2.7.2.2 Mycoplasma hyopneumoniae ......................................................... 30 2.7.2.3 Actinobacillus pleuropneumoniae ................................................... 31 2.7.2.4 PRRSV ........................................................................................... 32 Material und Methoden ................................................................................... 34 3.1 Material ...................................................................................................... 34 3.1.1 Probenmaterial ....................................................................................... 34 3.1.2 Antigenmaterial ....................................................................................... 35 3.1.3 ELISA-Test-Material ............................................................................... 38 3.1.4 Der Microarray ........................................................................................ 39 3.1.5 Sonstige Materialen ................................................................................ 41 3.2 Methoden ................................................................................................... 42 3.2.1 Entwicklung eines Testprotokolls ............................................................ 42 3.3 Vergleichsuntersuchung Microarray vs. ELISA .......................................... 46 3.4 Statistische Auswertung ............................................................................. 48 3.4.1 Verfahren der deskriptiven Statistik ........................................................ 48 3.4.2 ROC-Kurve ............................................................................................. 48 3.4.3 Bland-Altman-Analyse ............................................................................ 51 3.4.4 Passing-Bablok-Regressionsanalyse ..................................................... 53 4 Ergebnisse ....................................................................................................... 55 4.1 Ablauf der Testentwicklung ........................................................................ 55 4.1.1 Vorbereitung des Microarrays ................................................................. 56 4.1.2 Fleischsaft als Untersuchungsmedium ................................................... 57 4.1.3 Konjugate ............................................................................................... 59 4.1.4 Waschschritte ......................................................................................... 60 4.1.5 Substrat .................................................................................................. 60 4.2 Ergebnisse der Vergleichsuntersuchung ELISA vs. Microarray nach Erregern ................................................................................................................ 63 4.2.1 Lebensmittelsicherheitsrelevante Erreger ............................................... 63 4.2.1.1 Salmonella spp. .............................................................................. 63 4.2.1.2 Toxoplasma gondii ......................................................................... 75 4.2.1.3 Trichinella spp. ............................................................................... 80 4.2.1.4 Yersinia enterocolitica .................................................................... 84 4.2.1.5 Hepatitis E-Virus............................................................................. 90 4.2.2 Tiergesundheitsrelevante Erreger........................................................... 94 5 4.2.2.1 Influenza A ..................................................................................... 94 4.2.2.2 Mycoplasma hyopneumoniae ......................................................... 98 4.2.2.3 Actinobacillus pleuropneumoniae ................................................. 101 4.2.2.4 PRRSV ......................................................................................... 105 Diskussion ..................................................................................................... 110 5.1 Der Arbeitsplan......................................................................................... 110 5.2 Auswahl der Erreger................................................................................. 111 5.3 Akquirierung der Materialien .................................................................... 111 5.4 Entwicklung des Testablaufes .................................................................. 112 5.5 Validierung anhand von ELISA-Werten .................................................... 113 5.5.1 Salmonella spp. .................................................................................... 113 5.5.2 Toxoplasma gondii................................................................................ 114 5.5.3 Trichinella spp....................................................................................... 114 5.5.4 Yersinia enterocolitica........................................................................... 115 5.5.5 Hepatitis E-Virus ................................................................................... 116 5.5.6 Influenza A ............................................................................................ 116 5.5.7 Mycoplasma hyopneumoniae ............................................................... 117 5.5.8 Actinobacillus pleuropneumoniae ......................................................... 117 5.5.9 PRRSV ................................................................................................. 118 5.6 Grenzen und Erweiterungsmöglichkeiten ................................................. 118 5.7 Nutzbarkeit von serologischen Profilen .................................................... 119 6 Zusammenfassung ........................................................................................ 123 7 Summary ........................................................................................................ 125 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 127 Gesetze und Verordnungen ................................................................................. 140 Tabellenverzeichnis ............................................................................................. 141 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ 143 Anhang .................................................................................................................. 148 Danksagung .......................................................................................................... 153 Abkürzungsverzeichnis Ag Antigen Ak Antikörper bzw. beziehungsweise d.h. das heißt DMA Danish Meat Association EfQ Erzeugergemeinschaft für Qualitätstiere Syke-Bassum eG EFSA European Food Safety Authority EG Europäische Gemeinschaft EGF Erzeugergemeinschaft der Qualitätsferkel ELISA Enzyme linked Immoabsorbend assay EU Europäische Union FLI Friedrich-Löffler-Institut GD Gezondheidsdienst voor Dieren b.v. i.A. Im Allgemeinen IgA Immunoglobulin A IgD Immunoglobulin D IgE Immunoglobulin E IgG Immunoglobulin G IgM Immunoglobulin M IKB Integrale Keten Beheersing LPS Lipopolysaccharid PCV2 Porcines Circovirus 2 p.i. post infectionem PRRSV Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus SPF specific pathogen free TiGA Tiergesundheitsagentur Vgl. Vergleich VO Verordnung vs. versus WHO World Health Organization z.B. zum Beispiel ZNGV Vermarktungsgemeinschaft für Zucht- und Nutzvieh e. G. Einleitung 1 Einleitung Das neue Lebensmittelsicherheitskonzept der Europäischen Union verfolgt neben einer stetigen Verbesserung der Lebensmittelsicherheit zwei weitere Ziele. Zum einen eine kontinuierliche Verbesserung der Tiergesundheit und zum anderen eine Erhöhung des Tierwohlniveaus in den Herkunftsbeständen. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil der maßgeblich von der EFSA koordinierten vielfältigen Bemühungen und Entwicklungen zur Umsetzung des sogenannten „Hygienepaketes der EU“ (VO [EG] Nr. 178/2002, Nr. 852-854/2004, Nr. 882/2004). Die Einbeziehung aller Stufen der Lebensmittelkette (food safety from stable to table) und die Nutzung und der Austausch von Informationen z.B. zur Tiergesundheit und zu latenten Infektionen mit Zoonoseerregern der für die Schlachtung vorgesehenen Tieren stehen dabei im Vordergrund. Innerhalb der sogenannten risikoorientierten Schlachttier- und Fleischuntersuchung stellen insbesondere solche Informationen, gewonnen aus labordiagnostischen Untersuchungen, einen wichtigen Anteil dar. So ist zum Beispiel in der Verordnung (EG) Nr. 1244/2007 als eine Voraussetzung zur Zulassung von Mastschweinen zur risikoorientierten Fleischuntersuchung ohne Anschnitte das Einbeziehen von mikrobiologischen und/oder serologischen Monitoringergebnissen angegeben. In Deutschland wird derzeit nur die serologische Untersuchung auf Salmonellen-Antikörper nach der sogenannten SchweineSalmonellenverordnung aus dem Jahr 2007 routinemäßig durchgeführt. Ziel, der in der vorliegenden Arbeit aufgeführten Untersuchungen, war es, ein Testsystem zu entwickeln, welches eine sinnvolle Erweiterung des serologischen Monitorings ermöglichen könnte. Die Idee war, zum einen den Nutzen der für das Salmonellenmonitoring entnommenen Probe „Fleischsaft“ zu erhöhen, indem mehr Informationen als nur der 1 1 Antikörpergehalt gegen Salmonellen gewonnen Einleitung werden. Durch zusätzliche Untersuchungen der bereits gewonnenen Probe auf Antikörper gegen andere Erreger, würde dem gesamten Probengewinnungs- und –verarbeitungsprozess mehr Effizienz beizumessen sein. Zum anderen bietet sich die Möglichkeit durch ein Monitoring über verschiedenen Krankheiten zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Lebensmittelsicherheit (Zoonosen) und der Herdengesundheit und folglich auch des Tierwohlniveaus beitragen zu können. Die dargestellten Untersuchungen und aufgeführten Ergebnisse beschreiben die Entwicklung und Validierung eines Untersuchungsverfahrens zur gleichzeitigen Erfassung von Antikörpern gegen verschiedene Erreger auf Basis eines ProteinMicroarray-Tests, welches im Folgenden als „multiserologische Untersuchung“ aufgeführt wird. Eine simultane serologische Erkennung von verschiedenen „schweinespezifischen“ sowie zoonotischen Erregern Untersuchungsmedium Fleischsaft soll ermöglicht werden. 2 aus dem Literaturübersicht 2 Literaturübersicht 2.1 Rechtliche Grundlagen Die im Jahr 2002 in Kraft getretene Verordnung (EG) Nr. 178/2002 beinhaltet die aktuellen Grundsätze und Anforderungen des europäischen Lebensmittelrechts. In Kapitel 1 Artikel 1 Absatz 1 wird das Ziel der Verordnung, die Grundlage für ein hohes Schutzniveau für die Gesundheit des Menschen und die Verbraucherinteressen bei Lebensmitteln schaffen, aufgestellt. Wichtig ist, wie in Kapitel 1 Artikel 1 Absatz 3 erwähnt, dass dabei alle Produktions-, Verarbeitungsund Vertriebsstufen von Lebensmitteln und Futtermitteln beachtet werden. Die gesamte Lebensmittelkette wird mit einbezogen (from stable to table). Im Jahr 2004 wurde das sogenannte “Hygienepaket” verabschiedet, welches detaillierter auf die Kontrolle der Lebensmittel, die Lebensmittelhygiene, insbesondere auf die bei Lebensmitteln tierischen Ursprungs sowie dem Verfahren bei der Überwachung eingeht. Darin ist festgehalten, dass Informationen zur Lebensmittelkette vorliegen müssen. In Anhang II Abschnitt III der VO (EG) Nr. 853/2004 sind diese näher beschrieben. Ergebnisse von Proben, die zur Diagnose von Krankheiten sowie zur Zoonosen- und Rückstandsüberwachung und bekämpfung dienen, gehören zu diesen Informationen. Des Weiteren sollen Ergebnisse von früheren Schlachtpartien aus dem Herkunftsbetrieb einbezogen werden. In VO (EG) Nr. 854/2004 werden Angaben über die Art der Überwachung gemacht. Dabei kann auf Grundlage von ausreichenden Informationen der Lebensmittelkette eine risikoorientierte Fleischuntersuchung durchgeführt werden. Genauere Bestimmungen zu der Durchführung einer solchen Untersuchung sind in der VO (EG) Nr. 1244/2007 aufgeführt. 3 Literaturübersicht Eine Voraussetzung zur Zulassung von Mastschweinen zur risikoorientierten Fleischuntersuchung ohne Anschnitte ist das Einbeziehen von mikrobiologischen und/oder serologischen Monitoringergebnissen. Als Erweiterung zu der bisher üblichen amtlichen Prüfung auf Genusstauglichkeit für den menschlichen Verzehr werden von dem europäischen Lebensmittelkonzept der EFSA nunmehr zwei weitere Ziele verfolgt. Zum einen wird eine stetige Verbesserung der Tiergesundheit gefordert. Ein anderes Ziel ist die Optimierung des Tierwohls der zur Fleischgewinnung gehaltenen Tiere und damit der tierschutzrelevanten und haltungsbedingten Probleme. Nach der Scientific Opinion der EFSA aus dem Jahr 2011 zu den Gesundheitsgefahren im Zusammenhang mit der amtlichen Fleischuntersuchung wird ein serologisches Monitoring der Zoonoseerreger Salmonellen, Yersinien, Toxoplasmen und Trichinen zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit für sinnvoll erachtet (EFSA 2011b). In Deutschland wird bisher nur ein serologisches Salmonellenmonitoring, geregelt durch die nationale „Schweine-Salmonellen-Verordnung“, durchgeführt. Diese Untersuchungen können mit Blutserum, entnommen im Tierbestand frühestens 14 Tage vor der Schlachtung, oder mit Fleischsaft, entnommen Schlachttierkörpern im Schlachtbetrieb, durchgeführt werden. 4 von den Literaturübersicht 2.2 Tiergesundheitsprogramme 2.2.1 Tiergesundheitsüberwachung in Dänemark Seit 1971 wird in Dänemark das „specific pathogen free -System“ (SPF-System) zur Überwachung des Gesundheitsstatus in der Schweineproduktion durchgeführt. Nach Angaben des Danish Agriculture and Food Council waren Anfang September 2009 bereits 98% aller gehandelten Zuchttiere in Dänemark SPF-Tiere und somit in dem Überwachungssystem registriert (Danish Agriculture and Food Council 2009a). Die Organisation dieser landesweiten Gesundheitsdatenbank übernimmt die Danish Meat Association (DMA), welche sich aus Fleischverbänden der Schweine-, Rinderund Geflügelfleischproduktionen zusammensetzt. Je nach Status werden die Bestände in die Sicherheitsniveaus “rot” für besseres Niveau, “blau” für Bestände mit bekannter Information oder “grün” für Bestände, die noch nicht eingeteilt wurden, aber am SPF-System teilnehmen, eingeteilt. Als letzte Gruppe werden als “unbekannt” die herkömmlichen Betriebe gelistet, welche nicht an dem SPF-System teilnehmen. Bei den zu untersuchenden Krankheiten handelt es sich um die in Tabelle 1 dargestellten Erreger. Die Teilnahme ist freiwillig und erfordert regelmäßige Kontrollen durch serologische Untersuchungen und Bestandsbesuche. Die rot markierten Betriebe, welche sich aus Zucht- und Vermehrungsbetriebe zusammensetzen, werden monatlich serologisch untersucht. Im blauen Niveau befindliche Betriebe, welche v.a. Ferkelerzeuger und Mastbetriebe sind, werden mindestens alle 15 Wochen durch den bestandsbetreuenden Tierarzt kontrolliert. Hier werden jährlich serologische Untersuchungen durchgeführt (Danish Agriculture and Food Council 2009b). 5 Literaturübersicht Tabelle 1: Liste der im SPF-System zu untersuchenden Erreger (Krankheiten) (modifiziert nach Danish Agriculture and Food Council 2009b) Abk. Erreger Ap Actinobacillus pleuropneumoniae, Serotypen 1-10 und 12 Myc Mycoplasma hyopneumoniae Dys Brachyspira hyodysenteriae Nys Toxin bildende Pasteurella multocida und Bordetella bronchiseptica PRRS Porzines Reproduktives und Respiratorisches Syndrom DK-Virus (Europäisches Virus) und Vakzine-Virus (Amerikanisches Virus) Lus Laus Skab Räudemilbe 2.2.2 Tiergesundheitsüberwachung in den Niederlanden Vom Gezondheidsdienst voor Dieren b.v. (GD), einem unabhängigen Veterinäruntersuchungsinstitut in den Niederlanden, das für Auftraggeber aus Wirtschaft, Staat und dem Primärsektor arbeitet, wurde 2012 das PigMatch-System eingeführt (CZEKALA et al. 2013). Das System ist besonders an Schweinezüchter und –vermehrer gerichtet. Innerhalb des PigMatch-Systems besteht die Möglichkeit zwischen drei Levels zu wählen: PM12, PM6 und PM3. Sie unterscheiden sich in der Beprobungsfrequenz und der Anzahl der Betriebsinspektionen. Je nach Betriebssituation und Vermarktungsmöglichkeiten wählt ein Teilnehmer den für sich optimalen Level. Es werden serologische Untersuchungen auf die Erreger Actinobacillus pleuropneumoniae (verschiedene Serotypen), Brachyspira hyodysenteriae/pilosicoli, Toxin bildende Pasteurella, Mycoplasma hyopneumoniae, PRRSV, Salmonella spp. und Sarcoptes durchgeführt. 6 Literaturübersicht Das IKB-System (Integrale Keten Beheersing), welches sich eher an Mastbetriebe wendet, verfolgt Maßnahmen zur Salmonellenbekämpfung. Vergleichbar zu dem QSMonitoring, welches in Deutschland durchgeführt wird, wird in Mastschweinebetrieben durch serologische Untersuchungen der Salmonellen-Status des jeweiligen Betriebes bestimmt. Der Betrieb wird dann in eine der drei Salmonellenkategorien „leicht", „mäßig" oder „schwer kontaminiert" eingeteilt. Betriebe der Kategorie „schwer kontaminiert“ müssen dann einen Interventionsplan erarbeiten, um wieder in die Kategorien eins oder zwei zu gelangen. Des Weiteren ist der sogenannte Biggen Pas (Ferkelpass), welcher im Jahr 2009 eingeführt wurde, vorhanden. Er stellt ein Dokument dar, in dem vom Ferkelerzeuger durchgeführte Maßnahmen dokumentiert werden. Diese werden dann an den Mäster weitergegeben. Eine Datenbank, Monitoring oder Kontrollen sind hierbei nicht vorhanden. 2.2.3 Tiergesundheitsüberwachungsprogramme in Deutschland In Deutschland werden auf Landesebene verschiedene Gesundheitsüberwachungsprogramme für Schweine durchgeführt. Von der Vermarktungsgemeinschaft für Zucht- und Nutzvieh e. G. (ZNVG) wurde 1998 ein vom bestandsbetreuenden Tierarzt durchzuführendes ZNVG- Monitoringprogramm beschrieben. Dabei werden vierteljährlich Proben genommen, wobei serologisch auf Antikörper gegen Salmonellen, Actinobacillus pleuropneumoniae, PRRSV und Brachyspira hyodysenteriae untersucht wird (SEYBOLD 2009). Bei teilnehmenden Betrieben am EGF-Monitoring (Erzeugergemeinschaft der Qualitätsferkel im Raum Osnabrück) werden halbjährlich Blutproben genommen. Diese werden auf Salmonellen sowie PRRSV untersucht, wobei die Testung auf PRRSV abhängig vom Impfstatus serologisch oder molekularbiologisch mittels PCR erfolgt. Auf weitere Erreger (Actinobacillus pleuropneumoniae, PCV2, Lawsonia 7 Literaturübersicht intracellularis, Influenza A-Virus und M. hyopneumoniae) wird bei klinischem Verdacht untersucht. Seit 2007 wurde im Emsland Schweinegesundheitsdienst das von dortigen Erzeugergemeinschaften „Emslandscreening“ eingeführt. Hier und werden halbjährlich zehn Ferkel pro Bestand auf Antikörper gegen Salmonellen und Actinobacillus pleuropneumoniae und molekularbiologisch auf Genomfragmente von PRRSV und PCV2. In NRW gibt es den „Westfalenpass“. Hier wird in der gleichen Altersgruppe, bei gleichem Probenumfang untersucht, wobei hier auch die serologische Untersuchung für PRRSV durchgeführt wird. Außerdem werden Lungenspülproben bakteriologisch auf Actinobacillus pleuropneumoniae, M. hyopneumoniae, Pasteurellen, Bordetellen und Haemophilus parasuis sowie Sammelkotproben auf B. hyodysenteriae, Salmonellen und Lawsonia intracellularis untersucht (SEYBOLD 2009). Seit 2010 wird versucht über die neu eingerichtete Tiergesundheitsagentur (TiGA), in der sich die Erzeugergemeinschaft für Qualitätsferkel im Osnabrücker Raum (EGF), Erzeugergemeinschaft für Qualitätstiere Syke-Bassum eG (EfQ), Viehvermarktung Walsrode-Visselhövede eG, Stader Saatzucht eG, Abteilung Vieh, vereinen, eine Tiergesundheitsdatenbank mit nationalem Standard zu führen. Vergleichbar zu dem dänischen SPF-System erfolgt über die Einteilung: „Statuserhebung“, „unverdächtig“, „bedingt unverdächtig“, „positiv“ und „Impfstatus“ eine Einordnung in Kategorien. Aus 15 Blutproben und 15 Kotproben von Flatdeckferkeln werden als Pflichtuntersuchung PRRSV- und Salmonellen-Antikörper bestimmt. Die Kotproben werden auf Brachyspira hyodysenteriae/pilosicoli via PCR untersucht. Zusätzlich werden als Wahluntersuchung die Untersuchung auf toxinbildende Pasteurella multocida, Actinobacillus pleuropneumoniae, Influenza-A-Virus, PCV-2 und Mycoplasma hyopneumoniae angeboten. Über einen Onlinezugang können die Betriebsdaten aus einer Datenbank jederzeit abgerufen werden (Anonymus 2012a). 8 Literaturübersicht 2.3 Antikörper - ein Einblick in die Immunologie Die Antikörperbildung dient dazu, eine spezifische Immunantwort auf ein Antigen zu geben. Die Entstehung einer Antigen-Antikörperbindung wird auch als Schlüsselmechanismus bezeichnet. Bei Antikörpern handelt es sich um lösliche Immunoglobuline. Diese werden in fünf verschiedene Hauptklassen eingeteilt: IgG, IgA, IgM, IgD und IgE (TIZARD 1992), schematisch dargestellt in Abbildung 1. Am häufigsten kommt das IgG vor. Nach Erstkontakt mit einem Antigen wird es innerhalb von ca. 3 Wochen p.i. gebildet. Sollte es zu einem erneuten Kontakt zu demselben Antigen kommen, kann sofort eine große Menge IgG synthetisiert werden. Das IgM wird als erster Antikörper bei einem Antigenkontakt ausgeschüttet. Über eine IgM-Detektion lassen sich die Erreger bereits Tage nach der Infektion ermitteln. Liegt ein Zweitkontakt mit dem Erreger vor, so steigt die IgM-Konzentration nur wenig an (SILBERNAGL u. LANG 2009). Das Immunglobulin A findet sich an Schleimhautoberflächen und sorgt für ein frühes Abfangen von Antigenen. Das Immunglobulin D ist nur im Serum nachzuweisen und eng mit Aktivierung von B-Lymphozyten verknüpft. Das Immunglobulin E spielt bei allergischen Reaktionen und Parasitenabwehr eine Rolle. 