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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Prionkrankheit, auch als
spongiforme Encephalopathien, (SEs) genannt, beispielsweise die
Scrapie des Schafs, die bovine spongiforme Encephalopathie (BSE „Verrückte Kuh-Krankheit") des Rindes, die Creutzfeld-Jacob-Krankheit
(CJD) und Kuru des Menschen. Prionenkrankheiten sind unter anderem durch
Nahrungsaufnahme oder durch Impfung mit Prionproteinen übertragbar,
was wegen einer medizinischen Behandlung vorkommen kann, jedoch
auch gelegentlich oder auf erbbiologischer Basis ohne Beweis der Übertragung
vorkommen kann.
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Einführung
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Prionkrankheit
sind ein Brennpunkt öffentlichen
Interesses, was kürzlich
durch die Entdeckung von unerwarteten Fällen von CJD bei Jugendlichen und
Farmern in Großbritannien
angeheizt worden ist, wo die Übertragung
von Prionproteinen von Vieh auf Menschen über Fleischkonsum geschlussfolgert worden
ist, was die Übertragung
von BSE auf Menschen anzeigt und dabei JCD verursacht.
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Mehrere
Faktoren verstärken
die öffentlichen Befürchtungen:
- a) Die Natur des verursachenden Agens, das
sogenannte Prionenprotein von SEs ist unbekannt oder wird mindestens kontrovers
diskutiert;
- b) was immer seine Natur ist, das Agens ist hochresistent gegenüber Verfahren,
welche andere Infektionsagentien beseitigt (z. B. Erhitzung);
- c) therapeutische Eingriffe sind offensichtlich nicht möglich, sobald
Symptome auftreten;
- d) SEs haben eine extrem lange Inkubationsperiode;
- e) praktische, empfindliche und spezifische diagnostische Verfahren,
die während
der präklinischen
Phase angewendet werden, sind nicht verfügbar. Dies alles fügt sich
zu dem generellen Gefühl
des „Lebens
mit einer Zeitbombe".
Nicht nur die mögliche
Anwesenheit von Prionproteinen in Fleisch und Fleischprodukten stellt
eine Gesundheitsbedrohung dar, auch die mögliche Anwesenheit von Prionproteinen
in Blut und Blutprodukten, wie sie bei Transfusionen verwendet werden,
die Anwesenheit in pharmazeutischen Produkten tierischer Herkunft,
in Kosmetika tierischen Ursprungs, in für Zellkulturen verwendeten
Seren, kurz in einer extensiven Reihe von Produkten tierischen Ursprungs
sind mögliche
Gefahren für
die menschliche und tierische Gesundheit enthalten.
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Bis
heute hängt
die bejahende Diagnose von Scrapie und auch anderen übertragbaren
spongiformen Encephalopathien von der histologischen Untersuchung
des Gehirns ab, das bei der nach dem Tod erfolgenden Untersuchung
von Tieren oder Menschen mit klinischen Anzeichen der Krankheit
entnommen wurde. Ablagerungen von abweichendem oder verändertem
Protein (PrPSc, Prionprotein, auch als Ausnahmeprotein
bezeichnet) kann im Gehirn von verendeten Tieren entdeckt werden.
Dieses Protein ist gegenüber
Verfahren, wie Proteinase K Digestion, sehr unempfindlich, die sonst
normale Proteine denaturiert, auflöst oder entfernt. Das abweichende
Protein wird als zentral in der Pathogenese der Prionenerkrankung
betrachtet. Obzwar nicht infektiös in
klassischer mikrobiologischer Art wegen der Abwesenheit einer spezifischen
Nukleinsäure,
wird das abweichende Protein selbst als das ursächliche Agens angesehen, und
wenn ein anfälliges
Tier solch ein abweichendes Protein in seinem Körper (d. h. durch Verdauung,
Impfung oder über
Mutation der Gene der normalen Version des PrP-Proteins, PrPC) erhält, kann
eine Kettenreaktion starten, die schließlich zur klinischen Manifestation
der Prionkrankheit führt.