9 Literaturübersicht Antigenbindender Abschnitt Sekretorische Komponente Disulfidbrücke IgA IgG IgM IgD Abbildung 1: IgE Schematische Darstellung der verschiedenen Antikörperklassen (TODAR 2006) Die fünf verschiedenen Antikörperhauptklassen (IgG, IgD, IgM, IgE, IgA) schematisch dargestellt mit ihren leichten (L) und schweren (H) Ketten über Disulfidbrücken miteinander verbunden. Am Beispiel des IgG ist der antigenbindende Abschnitt vergrößert dargestellt. Weitere Besonderheit ist das IgM als Pentamer, das IgA als Dimer mit sektretorischer Komponente. Allgemein besteht ein Antikörper aus vier Untereinheiten, je zwei leichten und zwei schwere Ketten (H-Kette, L-Kette). Diese werden über Disulfidbrücken zusammengehalten (TIZARD 1992). An den Antigenbindungsstellen wird dem Antikörper eine hohe Variabilität abgefordert. Deshalb wird am Antikörper von einer konstanten und einer variablen Region gesprochen. Diese variablen Regionen beinhalten die jeweils antigen- oder epitopspezifischen Paratope des Antikörpers. An diesen Stellen findet die Bindung statt. Die Bindungsstärke zwischen Paratop und Epitop wird als Bindungsaffinität bezeichnet (siehe Abbildung 2). In den hier durchgeführten Untersuchungen sollen zum Zeitpunkt der Schlachtung Antikörper aus dem Medium Fleischsaft gebunden werden. Da, wie oben beschrieben, IgA an der Schleimhautoberfläche zu finden ist, IgD an B-Lymphozyten gebunden scheint und IgE auf Allergene wirkt, waren für die Untersuchungen nur IgM und IgG in Betracht zu ziehen. 10 Literaturübersicht Auf Grund seiner Pentamer-Struktur ist IgM vermutlich zu groß um im Fleischsaft ähnliche vergleichbare Titer wie im Blutserum zu entwickeln wie IgG (STEINBACH et al. 2003). Außerdem sind nur Erstinfektionen der letzten sechs bis sieben Wochen sicher nachzuweisen. Paratop Paratop Variabler Anteil Disulfidbrücken Leichte Kette Schwere Kette Konstanter Anteil Abbildung 2: Aufbau Antikörper am Beispiel von Immunoglobulin G (modifiziert nach Koolmann 2003) Hier sind am Beispiel von Immunoglobulin G die Untereinheiten des Antikörpers bestehend aus je zwei leichten und schweren Ketten dargestellt. Diese bestehen aus einem konstanten Anteil, sowie aus einem variablen Anteil, welcher antigenspezifisch aufgebaut ist (Paratop). Disulfidbrücken (gelb unterlegt) stellen Verbindungsstücke zwischen den einzelnen Ketten dar. Das Immunglobulin G hingegen kommt, wie in Studien von Nielsen, der Untersuchungen zu Salmonellenantikörpern durchgeführt hat oder Molina, welcher sich mit PRRSV-Antikörpern Blutserum im Vergleich zu Fleischsaft beschäftigt hat, in einem Verhältnis von ca. 1:10 im Vergleich zu Blutserum im Fleischsaft vor (NIELSEN et al. 1998, MOLINA et al. 2008). Das IgG liefert außerdem über einen relativ langen Zeitraum Antikörpertiter auf einem konstanten Niveau, wie in Abbildung 3 zu schematisch dargestellt. Deshalb basieren die meisten serologischen Untersuchungen auf dem Nachweis von spezifischen IgGs gegen das jeweilige Epitop. 11 Relative Antikörperkonzentration Literaturübersicht Nachweisgrenze ELISA -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Wochen Abbildung 3: Schematischer Verlauf der Antikörpertiter im Blut (modifiziert nach TIZARD 1992) Die relative Antikörperkonzentration gemessen im Blut ist gegen den Zeitpunkt der Probenentnahme aufgetragen. Als Kurven sind die gemessenen Titer von IgM und IgG dargestellt. Außerdem ist die Nachweisgrenze des ELISAs, ab hier führt der ELISA zu einem positiven Ergebnis, eingezeichnet. Der Zeitpunkt der Infektion ist in Woche 0. Erkennbar ist der schnelle Anstieg an IgM im Blut, der bereits nach einer Woche zu Positiv-Nachweisen führt. Nach ca. zwölf Wochen ist der IgM-Titer wieder abgeflacht. Erst nach ca. drei Wochen ist der IgG-Titer angestiegen, bleibt aber auf einem relativ konstant hohen Niveau über lange Zeit. 2.3.1 Maternale Antikörper und die immunologische Lücke Über das Kolostrum aufgenommene Antikörper, sogenannte maternale Antikörper, schützen das Ferkel in den ersten Lebenswochen vor den jeweiligen Infektionen. Bereits in den ersten Stunden nach der Geburt ändert sich die Zusammensetzung des Kolostrums bezüglich der darin enthaltenden Antikörper. Es ist beschrieben, dass zur Geburt der IgG-Titer im Kolostrum bei 95,6 g/l und der IgM-Titer bei 9,1g/l liegt. Bereits nach 24h beträgt der IgG-Titer nur noch 14,2g/l, der für IgM bei 2,3g/l (KLOBASA u. WERHAHN 1984). Die Ferkel sind durch die Aufnahme der maternalen Antikörper für die erste Zeit geschützt. Allgemein beginnt der Rückgang der maternalen Antikörper ab dem achten bis zehnten Lebenstag. Der Dauer des Schutzes hängt einerseits von der Depletion des jeweiligen Antigens, aber 12 auch von der aufgenommenen Literaturübersicht Antikörpermenge ab. Bei Ferkeln, die viele maternale Antikörper über das Kolostrum aufgenommen haben, konnten z.B. noch bis über den 60. Lebenstag hinaus Antikörper gegen Mycoplasma hyopneumoniae nachgewiesen werden, bei Ferkeln mit geringerer Aufnahme waren teilweise bereits nach 30 Tagen keine maternalen Antikörper mehr zu finden (ROSS 1999). Die Phase in der die Titer der maternalen Antikörper sinken, die selbstgebildeten Antikörper aber noch keinen genügend hohen Titer erreicht haben, um eine Infektion zu verhindern, wird als immunologische Lücke bezeichnet (Erhardt 1999), siehe auch Abbildung 4. Durch geschicktes Impfmanagement lässt sich das „Problem“ der immunologischen Lücke verringern. So verhilft zum Beispiel eine Sauenimpfung ante partum gegen Mycoplasma hyopneumoniae kombiniert mit einer späten Ferkelimpfung zu einem Relative Antikörperkonzentration durchgehenden Schutz über die ersten Monate (SCHREIBER 2002). Antikörper im Blut von Ferkeln Maternale Immunität Erworbene Immunität Absetzzeitpunkt 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Alter in Wochen Abbildung 4: Immunologische Lücke (modifiziert nach ANONYMUS 2012b) Auf der Senkrechten ist die relative Antikörperkonzentration aufgetragen, auf der Waagerechten das Alter des Ferkels in Wochen. Als Punktewolke ist die fallende Konzentration an maternalen Antikörpern dargestellt. Ab ca. Woche drei beginnt die Kurve der erworbenen Immunität anzusteigen. Der Bereich mit niedrigem Spiegel an maternalen und erworbenen Antikörpern wird als immunologische Lücke bezeichnet. Genau in diesen Bereich fällt häufig der Absetzzeitpunkt der Ferkel. 13 Literaturübersicht 2.4 Vor- und Nachteile der serologischen Untersuchung Die Untersuchung von Proben in der Serologie hat Vor- und Nachteile. Vorteilhaft ist, dass subklinische Infektionen, welche die Tiere innerhalb der Mastperiode durchgemacht haben, über den Antikörpernachweis aufgedeckt werden können. Auf diese Weise können dem Erzeuger wertvolle Informationen geliefert werden (MEEMKEN u. BLAHA 2011a). Über die langanhaltenden IgG-Spiegel kann eine schon zurückliegende, Diagnostik von akuten Erkrankungen. überstandene Erkrankung detektiert werden. Problematisch ist vor allem die Erregerspezifisch etwas unterschiedlich dauert es einige Zeit bis Antikörper gegen das durch die Infektion dem Immunsystem präsentierte Antigen gebildet werden können. Hierauf soll in den einzelnen Erregerkapiteln näher eingegangen werden. Allgemein wird bei dieser Zeitspanne auch von Serokonversion gesprochen. Diese ist abgeschlossen, sobald Antikörper gegen das Antigen im Blut vorhanden bzw. nachweisbar sind. In dem Zeitraum der Serokonversion entsteht eine diagnostische Lücke, d.h. dass der zurückliegende Erregerkontakt in dieser Zeitspanne serologisch nicht nachweisbar ist. Des Weiteren lässt sich über die serologischen Untersuchungsmethoden bei vielen Erregern keine Unterscheidung zwischen Antikörpern, die durch Impfungen induziert wurden, und Antikörpern als Reaktion auf eine Erkrankung in einer gewissen Zeitspanne machen. Die Zeitspanne, in der die Impfantikörper nachweisbar im Blut zirkulieren ist von Erreger zu Erreger unterschiedlich, wobei bei den meisten Impfungen beim Schwein, welche im Saugferkel- oder Absetzalter durchgeführt wurden, keine Impfantikörper zum Zeitpunkt der Schlachtung mehr vorhanden sind. Aus diesem Grund sind nachgewiesenen Antikörper zum Zeitpunkt der Schlachtung der Tiere in fast allen Fällen auf eine Feldinfektion im Laufe des Lebens der Tiere zurückzuführen. Bei den Markerimpfstoffen, auch DIVA-Impfstoffe (Differentiating 14 Literaturübersicht Infected from Vaccinated Animals) genannt, ist eine Unterscheidung zwischen durch Impfung induzierten Antikörpern und durch Feldinfektion induzierten Antikörpern möglich und wird u.a. bei der Impfung gegen die Aujeszkysche Krankheit eingesetzt. Dabei wird in den meisten Fällen dem Impfstoff ein nicht essentielles Protein entfernt oder ein Markerprotein hinzugefügt. An dieser Stelle ist eine gute Lebensmittelinformationskette wichtig. Innerhalb der Tiergesundheitsdatenbank wird beispielsweise der Impfstatus mit erfasst. 2.5 Serologische Testsysteme – eine Auswahl 2.5.1 ELISA als Testsystem Bei dem „enzyme-linked-immunosorbent assay“ (ELISA) handelt es sich um einen Test bei dem anhand von Antigen-Antikörper-Bindungen das Vorhandensein und die Konzentration von Antikörpern im Testmedium erkannt werden. Durch verschiedene Bindungsschritte können auf diese Weise Antikörper nachgewiesen werden. Über ein Substrat, welches durch ein entsprechendes Enzym seine Eigenschaften wie z.B. die Farbe ändert, kann diese Reaktion nachweisbar gemacht werden (ELGERT 2009). Die Intensität des Signals korreliert mit der Anzahl an Antigen-Antikörper-Bindungen und somit mit der Antikörperkonzentration im Serum (VOLLER et al. 1978). Daher ist der Einsatz von ELISA-Testsystemen auch für quantitative Untersuchungen geeignet (ENGVALL u. PERLMANN 1972). Es wird zwischen direktem und indirektem ELISA ELISA-Tests unterschieden. Bei dem direkten ELISA werden Primärantikörper, die an bereitgestellte Antigene binden direkt nachgewiesen. Bei dem indirekten ELISA werden Sekundärantikörper eingesetzt und deren Bindung an die primären Antikörper nachgewiesen. Des Weiteren gibt es kompetitive und nicht kompetitive Varianten. 15 Literaturübersicht Bei der kompetitiven Variante konkurriert der in der Probe befindliche Antikörper mit einem enzymmarkierten Antikörper um die Bindungsstelle am Antigen. Die Signalintensität ist hier antiproportional zur Antikörpermenge in der Probe. Y Y Y Y Y Y Y Antigen HRP-empfindliches Substrat Y Antikörper aus Fleischsaft Waschschritt zur Entfernung ungebundener Substanzen Y Anti-Pig IgG-HRP Abbildung 5: Prinzip des indirekten ELISAs Der indirekte ELISA wird ein erregerspezifsiches fixiertes Antigenmaterial vorgelegt. An dieses binden spezifische Antikörper aus der Probe ( Paratop/Epitop – Bindung). Alles ungebundene Material wird durch einen Waschschritt entfernt. Mittels eines Konjugates, welches einerseits an die Antikörper bindet andererseits enzymmarkiert ist (hier Horsadishperoxidase) kann nach einem weiteren Waschschritt ein hinzugegebenes Substrat durch das Enzym umgewandelt werden und z.B. einen Farbumschlag hervorrufen. Bei dem nicht kompetitiven indirekten ELISA wird auf eine mit Antigen beschichte Platte eine Testsubstanz gegeben. Die Antikörper binden spezifisch an die Antigene. Ein gegen die Antikörper gerichteter enzymmarkierter Sekundärantikörper dient als Brücke zum Substrat (Abbildung 5). 16 Literaturübersicht 2.5.2 Protein-Microarray als Testsystem Bei einem Microarray handelt es sich um ein Untersuchungssystem, mit dem eine Vielzahl von Parametern parallel aus einer geringen Menge Probenmaterial quantitativ bestimmt werden kann (EKINS et al. 1989). Vor allem auf dem Gebiet der molekularbiologischen Untersuchungen kommt der Microarray zum Einsatz (Abbildung 6). Dabei handelt es sich um genombasierte Arrays, bei denen verschiedene definierte Genomfragmente (PCR-Fragmente, Oligonukleotide) nebeneinander an definierten Stellen aufgebracht werden und so als Bindungspartner für komplementäre, nachzuweisende Genomabschnitte dienen. Der innerhalb dieses Projektes verwendete Microarray-Typ gehört hingegen in die Gruppe der Protein-Microarrays, genauer zu den Antigen-Microarrays oder MultiImmunoassays. Dieses Testprinzip wurde erstmals von Ekins 1989 beschrieben (EKINS et. al. 1989). Spezifisches Antigen-Material wird auf den Microarray gespottet. Ziel ist es, daran bindende Antikörper aus der Probe zu detektieren (EKINS u. CHU 1999). Die in der aufgebrachten Probe befindlichen Antikörper binden an die Antigene. So werden Antikörper-Antigen Komplexe gebildet. Über eine Bindung an einen enzymmarkierten Zweitantikörper können diese Probenantikörper an ihren Bindungsstellen nach Substanzzugabe sichtbar gemacht werden. Das Prinzip des Testablaufs ist vergleichbar mit dem eines nicht kompetitiven, indirekten ELISA-Tests. 17 Literaturübersicht Abbildung 6: Übersicht über die prozentualen Anteile an Veröffentlichungen zu Microarrays von 1995 bis 2002 (SCHENA 2003) Zwischen 1995 und 2002 wurden in verschiedenen Anwendungsbereichen Veröffentlichungen zu Microarrays gemacht. In diesem Kreisdiagramm sind die am häufigsten vorkommenden Arbeitsfelder des Microarrays prozentual dargestellt. Bei der Herstellung eines solchen Mikrochips werden mittels einer Sonde ca. 12 Pikogramm des entsprechenden Antigenmaterials in einer Konzentration von bis zu 0,5mg/ml auf eine definierte Position einer Trägerplatte aufgebracht. Bei dem innerhalb der Studie verwendeten Microarray handelt es sich bei der Trägerplatte um eine ca. 3x3mm große modifizierte Glasplatte (HÜLSWEH et al. 2006). Auf diese Weise können je nach Beschaffenheit des Proteinmateriales mehrere Hundert Spots auf die Platte gesetzt werden. Jeder Spot hat dabei, abhängig von der Viskosität des Proteinmaterials eine Größe von ca. 80µm bis 120µm. Die Platte ist auf den Boden eines 1,5ml großen Reaktionsgefäßes aus Polystyrol eingelassen. Zum Schutz der aufgebrachten Proteine hat sich eine ZuckeralkoholBeschichtung als gut erwiesen. Diese lässt sich vor Einsatz des Arrays leicht abwaschen (WOELFL et al. 2004). Innerhalb einer Qualitätskontrolle wird jeder der produzierten ArrayTubes überprüft, ob die eingelassene Glasplatte fest sitzt und ob sich die gespotteten Antigene an der richtigen Stelle befinden. Fehlerhafte Arrays werden gegebenenfalls aussortiert. 18 Literaturübersicht 2.5.3 Bead-based Technologie als Testsystem Die „Luminex® xMAP-Technologie“ ist eine weitere Methode Paralleluntersuchungen durchzuführen. Mit auf xMAP-Technologie basierenden Tests ist es möglich, die simultane Quantifizierung von bis zu einhundert verschiedenen analytischen Parametern einer einzigen Probe zu testen. Grundlage der Technologie sind mikroskopisch kleine sphärische Polystyrolkugeln, so genannte Mikrosphären oder Beads. Diese dienen als Festphase für biochemische Nachweisreaktionen ähnlich wie die Polystyrolplatten bei ELISA-Testsystemen oder die Glasplatte bei den Microarrays. Zurzeit sind einhundert verschiedene Bead-Typen verfügbar, die sich in ihrem Fluoreszenzfarbton unterscheiden, so dass theoretisch bis zu einhundert verschiedene Nachweisreaktionen simultan durchgeführt werden können. In der Humanmedizin wird die Technologie bereits zur Detektion von antiviralen Antikörpern eingesetzt, findet aber auch Einsatz zum Nachweis von bakterieller rRNA, Zytokinen oder Genfragmenten (OLIPHANT et al. 2002). Das Prinzip der Technik liegt in der Färbung der Beads mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen (Rot und Infrarot). Die Kombination dieser beiden Farbstoffe in jeweils zehn verschiedenen Konzentrationsstufen führt zu einhundert spektral unterscheidbaren Schattierungen von Rot und Infrarot. Jede der daraus resultierenden Fluoreszenzintensitäten definiert eine Bead-Population (CHEN et al. 1999). Der spezifische Nachweis der Bindung von Analyten an die Beads erfolgt über ein Detektionsmolekül (Konjugat) ähnlich dem ELISA-Prinzip. An das Konjugat ist ein Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt, dessen spektraler Bereich sich von denen der internen roten Farbstoffe unterscheidet. So kann auch eine Quantifizierung stattfinden. Die Analyse und Auswertung der Bead basierten Assays erfolgt mit dem Luminex®-Analysesystem. Hierbei handelt es sich um einen ähnlichen Vorgang wie bei der Durchflusszytometrie (FACS-Analyse) unter Verwendung zweier unterschiedlicher Laser. Aktuell werden immer mehr Testsysteme auch für einen möglichen Einsatz in der tiermedizinischen Diagnostik entwickelt (GRUMMER et al. 2010). 19 Literaturübersicht Auf der Basis der Luminex-Technologie ist z.B. ein BVD-Antikörper Test entwickelt worden (XIA et al. 2010). Auch im Schweinesektor wurde diese Technik bereits eingesetzt. In den USA wurde zur Überprüfung der Immunantwort nach Impfung gegen das Porzine Reproduktive und Respiratorische Syndrom Virus (PRRSV) ein Nachweistest auf LuminexTechnologiebasis von acht verschiedenen Cytokinen beim Schwein entwickelt (LAWSON et al. 2010). Es wurden auch schon verschiedene Erreger mit Hilfe der bead-based Technologie detektiert. So konnten Bokken, Bergwerff und Knapen unter Anwendung dieser Methode spezifische Antikörper gegen Toxoplasmen und Trichinen simultan detektieren (BOKKEN et al. 2012). 2.5.4 Vor- und Nachteile ähnlicher Verfahren gegenüber der Microarray-Technologie 2.5.4.1 ELISA 2.5.4.1.1 Vorteile Es handelt sich bei dem 1971 in Schweden entwickelten ELISA um eine (alt-) bewährte Untersuchungsmethode zum quantitativen Nachweis von Antikörpern (ENGVALL et al. 1971). Da es bei Antikörperbestimmungen keinen „Gold-Standard“ gibt, wird der ELISA häufig ersatzweise herangezogen. Auf dem deutschen Markt befinden sich zahlreiche durch das Friedrich-Löffler-Institut (FLI) zugelassene Tests für Schweinekrankheiten und auch Zoonosen (FLI 2010). Aufgrund des relativ geringen Bedarfs an Laborequipment und an Know-How findet das ELISA-Verfahren flächendeckend in vielen Laboren Anwendung (LUTTMANN et al. 2006). 20 Literaturübersicht 2.5.4.1.2 Nachteile Wenn nicht auf eine kostenintensive Automatisierung umgestellt wird, ist das ELISAVerfahren eine sehr arbeitsintensive und ressourcenbindende Untersuchungsmethode – insbesondere bei Massenuntersuchungen. 2.5.4.2 X-Map-Technologie 2.5.4.2.1 Vorteile Der Vorteil der X-Map-Technologie liegt v.a. darin, dass der Untersuchungsumfang je nach Kundenwunsch unkompliziert erweitert oder auch reduziert werden kann. Beim Microarrayverfahren ist eine Erweiterung des Untersuchungsumfangs immer nur dann möglich, wenn eine neue Arraycharge hergestellt wird. Außerdem verändert eine Erweiterung des Untersuchungsumfangs nur vernachlässigbar die Untersuchungskosten – im Gegensatz zum ELISA-Verfahren, bei dem jede Erweiterung zusätzlich jeweils vergleichbar hohe Kosten verursacht. 2.5.4.2.2 Nachteile Für die Durchführung der X-Map-Technologie wird relativ kostenintensives Equipment benötigt, was für einen flächendeckenden Einsatz insbesondere in kleinen Laboren ein Hemmnis darstellen würde. 2.6 Untersuchungsmedium Fleischsaft An deutschen Schlachthöfen werden im Zuge des Schweine-Salmonellenmonitorings routinemäßig Fleischsaftproben während der Schlachtung genommen. Das entsprechende Muskelgewebe wird in den meisten Fällen aus dem Zwerchfellpfeiler gewonnen. 21 Literaturübersicht Diese Muskulatur eignet sich besonders, da sie stark durchblutet ist und zu Ergebnissen führt, die mit denen aus Blutserumproben vergleichbar sind. Im Verhältnis zu anderen Muskelgruppen weist die Zwerchfellmuskulatur eine höhere Antikörperkonzentration als z.B. die Nackenmuskulatur auf (NOBMANN et al. 2011). Die gewonnenen Fleischsaftproben werden bei -18°C eingefroren. Beim Auftauprozess verliert das Fleisch Flüssigkeit, bei der es sich um den sogenannten Fleischsaft handelt. Dieser wird aufgefangen und kann für labordiagnostische Untersuchungen verwendet werden. Aus Untersuchungen über die Antikörperkonzentrationen in Fleischsäften im Vergleich zu denen im Blut (NIELSEN et al. 1998, ANDREASEN et al. 2000, MEEMKEN u. BLAHA 2011b, MOLINA et al. 2008) lässt sich auf eine circa zehnfach niedrigere Konzentration an Antikörpern im Fleischsaft schließen. In Arbeitsanweisungen von zugelassenen, kommerziell erhältlichen ELISA-Test-Kits, die für Fleischsaft und Serum zugelassen sind, wird dieses Verhältnis ebenfalls angegeben. Die hier eingesetzten Verdünnungen lagen zwischen 1:40 bis 1:100 bei Serum, dementsprechend bei 1:4 und 1:10 bei Fleischsaft. 2.7 Ausgewählte Erreger Innerhalb des vom BMELV finanzierten Forschungsprojektes „Entwicklung eines „schweinespezifischen Microarrays“ als Kontrollinstrument zum Aufbau eines multiserologischen Minimierung pathogener/ (Förderkennzeichen: Microarray“ Monitoringsystems zoonotischer 2811HS013) Antikörper auf mit sollen Fleischsaft Erreger mittels in dem als der Probematerial zur Lebensmittelkette“ Testsystem „Protein- bestimmte Schweine spezifische Erreger sowie Zoonoseerreger sowohl im Fleischsaft als auch im Blutserum nachgewiesen werden. Zoonosen sind Krankheiten und Infektionen, die auf natürliche Weise zwischen Menschen und Wirbeltieren übertragen werden können (WHO 1959). Bei den beim Schwein vorkommenden Zoonosen ist es so, dass die meisten latente Infektionen 22 Literaturübersicht hervorrufen, was die Kontrolle und Bekämpfung auf Bestandsebene schwieriger macht. Da diese auch über den Verzehr von ungenügend erhitztem Fleisch auf den Menschen übertragen werden, wird von lebensmittelsicherheitsrelevanten Erregern gesprochen. Außerdem wurden tiergesundheitsrelevante Erregerantigene, welche für die Untersuchung auf Antikörper gegen sogenannte Produktionserkrankungen des Schweines benötigt wurden, auf die Microarrayplatte gebracht. Es wurde eine Auswahl nach Vorkommen des Erregers in Deutschland und nach Relevanz bezüglich der Bedeutsamkeit in dem Bereich Lebensmittelsicherheit oder Tiergesundheit getroffen. Somit wurden Erreger ausgewählt, bei denen ein serologisches Monitoring als sinnvoll erachtet werden kann. 2.7.1 Ausgewählte lebensmittelsicherheitsrelevante Erreger 2.7.1.1 Salmonella spp. Als einziger Erreger wird derzeit Salmonella spp. durch ein serologisches Monitoring flächendeckend in Deutschland wie auch in den Niederlanden und Dänemark kontrolliert, wobei die Probenentnahme in den meisten Fälle am Schlachtband durchgeführt wird. Nach dem infektionsepidemiologischen Jahrbuch meldepflichtiger Krankheiten des Robert Koch-Instituts (RKI) handelt es sich bei den Salmonellosen um “durch Bakterien der Gattung Salmonella verursachte Erkrankungen, die vorwiegend den Darm betreffen. Enteritis-Salmonellen kommen weltweit u.a. in Geflügel, Schweinen, Rindern aber auch Reptilien vor. Sie werden meist durch Lebensmittel übertragen. Beim Krankheitsbild steht Durchfall im Vordergrund. Daneben sind Bauchschmerzen, Übelkeit, Erbrechen und Fieber möglich. Die Symptome dauern in der Regel wenige Stunden oder Tage, führen bei einem Teil der Betroffenen aber auch zu mehrtägigen 23 Literaturübersicht Krankenhausaufenthalten”. Vor allem bei immunsuppremierten Personen kann die Erkrankung auch zum Tode führen (RKI 2012). Circa 20% aller Salmonellosen beim Menschen lassen sich auf kontaminiertes Schweinefleisch zurückführen (STEINBACH u. HARTUNG 1999). Laut Erhebungen des statistischen Bundesamtes, dargestellt in Tabelle 2, sind die gemeldeten Fälle von humanen Salmonellosen rückläufig (ANONYMUS 2011a). Tabelle 2: An Salmonellose erkrankte Menschen in Deutschland /Jahr (Statistisches Bundesamt 2011) Jahr Salmonelloseerkrankt 1995 115788 1996 109910 1997 106291 1998 98663 1999 85306 2000 79824 2001 77386 2005 52267 2010 25310 2011 24512 Das Genus Salmonella lässt sich in zwei Spezies unterteilen: S. enterica und S. bongori. Salmonella enterica lässt sich weiter in sechs Subspezies unterteilen, wobei die meisten Salmonella der Subspezies S. enterica spp. enterica angehören. Unter den Salmonellen als Krankheitserreger wird zwischen wirtsassoziierten, hier erkranken die Träger selbst, und nicht wirtsassoziierten Typen unterschieden, hier wird der Erreger durch den Erreger übertragen, unterschieden. Als Zoonoseerreger ist der nicht wirtsassoziierte Typ relevant. 24 Literaturübersicht Innerhalb der EU hat für die Erkrankung beim Menschen die Subspezies S. Typhimurium gefolgt von S. Enteriditis die größte Bedeutung. Beim Schwein treten nach einer Studie vom BfR aus dem Jahr 2008 vor allem S. Typhimurium auf. Danach folgen S. Derby und S. Enteritidis (BFR 2008). Durch Erkrankung mit dem wirtsassoziierten S. Cholerasuis kann es beim Schwein zu einer Septikämie kommen (REED et al. 1986). Auch der nicht wirtsassoziierte Erreger Salmonella Typhimurium kann zu einer Infektion führen. Normalerweise beschränkt sich die Klinik auf eine enterokolitische Klinik. Es kann aber auch zu schweren septikämischen Erkrankungen vor allem bei Mastschweinen und Absatzferkeln kommen. Seltener werden auch S. Enteritidis, S. Agona, S. Derby, S. Heidelberg und S. Newport in solchen Fällen isoliert (BAUER u. HÖRMANNSDORFER 1995). Meist bleiben die Infektionen mit nicht speziesadaptierten Serovaren jedoch latent und unerkannt. Diese Tatsache führt zu den Schwierigkeiten und dem Problem der Salmonellen als bedeutende Zoonose. Infizierte Tiere bleiben aufgrund fehlender klinischer Symptome unerkannt. Diese gelangen in den Schlachtprozess und stellen somit eine Kontaminationsquelle für andere (Salmonellen freie) Karkassen dar (GAREIS 1995, SELBITZ 2006). Kauffmann und White haben die Salmonellen nach ihren Oberflächenantigenen kategorisiert (KAUFFMANN 1972), gegen welche der Körper spezifische Antikörper ausbildet. Hat es einen Kontakt mit dem Erreger gegeben, so können bereits zwei Wochen danach erste Antikörper vorhanden sein (NIELSEN et al. 1995). 2.7.1.2 Toxoplasma gondii Bei Toxoplasma gondii handelt es sich um einen parasitischen Einzeller, der in die Klasse der Kokzidien eingeordnet wird. Er ist obligat intrazellulär und vermehrt sich fakultativ heteroxen. Aus vom Zwischenwirt aufgenommene Oozysten oder Zysten werden Sporozoiten bzw. Bradyzoiten freigesetzt, welche über die Blut-DarmSchranke in verschiedene Organe gelangen. Hier findet eine als Endodyogenie 25 Literaturübersicht bezeichnete Vermehrung statt. Schließlich wird aus der Wirtszelle eine Zyste gebildet. Diese persistiert und kann in dieser Form aufgenommen werden. Im Endwirt findet eine ähnliche Vermehrung statt. Letztendlich wandern einige Stadien aber wieder in den Darm zurück, um sich über die Bildung von Mikro- und Makrogameten in Oozysten zu verwandeln und über den Kot zu verbreiten (JACKSON u. HUTCHISON 1989). Ein weiteres Problem stellt die vertikale Übertragung über das Entwicklungsstadium Tachyzoit dar, welcher die Plazentaschranke überwinden kann und somit eine Fetus infizieren kann (TENTER u. FEHLHABER 2002). Schweine infizieren sich in der Regel oral über die Aufnahme von infiziertem Material wie zum Beispiel Kot oder Gewebe von befallenen Tieren (DUBEY 1986). Die Toxoplasmose verläuft beim Schwein als latente bis subklinische Infektion. Es wurden aber auch Fälle beschrieben, in denen die Mortalität bei bis zu 42% lag (GELMETTI et al. 1999). In diesen Fällen herrschte ein außergewöhnlich hoher Infektionsdruck. Menschen infizieren sich hauptsächlich durch den Verzehr von rohem oder ungenügend erhitztem Fleisch und Fleischprodukten gefolgt von Infektion aus der Umwelt und der transplazentaren Infektion (JONES et al. 2001). Erste IgG-Antikörpertiter konnten nach experimenteller Infektion beim Schwein nach ca. 14 Tagen festgestellt werden (LIND et al. 1997). Diese waren noch nach vier Monaten nachweisbar. Impfungen gegen Toxoplasmose gibt es sowohl beim Menschen als auch beim Schwein derzeit noch nicht. 2.7.1.3 Trichinella spiralis Der Parasit Trichinella spiralis ist der in der Schweinefleischproduktion am weitesten verbreitete Trichinella-Subtyp. Andere Trichinella-Subtypen kommen hauptsächlich in Wildpopulationen vor. Die Larven der Trichinellen dringen durch die Darmwand bis in die Skelettmuskulatur vor, wo sie eingekapselt Jahre überleben (ECKERT et al. 2008). 26 Literaturübersicht Beim Schwein verläuft die Trichinellose in der Regel subklinisch. Die im Feld auftretenden Erregerkonzentrationen sind für ein klinisches Bild zu gering (ECKERT et al. 2008). Auch bei einer Infektion auf einem sehr geringen Niveau sind nach vier bis sechs Wochen Antikörper gegen Trichinella spp. nachzuweisen (NÖCKLER et al. 2005, SMITH u. SNOWDON 1989). Laut VO (EG) Nr. 2075/2005 werden alle Schlachttiere, die für den menschlichen Verzehr bestimmt sind und Träger von Trichinellen sein können, auf Trichinen untersucht. Diese Untersuchung findet mittels einer Verdauungsmethode mit anschließendem visuellem Larvennachweis statt. Nimmt der Mensch rohes, mit Trichinellen belastetes Schweinefleisch auf, so kann es je nach Menge an aufgenommenen Larven zu subklinischen bis schweren Symptomen kommen. Angefangen mit Bauchschmerzen treten Symptome analog zum Wanderweg der Larven auf wie z. B. Fieber, Muskelschmerzen, Ödeme etc. Innerhalb einer Infektionsstudie an SPF-Schweinen konnten nach spätestens drei bis vier Wochen Antikörper im Blut nachgewiesen werden (KAPEL et al. 2000). Bei Vergleichsuntersuchungen von Fleischsaftproben und Blut infizierter Tiere zum Zeitpunkt der Schlachtung konnte auch für Trichinella spiralis der AntikörperKonzentrationsunterschied um den Faktor zehn bestätigt werden (NÖCKLER 2005). 2.7.1.4 Yersinia enterocolitica Nach der Salmonellose ist die Yersiniose der häufigste über Schweinefleisch übertragene Durchfallerreger beim Menschen in Europa (ANONYMUS 2011b). Im Jahr 2011 wurden in Deutschland 3.397 Yersiniose-Fälle gemeldet (RKI 2012). Yersina enterocolitica gehört wie auch Salmonella spp. zu den Enterobacteriaceae. (EWING 1963). Es ist gramnegativ, fakultativ anaerob und hat die typische Form eines kokkidoiden Stäbchens. Da Yersinien kältetolerant, sind, können sie sich auch noch bei Kühlschranktemperaturen vermehren (BERCOVIER u. MOLLARET 1984). 27 Literaturübersicht In der Diagnostik wird dieses bei der Kälteanreicherung verwendet. Es macht Yersinien aber auch in Bezug auf die Lebensmittelsicherheit gefährlich. Das Schwein gilt als Hauptreservoir für humanpathogene Yersinien (BOTTONE 1997). Die Erkrankung verläuft beim Schwein aber in der Regel inapparent. Bereits 19 bis 21 Tage nach experimenteller Infektion konnten Antikörper gegen Yersinia spp. mittels indirektem ELISA nachgewiesen werden. Aber auch bei der Schlachtung, im Versuch ca. 70 Tage p.i., konnten noch positive Antikörpertiter ermittelt werden (NIELSEN et al. 1996, THIBODEAU et al. 2001). 2.7.1.5 Hepatitis E-Virus Bei dem Hepatitis E-Virus handelt es sich um ein unbehülltes Einzelstrang RNAVirus. Das Virus hat Größe von 27-34nm. Äußerlich ähneln das Virus den Caliciviren (siehe Abbildung 1) (PREVISANI u. LAVANCHI 2001). Taxonomisch gehört es in eine eigene Familie (Hepeviridae) (PANDA et al. 2007). Von dem Herpesvirus ist bislang nur ein Serotyp bekannt. Dieser wird in vier Genotypen unterteilt. Alle sind humanpathogen, wobei in Europa vor allem Genotyp 3 vorkommt (KANTALA et al. 2009). Bei den Schweinen wurden bisher die Genotypen 3 und 4 isoliert (TEO 2010). 28 Literaturübersicht Abbildung 7: HEV-Partikel im Elektronenmikroskop (Center of Disease Control and Prevention 2006) Von HEV beim Schwein wurde erstmals 1990 berichtet (BALAYAN et al. 1990). Ein Zusammenhang zu den Erkrankungen bei Menschen entstand durch Übereinstimmungen im Genom von bei Schweinen und Menschen isolierten HEVIsolaten (MENG et al. 2002). Eine Übertragung vom Schwein auf den Menschen ist daher denkbar und es besteht ein zoonotisches Potential. Die Erkrankung Hepatitis ist laut Robert-Koch-Institut meldepflichtig (RKI 2001). Kardinalsymptome sind Oberbauchschmerzen, Gelbsucht, erhöhte Serumtransaminasen sowie Fieber. Beim Schwein ist keine spezifische Klinik bekannt (MODROW 2009). Nach Untersuchungen von Bächlein sind durchschnittlich 49,8% der Schweine in Deutschland (oder weltweit oder in ihrer Studienpopulation) seropositiv auf Hepatitis E-Virus (BÄCHLEIN 2011). Die Bildung spezifischer Antikörper gegen das Hepatitis E-Virus findet kurz nach dem Erregerkontakt statt. Nachdem ab dem siebten Tag spezifische IgM ausgeschüttet werden, die zwei bis drei Monate messbar bleiben, kommt es nach drei bis vier Wochen zu einem Anstieg von IgG, welcher bis zum Mastende messbar bleibt (MENG et al., 1997, DE DEUS et al. 2008a, CASAS et al. 2011). 2.7.2 Tiergesundheitsrelevante Antigene 2.7.2.1 Influenza A In Europa sind die Influenza A-Subtypen H1N1, H1N2 und H3N2 beim Schwein weit verbreitet. Sie unterscheiden sich in der Struktur der Oberflächenantigene 29 Literaturübersicht Hämagglutinin und Neuraminidase. Durch starke Mutation entstehen immer wieder infektiöse Varianten. Influenza A - Viren sind sRNA-Viren mit sphäroider Gestalt. Sie werden oronasal aufgenommen und vermehren sich bereits wenige Stunden nach Kontakt in den Epithelien der oberen Atemwege. Ein Vermehrungshöhepunkt liegt ca. zwei Tage p.i. und nach acht Tagen p.i. in der Regel vorbei (PLONAIT et al. 2004). Klinisch sind eine deutlich erhöhte Temperatur (bis 42.5 °C), sowie Kreislaufprobleme, Inappetenz und eine hohe Durchseuchung zu beobachten. Die Mortalität ist gering. Nach Untersuchungen von de Boer bleiben die Antikörpertiter nach experimenteller Infektion mindestens drei Monate deutlich erhöht (DE BOER et al. 1990). Gegen Influenza A werden in der Praxis häufig Impfstoffe eingesetzt. Vor allem Sauen werden regelmäßig geimpft und geben so maternale Antikörper über das Kolostrum an die Saugferkel weiter. Problematisch sind die Vielfalt der Virusoberflächen und deren ständige Mutation. Eine Vakzine, die gegen einen Bestandteil des Influenza -Virus (Matrixprotein M2) gerichtet ist, bietet nicht die erhoffte Kreuzprotektion gegen verschiedene Influenza-Typen, wie Versuche von Thacker et al. ergaben (THACKER et al. 2008). Deshalb werden vermehrt Mischvakzinen eingesetzt. Eine Unterscheidung zwischen den Impfantikörpern und den Antikörpern nach Infektion ist derzeit nicht möglich (WOESTE u. GROßE BEILAGE 2007). 2.7.2.2 Mycoplasma hyopneumoniae Mycoplasma hyopneumoniae ist der Primärerreger der enzootischen Pneumonie. Er gehört in die Familie der Mycoplasmataceae. Bemerkenswert ist, dass das Bakterium bei einer Größe von 0,3- 0,8µm über eine nur drei Schichten dicke Zellwand verfügt und damit recht empfindlich ist. 30 Literaturübersicht Der Erreger kommt lediglich in der Schweinepopulation vor. Er vermehrt sich nach oronasaler Aufnahme vor allem in den unteren Atemwegen. Dabei wird die mukoziliäre Clearance, die wichtig für eine unspezifische Abwehr ist, empfindlich gestört. Mycoplasma hyopneumoniae ist dadurch ein Wegbereiter für Sekundärinfektionen (MAES et al. 2008, RAZIN 1979). Über nasale Sekrete wird er von Tier zu Tier übertragen (WOESTE u. GROßE BEILAGE 2007). Die Durchseuchung ist hier eher mäßig. Die enzootische Pneumonie ist eine Faktorenkrankheit. In Abhängigkeit von Infektionsdruck, Umweltbedingungen, möglichen Koinfektionen oder Virulenz des Stammes kommt es zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Klinik. Als typisch wird ein chronischer, trockener Husten, der spontan oder nach Auftreiben auftritt, angesehen. Auch die Rektaltemperatur kann auf über 41°C steigen (WENDT u. GROßE BEILAGE 2013). Untersuchungen von Horst ergaben eine Prävalenz von 84,4% seropositiver Bestände in Niedersachsen und 81,2% in Deutschland (HORST et al. 1997). Mittlerweile sind bis zu zehn verschiedene Impfungen gegen Mycoplasma hyopneumoniae auf dem Markt, wobei in der Regel Ferkel bis zur vierten Lebenswoche damit immunisiert werden (WENDT u. GROßE BEILAGE 2013). Nach Infektionsversuchen konnten frühestens ab dem 20. Tag p. i. Antikörper gegen Mycoplasma hyopneumoniae nachgewiesen werden (MORRIS et al. 1995, ANDREASEN et al. 2000). 2.7.2.3 Actinobacillus pleuropneumoniae Bei diesem Erreger handelt es sich um einen bakteriellen Erreger, der gramnegativ, unbeweglich, fakultativ anaerob und kokkoid ist. Es kommen 15 verschiedene Serotypen verschiedener Pathogenität vor. Actinobacillus pleuropneumoniae bildet sogenannte Apx–Toxine. Das Toxin Apx IV kommt bei jedem Serotyp vor und wird häufig für allgemeine Nachweise auf Actinobacillus pleuropneumoniae verwendet. 31 Literaturübersicht Die Toxine Apx I, Apx II und Apx III machen die Virulenz der einzelnen Serotypen aus. Die Erkrankung durch Actinobacillus pleuropneumoniae beim Schwein steht in der Schweiz auf der Liste der “zu bekämpfenden Tierseuchen” (BVET 2013). In Abhängigkeit von Virulenz des Erregers, der Umweltsituation usw. kann es zu perakuten bis akuten aber auch chronischen klinischen Erscheinungsformen kommen (WENDT u. GROßE BEILAGE 2013). Hochfrequente Atmung, Körpertemperaturen bis zu 42,5°C führen häufig zum Verenden. Oft sind ausgeprägte Zyanosen an der Körperunterseite festzustellen. Aus Nasen – und Maulöffnung tritt häufig blutig-schaumige Flüssigkeit aus. Teilweise sind hingegen nur Dyspnoe und trockener Husten zu beobachten, die in den meisten Fällen mit einer Leistungseinbuße einhergehen. Zur serologischen Untersuchung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Es ist möglich, eine Infektion mit Actinobacillus pleuropneumoniae auf Grund der Antikörper gegen die Toxine festzustellen. Aber auch über die Verwendung von spezifischen Oberflächenantigenen ist eine Untersuchung möglich. Leider scheint es nicht immer zu einer spezifischen Immunantwort zu kommen, sodass es sein kann, dass Trägertiere in der serologischen Untersuchung negativ bleiben (WENDT u. GROßE BEILAGE 2013). Der früheste Zeitpunkt an dem eine Infektion mit Actinobacillus pleuropneumoniae serologisch nachgewiesen werden konnte, war fünf bis 13 Tage p.i. (WENDT u. GROßE BEILAGE 2013). 2.7.2.4 PRRSV Das Porzines Reproduktives und Respiratorisches Sysndrom Virus, kurz PRRSV, gehört in die Familie der Arteriviridae. Es werden zwei Genotypen des PRRSV unterschieden. Der hauptsächlich in Europa auftretende EU-Genotyp und der in Amerika und Asien vertretene North American Genotyp (NA-Genotyp). Bisher konnte 32 Literaturübersicht das Virus bei keinem anderen Tier außer dem Schwein isoliert werden (NELSEN et al. 1999). Nach in der Regel oronasaler Aufnahme vermehrt sich der Virus im Makrophagengewebe der Lunge und des Lymphsystems (YAEGER et al. 1993). Innerhalb von 24 Stunden p. i. kommt es zu einer Virämie (ROSSOW et al. 1994). Nach der Virämie verbleibt das Virus noch über Monate im lymphatischen Gewebe, sodass es in Stresssituationen zu einem erneuten Ausbruch kommen kann. Problematisch ist auch die Infektion tragender Sauen. Hier kann es zu einer transplazentaren Übertragung auf die Feten kommen. Klinisch hängt die Ausprägung der Erkrankung stark vom der Virulenz des Stammes, dem Tieralter, den Umweltbedingungen sowie Ko-Infektionen ab. Die Tiere zeigen Inappetenz und Fieber bis 41°C. Früh infizierte Tiere weisen oft einen Kümmererhabitus auf. Bei intrauterinen Infektionen kommt es vermehrt zu Spätaborten, Mumien, Totgeburten und lebensschwachen Ferkeln. Die serologische Diagnostik kann auch bei älteren Schweinen, wie Altsauen oder Ebern helfen, da diese auch bei akuten Infektionen ein ungestörtes Allgemeinbefinden aufweisen können (Zimmerman 2012). Nach einer experimentellen Infektion mit dem NA-Genotyp konnte nach neun Tagen eine positive Immunantwort mittels ELISA festgestellt werden; bei dem EU-Genotyp nach 15 Tagen (NODELIJK 2002). Die Antikörpertiter bleiben bis zu 10 Monaten p. i. erhöht (NELSON et al. 1994, YOON et al. 1995). 33 Material und Methoden 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Probenmaterial Die Entwicklung und das Validieren des Testsystems „Protein-Microarray“ soll mit Fleischsaft und Blutserum als Probenmaterial durchgeführt werden. Dabei sollten Proben untersucht werden, welche zuvor mittels kommerziellen ELISA auf die jeweiligen Erreger getestet wurden. Innerhalb des bereits abgeschlossenen Forschungsprojektes „ NRW-Multiserologie“ an der Außenstelle für Epidemiologie der Tierärztlichen Hochschule Hannover (TANGEMANN 2012) sind Fleischsaftproben von auswählten Betrieben in Nordwestdeutschland entnommen und mittels ELISA-Tests untersucht worden. Diese Proben wurden für weitere Studien in der Außenstelle für Epidemiologie bei 20°C archiviert. Somit konnte auf ein Archiv mit über 3000 Fleischsaftproben zurückgegriffen werden, die auf Antikörpergehalte einer Vielzahl der hier zu untersuchenden Erreger mittels ELISA getestet wurden. Aus diesen wurden zur Validierung des Protein-Microarrays 60 Proben ausgewählt, so dass Antikörper positive und Antikörper negative Proben für jeden Erreger zur Verfügung standen. Einhundert weitere Fleischsaft- und Blutserumpaare von jeweils denselben Schlachtschweinen, je zehn von zehn Schweinemastbetrieben, wurden bei einer Probenentnahme auf einem Schlachthof in Niedersachsen entnommen. Diese Betriebe wie auch die beprobten Schlachttiere wurden zufällig ausgewählt. Des Weiteren wurden vom Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) einzelne Referenzfleischsäfte und Seren käuflich erworben bzw. zur Verfügung gestellt. 34 Material und Methoden Hierbei handelte es sich um jeweils fünf Fleischsaft- und Serumproben aus Infektionsversuchen mit Salmonella Typhimurium aus dem Nationalen Referenzlabor für die Durchführung von Analysen und Tests auf Zoonosen (Salmonellen) und Trichinella spiralis aus dem Nationalen Referenzlabor für Trichinella mit definierten Antikörpertitern. Vom Nationalen Referenzlabor für Trichinella wurden drei Fleischsaftproben vom Wildschwein mit definierten Antikörpertitern bereitgestellt. Aus Ringversuchen der QS Qualität und Sicherheit GmbH lagen außerdem zehn lyophilisierte Fleischsaftproben mit bekannten Antikörperkonzentrationen gegen Salmonella spp. als Referenzproben für die initiale Testablaufentwicklung vor. Zusätzlich wurden auch fünf Referenzseren aus Infektionsversuchen mit bekannten Antikörperkonzentrationen gegen Toxoplasma gondii, bereitgestellt vom Institut für Parasitologie der Tierärztlichen Hochschule Hannover, zur initialen Testablaufentwicklung eingesetzt. 3.1.2 Antigenmaterial Als Ausgangsmaterial für die Bespottung der Protein-Microarrays wurde Antigenmaterial der jeweiligen Erreger ausgewählt. Wichtig für die Entwicklung und Validierung eines neuen Tests, wie auch hier, ist die möglichst gute Vergleichbarkeit zwischen dem zu entwickelnden Test und einem Vergleichstest, der oft auch als „Goldstandard“ bezeichnet wird. Mit Unterstützung der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) (ehemals Labor Diagnostik Leipzig GmbH) konnte Antigenmaterial der Erreger Salmonella spp., Influenza A-Virus, PRRSV, Toxoplasma gondii, Trichinella spp. und Yersinia enterocolitica bereitgestellt werden. Bei dem Antigenmaterial von Salmonella Typhimurium, Salmonella Cholerasuis, Salmonella Enteritidis und Salmonella Agona handelt es sich um LipopolysaccharidAntigene. Bei dem verwendeten Antigenmaterial von Yersinia enterocolitica handelt 35 Material und Methoden es sich um „Yersinia outer Proteins“, welche nur von pathogenen Yersinien produziert werden.. Influenza A-Virus, PRRSV, Toxoplasma gondii, Trichinella spp. und Yersinia enterocolitica sind rekombinante Antigene. Genauere Informationen über die Antigene wurden aus schutzrechtlichen Gründen von den Testherstellern nicht weitergegeben. Ein rekombinantes HEV ORF2 Virusantigen wurde aus dem Institut für Virologie der Tierärztlichen Hochschule Hannover bereitgestellt, welches in einem neu entwickelten in-house-ELISA angewendet wird (BÄCHLEIN et al. 2011, BÄCHLEIN et al. 2013). Um Antigene von Mycoplasma hyopneumoniae verwenden zu können, wurden von der bakteriologischen Abteilung der Veterinärmedizinischen Universität Wien zwei isolierte Referenzstämme (Mhyo 7.1 und Mhyo 232) angezüchtet, thermisch inaktiviert und als Nativantigen zur Konzentrationseinstellung und Bespottung der Fa. Alere Technologies GmbH, Jena, Deutschland zugeschickt. Actinobacillus pleuropneumoniae-Antigene stammten sowohl von den zwei Referenzstämmen (ATCC-33378 und ATCC-27088) und zwei von ausgewählten asservierten APP-Stämmen (APP-2 und APP-9) der akkreditierten Erregerbank der Außenstelle für Epidemiologie in Bakum. Diese wurden ebenfalls angezüchtet, abgeschwemmt und zehn Minuten bei 56°C inaktiviert. Das durch dieses Verfahren gewonnene Nativantigenmaterial wurden in Jena auf die Protein-Microarrays gespottet. Der vom FLI zugelassene ELISA-Test Salmotype (Fa. Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) basiert auf einer Mischung von Salmonellen LPS-Antigenen von Salmonella Typhimurium, Salmonella Cholerasuis, Salmonella Enteritidis und Salmonella Agona. Deshalb wird von Salmonella spp.- Antikörper-Nachweistest gesprochen. Für die Bespottung der Protein-Microarray-Oberfläche wurden von der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) das Antigenmaterial der Erreger separat zur Verfügung gestellt. 