Die Kettenreaktion zieht die Bildung von mehr abweichenden Proteinen
nach sich, die aus dem normalen Protein gebildet wird, das in dem
Körper
des Tiers vorhanden ist. Normale und abweichende Formen wirken in
solcher Weise miteinander, dass mehr abweichende Formen produziert
werden. Da die abweichende Form sehr resistent gegenüber Proteolyse (Eiweißspaltung)
ist, werden Ablagerungen des umgewandelten Prionproteins gebildet,
insbesondere im Gehirn und anderen Teilen des zentralen Nervensystems
(CNS), was zur spongiformen Encephalophatie führt und daher zur klinischen
Manifestation der Gehirnerkrankung.
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Da
SE-infizierten oder betroffenen Tieren und Menschen eine krankheitsspezifische
Immunreaktion mangelt, war es bisher unmöglich, Individuen zu identifizieren,
bevor sie klinische Anzeichen entwickeln (was Jahre dauern kann).
Keine biochemischen, haematologischen oder schwere pathologischen
Abnormitäten
sind zuverlässig
mit SEs assoziiert. Die Diagnose von SEs hängt deshalb von der Erkenntnis
klinischer Anzeichen, von bildgebenden Verfahren der Elektroencephalographie
oder Magnetresonanz (die beide nur bei menschlichen Patienten angewendet
werden) oder der stärker
invasiven Methode der vorgenommenen Hirnbiopsien ab. Die endgültige Diagnose
wird während
der Autopsie durch histologische Untersuchung des Gehirns gemacht.
Die neuropathologischen Verletzungen oder Veränderungen, die aus der Vacuolation
(die spongiforme Änderung)
der grauen Substanz, assoziiert mit Gliosis und neuronalem Verlust,
bestehen, sind generell genügend
charakteristisch. Eine weitere Bestätigung ist dadurch möglich, dass
mit Scrapie assoziierte Fibrilen (SAFs) in Gehirnextrakten nachgewiesen
werden, oder indem die Anwesenheit des konstituierenden Proteins,
PrPSc, bewiesen wird. PrPSc ist mit
der Krankheit assoziiert und stellt eine abweichende Form des zumeist
codierten Prionenproteins (PrP) dar, wobei die abweichende Form
durch eine anwandelnde Änderung
induziert wird. PrPSc kann durch immunologische
Verfahren festgestellt werden, beispielsweise durch das sogenannte
Western-Blotting oder durch Immunohistochemie. Die letztere Technik
wird allmählich
mehr als zuverlässiges
diagnostisches Werkzeug für
klinische Fälle
sowohl auf den SE-Gebieten des Menschen und der Veterinärmedizin
angenommen.
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Die
Suche nach einem praktischen vorklinischen diagnostischen Test war
und bleibt ein Hauptthema der Forschung. Dieses fokussiert sich
generell auf den Nachweis der Infektivität unter Anwendung einer Bioanalyse
oder dem Nachweis des mit der Krankheit assoziierten PrPSc. Obwohl die Bioanalyse die empfindlichste
Nachweismethode darstellt, ist sie weitaus zu umständlich und
zeitaufwendig, um jemals ein praktisches Diagnoseverfahren zu werden: Testergebnisse
könnten
verfügbar
werden, lange nachdem der Patient verstorben ist.
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Die
meisten Forscher haben sich deshalb auf Verfahren zur Feststellung
von PrPSc konzentriert. Obwohl nicht alle
Forscher mit der Feststellung übereinstimmen,
dass PrPSc das verursachende Agens ist,
stimmen die meisten, wenn nicht alle darin überein, dass die Zuordnung
der Anwesenheit von PrPSc mit der Krankheit
fest etabliert ist. Der Nachweis von PrPSc in
Geweben außerhalb
des zentralen Nervensystems (CNS) würde die Probeentnahme durch
weniger invasive Verfahren als die Gehirnbiopsie ermöglichen,
wobei die Aussichten für
ein praktisches präklinisches
diagnostisches Verfahren substantiell verbreitert würden. Zahlreiche
Gewebe sind im Versuch, ein frühes
Nachweisverfahren zu entwickeln, angewendet worden: Blut, Urin,
Gewebefibroblaste und, speziell auf tierischen Gebiet, lymphartiges
Gewebe. Eine kurze Zusammenfassung der vielversprechendsten und
aufregendsten Ergebnisse wird nachfolgend gebracht (wegen einer
extensiven Darstellung siehe Schreuder, 1994a, 1994b).
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Blut:
Bei menschlichen SEs wurde häufig
die experimentelle Übertragung
der Creutzfeld-Jacob-Krankheit (CJD) von Proben aus Leukozyten im zentrifugierten
Blut von menschlichen CJD-Patienten auf
Nagetiere diskutiert (Muaramoto et al., 1993), es gibt jedoch nur
geringe oder keine Anzeichen dafür, dass
Blut und speziell Leukozytenfilm im zentrifugierten Blut irgendeine
Infektivität
bei Tieren enthält,
die natürlicherweise
von Scrapie betroffen sind, weder in klinischen noch in präklinischen
Stufen (Fraser und Dickinson, 1978; Hadlow et al., 1982). Interessante Ergebnisse
sind neulich von Meiner et al. (1992) berichtet worden, der PrPSc in peripheren Geweben entdeckte, sowohl
in kultivierten Fibroblasten als auch in Monocyten, und zwar in
einer Gruppe von acht CJD-Patienten, die eine Mutation des Codons
200 tragen und an klinischer Krankheit leiden. Diese Autoren verwendeten
sowohl Western-Blotting als auch die immunocytochemischen Techniken.
Es scheint, dass ihre Publikation keine Nachfolger hatte, und selbst
wenn diese Ergebnisse bestätigt
werden könnten,
erscheinen die Chancen für
einen verlässlichen Bluttest
gering zu sein, mindestens im Falle von tierischen SEs und in Anbetracht
der Anzahl der negativen Berichte aus der Literatur (berichtet in
Brown, 1995).
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Urin:
Nur einmal ist ein Anspruch erhoben worden, dass die Infektivität bei Urin
im Falle von Creutzfeld-Jacob-Krankheit demonstriert wurde, indem
CJD auf Mäuse übertragen
wurde. Der gleiche Autor war jedoch nicht in der Lage, dieses Experiment
zu wiederholen (Braun, 1995). Von einem gänzlich unterschiedlichen Lösungsansatz
wurde unlängst
berichtet (Brugere et al., 1991). Urin von mit Scrapie betroffenen
Tieren und von Kontrolltieren wurde in einem voltametrischen Verfahren
durch wiederholte Mikroelektrolyse in Kapillaren untersucht, was
die Unterscheidung dieser beiden Gruppen ermöglichte. Die Vorgehensweise
erschien vielversprechend, jedoch konnte ihr Wert bei der Feststellung von
vorklinischen Stufen von insbesondere BSE nicht bestätigt werden.
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Lymphartiges
Gewebe: Lymphgewebe ist offensichtlich nicht auf dem Gebiet der
Diagnose von menschlichen SEs verwendet worden, jedoch im veterinärmedizinischen
Gebiet. Das bereits klassische Werk von Hadlow hat gezeigt, dass
im lymphartigerm Gewebe von natürlich
infizierten Scrapie-Schafen die Infektivität durch eine Bioanalyse bereits
bei 10 bis 14 Monate alten Schafen feststellbar war. Diese Feststellung
wurde getroffen, bevor jegliche Infektivität beim zentralen Nervensystem
(CNS) gefunden wurde (Hadlow et al., 1980). Das Verfahren Western-Blotting
offenbarte, dass die Anwesenheit von PrPSc in
der Milz von mit Scrapie infizierten Mäusen (Diringer et al., 1983;
Doi et al., 1988) in einigen Fällen
bereits nach 4 Wochen nach der experimentellen Infektion nachgewiesen
wurde. Entnommene Lymphknoten dieser Mäuse enthielten auch PrPSc. In ähnlicher
Weise wurden unter Anwendung des Western Blotting PrPSc in
einer Gruppe von natürlich
infizierten Schafen mit klinischen Anzeichen von Scrapie in Proben
des zentralen Nervensystems (CNS), der Milz und von Lymphknoten
ziemlich konsistent nachgewiesen (Ikegami et al., 1991). Der Wert
dieser Technik des Western Blotting wurde mindestens für klinische
Fälle durch
andere Gruppen bestätigt.