36 Material und Methoden Auf diese Weise war es möglich, sowohl einen „Mischspot“ analog zu dem „Goldstandard“ ELISA auf die Oberfläche aufzubringen, als auch die einzelnen zur Verfügung gestellten Subtypen einzeln zu testen. Folgende Spots wurden im Laufe der Untersuchungen jeweils in einer Konzentration von 0,1µmol/µl und 0,5µmol/µl gespottet: Salmonella spp.: Salmonella Typhimurium 078K Salmonella Typhimurium ML04 Salmonella Enteritidis Salmonella Agona Salmonella Cholerasuis SalmonellaMix: - je ¼ S. Thyphimurium, S. Enteritidis, S. Agona, S. Cholerasuis Yersinia enterocolitica Toxoplasma gondii Trichinella spp. abweichend 0,1µmol/µl und 0,4µmol/µl PRRSV: EU US Influenza A-Virus HEV abweichend 0,167µmol/µl Im weiteren Vorgehen wurden die Konzentrationen ergebnisorientiert angepasst, sodass die im Ergebnisteil vorgestellten Konzentrationen von den hier erwähnten abweichen können. 37 Material und Methoden 3.1.3 ELISA-Test-Material Für die einzelnen Erreger wurden folgende „ELISA-Test-Kits“ zur Referenzwertermittlung der Antikörperkonzentration eingesetzt (Tabelle 3): Tabelle 3: Darstellung der verwendeten ELISA-Tests mit Hersteller- und Zulassungsangaben Erreger TestKit Hersteller Salmonella spp. SALMOTYPE®Pig Screen Fa. Qiagen Leipzig Zulassung für: Fleischsaft Blutserum (vorher LDL) Toxoplasma gondii PIGTYPE®Toxoplasma Ab Fa. Qiagen Prototyp im Leipzig Zulassungsverfahren für Fleischsaft und Blutserum Trichinella spp. Yersinia PIGTYPE®Trichinella Ab PIGTYPE®Yopscreen enterocolitica Hepatitis E-Virus Influenza A-Virus Mycoplasma PrioCHECK®HEV Ab Fa. Qiagen Fleischsaft Leipzig Blutserum Fa. Qiagen Fleischsaft Leipzig Blutserum Prionics AG Fleischsaft porcine Blutserum Influenza A Virus Antibody IDEXX Blutserum Test Kit Laboratories IDEXX M. hyo. Ab Test IDEXX Blutserum Laboratories hyopneumoniae Actinobacillus ID Screen® APP IDvet pleuropneumoniae Screening Indirect Innovative Blutserum Diagnostics PRRSV IDEXX PRRS X3 Ab Test IDEXX Laboratories 38 Blutserum Material und Methoden Die einzelnen Untersuchungen wurden entsprechend der jeweiligen Testanleitungen durchgeführt. Im Falle von Influenza A-Virus, Mycoplasma hyopneumoniae, Actinobacillus pleuropneumoniae und PRRSV waren die ELISA-Testkits ausschließlich für Blutserum zugelassen. Für diese Erreger wurden die Tests mit Fleischsaft unter der Annahme, dass die Antikörperkonzentration in Fleischsaftproben ca. 10mal geringer ist, durchgeführt, welches auch durch Vergleichsuntersuchungen innerhalb einer Studie von MEEMKEN und BLAHA (MEEMKEN u. BLAHA 2011b) mit denselben ELISA-Tests bestätigt werden konnte. Bei dem Toxoplasmen- AK-ELISA der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) handelt es sich um einen Test, welcher sich im Zulassungsverfahren befindet, also als funktionstüchtig betrachtet werden kann. Über das photometrische computergestützte Auslesegerät „Tecan Sunrise“ (Tecan Group Ltd., Männedorf, Schweiz) wurden die „optische Dichte“-Werte (OD-Werte) ermittelt. Mit Hilfe von im TestKit angegebenen Auswertungsvorgaben konnten aus den jeweiligen OD-Werten positive oder negative Testergebnisse ermittelt werden. In einigen ELISA-Tests gab es einen „fraglicher Bereich“ zwischen dem positiven und negativen Bereich. Da bei der Testvalidierung eine Ja/Nein-Entscheidung nötig ist, wird der „fragliche Bereich“ zu den positiven Ergebnissen gezählt. 3.1.4 Der Microarray Um die multiserologischen Untersuchungen durchführen zu können, wurden von der Firma Alere Technologies (Jena, Deutschland) Protein-MicroarrayTubes (Abb. 3) produziert. Auf dessen Bodenfläche befindet sich ein 3x3mm großer Glas-Chip, auf den die verschiedenen Erregerantigene an definierten Positionen aufgebracht wurden. 39 Material und Methoden Abbildung 8: MicroarrayTube (Fa. Alere Technologies GmbH) Auf einem 3x3mm großen Glaschip im Boden des Tubes befinden sich die verschiedenen Antigene an definierten Positionen. . Zudem wurde ein Arrayscanner zum Ablesen der Testergebnisse von der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (und von der Firma Alere Technologies (Jena, Deutschland) eine dazugehörige Auslesesoftware bereitgestellt. Zur Findung einer optimalen Antigenkonzentration für jeden Erreger wurden die Antigene in verschiedenen Antigenkonzentrationen aufgespottet. Um die Qualität der aufgespotteten Antigene untereinander zu vergleichen und um die bei der ELISA-Testung übliche Mehrfachbefundung (meistens Doppelbefundungen) anzuwenden, wurde jeder Spot dreifach auf den Array aufgebracht. Zusätzlich befinden sich auf dem Protein-Microarray eine dreifache Positivkontrolle, bei welcher es sich um eine sogenannte Biotinmarke handelt sowie eine dreifach gespottete Negativkontrolle, bei der nur eine Pufferlösung ohne Antigenstrukturen aufgebracht wurde. Da die Antigenkonzentrationen der einzige Punkt des Testsystems ist, an dem erregerindividuelle Veränderungen vorgenommen werden konnten, war es wichtig, während der gesamten Untersuchungen zur Validierung die jeweiligen Ergebnisse kritisch zu betrachten. Das Spotten von gleichen Antigenen in verschiedenen Konzentrationen half bei der Beurteilung und dabei diese zu optimieren. Antigene, die zu keinem sinnvollen Ergebnis führten, konnten so für die nächste Microarrayproduktion aus dem Layout genommen und durch andere ersetzt werden. 40 Material und Methoden 3.1.5 Sonstige Materialen Bei der Entwicklung des Testprotokolls, d.h. eines standardisierten Testablaufs, wurden verschiedene Reagenzien angewendet und hinsichtlich der damit produzierten Ergebnisse ausgewertet. In Anlehnung an das „Protein Binding Kit“ (Alere Technologies GmbH item number 245500100) und die Erfahrungen der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) wurden folgende Reagenzien hinsichtlich der Eignung im ProteinMicroarray getestet: Pufferlösungen (Wasch-und Verdünnungspuffer): Salmotype PigScreen LDL (Qiagen Leipzig, Leipzig, Deutschland) PigType blau LDL (Qiagen Leipzig, Leipzig, Deutschland) P1 Waschpuffer (Alere Technologies, Jena, Deutschland) Destilliertes Wasser Fetales Kälberserum (FCS): als Vorbereitungsschritt vor der Probeninkubation als Zusatz zu den Waschpuffern in verschiedenen Konzentrationen Konjugate: Multi-species-HRP (Qiagen Leipzig, Leipzig, Deutschland) Anti-Pig IgG-HRP [Goat] (Biomol, Hamburg, Deutschland) Protein-A-HRP (Qiagen Leipzig, Leipzig, Deutschland) Anti-Pig IgG-Biotin [Goat] (Bethyl, Montgomery, USA) Streptavidin-HRP (C3) (Alere Technologies, Jena, Deutschland) 41 Material und Methoden 3.2 Methoden 3.2.1 Entwicklung eines Testprotokolls Zur Validierung des Testsystems „Protein-Microarray“ musste ein Testablauf entwickelt werden, in dem konkrete Mengen- und Zeitangaben für Reagenzien und Einwirkdauern festgelegt sind. Außerdem musste die Vorgehensweise standardisiert werden. In Anlehnung an die Funktionsweise eines ELISAs und auf Grundlage des von der Produktionsfirma der Microarrays mitgelieferten Ablaufschemas „Protein Binding Kit“ (Alere Technologies GmbH item number 245500100), war es das Ziel, ein möglichst optimales Testprotokoll zu erstellen. Angelehnt an die Erfahrungen aus verwandten serologischen Nachweismethoden zur Testung von Serum und in Rücksprache mit der Laborabteilung der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) entstand ein erster Ablaufplan (Tabelle 4). Zur Optimierung wurden nacheinander Parameter wie Probenverdünnung und – aufbereitung, Wasch- und Einwirkzeiten, Schüttelfrequenzen und Reagenzien des Ablaufplans verändert, getestet und je nach Ergebnis beibehalten oder ausgetauscht. 42 Material und Methoden Tabelle 4: Erster Ablaufplan zur Durchführung von MicroarrayUntersuchungen Schritt Reagenz Waschen PBST Blocken Fetales Verdünnung Kälber 10% Volumen Temp. Schütteln Zeit 500µl 37° 550rpm 2x5min 100µl 37° 550rpm 15min 500µl 37° 550rpm 2x5min 100µl 37° 400rpm 1h 500µl 37° 550rpm 2x5min 100µl 37° 400rpm 15min 550rpm 2x5min Serum (FCS) Waschen PBST Probe Serum Waschen PBST Konjugat Multispez./ 1:500 Strep 1:5000 1:20 Waschen PBST 500µl 37° Substrat SeramunGrün 100µl 23° 10min PBST : Phospat Buffered Saline with Tween-20 rpm : rounds per minute (Umdrehungen pro Minute) Im Lieferzustand sind die bespotteten Protein-Microarrays mit einem Polysaccharid haltigen Schutzfilm bedeckt. Diese muss zuerst abgewaschen werden, um die spezifischen Antigene freizulegen, was dem ersten Waschschritt entspricht. Zur Vorbereitung der Microarrayoberfläche wurde der Effekt von fetalem Kälberserum (FCS) ausgetestet. Das fetale Kälberserum (FCS) sorgt für eine Stabilisierung der Bindungsreaktion zwischen Antikörper und Antigen, indem es z.B. enzymatische Reaktionen abpuffert, selbst aber nicht mit den Antigenen interagiert. Das FCS wurde in verschiedenen Konzentrationen mit verschiedenen Inkubationszeiten ausgetestet. Statt Phosphate Buffered Saline Tween-20 (PBST) wurden die oben erwähnten unterschiedlichen Pufferlösungen nacheinander getestet. Auch die Verdünnung der Proben wurde mit verschiedenen Pufferlösungen getestet, sowie die Verdünnungsstufe selbst in Reihenuntersuchungen evaluiert. 43 Material und Methoden Der Fleischsaft wurde in verschiedenen Verdünnungen, genauer in den Verdünnungsstufen 1:10, 1:5 und 1:2 geprüft. Das Austesten der Inkubationszeiten, die die einzelnen Reagenzien auf die Arrayspots bzw. die zu dem jeweiligen Zeitpunkt dort gebundenen Substanzen einwirken, war ebenfalls wichtig, um vor allem den Ablauf zu optimieren. Ebenfalls mussten die Zeiten und die Anzahl der einzelnen Waschschritte zwischen den Inkubationen eingestellt werden. Die Auswahl eines geeigneten Konjugates war von besonderer Bedeutung. Nur so konnten die gebundenen Antikörper auch sichtbar gemacht werden. Die Konjugate müssen auf der einen Seite an den Schweine-Ak binden, auf der anderen aber auch eine enzymatische Reaktion des Substrates bewirken. „Multi-spezies-Konjugat“, „anti-Pig IgG-Konjugat“ und „Protein-A-Konjugat“ wurden als Konjugat gekoppelt mit „horseradish peroxidase“ (HRP) verwendet, getestet und verglichen. Die Markierung der „Erregerspots“ läuft über das an Antikörper gebundene Konjugat ab. Das Protein „Streptavidin“ bindet sehr affin an Biotin und wird daher häufig als Brückenmolekül genutzt. Es sorgt für eine Bindung an den aufgespotteten Biotinmarken, welche als Positivkontrolle verwendet werden sollten. Gekoppelt an HRP ließ sich diese Bindung über die erwähnte Substratreaktion nachweisen. Als letzter Schritt des Versuchsablaufs musste die Inkubationszeit des Substrats „SeramunGrün“ (Seramum, Berlin, Deutschland) beurteilt werden. Durch eine enzymatische Reaktion mit der Horseradishperoxidase wird das Substrat und somit auch die gebundenen Antikörper farblich sichtbar gemacht. Die Positivkontrollspots wurden also parallel zu den anderen Spots getestet. Um die Positivkontrolle auch als solche verwenden zu können, war es sinnvoll sie in den Ablauf der einzelnen Bindungen zu integrieren. Daher war es ein Ziel, die beiden Konjugate zu verknüpfen. Als neue Positivkontrolle wurde ein Schweine-Immunoglobulin G aufgebracht. Diese konnte im Weiteren genau wie die gebundenen Antikörper aus der Probe behandelt 44 Material und Methoden werden. Über ein „antiPig IgG, gekoppelt an Biotin und ein Streptavidin-HRP, sollte sich der Ablauf vereinheitlichen lassen. Die Darstellung der Glasplatte mit den auf ihr befindlichen lokalisierten Reaktion wurde mit Hilfe des zur Verfügung gestellten ArrayTubeReader „ATR01“ (Alere Technologies, Jena, Deutschland) durchgeführt (Abbildung 9). Abbildung 9: ATR03 (Fa. Alere Technologies GmbH) Auslesegerät für die Microarrays. Über eine Kamera lässt sich der Chip darstellen und computergestützt auswerten. Mit Hilfe der Computersofware „Partisan Iconoclust“ (Alere Technologies, Jena, Deutschland) ließ sich über ein Raster die genaue Position der Antigene auf dem Microarray für die EDV definieren bzw. festlegen. Die jeweilige Spotschwärzung wurde mit Hilfe der Software in einen Zahlenwert zwischen 0 (bedeutet keine Antikörper in der Probe vorhanden) bis maximal 1 (hohe Antikörperkonzentration in der Probe) umgewandelt. Dabei wurde auch eine eventuelle Hintergrundanfärbung mit beachtet, so dass die Fehlerquelle einer unspezifischen Schwärzung der 45 Material und Methoden Glaspatte minimiert wurde. Auf diese Weise ergaben sich auswertbare Werte für die einzelnen Spots. Auf eine mögliche Quantifizierbarkeit über die Schwärzungsgrade wird im Ergebnisteil eingegangen. Abbildung 10: Schematisch dargestellter Testablauf (Fa. Alere Technologies GmbH) Von links nach rechts schematisch dargestellt ist die Durchführung des Arraytests. Beginnend mit dem ArrayTube mit benutzerspezifisch antigenbespottetem Chip werden im nächsten Schritt dir Probe hinzugefügt und die einzelnen Aufbereitungsschritte durchgeführt. Ein entsprechendes Substrat führt zu einer Farbreaktion an den einzelnen Spots. Diese können über ein Auslesegerät dargestellt und mittels geeigneter Software ausgewertet und präsentiert werden. 3.3 Vergleichsuntersuchung Microarray vs. ELISA Zur Erprobung des entwickelten Microarray-Prototyps mit einem festgelegten Versuchsablauf wurden Fleischsaftproben aus dem abgeschlossenen Projekt „Multiserologie-NRW“ (TANGEMANN 2012) via Microarray untersucht. Ergänzend kamen Proben aus Infektionsversuchen des BfR, des Instituts für Virologie und Parasitologie sowie drei von Trichinen infizierten Wildschein-Fleischsaftproben zum Einsatz. Ziel des Arbeitsschrittes war die Überprüfung, inwieweit der entwickelte MicroarrayPrototyp zuverlässige Testergebnisse produziert, also Spotanfärbungen an den entsprechenden Positionen des Rasters entstehen. 46 Material und Methoden Durch eine gezielte Auswahl an Beständen und mittels im ELISA vorgetesteten Fleischsaftproben stand das gesamte Spektrum an Antikörpertitern für jeden Erreger zur Verfügung und konnte getestet werden. Die ermittelten Werte wurden als Referenzwerte angesehen, die mit den mittels Microarray gewonnenen Daten verglichen werden konnten. Neben der Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Microarrays sollten so auch Grenzwertermittlungen für eine qualitative Aussage untersucht werden. Um die geeignetsten Antigenkonzentrationen der verwendeten Antigene für den Microarray zu ermitteln, wurden verschiedene Antigenkonzentrationen gespottet. Die Testergebnisse des Microarrays wurden je Antigen und Konzentration mit dem ELISA-Testergebnis hinsichtlich deren Übereinstimmung verglichen. Nur diese soll im Ergebnisteil ausgewertet werden. Insgesamt wurden 160 Fleischsaftproben und 100 Seren mit dem festgelegten Testablauf untersucht. Dabei handelte es sich bei den 60 Fleischsaftproben um ausgewählte Proben aus dem „Multiserologie-NRWProjekt“ (TANGEMANN 2012). Insgesamt 100 weitere Fleischsaftproben, sowie 100 Serumproben wurden aus zufällig ausgewählten Beständen an einem niedersächsischen Schlachthof im Jahr 2013 gewonnen. Zur Auswertung der mittels Partisan Iconoclust (Alere Technologies, Jena, Deutschland) erfassten Daten wurde das Programm Microsoft Office Excel verwendet. Bei der Erhebung von statischen Parametern wurde das AddInProgramm „XLSTAT“ eingesetzt. Dieses Statistikprogramm wird von vielen Universitäten neben SAS oder SPSS zur Auswertung von Arbeiten verwendet (TUSCHL 2010). In verschiedenen Arbeiten und Dissertationen wurden Auswertungen mit XLSTAT durchgeführt, z.B. in Komorowski, Diss Berlin Freie Univ. 2011 (KOMOROWSKI 2011). Nach Desdevises deckt das Programm eine überraschend große Breite an statistischen Methoden ab (DESDEVISES 2013) und ist für wissenschaftliche Auswertungen geeignet. Mit Hilfe dieses Programmes wurden die Ergebnisse der ELISA-Untersuchungen mit denen der Microarray-Untersuchungen verglichen. 47 Material und Methoden Durch die Verwendung einer „Receiver Operating Characterisic“ (ROC) Analyse konnte die Testsicherheit des neuen Testes für jedes Antigen ermittelt werden. Es wurde hierbei von dem ELISA als Goldstandard ausgegangen. Die ermittelte Testsicherheit bezieht sich also auf den Vergleich zu den im ELISA ermittelten Ergebnissen. 3.4 Statistische Auswertung Ziel der Auswertung war es, die gewonnenen Ergebnisse aus der Microarrayuntersuchung mit denen der ELISA-Tests zu vergleichen. Neun Erreger wurden separat ausgewertet und der neue Test validiert. Die Ergebnisse wurden zunächst mittels deskriptiver Statistik, „ROC-Kurve“ (Receiver Operating Characteristic-Kurve) zur optimalen Grenzwertbestimmung (CutOff) untersucht und, wenn es sinnvoll war, mit weitergehenden statistischen Methoden wie Bland-Altmann-Analyse und Regressionsanalyse nach PassingBablok ausgewertet. 3.4.1 Verfahren der deskriptiven Statistik Um einen ersten Eindruck über den Zusammenhang zwischen den Werten des ELISA-Tests und den entsprechenden Array-Werten zu erhalten, ist die Visualisierung der Daten durch ein Punktdiagramm ein geeignetes Mittel. Dabei werden den ELISA-Werten die Werte des Arrays zugeordnet. 3.4.2 ROC-Kurve Bei der ROC-Analyse wird der Zusammenhang zwischen Spezifität und Sensitivität eines Testsverfahrens untersucht. 48 Material und Methoden Die Sensitivität gibt den Anteil der richtig positiven Ergebnisse des Array-Tests bezogen auf ein positives Ergebnis des ELISA-Tests an: rp rp fn Sensitivität = Die Abkürzung „rp“ steht für „richtig positiv“ und bedeutet, dass als positiv gewertete Ergebnis des Microarrays auch im ELISA positiv ist. „fn“ steht für „falsch negativ“. Das Ergebnis des Microarrays ist negativ, obwohl die Probe positiv ist. Die Spezifität gibt den Anteil der richtig negativen Testergebnisse des Array-Tests bezogen auf ein negatives Ergebnis des ELISA-Tests an: Spezifität = rn rn fp Hier steht „rn“ für „richtig negativ“. Das negative Microarrayergebnis stimmt mit dem negativen ELISA-Ergebnis überein. „fp“ steht für „falsch positiv“. Das Microarrayergebnis sagt positiv, obwohl der Goldstandard ELISA ein negatives Ergebnis liefert. Dieser Sachverhalt lässt sich tabellarisch wie folgt erfassen (Vierfeldertafel): Tabelle 5: Vierfeldertafel ELISA-Test/ Array-Test ELISA-Test positv ELISA-Test negativ Array-Test positiv richtig positv (rp) falsch positiv (fp) Array-Test negativ falsch negativ (fn) richtig negativ (rn) Die Testsicherheit des jeweiligen ELISA-Tests wird hierbei außer Acht gelassen. 49 Material und Methoden Bei der ROC-Kurve wird die Zuordnung Falschpositivrate (1-Spezifität) → Richtigpositivrate (Sensitivität) graphisch dargestellt (siehe Abbildung 11). Abbildung 11: Beispiel einer ROC-Kurve (modifiziert aus Public Health Service. Diabetes program guide, 1960) Bei der Darstellung der ROC-Kurve ist die Sensitivität (Richitgpositivrate) gegen 1-Spezifität (Falschpositvrate) aufgetragen. Bei der Erstellung einer ROC wird jedes der ermittelten Ergebnisse als Grenzwert betrachtet und die dazugehörige Sensitivität und Spezifität ermittelt. Werden diese grafisch dargestellt, so ergibt sich eine Kurve. Die Fläche unter der Kurve (AUC) gibt eine Aussage über die 50 Material und Methoden Testqualität Sie kann zwischen 0 und 1 liegen. Die gestrichelte Linie halbiert den Grafen und würde einer AUC von 0,5 entspechen. Ein Ergebnis nahe 0,5 lässt auf einen Zufallsprozess schließen. Bei der ROC-Kurve ist die „Area under curve“ (AUC) als Maß für die Qualität des entwickelten Testes anzusehen. Zur Interpretation der Ergebnisse ist zu wissen, dass die AUC einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann, wobei aber 0,5 der schlechteste Wert ist. Eine ROC-Kurve nahe der Diagonalen ist das zu erwartende Ergebnis eines Zufallsprozesses, was dann der AUC von 0,5 entspricht. Ein hoher ROC-AUC-Wert bedeutet ein gutes Ergebnis: Das Ergebnis des Array-Tests entspricht dem Ergebnis des ELISA-Tests. Liegt der Wert deutlich unter 0,5, so liegt ein umgekehrter Zusammenhang vor. Der zu überprüfende Test liefert eher das Gegenteil des Goldstandard-Ergebnisses. Innerhalb der ROC-Analyse wird jeder gemessene Wert als „theoretischer Grenzwert“ angesehen und dazu Sensitivität und Spezifität berechnet. Auf diese Weise lässt sich ein optimaler Grenzwert ermitteln. In der Abbildung ist der Grenzwert der Punkt mit dem größten Abstand zur Diagonalen; dieser Punkt - auch Cut-Off genannt - ist der optimale Entscheidungspunkt: Es ist der Punkt maximaler Sensitivität und maximaler Spezifität. Der Abszissenwert gibt die Spezifität (durch 1-Spezifität), der Ordinatenwert die dazugehörige Sensitivität an. 3.4.3 Bland-Altman-Analyse Bei einem Bland-Altman-Diagramm wird die Differenz zweier Testergebnisse einer Probe mit dem Mittelwert dieser beiden Testergebnisse verglichen. Die graphischen Darstellungen, die mittels XLSTAT angefertigt wurden, enthalten neben der Zuordnung: Mittelwert der beiden Testergebnisse → Differenz der Testergebnisse 51 Material und Methoden noch die Hilfslinien - Mittelwert der Differenz (Schiefe) - Begrenzungslinien des 95%- Konfidenzintervalls Ein Beispiel für ein Bland-Altman-Diagramm ist in Abbildung 12 dargestellt. Durch diese Analyse lassen sich die zwei Testsysteme anschaulich miteinander vergleichen. Man sieht durch das Auftragen der Differenzen, ob beide Messsysteme einen vergleichbaren Wertebereich haben, ob die Abweichungen im gewählten Differenz der zwei Testgrößen Konfidenzbereich liegen und wo die Abweichungen besonders groß sind. Mittelwert der zwei Testgrößen Abbildung 12: Beispiel eines Bland-Altman-Diagrammes Auf der Waagerechten ist der Mittelwert der zu vergleichenden Testgrößen aufgetragen, auf der Senkrechten deren Differenz. Als Interpretationshilfen sind der Mittelwert der Differenz, auch als Schiefe bezeichnet (gestrichelte waagerechte Linie) und Begrenzungslinien des 95%- Konfidenzintervalls dazu einzeichnet. Durch die Auswertung mittels Bland-Altman-Diagramm lässt sich anschaulich überprüfen ob zwei Testsysteme einen vergleichbaren Wertebereich haben. 52 Material und Methoden 3.4.4 Passing-Bablok-Regressionsanalyse Standardmäßig werden zu untersuchende Zusammenhänge oft auf deren Linearität getestet. Auf die üblichen Annahmen, unter denen eine lineare Regression betrachtet wird, wird in diesem Fall verzichtet. Stattdessen wird bei der Untersuchung der Daten mit einer Passing-Bablok-Regressionsanalyse ein Linearitätstest durchgeführt, bei der die Steigungen zwischen zwei Messpunkten aus ELISA- und Array-Werten betrachtet werden. Die Regressionsanalyse nach Passing-Bablok orientiert sich im Gegensatz zu einer linearen Regressionsanalyse am Median der geordneten Steigungen. Ausreißer und extreme Werte fallen entsprechend nicht ins Gewicht (PASSING et al. 1983). Die Aufgabe ist es allerdings, bei Passing-Bablok durch diese Regressionsanalyse festzustellen, ob ein linearer Zusammenhang zwischen den Messwerten vorhanden ist. 53 Material und Methoden Abbildung 13: Beispiel einer Passing-Bablok-Regressionsanalyse nach Miler et al. (2009) TDx und AxSYM stehen für die zu vergleichenden Parameter. Bei der Passing-Bablok-Regressionsanalyse handelt es sich um einen Test auf Linearität. Dabei werden die zu vergleichenden Parameter gegeneinander aufgetragen und die Steigungen zwischen diesen analysiert. Bei der Passing-Bablok-Analyse wird ein Median (fett markierte Linie) durch die Wertepaare gelegt, sodass Ausreißer weniger gewichtet werden als üblich. Die gestrichelten Linien geben das 95%-Konfidenzinterval an. Die gepunktete Linie dient als Winkelhalbierende lediglich der Orientierung. 54 Ergebnisse 4 Ergebnisse 4.1 Ablauf der Testentwicklung Für die Entwicklung und Validierung des Microarrays waren unterschiedliche Arbeitsschritte notwendig. Diese sollen hier kurz aufgeführt und später näher erläutert werden. Zunächst war es notwendig, das passende Probenmaterial zu akquirieren, mit denen die Tests durchgeführt werden können. Es war wichtig, dass sowohl mittels ELISATest vorgetestete Fleischsaft- als auch Blutserumproben zur Verfügung standen. Des Weiteren musste der Probenpool sowohl antikörperpositive, als auch antikörpernegative Proben beinhalten, die das gesamte Spektrum der in die Testentwicklung einbezogenen Erreger abdeckten. Das Akquirieren geeigneter Antigene war essentiell, um die Möglichkeit zu schaffen einen funktionsfähigen „Prototyp eines Microarrays“ zu produzieren. Die Herstellung der Microarrays bedurfte der Entwicklung eines passenden Layouts in Bezug auf die Auswahl der Antigene, Wahl von verschiedenen Konzentrationen der Antigene als auch der Auswahl geeigneter Positiv- und Negativkontrollen. Verwendung von einzelnen Fleischsaftproben aus der mittels ELISA voruntersuchten Probensammlung des Multiserologie-NRW-Projektes (TANGEMANN 2012) statt. Dabei wurde Schritt für Schritt versucht, den Ausgangstestablauf zu optimieren. Insgesamt wurden 60 Microarray-Chips für diesen Arbeitsschritt benötigt. In mehreren Versuchsreihen wurden dazu verschiedene Testsubstanzen in verschiedenen Konzentrationen und verschiedenen Medien getestet und verglichen. Unterschiedliche Waschlösungen und Behandlungen der Substanzen wurden getestet. Außerdem trug die Wahl geeigneter Inkubationszeiten ebenfalls maßgeblich zu dem Ergebnis bei. Mit dem schließlich entwickelten Testablauf mussten in einem weiteren Validierungsschritt Ergebnisse erzeugt und bewertet werden. Zur Bewertung wurde 55 Ergebnisse der in der Labordiagnostik routinemäßig eingesetzte ELISA als „Goldstandard“ gewählt. Mit diesem wurden die mittels Microarray erarbeiteten Ergebnisse verglichen und statistisch ausgewertet. So konnten Aussagen über die Testsicherheit, Sensitivitäten, Spezifitäten und cutoff-Werte gemacht werden. Als Ergebnisse standen hierzu die Testungen der 60 Fleischsaftproben des Multiserologie-NRW-Projektes, sowie Ergebnisse von einhundert Fleischsaftproben und einhundert Blutserumproben von einhundert Schweinen, die am Schlachthof gewonnen wurden, zur Verfügung. Da bei einzelnen der gespotteten Konzentration des Errregerantigens etwas verändert wurde, konnten nicht immer die insgesamt 260 Tests miteinander verglichen werden. 4.1.1 Vorbereitung des Microarrays Die vom Hersteller aufgebrachte Polysaccarid haltige Schutzschicht auf den Microarrays ließ sich problemlos durch Waschen mit dem Waschpuffer entfernen. Dabei konnten keine Unterschiede zwischen den einzelnen Waschpuffern festgestellt werden. Wichtig war, dass das Waschen mehrmals durchgeführt wurde. Bei einmaligem Waschen konnte nicht die gesamte Schutzschicht entfernt werden. Als effizient stellte sich das dreimalige Waschen mit jeweils zwei Minuten Waschzeit unter langsamem Schütteln bei 350rpm heraus. Zur Vorbereitung der Microarrayoberfläche erwies sich fetales Kälberserum in einer Verdünnung von 10% als am besten geeignet. Eine Menge von 10µl FCS verdünnt mit 90µl P1 wurden für 15 min auf den Array gegeben und bei 350rpm geschüttelt. Die Ergebnisse, die so erzielt wurden, waren klarer, das heißt es gab weniger ungewollte Bindungsreaktionen und die als positiv erkannten Spots waren deutlicher erkennbar. 56 Ergebnisse 4.1.2 Fleischsaft als Untersuchungsmedium Die im Material und Methodenteil erwähnten ausgewählten Fleischsaftproben wurden in verschiedenen Verdünnungsstufen und mit verschiedenen Verdünnungslösungen getestet. Insgesamt wurde so versucht, einen für Reihenuntersuchungen stabilen Testablauf festzulegen. Da bei einer Verdünnung von 1:2 die Probe sehr inhomogen war und invalide Testergebnisse lieferte, welche durch „Verunreinigungen“ auf dem Arraybild zustande kamen und die das Ablesen des Schwärzungsgrades der Spots unmöglich machten, wurde der Fleischsaft vor dem Verdünnen zentrifugiert. Durch diesen Arbeitsschritt konnte der Fleischsaft von weiteren möglicherweise inhibitorisch wirkenden Bestandteilen befreit werden. Eine Zentrifugation für drei Minuten bei 4000rpm war ausreichend. Eine Testdurchführung mit einer Verdünnung des Fleischsaftes von 1:2 erwies sich zusammen mit dem Zwischenschritt der Zentrifugation als am besten geeignet. Die Fleischsaftverdünnung 1:5 führte zu einem Ergebnis, dargestellt in Abbildung 14, bei dem eindeutig Bindungsreaktionen erkannt werden konnten. Betrachtet man im Vergleich das Ergebnis des gleichen Fleischsaftes eingesetzt in einer Verdünnung von 1:2 (Abbildung 15), so erkennt man, dass die Bindungsreaktionen mit einer 1:2 Verdünnung deutlicher sind. Entscheidend bei diesem wichtigsten Schritt, der Antigen-Antikörper- Komplexbildung, war die Wahl des richtigen Verdünnungspuffers. Durch „try-anderror“-Tests stellte sich der PigType Blau LDL als am besten geeignet heraus. Bei anderen ergaben sich vor allem unspezifische Bindungen an den Spots. 57 Ergebnisse Abbildung 14: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung einer Fleischsaftprobe (1:5 verdünnt; zentrifugiert) Blick auf das Ergebnisbild eines Testdurchlaufs. Graue Punkte weisen auf Bindungsreaktionen bzw. auf Antikörper gegen an diesen Stellen gespottete Antigene in der Probe hin. Die schwarzen Rechtecke dienen der Software als Orientierung zum Auslesen des Rasters. Abbildung 15: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung einer Fleischsaftprobe (1:2 verdünnt; zentrifugiert) Ergebnis der Testdurchführung mit einer Probenverdünnung von 1:2 und vorheriger Zentrifugation der Fleischsaftprobe. Weitere Erklärungen siehe Legende Abb. 14. 58 Ergebnisse Bei der Austestung der Inkubationszeit ergab sich eine 30 minütige Inkubation als zweckmäßig und ausreichend. Bei längeren Inkubationen von 60 Minuten oder 90 Minuten konnten keine besseren Bindungsreaktionen festgestellt werden. 4.1.3 Konjugate In ersten Untersuchungen wurde ein anti-Pig IgG-HRP-Konjugat verwendet. Dieses führte in einer Verdünnung von 1:5000 zu guten Ergebnissen. Zusätzlich wurde ein Streptavidin-HRP in einer Verdünnung von 1:1000 hinzugegeben. Dieses sehr Biotin affine Präparat sorgte letztendlich für die Anfärbung der Positivkontrolle. Weitergehend war es notwendig, die Positivkontrolle in den Reaktionsablauf der anderen Spots zu integrieren. Statt einem „anti-Pig IgG-HRP-Konjugat“ wurde deshalb ein „anti-Pig IgG-BiotinKonjugat“ (Bethyl, Montgomery, USA) verwendet. So wurden alle Spots, an denen Antikörper gebunden hatten, „biotinmarkiert“ und gelangten somit auf eine Reaktionsebene mit der Positivkontrolle. Durch Zugabe eines Streptavidin-HRP-Konjugats (C3 im „Protein Binding Kit“ von der Alere Technologies, Jena, Deutschland) ließen sich nun Positivkontrollen und Spots einheitlich über die Substratreaktion anfärben. Die ermittelten Inkubationszeiten lagen für anti-Pig IgG-Biotin und Streptavidin-HRP jeweils bei 15 Minuten. Anti-Pig IgG-Biotin lag als Konzentrat vor. Deshalb musste es sehr hoch verdünnt werden. Geeignet erwies sich dafür der Puffer P1. Es stellte sich eine Verdünnung von 1:20.000 als gut heraus. Diese wurde über eine Verdünnungsreihe erreicht. Zuerst wurde 1µl anti-Pig IgG-Biotin zu 99µl P1 gegeben. So entstand eine Verdünnung von 1:100. In einem nächsten Schritt wurde 1µl von der 1:100 Verdünnung zu 199µl P1 gegeben Die Verdünnung betrug damit 1:20.000. Bei dem verwendeten Streptavidin-HRP handelte es sich um ein bereits vorverdünntes Konjugat aus dem „ProteinBindingKit“ der Fa. Alere Technologies 59 Ergebnisse (Jena, Deutschland). Dieses führte nach angegebener Verdünnung von 1:100 mit P1 zu guten Resultaten. 4.1.4 Waschschritte Wie beschrieben, wurde zuerst die Polysaccharid haltige Schutzschicht durch 3 x 2 Minuten langes Waschen mit jeweils 300 bis 400µl P1 bei 350rpm von der Microarrayoberfläche entfernt. Das Waschen nach der Inkubation der Fleischsaftprobe wurde ebenfalls mit einer Zeitdauer von 3 x 2 Minuten mit 300 bis 400µl Waschpuffer bei 350rpm als Optimum ermittelt. Bei diesem Waschschritt wurde allerdings PigType Blau LDL verwendet. Dieser wurde auch zur Probenverdünnung benutzt und stellte sich als deutlich schonender für den Antigen-Antikörper-Komplex heraus. Der Waschschritt nach der Inkubation mit anti-Pig IgG-Biotin-Konjugat beinhaltete lediglich ein Waschschritt ohne Wartezeit mit einer Menge von 300 bis 400µl P1. Nach Inkubation des Streptavidin-HRP-Konjugates wurde einmal mit 300 bis 400µl P1 und 2 Minuten Wartezeit gewaschen, worauf ein zweiter Waschschritt mit 300 bis 400µl P1 ohne Warten folgte. 4.1.5 Substrat Das als Substrat extra für Microarrayanwendungen vertriebene „Seramun Grün Chip“ war auch für diesen Microarray-Prototypen tauglich. Es stellte sich heraus, dass nach einer Zeit von 10 Minuten eine vollständige enzymatische Reaktion mit der Horseradishperoxidase vollzogen war. Damit hatte eine Färbung der spezifischen Antigenspots, an denen Antikörper gebunden hatten, stattgefunden. 60 Ergebnisse In der Tabelle 6 sind alle Erkenntnisse zusammengefasst dargestellt. Nach diesem Testablauf wurde der Protein-Microarray für Schweine mit den ELISAs hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Testergebnisse verglichen. Abbildung 16 und 17 zeigen suboptimale Ergebnisse in der Entwicklungsphase des Testablaufs. Abbildung 16: Schlierenbildung durch Waschpuffer PigType Blau LDL (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) bei durchgehender Verwendung für alle Waschschritte Suboptimales Ergebnis des Bildes durch Schlierenbildung bei der Substratzugabe bei der Testung des Waschpuffers PigType Blau LDL. Weitere Erklärungen siehe Legende Abb. 14. 61 Ergebnisse Abbildung 17: PigScreen LDL (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) als Verdünnungspuffer für Fleischsaft, wegen Auftretens von unspezifischen Bindungen ungeeignet Suboptimales Ergebnis des Bildes durch unspezifische Bindungsreaktionen an den Spots durch Verwendung von PigScreen LDL als Verdünnungspuffer. Weitere Erklärungen siehe Legende Abb.14. Tabelle 6: Validierter Testablauf Schritt Reagenz Waschen P1 Blocken FCS Probe Fleischsaft Verdünnung Volumen Temp. Schütteln Zeit 350µl 37° 350rpm 3x2min 10% 100µl 37° 350rpm 15min 3min/4000rpm 100µl 37° 350rpm 30min 350µl 37° 350rpm 3x2min 100µl 37° 350rpm 15min 500µl 37° 100µl 37° zentrifugiert 1:2 mit PigType blau Waschen PigType blau Konjugat1 Anti-Pig IgG- 1:20000 Biotin Waschen P1 Konjugat2 C3 (Streptavidin- 1:100 1x0min 350rpm 15min HRP) Waschen P1 350µl 1x2min 1x0min Substrat SeramunGrün 100µl 62 23° 10min Ergebnisse 4.2 Ergebnisse der Vergleichsuntersuchung ELISA vs. Microarray nach Erregern Nachdem der Testablauf festgelegt worden war, konnten die Microarrays, genauer die einzelnen Spots in einer Serienuntersuchung auf ihre Eignung als Testsystem untersucht werden. Dabei wurde die Reaktion, also die Schwärzung des jeweiligen Spots, mit dem Ergebnis der ELISA-Untersuchung der gleichen Probe ausgewertet. Im Folgenden sollen die erlangten Erkenntnisse und Ergebnisse Erreger für Erreger abgehandelt werden. Dabei wird auf die getesteten Antigene, deren Konzentration und Veränderung eingegangen. Die Größe des Probenumfangs der ausgewertet wurde, variierte geringfügig, da sich nicht auf jedem der produzierten Arraylayouts (s. Anhang) die gleichen Spots befanden. Insgesamt wurden 260 Microarray-Chips für diesen Arbeitsschritt verwendet. 4.2.1 Lebensmittelsicherheitsrelevante Erreger 4.2.1.1 Salmonella spp. Für die Untersuchung der Proben auf Salmonellen-Antikörper wurden vier verschiedene Serotypen sowie ein Mix-Spot aus diesen vier auf dem Array untersucht. Es wurden gleichzeitig Ergebnisse für die Salmonellenstämme Salmonella Typhimurium, Salmonella Cholerasuis, Salmonella Enteritidis und Salmonella Agona produziert. Der verwendete ELISA zur Salmonellen-Ak-Diagnostik „SALMOTYPE®Pig Screen” der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) erfasst eine Untersuchung auf Antikörper gegen Salmonella Typhimurium und Salmonella Cholerasuis mit den OAntigenen 1,4,5,6,7, und 12. Damit beinhaltet er eine Mischung aus mehreren Salmonella-Serotypen. Es wird also Serotyp übergreifend auf ein Vorkommen von 63 Ergebnisse Antikörpern gegen Salmonellen untersucht. Nähere Informationen zu den Antigenen wurden vom Hersteller aus schutzrechtlichen Gründen nicht angegeben. Um diese Ergebnisse mit denen des ELISAs zu vergleichen, wurde ein Mix aus den erwähnten Serotypen gespottet; zur Ermittlung einer geeigneten Konzentration wurden hier ebenfalls zwei verschiedene Konzentrationen (0,1mg/ml und 0,25mg/ml) auf den Microarray aufgebracht. Im Folgenden werden die Ergebnisse des Vergleichs zwischen ELISA und „Salm_Mix“-Spot ausgewertet. Exemplarisch auch für die weiteren Erreger sind in Tabelle 7 die ermittelten Daten der ersten 20 Proben abgebildet. 64 Ergebnisse Tabelle 7: Auszug aus der Ergebnisübersicht für die Untersuchung von 20 Proben auf Salmonellenantikörper SALMOTYPE® Microarray Microarray Pig Screen Bewertung Salm_Mix_01 Salm_Mix_025 Probe (OD%) ELISA (Schwärzungsgrad) (Schwärzungsgrad) 1 0,11 Negativ 0,0994995 0,049514 2 0 Negativ 0,022930667 0,017163333 3 0 Negativ 0,018030333 0,040571667 4 0 Negativ 0,047132333 0,076519333 5 0 Negativ 0,031018333 0,016815333 6 28,16 Negativ 0,091885667 0,214168667 7 8,69 Negativ 0,046388 0,226061667 8 0 Negativ 0,015695333 0,048815667 9 0,53 Negativ 0,0312425 0,054633667 10 0 Negativ 0,063915333 0,142241333 11 106,88 Positiv 0,490765333 0,75778 12 74,123 Positiv 0,776565 0,809148667 13 13,313 Negativ 0,467967 0,744356667 14 8,11 Negativ 0,065801667 0,349480333 15 100,3 Positiv 0,807145333 0,818290333 16 51,675 Positiv 0,362810667 0,582969667 17 42,207 Positiv 0,275787333 0,599957 18 4,91 Negativ 0,116439 0,240449333 19 32,03 Negativ 0,160342333 0,539871333 20 25,27 Negativ 0,092229 0,325709 OD%: Optische Dichte; OD% ≥ 40: positives Testergebnis Laut dem SALMOTYPE® Pig Screen gelten Proben mit einer optischen Dichte (OD%) von ≥ 40 als positiv, wenn sie nach dem Vorbild der ersten Stufe des Dänischen und Deutschen Monitoringprogrammes für Salmonellen bewertet werden. 65 Ergebnisse Tabelle 8: Beurteilung laut dem SALMOTYPE® Pig Screen ELISA (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 260 Serum- und Fleischsaftproben (100 Seren, 160 Fleischsaftproben) Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 82% - (213) + 18% (47) Gesamt 260 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Bei den untersuchten Proben sind 18% im ELISA als positiv, das heißt mit einem OD%-Wert von ≥ 40, getestet worden (Tabelle 8). Zur Auswertung werden die absoluten ELISA-Werte verwendet, da diese in einer vergleichbaren Größenordnung wie die Microarray-Werte (0-0,8) liegen. Der ELISA-Grenzwert ist also ≥ 0,4. Betrachtet man die Wertepaare von ELISA und „Salm_Mix“-Spot in einem Punktdiagramm, so bekommt man einen ersten Eindruck über einen möglichen Zusammenhang. Die ELISA-Werte sind auf der x-Achse aufgetragen, die „Salm_Mix“-Spot-Werte auf der y-Achse (Abbildung 18, Abbildung 19). 66 Ergebnisse 0,9 0,8 0,7 Salm_Mix_025 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 ELISA Abbildung 18: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und der Salm_Mix_025-Spot-Ergebnisse In der Waagerechten sind die ELISA-Ergebnisse in OD% gegen die Microarray Ergebnisse des Salm_Mix_025 - Spots in der Senkrechten aufgetragen. Betrachtet man die Punkte, so lassen sich gewisse Zusammenhänge zwischen den Testergebnissen erkennen. 67 Ergebnisse 0,9 0,8 0,7 Salm_Mix_01 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 -0,1 ELISA Abbildung 19: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und der Salm_Mix_01 -Spot-Ergebnisse Weitere Erläuterungen siehe Abbildung 18 Es ist auf beiden Diagrammen zu erkennen, dass bei niedrigen ELISA-Werten auch die Arraywerte niedrig sind. Genauso findet man bei hohen ELISA-Werten auch hohe Arraywerte. Es ist ein sowohl für Salm_Mix_01 als auch für Salm_Mix_025 ein Zusammenhang zu den ELISA-Werten zu erkennen. Mit Hilfe der im Methodenteil beschriebenen ROC-Kurvenanalyse wurden die Microarraydaten im weiteren Vorgehen mit den ermittelten ELISA-Ergebnissen verglichen und beurteilt. Über diese Methode wurde auch ein Grenzwert („cut-off“) für den Microarrayspot mit der jeweiligen Antigenkonzentration ermittelt. 68 Ergebnisse ROC‐Kurve / Salm_Mix_025 / AUC=0,934 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 20: ROC-Analyse Salm_Mix_025 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Salm_Mix_25Spots mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Bei dem Spot Salm_Mix_025 liegt der errechnete optimale Grenzwert bei einem Schwärzungsgrad von 0,54. Die „Testqualität“ (AUC) beträgt 93,4%. Führt man die ROC-Analyse für den Spot Salm_Mix_01 durch, so erhält man folgendes Ergebnis: 69 Ergebnisse ROC‐Kurve / Salm_Mix_01 / AUC=0,883 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positiv Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 21: ROC-Analyse Salm_Mix_01 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Salm_Mix_01Spots mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Hier liegt der errechnete Grenzwert bei einem Schwärzungsgrad von 0,09, also erwartungsgemäß niedriger. Bei der „Testqualität“ gibt es aber nur geringe Unterschiede (am besten ersichtlich am Verlauf der ROC-Kurve). Die AUC hat hier einen Wert von 88,3%. Die Auswertung der Spots nach Bland-Altman führte zu folgendem Ergebnis: 70 Ergebnisse Bland und Altman Diagramm Differenz (Salm_Mix_025 - FLS/100) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 Mittelw ert (FLS/100 + Salm _Mix_025)/2 Schiefe Abbildung 22: KI Schiefe (95%) KI (95%) Bland-Altman Diagramm für Spot Salm_Mix_025 Auf der Waagerechten sind die Mittelwerte aus ELISA- und Microarrayergebnissen aufgetragen. Auf der Senkrechten befinden sich die Differenzen dieser Werte. Als Bewertungshilfe sind der Mittelwert der Differenzen, sowie das 95%-Konfidenzintervall (gestrichelte Linie angegeben). Betrachtet man die Punkteverteilung, so fällt auf, dass bis auf wenige Ausreißer alle Werte innerhalb des Konfidenzintervalls liegen. Bei Mittelwerten >0,6 fällt auf, dass die zugehörigeren Microarray-Werte einer Sättigung unterliegen. Bezieht man diese Tatsache in die Bewertung mit ein, lässt sich anhand der Bland-Altman-Analyse sagen, dass der Test zu zuverlässigen Ergebnissen führt. Abgesehen von wenigen Ausreißern befinden sich alle errechneten Werte in dem Konfidenzintervall von 95%. Dabei fällt auf, dass die Werte bis zu einem Mittelwert von ungefähr 0,6 in ihren Abweichungen recht symmetrisch um die Schiefe von 0,044 verteilt sind. Bei den Mittelwerten > 0,6 wird der Einfluss der frühen Sättigung der Array-Spots deutlich. Bezieht man diese Tatsache in die Bewertung mit ein, lässt sich anhand der Bland-Altman-Analyse sagen, dass der Test zu zuverlässigen Ergebnissen führt. Bei einem vermuteten linearen Zusammenhang ist die Regressionsanalyse nach Passing-Bablok sinnvoll. Aus der Auswertung des Spots Salm_Mix_025 ergibt sich das in Abbildung 23 dargestellte Bild. Auch hier wird das Problem der zu frühen Sättigung der Spots deutlich. Es ist eine Sättigung erreicht, wobei die ELISA-Werte 71 Ergebnisse weiter steigen. Das ist auch der Grund dafür, dass hier kein linearer Zusammenhang ermittelt werden kann. Betrachtet man hingegen die Auswertung des Spots Salm_Mix_01 (Abbildung 24) ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Hier folgen die Proben mit höherer Antikörperkonzentration dem linearen Verlauf. Regression von Salm_Mix_025 durch FLS/100 2,5 Salm_Mix_025 2 1,5 1 0,5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 -0,5 FLS/100 Abbildung 23: Regressionsanalyse nach Passing-Bablok für Spot Salm_Mix_025 Bei der Passing-Bablok-Analyse, der Testung auf einen linearen Zusammenhang zwischen ELISA-Ergebnissen und dem Salm_Mix_25-Spot lässt sich, wie auch in dem Bland-Altman-Diagramm ab einem ELISA-Wert von ca. 0,6 eine Sättingung des Arrays feststellen. Genauere Informationen zur Passing-Bablok-Analyse siehe Abb. 13. 72 Ergebnisse Regression von FLS/100 durch FLSSalm_Mix_01 2 1,5 FLS/100 1 0,5 0 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 -0,5 -1 FLSSalm_Mix_01 Abbildung 24: Regressionsanalyse nach Passing-Bablok für Spot Salm_Mix_01 Die Passing-Bablok-Analyse der Salm_Mix_01-Werte mit den ELISA-Werten ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Hier folgen die Proben mit höherer Antikörperkonzentration dem linearen Verlauf. Die Untersuchung der Fleischsäfte aus dem Salmonella Typhimurium- Infektionsversuch (BfR) wiesen alle starke Reaktionen an den entsprechenden Spots auf (Abbildung 25). Die Antikörper konnten mittels Microarray-Test bei allen Proben nachgewiesen werden. 73 Ergebnisse Abbildung 25: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung mit FLS 23 aus Salmonella Typhimurium-Infektionsversuch (BFR); (S. Typhimurium-Spots blau eingekreist, Positivkontrollen rot eingekreist) Das Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung eines Fleischsaftes (FLS 23) aus einem SalmonellaTyphimurium-Infektionsversuch des BFR gibt an den S.typhimurium-Spots Schwarzfärbungen wieder. Diese sind hier blau eingekreist. Zusätzlich sind die Positivkontrollen rot eingezeichnet. Die Dreifachspottung ist sehr gut zu erkennen. Es ist auch eindeutig das dreifache Spotten der spezifischen Antigene zu erkennen. Auffällig ist, dass auch bei den anderen Salmonellen-Serotypen leichte Reaktionen zu beobachten sind. Eine gewisse Kreuzreaktivität zwischen den SalmonellenSerovaren scheint daher gegeben zu sein. 74 Ergebnisse 4.2.1.2 Toxoplasma gondii Auf Antikörper gegen den Erreger der Toxoplasmose ist mit dem ELISA PIGTYPE Toxoplasma Ab (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) untersucht worden. Hier wurden insgesamt nur sehr wenig positive Fleischsaftproben nachgewiesen (Tabelle 9). Tabelle 9: Beurteilung laut PIGTYPE Toxoplasma Ab ELISA (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 160 Fleischsaftproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) - 96% (153) + 4% (7) 160 Gesamt +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Die für die Toxoplasmenuntersuchungen gewählten Antigenkonzentrationen auf dem Microarray waren 0,1µg/µl und 0,5µg/µl. Diese erwiesen sich nach ersten Auswertungen als zu hoch (siehe Abbildung 26), da es bereits sehr früh zu einer Schwärzung und damit Sättigung der Spots kam. Aus diesem Grund wurde in einer späteren Bespottung die Antigenkonzentration noch einmal halbiert und eine Konzentration von 0,05µg/µl gespottet. Das entstandene Punktdiagramm für den Spot Toxo01 (Antigenkonzentration 0,1µg/µl) zeigt deutlich, dass die Verteilung einer Sättigungskurve entspricht. 75 Ergebnisse 1 0,8 Toxo01 0,6 0,4 0,2 0 -0,1 0,4 0,9 1,4 1,9 -0,2 FLS ELISA Abbildung 26: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und Toxo01-SpotErgebnisse In der Waagerechten sind die ELISA-Ergebnisse gegen die Microarray Ergebnisse des Toxo_01 – Spots in der Senkrechten aufgetragen. Betrachtet man die Punkte, zeigt deutlich, dass die Verteilung einer Sättigungskurve entspricht. Der berechnete cut-off-Werte des PIGTYPE Toxoplasma Ab liegt im Bereich von 0,3. Bereits bei Ergebnissen von Proben mit OD-Werten von 0,15 im ELISA kommt es bei der Microarrayuntersuchung zu einer Sättigung des Spots mit der geringen Antigenkonzentration von 0,1µg/µl. Es ist jedoch zu erkennen, dass die im ELISA als positiv getesteten Proben alle auch im Microarray positiv getestet wurden. Somit ist der Test für einen Vergleich mit dem ELISA zu sensitiv eingestellt. Dementsprechend ergibt sich das folgende Ergebnis der ROC-Analyse. 76 Ergebnisse ROC‐Kurve / Toxo01 / AUC=0,991 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 27: ROC-Kurve Toxo01 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Toxo_01-Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Bei einem Grenzwert von 0,65 hat der Test eine Sensitivität von 100% und eine Spezifität von 95,4%. Die Bland-Altman-Analyse, dargestellt in Abbildung 28, bestätigte den Zusammenhang der frühen Sättigung der Spots. Ab einem Mittelwert von ca. 0,1 beginnen die ermittelten Differenzen ins Positive abzuweichen. Die Array-Werte steigen erst überproportional schnell an. Ab einem Mittelwert von ca. 0,4 fallen die Differenzen wieder. Die weiter steigenden ELISA-Werte führen bei konstant hohen Arraywerten schließlich zu einem Abfallen der Differenzwerte. 77 Ergebnisse Bland und Altman Diagramm 1 Differenz (Toxo01 - FLS ELISA) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 Mittelw ert (FLS ELISA + Toxo01)/2 Schiefe Abbildung 28: KI Schiefe (95%) KI (95%) Bland-Altman Diagramm für Toxo01 Die Bland-Altman-Analyse der Toxo01-Werte verglichen mit den ELISA-Werten bestätigt den Zusammenhang der frühen Sättigung der Spots. In einem Mittelwert-Bereich von ca. 0,1 bis 0,4 steigen die Arraywerte überproportional schnell an. Ab einem Mittelwert von ca. 0,4 fallen die Differenzen wieder. Da die ELISA-Werte weiter steigen kommt es bei konstant hohen Arraywerten schließlich zu einem Abfallen der Differenzwerte. Die Antigenkonzentration von 0,05µg/µl konnte dem Projektplan entsprechend erst mit Proben aus dem Feld untersucht werden. Obwohl hier keine seropositive Probe hinsichtlich Toxoplasma vorhanden war, fällt auf, dass erste Schwärzungen des Spots später auftreten (Abb. 29). 78 Ergebnisse 0,7 0,6 FLSToxo_005 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 -0,1 FLS ELISA Abbildung 29: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und Toxoplasma 0,05µg/µl In dem Punktdiagramm sind die ELISA-Werte gegen die Toxo_005 Werte aufgetragen. Da alle Proben im ELISA negative Ergebnisse haben, lässt sich lediglich eine positive Tendenz durch weniger schnell positiv reagierende Array-Spots als bei höheren Spotkonzentrationen feststellen. Bland und Altman Diagramm Differenz (FLSToxo_005 - FLS ELISA) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,05 -0,1 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 -0,2 Mittelw ert (FLS ELISA + FLSToxo_005)/2 Schiefe Abbildung 30: KI Schiefe (95%) KI (95%) Bland-Altman Diagramm für Toxoplasma 0,05µg/µl Das Diagramm liefert entsprechend der sehr niedrigen Werte gute Ergebnisse. Siehe auch Abb. 12. 79 Ergebnisse 4.2.1.3 Trichinella spp. In den ELISA-Untersuchungen waren alle Fleischsaftproben vom Schlachthof negativ auf Antikörper gegen Trichinella spiralis. Die produzierten Ergebnisse sollen im Folgenden dargestellt werden. Zur Untersuchung der Fleischsaftproben auf Trichinellenantikörper wurden für die Bespottung auf den Microarray zwei Antigene von Trichinella spiralis verwendet. Das mit „Trichinella-Spot 1“ bezeichnete Antigen war zum Untersuchungszeitpunkt bereits ca. 20 Monate alt. Es wurde in einer Konzentration von 0,126µg/µl auf den Microarray gespottet. Das mit „Trichinella-Spot 2“ bezeichnete war vor ca. 4 Monate hergestellt worden. Die Konzentration des Antigens betrug 0,4µg/µl. Gelagert wurden die Antigene bei 4-8°C bei der Fa. Alere Technologies (Jena, Deutschland). Tabelle 10: Bewertung der Ergebnisse nach PIGTYPE Trichinella Ab (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 108 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) - 96% (200) 4% + (8) 208 Gesamt +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Die acht positiven Ergebnisse stammen von Proben aus einem Infektionsversuch des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) konnten fünf Fleischsaftproben aus einem Infektionsversuch erworben werden. Zusätzlich wurden vom BfR drei Trichinella-positiv getestete Wildschweinfleischsaftproben bereitgestellt. 80 Ergebnisse Diese insgesamt acht Proben führten in den Microarrayuntersuchungen alle zu Spotschwärzungen an Trichinella Spot 1 und Trichinella Spot 2 (Tabelle 11). Tabelle 11: Ergebnisse der untersuchten positiven Fleischsaftproben Probennummer Fleischsaftprobe AntikörperMicroarray Microarray Titer 1 Schwein Trichinella Trichinella Spot 1 Spot 2 0,34083833 0,79514833 0,25589333 0,80648133 0,41689 0,79990367 0,15630233 0,80169733 0,72938967 0,83620667 1:8 0,52699 0,7973 1:16 0,601578 0,81505467 1:16 0,71218233 0,81896567 (BfR 1:64 Infektionsversuch) 2 Schwein (BfR >1:128 Infektionsversuch) 3 Schwein (BfR 1:32 Infektionsversuch) 4 Schwein (BfR >1:128 Infektionsversuch) 5 Schwein (BfR 1:64 Infektionsversuch) 6 Feldprobe Wildschwein 7 Feldprobe Wildschwein 8 Feldprobe Wildschwein Auffallend ist, dass in allen Ergebnissen die Trichinella Spots 2 einen höheren Schwärzungsgrad haben als die Trichinella Spots 1(Abb. 31). 81 Ergebnisse Abbildung 31: Microarraybild einer untersuchten Fleischsaftprobe aus einem Infektionsversuch mit Trichinella spiralis (BfR) Ergebnisbild einer Fleischsaftprobe mit Antikörpern gegen Trichinella spirals. Die Spots Trichinella Spot 1 sind grün umrandet. Trichinella Spot 2 ist gelb umrandet. Durch die Schwärzung der Spots ist eine eindeutig positive Reaktion erkennbar. Wertet man die Ergebnisse unter Einbeziehung der Referenzproben mittels einer ROC-Analyse aus, ergibt sich ein den Werten entsprechend gutes Bild. Der zur Auswertung verwendete Spot wird im Folgenden als Trichinella_neu bezeichnet, es handelt sich um Trichinella Spot 2. 82 Ergebnisse ROC‐Kurve / Trichinella_neu / AUC=1 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 32: ROC-Kurve Trichinella_neu In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Trichinella_neuSpot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Mit einer AUC von 1, sowie einer Sensitivität von 100% und Spezifität von 100% würde der Grenzwert mit 0,15 dem höchsten Arraywert einer negativen Fleischsaftprobe entsprechen. Auf eine weitere statistische Auswertung wird verzichtet. 83 Ergebnisse 4.2.1.4 Yersinia enterocolitica Die für die Untersuchung auf Yersinia enterocolitica-AK verwendeten Antigene wurden in Konzentrationen von 0,1µg/µl und 0,3µg/µl gespottet, da zum Zeitpunkt der Bestellung der Microarrays keine höher konzentrierten Ausgangslösungen bereitstanden. Im ELISA-Test „PIGTYPE®Yopscreen“ (Qiagen Leipzig, Leipzig, Deutschland) wurden Ergebnisse von negativ bis stark positiv gemessen. Insgesamt konnten ca. 30% der untersuchten Proben als positiv bewertet werden (Tabelle 12). Tabelle 12: Bewertung der Ergebnisse nach PIGTYPE®Yopscreen (Qiagen Leipzig GmbH. Leipzig, Deutschland) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) - 69,5% (139) + 30,5% (61) Gesamt 200 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Vergleicht man die Ergebnisse der Spots 0,1µg/µl (Yersinia_01) und 0,3µg/µl (Yersinia_03) in einem Punktdiagramm aufgetragen gegen die ELISA-Ergebnisse (siehe Abbildungen 33/34), so wird deutlich, dass die geringere Antigenkonzentration zu nicht befriedigenden Resultaten führt. Die im ELISA positiv getesteten Proben führen auf dem Microarray an Spot 0,1µg/µl nicht zu den gewünschten Bindungsreaktionen. 84 Ergebnisse 0,6 0,5 FLSYersinia_01 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 50 100 150 200 -0,1 ELISA FLS Abbildung 33: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen Yersinia_01 Aufgetragen sind die ELISA-Werte gegen die Microarray-Werte des Spots Yersinia_01. Zu erkennen ist eine sehr geringe Schwärzung der Arrayspots. Betrachtet man die Ergebnisse des Spots 0,3µg/µl im Vergleich zu den ELISAErgebnissen, so lassen sich hier Zusammenhänge erkennen. Die gewählte Antigenkonzentration liefert ein akzeptables Bild. 85 Ergebnisse 0,9 0,8 0,7 Yersinia_03 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 50 100 150 200 -0,1 ELISA FLS Abbildung 34: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen Yersinia_03 Im Vergleich zu des in Abb. 33 dargestellten Punktdiagrammes ist bei dem hier dargestellten Zusammenhang zwischen ELISA-Werten und Yersinia_03-Microarray-Werten zeigt einen Zusammenhang. Weitere Auswertungen in Abb. 35-37. Die folgenden statischen Auswertungen beziehen sich nur auf den Spot der Yersinien-Antigenkonzentration von 0,3µg/µl. Eine weitere Auswertung des Spots Yersinien 0,1µg/µl erscheint wenig sinnvoll. Die durchgeführte ROC-Analyse ergab das in Abbildung 35 dargestellte Ergebnis. 86 Ergebnisse ROC‐Kurve / Yersinia_03 / AUC=0,942 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positve Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 35: ROC-Analyse Yersinia_03 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Yersinia_03Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Die AUC für den Spot mit einer Antigenkonzentration von 0,3µg/µl betrug 0,94. Die Grenzwertoptimierung führte zu einem Grenzwert von 0,34. Die ermittelte Sensitivität beträgt 90% und die Spezifität 84,2%. 87 Ergebnisse Bland und Altman Diagramm Differenz (Yersinia_03mal2 - ELISA) 2 1,5 1 0,5 0 -0,2 0,3 0,8 1,3 1,8 -0,5 -1 Mittelw ert (ELISA + Yersinia_03m al2)/2 Schiefe Abbildung 36: KI Schiefe (95%) KI (95%) Bland-Altman Diagramm für Yersinia_03 Die Bland-Altman-Analyse der Yersinia_03-Werte verglichen mit den ELISA-Werten bestätigt den Zusammenhang der frühen Sättigung der Spots. Die Arraywerte steigen überproportional schnell an. Zur besseren Darstellung wurden die Microarray-Werte um den Faktor zwei erweitert. Bei einem Mittelwert von ca. 0,8 fallen die Differenzen wieder. Da die ELISA-Werte weiter steigen kommt es bei konstant hohen Arraywerten schließlich zu einem Abfallen der Differenzwerte. Wertepaare, die zu einem Mittelwert zwischen 0,55 und 0,9 gehören, liegen teilweise außerhalb des 95%-Konfidenzintervalls der Differenzen. Für Mittelwerte unter 0,55 bzw. über 0,9 befinden sich alle Werte im oben aufgeführten Konfidenzintervall. Hier wird deutlich, dass gerade im dynamischen Bereich des Testes die schlechteste Übereinstimmung besteht. Die negativen und eindeutig positiven Proben werden sehr sicher erkannt. 88 Ergebnisse Regression von Yersinia_03 durch ELISA 3 2,5 Yersinia_03 2 1,5 1 0,5 0 0 0,5 1 1,5 2 -0,5 -1 ELISA Abbildung 37: Passing-Bablok- Analyse für Yersinia_03 Die Passing-Bablok-Analyse (s. Abb. 13) lässt durch sehr früh erreichte Sättigung der Arrayspots keine ausreichende Aussage über einen linearen Zusammen zu. Die Darstellung der Regressionsanalyse nach Passing-Bablok zeigt keinen linearen Zusammenhang. Wie oben im Punktdiagramm deutlich wird, erreichen die Arraywerte recht früh einen Sättigungswert. Dieser verhindert einen linearen Zusammenhang der Werte. Betrachtet man alle hier aufgeführten Aspekte der Auswertung, so kann festgestellt werden, dass der Microarray zum Nachweis von Yersinia im Fleischsaft geeignet ist. 89 Ergebnisse 4.2.1.5 Hepatitis E-Virus Das aus dem Institut für Virologie zur Verfügung gestellte Antigen von Hepatitis EVirus lag in einer Höchstkonzentration von 0,16mg/ml vor. Diese Konzentration wurde gespottet und für die Vergleichsuntersuchung verwendet. Bei circa 25% der untersuchten Proben wurde im verwendeten ELISA PrioCHECK®HEV Ab porcine der Grenzwert überschritten (Tabelle 13). Tabelle 13: Bewertung der Ergebnisse nach PrioCHECK®HEV Ab porcine (Prionics Deutschland GmbH, Wolfratshausen, Deutschland) von 160 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 25% + (66) 75% - (194) Gesamt 260 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis 90 Ergebnisse 0,9 0,8 0,7 0,6 HEV_0,18µg/µl 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 FLS ELISA Abbildung 38: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen HEV_0,18µg/µl Das in Abb. 38 dargestellte Punktdiagramm ELISA- gegen HEV_0,18-Microarray-Werte lässt den Schluss zu, dass es bereits bei geringen ELISA-Reaktionen zu eindeutigen Spotschwärzungen kommt. Hier wird, vergleichbar zu den Erkenntnissen aus den Spotauswertungen für Toxoplasma, deutlich, dass bereits bei geringen ELISA-Reaktionen deutliche Schwärzungen an dem Microarrayspot entstehen. Der Microarraytest scheint also sensitiver zu sein als der ELISA. Für eine bessere Vergleichbarkeit ist auch hier eine geringere Antigenkonzentration zu wählen. 91 Ergebnisse In der weiteren Analyse ergab sich folgende ROC-Kurve: ROC‐Kurve / ARRAY / AUC=0,957 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 39: ROC-Kurve HEV_0,18µg/µl In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den HEV_0,18-Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Die AUC von 0,957 spricht für eine sehr gute Testqualität. Die Sensitivität von 97% und einer Spezifität von 88% hat der Test bei einem ermittelten Grenzwert von 0,59. Mit Wahl einer geringeren Antigenkonzentration sollte der berechnete Grenzwert ebenfalls sinken. Untersucht man die ermittelten Werte der Untersuchungen auf Hepatitis E-Virus mittels Bland-Altman-Analyse ergibt sich folgendes Bild: 92 Ergebnisse Abbildung 40: Bland-Altmann Diagramm für HEV_0,18µg/µl Das in Abb. 40 dargestellte Diagramm nach Bland-Altman zeigt zunächst schneller steigende Arraywerte im Vergleich zu den ELISA-Werten. An einem Umkehrpunkt bei einem Mittelwert von ca. 0,5 (nährere Informationen siehe Abb. 12) ist der Microarray gesättigt, der ELISA noch nicht. Zuerst steigen die Arraywerte stärker an als die ELISA-Werte. Bei einem Mittelwert ((Arraywert + ELISA Wert)/ 2) von ca. 0,5 steigen diese langsamer an bis bei höheren Antikörper-Konzentration ELISA-Werte deutlich größer sind als die des Arrays. Auf Grund der frühen Sättigung der Arrayspots kommt es nicht zu einem linearen Zusammenhang der Wertepaare. Deshalb wird auf eine lineare Regressionsanalyse verzichtet. 93 Ergebnisse 4.2.2 Tiergesundheitsrelevante Erreger 4.2.2.1 Influenza A Für den Vergleich zwischen Influenza A-Virus Antikörpernachweisen in Fleischsaftproben ermittelt mit dem Influenza A-Virus Antibody Test Kit (Fa. IDEXX Laboratories, Westbrook, Maine, USA) wurden auf den Microarray Influenza AAntigen in den Konzentrationen 0,2mg/ml und 0,4 mg/ml aufgebracht. Insgesamt ergab die ELISA-Untersuchung folgende Verteilung: Tabelle 14: Bewertung der Ergebnisse nach Influenza A-Virus Antibody Test Kit (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 18% (36) - 82% + (164) Gesamt 200 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Die aufgebrachten Konzentrationen des Antigens reagierten sehr unterschiedlich auf die Proben. So waren am Spot 0,2µg/µl (SIV_02) kaum Bindungsreaktionen zu beobachten, am Spot 0,4µg/µl (SIV_04) verhältnismäßig zu viele. Die in Abbildung 41 und Abbildung 42 dargestellten Punktdiagramme verdeutlichen diesen Zusammenhang. 94 Ergebnisse 0,7 0,6 0,5 SIV_02 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 -0,1 FLS ELISA Abbildung 41: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen SIV_02 Die Punkte des in Abb. 41 dargestellten Diagrammes zeigen sehr schwache Bindungsreaktionen zwischen Microarray und zugehörigem ELISA. 0,9 0,8 0,7 0,6 SIV_04 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 -0,1 FLS ELISA Abbildung 42: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen SIV_04 Hier sind deutlche Reaktionen des Microarras zu sehen. Allerdings ist ein eindeutiger Zusammenhang zu den ELISA-Ergebnissen fragwürdig 95 Ergebnisse Die Grenzwertoptimierung über ROC-Kurvenanalyse ergab eine Testsicherheit von 0,731 für die geringere Konzentration bzw. 0,663 für die höhere. ROC‐Kurve / SIV_02 / AUC=0,731 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positiv Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 43: ROC-Kurve SIV_02 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den SIV_02-Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. 96 Ergebnisse ROC‐Kurve / SIV_04 / AUC=0,663 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positiv Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 44: ROC-Kurve SIV_04 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den SIV_04-Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Betrachtet man die ermittelten Grenzwerte, so fällt auf, dass der Grenzwert für die niedrigere Konzentration an Influenza A-Antigen bei 0,039 liegt, was eindeutig zu niedrig ist. Der Grenzwert für die höhere Konzentration an Influenza A-Antigen liegt bei 0,78, was oberhalb des dynamischen Bereiches liegt. Für eine weitere Optimierung des Grenzwerts müsste die Konzentration des Influenza A-Antigens zwischen den getesteten liegen. Dieses deckt sich mit den Eindrücken aus den Punktdiagrammen. Aus diesem Grund wird auch hier auf eine weitere Auswertung der Ergebnisse verzichtet. 97 Ergebnisse 4.2.2.2 Mycoplasma hyopneumoniae Die Untersuchung auf Antikörper gegen Mycoplasma hyopneumoniae wurde mit dem ELISA IDEXX M. hyo. Ab Test (Fa. IDEXX Laboratories, Westbrook, Maine, USA) durchgeführt. Es ergab sich folgendes Ergebnisbild im ELISA: Tabelle 15: Bewertung der Ergebnisse nach Influenza A Virus Antibody Test Kit (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 18% (36) - 82% + (164) Gesamt 200 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Dieses Ergebnis entspricht der erwartet hohen Durchseuchung durch Mycoplasma hyopneumoniae. Eine Validierung der Ergebnisse des Microarrays, auf welchen zwei Stämme von Mycoplasma hyopneumoniae separat gespottet wurden, ergab keine erkennbaren Zusammenhänge, da es in allen Fällen zu unspezifischen Bindungsreaktionen auf dem Microarray gekommen ist. Ein Zusammenhang zwischen den ELISA-Werten (Mhyo S/P(1)) und den Mhyo232_1 –Werten kann nicht festgestellt werden, da alle Mhyo232_1 –Werte 98 Ergebnisse unabhängig von den Mhyo S/P(1) –Werten zwischen 0,7 und 0,81 liegen (selbst die beiden „Ausreißer“ liegen bei 0,66 bzw. 0,68). Auch ein entsprechendes Punktdiagramm mit Mhyo S/P(1) und Mhyo7_1 –Werten weist nicht auf einen Zusammenhang zwischen diesen Werten hin, da auch hier die Mhyo7_1-Werte unabhängig von den Mhyo S/P(1)-Werten im Wesentlichen zwischen 0,7 und 0,8 liegen. Die Punktdiagramme in Abbildung 45 und Abbildung 46 verdeutlichen die unspezifischen Bindungsreaktionen der Arrayspots. 0,9 0,8 Mhyo7_1 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Mhyo S/P(1) Abbildung 45: Punktdiagramm Mhyo7_1 und ELISA (Mhyo S/P (1)) Das Punktdiagramm zwischen Mhyo7_1-Ergebnis des Microarrays verglichen mit dem ELISAErgebnis weist auf unspezifische Bindungen hin. 99 Ergebnisse 0,9 0,8 Mhyo232_1 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Mhyo S/P(1) Abbildung 46: Punktdiagramm Mhyo232_1 gegen ELISA (Mhyo S/P (1)) Dargestellt ist der Zusammenhang zwischen Mhyo232_1 und ELISA-Test. Es scheint zu unspezifischen Bindungsreaktionen zu kommen. Die AUC von 0,53, dargestellt in Abbildung 47, lässt auf einen Zufallsprozess schließen. 100 Ergebnisse ROC‐Kurve / Mhyo7_1 / AUC=0,530 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 47: ROC-Kurve Mhyo7_1 In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Mhyo7_1-Spot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Auf eine weitere Untersuchung der Ergebnisse wird auf Grund des unzureichenden Zusammenhangs zwischen den beiden Testsystemen verzichtet. 4.2.2.3 Actinobacillus pleuropneumoniae Bei dem für die Vergleichsuntersuchung verwendeten ELISA handelt es sich um den ID Screen® APP Screening Indirect (Fa. IDvet Innovative Diagnostics, Grabels, France). Mit diesem Test können Antikörper nachgewiesen werden. 101 gegen die Serotypen 1-12 Ergebnisse Tabelle 16: Bewertung der Ergebnisse nach ID Screen® APP Screening Indirect (ID Vet, Grabels, Frankreich) Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 52% + (104) 48% - (96) Gesamt 200 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Auf dem Microarray wurden einzelne Serotypen gespottet. In Konzentrationen von 0,1µg/µl und 0,5µg/µl wurden zur Testung die Serotypen 2, 7, 8 und 9 aufgetragen. Um eine einigermaßen gute Vergleichsmöglichkeit mit dem Testsystem ELISA zu schaffen, wurde jeweils die Summe der gemessenen Spotintensitäten für die Konzentration 0,1µg/µl und 0,5µg/µl und gebildet und zur Berechnung herangezogen, im Folgenden als „Summe APP“ bezeichnet: Beispiel: Zum Vergleich ermitteltes ELISA-Ergebnis dieser Probe: 0,55 Spot 0,1µg/µl Serotyp 2 Serotyp 7 Serotyp 8 Serotyp 9 0,471292 0,046914 0,029829 0,048232 0,59626633 102 Ergebnisse Diese Summenwerte wurden mit den ELISA-Werten verglichen. In Abbildung 48 sind die Werte in einem Punktdiagramm gegeneinander aufgetragen. 3 2,5 Summe APP 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 ELISA Abbildung 48: Punktdiagramm Summe APP gegen ELISA Die hier dargestellten Wertepaare bilden eine relativ große Punktewolke. Eine Aussage über einen Zusammenhang ist fraglich. In der ROC-Analyse stellte sich folgendes Bild in Abbildung dar: 103 Ergebnisse ROC‐Kurve / Summe APP / AUC=0,603 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positiv Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 49: ROC-Kurve Summe APP In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den Summe APPSpot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Mit einer Sensitivität von 45% und einer Spezifität von 83% bei einem optimierten Grenzwert von 0,78 kann davon ausgegangen werden, dass die Antigene nur bedingt geeignet sind um APP-Antikörper zu detektieren. Vielmehr scheint es zu unspezifischen Bindungen zu kommen. Die weiterführenden statistischen Untersuchungen interpretationswürdigen Ergebnissen. 104 führten zu keinen Ergebnisse 4.2.2.4 PRRSV Die Untersuchung der auf PRRSV-Antikörper wurde mit dem Test IDEXX PRRS X3 Ab Test (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) durchgeführt. Tabelle 17: Bewertung der Ergebnisse nach IDEXX PRRS X3 Ab Test (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Bewertung Häufigkeit ELISA (n) 81% + (162) 19% - (38) Gesamt 200 +: Positives Testergebnis -: Negatives Testergebnis Dieser Test arbeitet mit polyvalenten Antigenen von PRRSV. Da es von Interesse ist auch die Serotypen unterscheiden zu können, wurden auf den Microarray PRRSVEU-Ag und PRRSV-US-Ag aufgetragen. Wie bei den Salmonellen-Antigene wurde zur Vergleichbarkeit auch hier ein PRRSVMix-Spot gespottet mit gleichen Anteilen der Testsicherheitsberechnung herangezogen werden. 105 Serotypen. Dieser soll zur Ergebnisse ROC‐Kurve / PRRSV‐MIX / AUC=0,913 1 0,9 Echt‐positive Rate (Sensitivität) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Falsch‐positive Rate (1 ‐ Spezifizität) Abbildung 50: ROC-Kurve PRRSV-Mix In der hier dargestellten ROC-Analyse wurden die Ergebnisse der Testungen für den PRRSV-MixSpot mit Hilfe des Goldstandards „ELISA“ ausgewertet. Siehe auch Abb. 11. Bei einem Grenzwert von 0,36 hat die Microarrayuntersuchung eine Sensitivität von 92,5% und eine Spezifität von 90,5%. Betrachtet man die gewonnenen Ergebnisse in der Untersuchung nach BlandAltman, so ergibt sich folgender in Abbildung 51 dargestellter Zusammenhang. 106 Ergebnisse B land und Altm an Diag ram m 2 Differen z (A rrayMix ‐ E L IS A ) 1 0 0 0,5 1,5 2 2,5 3 -1 -2 -3 -4 -5 Mitte lw e rt (EL IS A + A rrayMix)/2 S c hiefe Abbildung 51: 1 K I S c hiefe (95% ) K I (95% ) Bland-Altman Diagramm für PRRSV-MIX Hier ist das Bland-Altman Diagramm für PRRSV-MIX gegebn den ELISA dargestellt. Auf Grund verhältnismäßig zu großer ELISA-Werte verzehrt sich das Ergebnis und ist so nicht auszuwerten. Weitere Maßnahmen zur Ermöglichung der Auswertung siehe folgende Abb. Hier fällt auf, dass sie Differenzen zwar im 95%-Konfidenzintervall liegen, jedoch der ELISA-Wert i.A. größer ist als der Array-Wert. Der Maximalwert beim Array-Test ist 0,83, der vom ELISA-Test 4,48. Da der Messbereich des Microarraytestsystems i.W. zwischen 0 und 0,8 liegt, der der verschiedenen ELISAs aber variiert, liegt der Mittelwert der Differenzen in der Regel nicht bei „Null“. Um diese Situation entsprechend anzupassen, kann man die ELISA-Werte transformieren. Transformiert man die Elisa-Werte, indem man sie durch den Quotienten der Maximalwerte dividiert, so erhält man folgendes Diagramm: 107 Ergebnisse Bland und Altman Diagramm 1 Differenz (ArrayMix - Elisa/5,4) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 -0,4 -0,6 -0,8 Mittelw ert (Elisa/5,4 + ArrayMix)/2 Schiefe Abbildung 52: KI Schiefe (95%) KI (95%) Bland-Altman Diagramm mit angepassten Werten Die ELISA-Werte wurden transformiert (in einen Wertebereich zwischen 0 und 1 gebracht). Dadurch ergibt sich ein erkennbarer Zusammenhang der Werte (siehe auch Abb. 12). Hier wird deutlich, dass es für eine Beurteilung eines Testergebnisses günstig ist, wenn die Wertebereiche beider Messungen übereinstimmen. Man würde in diesem Fall die Hypothese, dass die Differenz zwischen den Mittelwerten Null ist, auf einem Signifikanzniveau von α = 0,05 beibehalten. Die Array-Werte erfassen also den Sachverhalt. Die Analyse nach Passing-Bablok (Abbildung 53) führt zu dem Ergebnis, dass der Zusammenhang zwischen ELISA- und Array-Werten nicht problemlos linear ist. Hier spielt die Sättigung des Microarrays bei ca. 0,8 eine Rolle. Des Weiteren streuen die Werte zu sehr um einer Linearität zu genügen. 108 Ergebnisse Regression von ArrayMix durch ELISA 7 6 5 ArrayMix 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 -1 ELISA Abbildung 53: Passing Bablok für den Spot PRRSV-MIX Die Darstellung der Passing-Bablok-Analyse zeigt einen nicht eindeutigen linearen Zusammenhang. Die Sättigung des Microarrays bei ca. halber „ELISA-Sättigung“ führt zu einer Sättigungskurve. Des Weiteren streuen die Werte zu sehr um einer Linearität zu genügen. 109 Diskussion 5 Diskussion 5.1 Der Arbeitsplan Bei der Entwicklung und Validierung des neuen Testsystems „Protein-Microarray für Schweine“ handelte es sich um einen iterativen Prozess. Nach einer ausführlichen Literaturrecherche wurden entsprechende Testmaterialien akquiriert. Dazu gehörten neben dem Protein-Microarray selbst auch spezifische Antigene und Reagenzien zur Durchführung des Testes. Um die Untersuchungen nach wissenschaftlichem Standard durchführen zu können, war ein geeignetes Labor mit entsprechender Ausrüstung notwendig. Des Weiteren mussten die zur Auswertung benötigte Hard- und Software zur Verfügung stehen. Die Aufstellung eines Testablaufs mit neu hinzugefügten bzw. ausgetauschten Testreagenzien, der zu optimierten Ergebnissen mit den ausgewählten Reagenzien führt, war der nächste Schritt des aufgestellten Arbeitsplans. Als konstant auszuwertende Ergebnisse produziert werden konnten, begann die nächste Stufe der Validierung: Der Vergleich mit einem etablierten Testsystem. In diesem Fall wurde auf den routinemäßig häufig eingesetzten ELISA als Goldstandard zurückgegriffen. In Fällen in denen der alternative Test sensitiver als der Goldstandard ist, erscheint dies als verminderte diagnostische Spezifität. Ist der alternative Test spezifischer als der Goldstandard, erscheint dies als verminderte diagnostische Sensitivität (CONRATHS 2005). Die Wahl eines Goldstandards muss daher immer auch kritisch betrachtet werden. 110 Diskussion 5.2 Auswahl der Erreger Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, Antikörper verschiedener relevanter „schweinespezifischer“ sowie zoonotischer Erreger in dem Untersuchungsmedium Fleischsaft nachzuweisen. Laut der „scientific opinion“ der EFSA stellen vor allem Salmonellen, Trichinen, Toxoplasmen, Yersinien eine zoonotische Gefahr dar (EFSA 2011b). Zusätzlich wurde HEV hinzugenommen, ein Erreger der durch die starke Durchseuchung in der Schweinepopulation (BÄCHLEIN 2011) mit humanpathogenen Stämmen ein zoonotisches Potenzial aufweist. Bei den tiergesundheitlich relevanten Erregern wurde bei der Auswahl auf das Erregerspektrum der Tiergesundheitsüberwachungssysteme geschaut. Mit Influenza A Virus handelt es sich um einen weit verbreiteten Erreger, der immer wieder für Leistungseinbußen auf allen Ebenen der Schweinehaltung verantwortlich ist. Informationen über das Vorkommen von Mycoplasma hyopneumoniae, Actinobacillus pleuropneumoniae und PRRSV ist für den Landwirt in Bezug auf Impfstrategien von großer Bedeutung. 5.3 Akquirierung der Materialien Besonders wichtig war die Auswahl geeigneter Antigene, die auf den Microarray gespottet werden sollten. Durch die Unterstützung der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland), welche als ELISA-Testentwickler und –anbieter erfahren in der Verwendung und Auswahl von Antigenen für indirekte Erregernachweise sind, konnten Antigene der Erreger Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Trichinella spiralis, Toxoplasma gondii und PRRSV akquiriert werden. Genauere Informationen über die Antigene wurden aus schutzrechtlichen Gründen von den Testherstellern nicht weitergegeben. Aus von Frau Dr. Bächlein, Institut für Virologie der Stiftung Tierärztliche Hochschule, konnte ein durch ihre Arbeitsgruppe entwickeltes, produziertes und vorgetestetes HEV-Antigen für die Studie gewonnen werden 111 Diskussion (BÄCHLEIN et al. 2013). Antigene von Mycoplasma-hyopneumoniae-Stämmen wurden unter Mithilfe von Dr. Spergser (Uni Wien), Antigene verschiedener Actinobacillus-pleuropneumoniae-Serotypen Epidemiologie der TiHo Hannover innerhalb durch der Inaktivierung Außenstelle von für kultivierten Referenzstämmen gewonnen werden. Als problematisch erwies sich gerade bei den selbst akquirierten die Spezifität der Antigene. Hier ergaben sich im Vergleich zu den „bewährten“ Antigenen vermehrt falsch positive Arrayergebnisse. Der als Testgefäß verwendete MicroarrayTube wird von der Fa. Alere Technologies (Jena, Deutschland) serienmäßig hergestellt. Durch Platzierung einer individuell nach gewünschtem Layout bespotteten Glasplatte der Größe 3 x 3mm können verschiedene Tests hergestellt werden. Da das System bereits seit Jahren in der Humanmedizin Verwendung findet, ist der Herstellungsprozess ausgereift. Die innerhalb einer Charge hergestellten Microarray-Chips waren identisch. Bei der Akquirierung und Testung der Reagenzien war ein „try-and-error“-Verfahren unerlässlich. So wurden nach und nach geeignete Waschpuffer, Verdünnungspuffer, Konjugate etc. für einen letztendlich zufriedenstellend funktionierenden Test zusammengestellt. 5.4 Entwicklung des Testablaufes Die Durchführung eines indirekten nicht kompetitiven ELISA-Tests diente als Grundlage für die Entwicklung eines Testablaufs für die Microarrayuntersuchungen. Wie schon von EKINS (1989) beschrieben, kann der Ablauf eines „multianalytischen Immunassays“ ähnlich dem des ELISA-Tests gesehen werden. Auch in Untersuchungen von HAAS et al. (2001) wurden die Microarray-Versuche zur Antikörper-Detektion entsprechend dem ELISA-Test mit Probe, Konjugat und Substrat durchgeführt. Insgesamt wurden Arbeitsschritt benötigt. 112 60 Microarray-Chips für diesen Diskussion 5.5 Validierung anhand von ELISA-Werten Die Diskussion zu den Validierungsergebnissen soll Erreger für Erreger erfolgen, da diese unabhängig voneinander zu betrachten sind. 5.5.1 Salmonella spp. Die stichprobenartige Untersuchung auf Salmonellen-Antikörper ist gesetzlich vorgeschrieben und wird routinemäßig in Deutschland durchgeführt. Die dazu zugelassenen Tests unterscheiden nicht zwischen den einzelnen SalmonellenSerotypen. Innerhalb der Microarrayuntersuchungen wurde versucht, Antikörper gegen die Serotypen Salmonella Typhimurium, Salmonella Cholerasuis, Salmonella Enteritidis und Salmonella Agona einzeln zu detektieren. Bisher ist es noch sehr schwierig zwischen den einzelnen Serotypen auf Grund sehr vieler Kreuzreaktionen zu differenzieren. Für fortschreitende Überwachung ist nach DAHL (2012) eine bessere Unterscheidung der verschiedenen Salmonellenarten erstrebenswert. Zur Validierung wurde ein „Salmonellen-Mix-Spot“ (Mischung von LPS-Antigenen von Salmonella Typhimurium, Salmonella Cholerasuis, Salmonella Enteritidis und Salmonella Agona) zusätzlich hinzugefügt, welcher zu gleichen Teilen aus den oben genannten Serotypen besteht. Über die genaue Zusammensetzung des zum Vergleich verwendeten „SALMOTYPE®Pig Screen” der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) ist lediglich nur bekannt, dass es sich um eine Mischung der Serotypen handelt (ANONYMUS 2013a). Untersucht wurden die Konzentrationen 0,1µmol/µl und 0,25mol/µl. Dabei ließ sich schnell erkennen, dass es Zusammenhänge in den Ergebnissen gibt. Die Untersuchungen mittels ROC-Analyse ergaben für den Salm_Mix_025-Spot einen erwartungsgemäß höheren Grenzwert als für den Salm_Mix_01-Spot. Die Antigenkonzentration sollte optimaler Weise so eingestellt werden, dass der letztendlich entstehende Grenzwert für eine Positiv-/Negativ-Entscheidung im 113 Diskussion dynamischen Bereich des Tests liegt. Das heißt, der Grenzwert sollte in einem Bereich liegen, in dem die Änderung der Antikörperkonzentration eine signifikante Änderung der Werte und damit des entstehenden Signals bewirkt. Der Spot Salm_Mix_025 ist demnach vorzuziehen. Auf Grund der Proben aus dem Infektionsversuch des BfR, in dem Schweine mit S. Typhimurium infiziert worden sind, war es möglich, auf die Reaktionen des S.Typhimurium-Spots zu schauen. Hier zeigte sich, wie in Abbildung 26 dargestellt, dass sich in gewissem Umfang eine serotypspezifische Bindung darstellen lässt. 5.5.2 Toxoplasma gondii Betrachtet man die Microarrayergebnisse, so fällt auf, dass sehr sensitiv getestet wird. Proben, welche im ELISA reagieren, aber noch nicht als positiv zu bewerten sind, erzeugen in den Microarrayuntersuchungen bereits eine Sättigung des Spots. Um das Testsystem besser an die ELISA-Ergebnisse anzupassen, sollte die Antigenkonzentration weiter verringert werden. Die ersten Eindrücke mit einer niedrigeren Konzentration, wie in Abbildung 30 erkennbar, sind vielversprechend und sollten bei einer erneuten Chargenherstellung berücksichtigt werden. 5.5.3 Trichinella spp. Die Validierung des Tests für Trichinella spiralis lieferte ebenfalls sehr gute Ergebnisse. Von den untersuchten Proben vom Schlachthof war keine positiv. Diese Ergebnisse decken sich mit den Ergebnissen der ELISA-Untersuchung. Die vom BfR zur Verfügung gestellten Proben aus einem Infektionsversuch, sowie fünf vom BfR als positiv bestätigte Wildschweinproben, führten in den Microarrayuntersuchungen zu deutlichen Schwärzungen. Es ist eindeutig, dass mittels des Microarraytests Antikörper gegen Trichinella spiralis detektiert werden können. Durch die starken 114 Diskussion Schwärzungen, auch bei Proben mit geringen Antikörpertitern, lässt sich sagen, dass der Test, durchgeführt mit den gewählten Antigenkonzentrationen sehr sensitiv arbeitet. Auch wenn anhand der geringen Stichprobe nicht abschließend ausgeschlossen werden kann, dass es zu Kreuzreaktionen z.B. mit Antikörpern gegen Kryptosporidien kommen kann, zeigen die Ergebnisse der 260 auf Antikörper gegen Trichinella voruntersuchten negativen Serum – und Fleischsaftproben keinerlei Schwärzungen. Damit scheint das Risiko einer Kreuzreaktion gering zu sein. Derzeit wird der Verdauungsmethode direkte Erregernachweis durchgeführt. Die über Larvendetektion serologische mit Untersuchung der bietet nachweislich eine höhere Sensitivität als der direkte Nachweis (GROSS et al. 2012). Der Microarray liefert diesen höheren Sensitivitätsstandard ebenfalls. 5.5.4 Yersinia enterocolitica Die Untersuchungen für die Yersinien zeigen deutlich, wie entscheidend die Wahl einer geeigneten Antigenkonzentration für die Spots ist. Bei einer Konzentration von 0,1µmol/µl entstehen kaum Bindungen. Die dreifache Konzentration des Antigens liefert Ergebnisse, die mit einer Testsicherheit von über 90% sehr nah an die Goldstandard-Werte des ELISAs herankommen. Die Möglichkeit einer Kreuzreaktion mit Antikörpern gegen andere Erreger erscheint auf Grund der hohen Testübereinstimmung zwischen dem zugelassenen ELISA und dem Microarray gering. Wie von der EFSA im Jahr 2011 beschrieben, bietet die multiserologische Untersuchung ein adäquates Mittel auch die Yersinien in ein Monitoring einzubeziehen. Der direkte Erregernachweis aus Tonsillengewebe stellt dagegen ein wenig sensitives Mittel dar. Hier wäre eine molekularbiologische Absicherung notwendig (FREDERIKSSON-AHOMAA u. KORKEALA 2003). Da sich der Erreger auch bei kalten Temperaturen vermehrt (BERCOVIER u. MOLLARET 1984), ist die 115 Diskussion Überwachung dieser Zoonose wichtig und kann z.B. bei der Weiterverarbeitung des Schlachttieres zu Roh- oder Kochwurst eine Rolle spielen. 5.5.5 Hepatitis E-Virus In den letzten Jahren ist die Übertragung des Hepatitis E-Virus durch den Verzehr von rohen Schlachtprodukten immer mehr in den Fokus gerückt. Die Validierung mit Hilfe eines spezifischen Antigens (BÄCHLEIN et al. 2013) für die Detektion von Hepatitis E-Antikörper in Fleischsaft ergab eine Testsicherheit des Microarraytest von über 90 %. Damit ist es möglich auch für die Zoonose Hepatitis E in der multiserologischen Untersuchung Antikörper aus Fleischsaft zu detektieren. Die in der Studie ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der Microarray eine zu frühe Sättigung der Spots liefert (Abbildung 39). Entsprechend hoch ist die Sensitivität mit üner 95 %. Ist eine sehr hohe Sensitivität gewünscht, kann die aufgebrachte Antigenkonzentration beibehalten werden. Bei der Bewertung des Tests sollten die Einflüsse der Sensitivität und Spezifität des Goldstandard in Bezug auf die diagnostische Qualität (CONRATHS 2005) nicht außer Acht gelassen werden. Um den Arraytest besser an den ELISA anzugleichen, müsste die Antigenkonzentration nach unten korrigiert werden. 5.5.6 Influenza A Die beim Schwein häufig zu findenden Influenza A-Subtypen H1N1, H1N2 und H3N2 bzw. deren entsprechende Antikörper wurden innerhalb der Studie mit einem ELISATest untersucht, welcher subtypenübergreifend auf Antikörper gegen Influenza AVirus testet. Entsprechend dieses Testes wurden auf dem Microarray Influenza A-Antigenspots getestet. Die Ergebnisse, in Kapitel 4.2.1.1 ausgeführt, weisen darauf hin, dass in einem Fall eine zu niedrige, in dem anderen eine zu hohe Konzentration an Antigen aufgebracht 116 Diskussion wurde. Die Testsicherheit von unter 75 % ließe sich durch die Wahl einer mittleren Konzentration sehr wahrscheinlich verbessern. Die bestehende Dynamik in der Veränderung der Oberflächenantigene von Influenza A-Viren (BHATT et al. 2013) sollte bei der Beurteilung der Ergebnisse mit einbezogen werden. Daher ist es entscheidend für eine korrekte Detektion von Influenza A oder sogar der einzelnen Subtypen geeignete Antigene benutzen zu können. 5.5.7 Mycoplasma hyopneumoniae Für die Untersuchung auf Antikörper gegen Mycoplasma hyopneumoniae wurden zwei Stämme für die Arrayvalidierung verwendet. Leider muss es in beiden Fällen zu unspezifischen Bindungsreaktionen auf dem Chip gekommen sein. Dies ist dadurch begründet, dass es in nahezu allen Fällen zu Schwärzungen der entsprechenden Spots kam. Daraus resultierend ist die unbefriedigende Testsicherheit von ca. 50 % gegenüber dem zugelassenen ELISA-Test. Es müssen andere, spezifischere Antigene von Mycoplasma hyopneumoniae gespottet werden, als die hier verwendeten nativen Antigene, um bessere Ergebnisse zu erhalten. 5.5.8 Actinobacillus pleuropneumoniae Innerhalb der Studie wurde das Vorhandensein von Actinobacillus- pleuropneumoniae-Antikörper in Fleischsaft- und Serumproben getestet. Der verwendete ELISA basierte auf LPS-Antigenen, also auf Antigenen, welche nicht serotypspezifisch auf allen APP- Stämmen nachzuweisen sind. Bei den Untersuchungen waren ca. 50 % der Proben positiv (Tabelle 16). Die Arrayergebnisse waren im Vergleich mit den ELISA-Ergebnissen nicht zufriedenstellend. Es ergab sich lediglich eine Testsicherheit von 60% (Abbildung 117 Diskussion 49). Dabei wurden vier Serotypen, welche in Deutschland häufig vorkommen (STRUTZBERG-MINDER 2008), aufsummiert und so mit dem ELISA verglichen. Die Tatsache, dass es deutlich mehr positive Proben im Microarray gab, lässt auch für Actinobacillus pleuropneumoniae auf unspezifische Bindungsreaktionen schließen. Hier müssen besser geeignete Antigene ausgetestet werden. 5.5.9 PRRSV Bei der Untersuchung der Proben auf PRRSV-Antikörper wurden im ELISA ca. 80% der Proben positiv getestet (Tabelle 17). Bei der Validierung des Microarray ergab sich eine Testsicherheit von knapp über 90 % (Abbildung 50). Der PRRSV-Mix-Spot beschreibt den in den ELISAUntersuchungen festgestellten Sachverhalt besser als die einzeln aufgebrachten EUund US-Typen des PRRSV-Virus. Zum Zeitpunkt der Studie waren zwei ELISA-Tests der Fa. Analytik Jena AG. Die beiden neuen ELISAs ermöglichen zusätzlich die Differenzierung zwischen PRRSV-Typ I (Europa-Typ) und Typ II (Nordamerika-Typ). 5.6 Grenzen und Erweiterungsmöglichkeiten Eine Herausforderung war es, für mehrere Erreger eine einheitliche Testdurchführung zu erarbeiten. Bei einer Erweiterung des Testes um zusätzliche Erreger müssten diese an dem bestehenden, für sechs Erreger funktionierenden Testablauf angepasst werden. Aufgrund der aktuellen Bemühungen von der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) die Testsubstanzen der von ihnen vertriebenen ELISA-Testsysteme zu vereinheitlichen, waren einige der verwendeten Antigene weitgehend auf einen gleichbleibenden Ablauf abgestimmt. Da mit einem Konjugat gearbeitet wird, welches an Immunoglobulin G bindet, können auch lediglich diese Antikörper (IgG) nachgewiesen werden. 118 Diskussion Der Nachweis eines akuten Krankheitsgeschehens ist auf diese Weise nicht möglich (TIZARD 1992). Im Durchschnitt dauert es drei Wochen bis ein nachweisbar hoher Titer an Antikörpern des Typs Immunoglobulin G vorhanden ist (Kapitel 2.3 und Kapitel 2.7). Für die Validierung des Microarrays wurden innerhalb der verwendeten Microarraychargen zwischen 27 und 44 verschiedene Spots dreifach auf die Mircoarrayplatte gespottet, darunter auch Positiv- und Negativkontrollen. Damit befanden sich im Maximum 132 Spots auf einem Microarray. Innerhalb der Studie wurden verschiedene Antigenkonzentrationen desselben Antigens gespottet, um eine Konzentration zu ermitteln, welche Ergebnisse liefert, die den Ergebnissen des ELISA-Tests am ähnlichsten sind. Davon ausgehend, dass bei dem ausgereiften Test für jeden der gewünschten Erreger nur eine Konzentration in dreifacher Ausführung aufgebracht wird, würden sich für mehr als 40 verschiedene Erreger Antikörpertests simultan durchführen lassen. 5.7 Nutzbarkeit von serologischen Profilen Insgesamt wurden Antikörperdetektion Referenztestsystem in des diesem Projektabschnitt entwickelten ELISA Microarrays untersucht. die mit Es Vergleichbarkeit dem der ausgewählten wurden fünf lebensmittelsicherheitsrelevante Zoonoseerreger serologisch untersucht. Bei den tiergesundheitsrelevanten Erregern wurden vier Erreger auf die jeweiligen Antikörper getestet. Insgesamt wurden dabei bei sechs von diesen Erregern Testsicherheiten von über 90% ermittelt. Für einen weiteren ergab sich eine Testsicherheit von 73%. Für zwei Erreger mit einer Testsicherheit von 60% bzw. 53% sollte weiterhin an dem Antigen bzw. dessen Konzentration auf Grundlage der hier festgestellten Ergebnisse gearbeitet werden. 119 Diskussion Ein großer Vorteil der validierten Microarraytechnologie für die Untersuchung von Fleischsaftproben ist der geringe Umfang des Probenmaterials. Für die bisherige Untersuchung mit mehreren ELISA Tests wurden mehrere Milliliter Fleischsaft benötigt (TANGEMANN 2012). Das ist für den Einsatz in der Praxis recht aufwendig, da die mit dem Fleischsafttrichter gewonnenen Probenmengen zu gering sind. Für die Microarrayuntersuchung reicht eine Probenmenge von ca. 100µl aus. Der Aufwand der Probengewinnung ist vergleichbar mit dem des bereits routinemäßig durchgeführten für Untersuchungen auf Salmonellen-Antikörper nach der „SchweineSalmonellen-Verordnung“ und damit voll praxistauglich. Ein weiterer Vorteil dieses miniaturisierten Testsystems ist, dass man auch nur sehr geringe Mengen an Antigenmaterial im Gegensatz zum ELISA-Testsystem benötigt. Zusätzlich hat man mit dem Microarraytest die Möglichkeit, simultan Tests auf das Vorhandensein von verschiedenen Antikörpern durchzuführen (EKINS 1989). Der Zeitaufwand beläuft sich bei dem entwickelten Testablauf (s. Tabelle 6) auf weniger als zwei Stunden. Damit ist er vergleichbar zu dem eines ELISA-Tests. Für die innerhalb der Studie durchgeführten Untersuchungen wurden von der Fa. Alere Technologies (Jena, Deutschland) einzelne ArrayTubes hergestellt (s. Abbildung 8). Für die Entwicklung waren diese Einzeluntersuchungen nützlich. Für einen Einsatz bei Massenuntersuchungen bietet sich die Verwendung von 96-wellPlatten an. Auf jedem Boden der 96 Vertiefungen der Platte, wäre dann ein Microarraychip platziert. So würden sich die Untersuchungen analog der ELISAUntersuchungen auch automatisierbar durchführen lassen. Das durchgeführte Antikörperstatus Projekt von bietet mehreren die Möglichkeit Krankheiten. der Viele Überprüfung der in des den Tiergesundheitsüberwachungsprogrammen zu untersuchenden Krankheiten wurden innerhalb der Studie aufgegriffen. So kann das Monitoring und das damit mögliche herdenspezifische Überwachen zur Tiergesundheits- und Tierwohloptimierung beitragen (MEEMKEN et al. 2014). Eine Übersicht über relevante Krankheiten im Bestand, hierbei werden auch subklinisch verlaufende Erkrankungen berücksichtigt (MEEMKEN et al. 2011a), liefert dem Landwirt wichtige Herdeninformationen. 120 Diskussion Damit würden für den Landwirt, bei gesünderen Tieren die Produktionskosten sinken, die Wettbewerbsfähigkeit wird verbessert und das Tierwohl erhöht (BRINKMANN 2012). Für den bestandsbetreuenden Tierarzt bieten momentan die Ergebnisse aus dem Salmonellenmonitoring, sowie Tiergesundheitsprogrammen die die Informationen Möglichkeit den aus Landwirt den jeweiligen bezüglich seines Managements zu unterstützen. So kann der betreuende Tierarzt, je nach Kategorisierung Interventionsmaßnahmen und Behandlungen durchführen und so mittels gelieferter Informationen die Tiergesundheit verbessern. Durch die serologische Untersuchung aus Fleischsaftproben könnte die Blutprobengewinnung im Bestand teilweise ersetzt werden. Auch der Einsatz von Antibiotika kann durch Transparenz in dem Herdengesundheitsstatus verbessert werden (ANONYMUS 2013b). Die im „Hygienepaket“ der EU vorgeschriebenen Anforderungen beschreiben unter anderem die Notwendigkeit für serologische und/oder mikrobiologische Untersuchungen von Mastschweinen zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit. Da bisher innerhalb des Schlachtbetriebes lediglich Trichinen- und Salmonellenproben zur Untersuchung entnommen werden, wäre es leicht durch Anwendung eines multiserologischen Testsystems das Untersuchungsspektrum zu erweitern. So schlägt die EFSA im Jahr 2011 vor, wichtige Zoonosen (s.o.) in ein Monitoring aufzunehmen. Betrachtet man die Herausforderungen des Veterinäramtes lässt sich sagen, dass über die Fülle an Informationen, die mit dem Testsystem Microarray zu gewinnen sind, leicht ein Überblick über die aktuellen krankheitsspezifische Entwicklungen in Beständen zu gewinnen ist. So kann die Planung von Eradikationsmaßnahmen, die Bewertung der Biosecurity, die Planung der Frequenz von Kontrollen an eine Risikoeinschätzung anhand eines fortlaufenden multiserologischen Monitorings erfolgen. 121 Diskussion Auch ein Einbeziehen von Untersuchungen auf Antikörpernachweise von Tierseuchenerregern ist denkbar und wäre für ein Monitoring zur Seuchenprophylaxe sinnvoll. Im Rahmen der Risikobewertung innerhalb der visuellen oder gezielt erweiterten Fleischuntersuchung sind Lebensmittelketteninformation sehr wichtig (festgelegt in VO (EG) Nr. 853/2004, Angaben über den Tierbestand im Rahmen der risikoorientierten Schlachttier- und Fleischtieruntersuchung). Informationen zur Gefahrenerkennung sind nötig (ELLERBROEK 2011). Diese müssen innerhalb einer Datenbank gesammelt und für jede an der Lebensmittelkette beteiligte Person im Rahmen einer Befugnis einsehbar sein. Anhand der gesammelten Informationen lassen sich, vergleichbar mit den Salmonellenkategorisierungen, Risikoprofile für die Bestände erstellen. Diese können dann als Entscheidungsgrundlage dienen, für welche Art der Weiterverarbeitung wie z.B. die Rohwurstherstellung die Schlachttiere am besten zu verarbeiten sind. So lässt sich auch auf dieser Ebene die Lebensmittelsicherheit erhöhen. 122 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung Sebastian Hahne Entwicklung und Validierung eines Protein-Microarrays zur simultanen serologischen Untersuchung von Fleischsaftproben auf Erreger von Zoonosen und Produktionskrankheiten beim Schwein Ziel der vorliegenden Studie war es, ein Testsystem zu entwickeln, mit dem simultan serologische Untersuchungen sowohl gegen verschiedene schweinespezifische als auch Zoonoseerreger in Blutserum und Fleischsaft durchgeführt werden können. Im Hinblick auf Lebensmittelsicherheit und öffentliche Gesundheit schreibt die VO (EG) Nr. 853/2004 ein Monitoring von Zoonosen vor. Außer verschiedener Salmonellenmonitoringprogamme einiger Länder gibt es derzeit kein serologisches Monitoring auf Bestandsebene für andere schweinespezifische Erreger. Das Konzept dieser Studie war es, die Untersuchung der Proben aus dem Salmonellenmonitoring auf andere Zoonosen und tiergesundheitsrelevanten Erreger zu erweitern. Eine zusätzliche Herausforderung war der Nachweis von Antikörpern aus Fleischsaft als Untersuchungsmedium. Die Technologie des Microarrays diente als Grundlage für die Entwicklung. Rekombinante oder native Antigene folgender Erreger wurden auf den Arraychip gespottet: Lebensmittelsicherheitsrelevante Erreger: Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Toxoplasma gondii, Trichinella spp. und Hepatitis E-Virus. Tiergesundheitsrelevante Erreger: Mycoplasma hyopneumoniae, PRRSV, Influenza A und Actinobacillus pleuropneumoniae. 123 Zusammenfassung Nach der Entwicklung und Optimierung eines geeigneten Testablaufs war die Dauer der Durchführung des Microarraytests vergleichbar mit der eines ELISAs. Durch den Vergleich von Ergebnissen der Microarrayuntersuchung mit Ergebnissen des ELISAs wurde das neue Testsystem validiert. Innerhalb dieses Validierungschrittes wurde ein antigenspezifischer „Cut-off“ für eine optimale Testsicherheit, Sensitivität und Spezifität mit Hilfe der ROC-Analyse festgelegt. Für die neun serologisch untersuchten Erreger wurde jeweils die Antigenkonzentration ermittelt, welche zu den besten Testsicherheiten führte. Die Untersuchungen der Erreger Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Toxoplasma gondii, Trichinella spp., Hepatitis E-Virus und PRRSV ergaben jeweils eine Testsicherheit von über 90% im Vergleich zu dem jeweiligen ELISA-Test. Bei Auswertung der untersuchten Proben für Actinobacillus pleuropneumoniae ergab sich eine Testsicherheit von 60%, für Influenza A eine Testsicherheit von 74% und für Mycoplasma hyopneumoniae von 53%. Hierbei wurde deutlich, dass die Qualität des Ergebnisses stark von der Wahl geeigneter Antigene abhängt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass Fleischsaft als Probe für den entwickelten Test geeignet ist. Die Logistik jedes serologischen Salmonellenmonitorings kann verwendet werden. Die „Multiserologie“ mit Fleischsaft oder Blutserum könnte ein leistungsfähiges Diagnostikum zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und Tiergesundheit werden. 124 Summary 7 Summary Sebastian Hahne Development and validation of a protein-microarray for simultaneous serological analysis of meat juice samples for zoonotic pathogens and animal health relevant pathogens for pigs The objective of this study was to develop a test system for simultaneous serological analysis of different pig diseases and zoonoses in blood serum and meat juice samples. With regard to food safety and public health, the Regulation (EU) No. 853/2004 demands for monitoring programmes for zoonotic diseases. In the EU some countries developed salmonella monitoring programmes on herd level, but other porcine pathogens are not serologically monitored, yet. The concept of this study was to use the meat juice samples from the salmonella monitoring and to extend the serological analysis to other zoonotic and animal health relevant pathogens. The microarray technology was used as the technical basis. Recombinant or native antigens of the following pathogens were selected and spotted on serochips: Zoonotic agents: Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Toxoplasma gondii, Trichinella spp. and Hepatitis E–virus. Animal health relevant pathogens: Mycoplasma hyopneumoniae, PRRSV, Influenza A Virus and Actinobacillus pleuropneumoniae. After development and optimization of a useful test procedure the duration of the microarray test was comparable to the test duration of the ELISA tests. 125 Summary The test validation was carried out by comparing the results gained by microarray testing to the results gained by ELISA system of the same samples. For achieving optimal test accuracy, test sensitivity and test specificity for each antigen specific cut-off values were determined by means of the ROC analysis. For six out of nine pathogens the test accuracy values for the serological detections was more than 90%. These pathogens were Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Toxoplasma gondii, Trichinella spp., Hepatitis E-virus and PRRSV. For the serological detection of Actinobacillus pleuropneumoniae the test accuracy was 60%, for Influenza A virus 74% and for Mycoplasma hyopneumoniae the test accuracy was 53%. The quality of results depended on choosing appropriate antigens. In conclusion, meat juice samples are as suitable as specimen as blood serum samples. The logistics of any meat juice based salmonella monitoring programme can be used. Meat juice multi-serology could become a powerful diagnostic tool for improving animal health and food safety. 126 Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis ANONYMUS (2012a): Praktische Anwendung der TIGA-Datenbank aus Sicht des Tiererarztes https://www.tiergesundheitsagentur.de/downloads/TiGA/120927-TiGA-Strauch.pdf. Abrufdatum: 06.12.2013 ANONYMUS (2012b): The Role of Passive Immunity in the Development of Actively Acquired Immunity http://www.thepigsite.com/pighealth/article/39/the-role-of-passive-immunity-in-thedevelopment-of-actively-acquired-immunity. Abrufdatum: 22.07.2013 ANONYMUS (2012c): Fleischuntersuchung. Stat. 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Oktober 2007 Amtsbl. der EU L281/12 vom 25.10.2007 Schweinesalmonellenverordnung Verordnung zur Verminderung der Salmonellenverbreitung durch Schlachtschweine (Schweine-Salmonellen-Verordnung) vom 13. März 2007 Bundesgesetzbl. I S. 322 vom 23.03.2007 140 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Liste der im SPF-System zu untersuchenden Erreger (Krankheiten) (modifiziert nach Danish Agriculture and Food Council 2009b) Tabelle 2: An Salmonellose erkrankte Menschen in Deutschland /Jahr (Statistisches Bundesamt 2011) Tabelle 3: Darstellung der verwendeten ELISA-Tests mit Hersteller- und Zulassungsangaben Tabelle 4: Erster Ablaufplan zur Durchführung von Microarray- Untersuchungen Tabelle 5: Vierfeldertafel ELISA-Test/ Array-Test Tabelle 6: Validierter Testablauf Tabelle 7: Auszug aus der Ergebnisübersicht für die Untersuchung von 20 Proben auf Salmonellenantikörper Tabelle 8: Beurteilung laut dem SALMOTYPE® Pig Screen ELISA (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 260 Serum- und Fleischsaftproben (100 Seren, 160 Fleischsaftproben) Tabelle 9: Beurteilung laut PIGTYPE Toxoplasma Ab ELISA (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 160 Fleischsaftproben Tabelle 10: Bewertung der Ergebnisse nach PIGTYPE Trichinella Ab (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) von 168 Fleischsaftproben und 100 Serumproben 141 Tabellenverzeichnis Tabelle 11: Ergebnisse der untersuchten positiven Fleischsaftproben Tabelle 12: Bewertung der Ergebnisse nach PIGTYPE®Yopscreen (Qiagen Leipzig GmbH. Leipzig, Deutschland) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Tabelle 13: Bewertung der Ergebnisse nach PrioCHECK®HEV Ab porcine (Prionics Deutschland GmbH, Wolfratshausen, Deutschland) von 160 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Tabelle 14: Bewertung der Ergebnisse nach Influenza A-Virus Antibody Test Kit (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Tabelle 15: Bewertung der Ergebnisse nach Influenza A Virus Antibody Test Kit (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben Tabelle 16: Bewertung der Ergebnisse nach ID Screen® APP Screening Indirect (ID Vet, Grabels, Frankreich) Tabelle 17: Bewertung der Ergebnisse nach IDEXX PRRS X3 Ab Test (IDEXX Laboratories, Westbrook, USA) von 100 Fleischsaftproben und 100 Serumproben 142 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schematische Darstellung der verschiedenen Abbildung 2: Aufbau Antikörper am Beispiel von Immunoglobulin G (modifiziert nach Koolmann 2003) Abbildung 3: Schematischer Verlauf der Antikörpertiter im Blut (modifiziert nach TIZARD 1992) Abbildung 4: Immunologische Lücke (modifiziert nach ANONYMUS 2012b) Abbildung 5: Prinzip des indirekten ELISA Abbildung 6: Übersicht über die prozentualen Anteile an Veröffentlichungen zu Microarrays von 1995 bis 2002 (SCHENA 2003) Abblidung 7: HEV-Partikel im Elektronenmikroskop (Center of Disease Control and Prevention 2006) Abbildung 8: ArrayTube (Fa. Alere Technologies GmbH) Abbildung 9: ATR03 (Fa. Alere Technologies GmbH) Abbildung 10: schematisch dargestellter Testablauf (Fa. Alere Technologies GmbH) Abbildung 11: Beispiel einer ROC-Kurve (modifiziert aus Public Health Service. Diabetes program guide, 1960) 143 Abbildungsverzeichnis Abbildung 12: Beispiel eines Bland-Altman-Diagrammes Abbildung 13: Beispiel einer Passing-Bablok-Regressionsanalyse nach Miler et al. (2009) Abbildung 14: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung einer Fleischsaftprobe (1:5 verdünnt; zentrifugiert) Abbildung 15: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung einer Fleischsaftprobe (1:2 verdünnt; zentrifugiert) Abbildung 16: Schlierenbildung durch Waschpuffer PigType Blau LDL (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) bei durchgehender Verwendung für alle Waschschritte Abbildung 17: PigScreen LDL (Qiagen Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) als Verdünnungspuffer für Fleischsaft, wegen Auftretens von unspezifischen Bindungen ungeeignet Abbildung 18: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und der Salm_Mix_025-Spot-Ergebnisse Abbildung 19: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und der Salm_Mix_01 -Spot-Ergebnisse Abbildung 20: ROC-Analyse Salm_Mix_025 Abbildung 21: ROC-Analyse Sam_Mix_01 Abbildung 22: Bland-Altman Diagramm für Spot Salm_Mix_025 144 Abbildungsverzeichnis Abbildung 23: Regressionsanalyse nach Passing-Bablok für Spot Salm_Mix_025 Abbildung 24: Regressionsanalyse nach Passing-Bablok für Spot Salm_Mix_01 Abbildung 25: Ergebnisbild der Microarrayuntersuchung mit FLS 23 aus Salmonella Typhimurium-Infektionsversuch (BFR); (S. Typhimurium-Spots blau eingekreist, Positivkontrollen rot eingekreist) Abbildung 26: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und Toxo01-SpotErgebnisse Abbildung 27: ROC-Kurve Toxo01 Abbildung 28: Bland Altman Diagramm für Toxo01 Abbildung 29: Punktdiagramm der ELISA-Ergebnisse und Toxoplasma 0,05µg/µl Abbildung 30: Bland-Altman Diagramm für Toxoplasma 0,05µg/µl Abbildung 31: Microarraybild einer untersuchten Fleischsaftprobe aus einem Infektionsversuch mit Trichinella spiralis (BfR) Abbildung 32: ROC-Kurve Trichinella_neu Abbildung 33: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen Yersinia_01 145 Abbildungsverzeichnis Abbildung 34: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen Yersinia_03 Abbildung 35: ROC-Analyse Yersinia_03 Abbildung 36: Bland-Altman-Diagramm für Yersinia_03 Abbildung 37: Passing-Bablok- Analyse für Yersinia_03 Abbildung 38: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen HEV_0,18µg/µl Abbildung 39: ROC-Kurve Hepatits E-Virus 0,18 mg/ml Abbildung 40: Bland-Altmann-Diagramm für HEV_0,18µg/µl Abbildung 41: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen SIV_02 Abbildung 42: Punktdiagramm ELISA- zu Array-Ergebnissen SIV_04 Abbildung 43: ROC-Kurve SIV_02 Abbildung 44: ROC-Kurve SIV_04 Abbildung 45: Punktdiagramm Mhyo7_1 und ELISA (Mhyo S/P (1)) Abbildung 46: Punktdiagramm Mhyo232_1 gegen ELISA (Mhyo S/P (1)) Abbildung 47: ROC-Kurve Mhyo7_1 Abbildung 48: Punktdiagramm Summe APP gegen ELISA Abbildung 49: ROC-Kurve Summe APP 146 Abbildungsverzeichnis Abbildung 50: ROC-Kurve PRRSV-Mix Abbildung 51: Bland-Altman Diagramm für PRRSV-MIX Abbildung 52: Bland-Altman-Diagramm mit angepassten Werten Abbildung 53: Passing Bablok für den Spot PRRSV-MIX 147 Anhang Anhang Layout 1: Ausgangskonz. Spot Nr. Substanz mg/ml Spot-konz. 1 0,1 Salm_ 1 STM_078K_01 Salm_ 2 STM_078K_05 1 0,5 3 Salm_STM_ML04_01 1 0,1 4 Salm_STM_ML04_05 1 0,5 5 Salm_SCS_01 1 0,1 6 Salm_SCS_05 1 0,5 7 Salm_SE_01 1 0,1 8 Salm_SE_05 1 0,5 9 Salm_SA_01 1 0,1 10 Salm_SA_05 1 0,5 11 Yersinia_01 0,27 0,1 12 Yersinia_03 0,27 0,27 13 Toxoplasma_01 0,7 0,1 14 Toxoplasma_05 0,7 0,5 15 Trichinella_01 0,126 0,1 16 MAP_01 1,12 0,1 17 MAP_05 1,12 0,5 18 MAH_01 0,257 0,1 19 MAH_03 0,257 0,257 20 PRRSV-US_01 1,19 0,1 21 PRRSV-US_05 1,19 0,5 22 PRRSV-EU_01 0,69 0,1 23 PRRSV-EU_05 0,69 0,5 148 Anhang 24 SIV_01 0,4 0,1 25 SIV_04 0,4 0,4 26 Spotting Puffer 27 Biotin -Marke_2,5µM Layout 2: Ausgangskonz. Spot-Nr. Substanz mg/ml Spot-konz. 1 Salm_STM_078K_01 1 0,1 2 Salm_STM_ML04_01 1 0,1 3 Salm_SCS_05 1 0,5 4 Salm_SE_05 1 0,5 5 Yersinia_01 0,3 0,1 6 Yersinia_03 0,3 0,3 7 Toxoplasma_01 0,7 0,1 8 Toxoplasma_025 0,7 0,25 9 Toxoplasma_05 0,7 0,5 10 Trichinella_alt 0,4? SL 11 Trichinella_neu 0,4? 0,4? 12 MAP_025 1,12 0,25 13 MAP_05 1,12 0,5 14 MAH_0257 0,257 0,257 15 PRRSV-US_05 1,19 0,5 16 PRRSV-US_1 1,19 1 17 PRRSV-EU_035 0,69 0,35 18 PRRSV-EU_069 0,69 0,69 19 SIV_02 0,4 0,2 20 SIV_04 0,4 0,4 21 Mhyo7_1 1,9 1 22 Mhyo7Überstand_1 1 1 23 Mhyo7Pellett_1 5 1 24 Mhyo232_1 1,9 1 149 Anhang 25 Mhyo232Überstand_1 1,1 1 26 Mhyo232Pellett_1 4,1 1 27 HEV_018 0,18 0,18 28 App2_05 4 0,5 29 App2 Überstand_05 1,3 0,5 30 App2 Pellett_05 9,9 0,5 31 App7_05 3,6 0,5 32 App7 Überstand_05 1,5 0,5 33 App7 Pellett_05 10,7 0,5 34 App8_05 6,5 0,5 35 App8 Überstand_05 0,4 0,5 36 App8 Pellett_05 11,5 0,5 37 App9_05 5 0,5 38 App9 Überstand_05 1,5 0,5 39 App9 Pellett_05 17,5 0,5 40 Spottingpuffer 1 1 41 Pig IgG_01 1 0,1 42 Pig IgG_05 1 0,5 43 Pig IgG_1 1 1 44 Biotin-Marke_2,5µM 1 1 Layout 3: Spot-Nr. Substanz Spot-konz. 1 Salm_STM_078K_01 1 0,1 2 Salm_STM_078K_05 1 0,5 3 Salm_STM_ML04_01 1 0,1 4 Salm_STM_ML04_05 1 0,5 5 Salm_SCS_05 1 0,5 6 Salm_SE_05 1 0,5 7 Salm_SA_05 1 0,5 8 Salm_Mix_01 1/1/1/1 0,1/0,1/0,1/0,1 150 Anhang 9 Salm_Mix_025 1/1/1/1 0,25/0,25/0,25/0,25 10 Yersinia_01 0,3 0,1 11 Yersinia_03 0,3 0,3 12 Toxoplasma_005 0,7 0,05 13 Toxoplasma_01 0,7 0,1 14 Trichinella_alt ~ 0,4 SL 15 Trichinella_neu ~ 0,4 SL 16 MAP_025 1,12 0,25 17 MAP_05 1,12 0,5 18 MAH_0257 0,257 0,257 19 PRRSV-US_05 1,19 0,5 20 PRRSV-US_1 1,19 1 21 PRRSV-EU_035 0,69 0,35 22 PRRSV-EU_069 0,69 0,69 23 PRRSV-MIX 1,19/0,69 0,47/0,47 24 SIV_02 0,4 0,2 25 SIV_04 0,4 0,4 26 Mhyo7_01 1,9 0,1 27 Mhyo7_02 1,9 0,2 28 Mhyo7_1 1,9 1 29 Mhyo232_01 1,9 0,1 30 Mhyo232_02 1,9 0,2 31 Mhyo232_1 1,9 1 32 HEV_018 0,18 0,18 33 App2_01 4 0,1 34 App2_05 4 0,5 35 App7_01 3,6 0,1 36 App7_05 3,6 0,5 37 App8_01 6,5 0,1 38 App8_05 6,5 0,5 39 App9_01 5 0,1 40 App9_05 5 0,5 41 Spot-Puffer Protein 1 1 42 Pig IgG_01 1 0,1 151 Anhang 43 Biotin-Marke_2,5µM 1 152 1 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich ganz herzlich bei Juniorprofessorin Dr. Diana Meemken für die Überlassung des hervorragende wissenschaftliche interessanten Dissertationsthemas, die Betreuung und freundliche immer wieder motivierende Unterstützung bei der Erstellung der Dissertation. Labor 3 der Außenstelle für Epidemiologie in Bakum, in Person von Mechthild Busemann, gilt ein ganz besonderer Dank, da sie mit viel Tatendrang und immer wieder neuen antreibenden Ideen eine große Unterstützung war. Vielen Dank an Prof. Dr. Thomas Blaha und allen Mitarbeitern und Kollegen der Außenstelle für Epidemiologie in Bakum für die fachliche Beratung, Unterstützung und vor allem die schöne Zeit. Der Fa. Qiagen Leipzig GmbH (Leipzig, Deutschland) für die gute wissenschaftliche Zusammenarbeit und der stetigen Hilfsbereitschaft bei Fragen und Problemen. Ebenso der Fa. Fa. Alere Technologies GmbH, Jena, Deutschland für die sehr gute individuelle Beratung. Meiner Freundin Antonia danke ich für die Geduld, die Rücksicht und das Verständnis vor allem innerhalb der letzten Monate. Vielen Dank auch meinen Eltern und meiner Familie, die mich immer sehr unterstützt und einige Launen ausgehalten haben. 153