Jedoch waren die Ergebnisse aus einer Gruppe von experimentell infizierten
Schafen, die 16, 18 und 21 Monaten nach Impfung, jedoch bevor sich
klinische Zeichen entwickelten, getötet wurden, inkonsistent und schwierig
zu beurteilen: PrPSc wurde in Milzproben von
nur 3 aus 12 als positiv eingeschätzten Tieren nachgewiesen,
und zwar mit Lymphknotenproben mit nur schwachen oder zweifelhaften
Ergebnissen, es wurden jedoch keine positiven Ergebnisse gefunden, was
die Unempfindlichkeit dieses Verfahrens illustriert. Deshalb ergeben
die Techniken des Western Blotting in vorklinischer Diagnose von
TSE wechselhafte und nicht zuverlässige Ergebnisse.
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Der
Grund für
diese wechselhaften Ergebnisse kann in dem Verfahren der Zubereitung
des PrPSc-Proteins (das in den betroffenen
Geweben anwesend ist) und dem Umstand erklärt werden, dass das PrPSc-Protein dissoziiert oder von dem normalen zellulären isoformen
PrP-Protein getrennt wird, welches ebenfalls mit den gleichen Antiseren
immunoreaktiv ist, die für
Western Blotting angewendet werden. Ikegami et al. (1991) und Muramatsu
et al. (1993) finden es notwendig, die Proben für die Western Blotting-Analyse
durch zahlreiche Schritte vorzubereiten. Sie reichern zunächst die
Proben an, indem sie Gewebeextrakte zubereiten, die relativ angereicherte
Anteile sowohl von PrPSc als auch PrP enthalten,
wonach notwendigerweise das PrP-Protein mit einer Proteinase K-Behandlung
entfernt wurde. Dieses Verfahren enthält mindestens 10 getrennte Schritte
der Inkubation und Trennung, bei welchen der absolute Betrag des
nachzuweisenden Proteins in der Probe bei jedem Schritt verringert
wird. Obzwar dieses Protokoll für
die Diagnose der klinischen Phase von SEs sehr gut arbeitet, wobei überreichlich PrPSc im Verhältnis zu dem normalen zellulären isoformen
PrP vorhanden ist, ist in der vorklinischen Phase von TSE der absolute
Betrag an PrPSc so klein, dass es gewöhnlich während der
Präparation verloren
geht.
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Bei
BSE unterscheidet sich die Situation von der bei Scrapie: Einerseits
können
Ergebnisse aus Experimenten mit Mäuse- Übertragung,
bei denen verschiedene Gewebe von mit BSE betroffenem Vieh verwendet
wurde, andeuten, dass die Verteilung des BSE-Agens in Geweben außerhalb
des zentralen Nervensystems (CNS) nicht so extensiv ist wie im Falle
von Scrapie bei Schafen, andererseits mag es zutreffend sein, dass
die bei den Bioanalysen verwendeten Mäuse weitaus weniger für BSE als
für Scrapie
empfindlich sind. Experimentelle Übertragung von BSE auf Mäuse war
nur dann erfolgreich, wenn Hirnmaterial verwendet wurde (Fraser
et al., 1988; Fraser et al., 1990); mit anderen Materialien einschließlich Milz,
Samen, Leukozytenfilm, Muskel, Knochenmark und Placenta geimpfte
Mäuse blieben gesund.
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Alle
obigen Verfahren außer
der Bioanalyse haben jedoch gemeinsam, dass die Diagnose von SEs
nur in der klinischen Phase der Krankheit durchgeführt werden
kann, häufig
nur nach Autopsie. In Anbetracht der Tatsache, dass Bioanalysen
sehr langsam sind, und zwar wegen des sehr langsamen Fortschritts
der Krankheit in dem experimentellen Tier, das für die Bioanalyse als solches
verwendet wird, sind zur Zeit keine Verfahren verfügbar, welche die
unmittelbare Diagnose von SEs in einer vorklinischen Phase der Krankheit
darbieten. Obzwar der durchschnittliche Experte bei der Entwicklung
von diagnostischen Tests zur Zeit einen Reichtum von diagnostischen
Techniken zur Verfügung
hat, um alle Arten von Proteinen in biologischen Proben nachzuweisen,
indem er monoklonale oder polyklonale Antisera in mit Enzymen oder
Markierern verbundenen Immunoanalysen anwendet, indem er Techniken
mit oder ohne Anreicherungsverfahren für das der Studie zugrunde liegende
Protein anwendet, ist daher kein Gold-Standard verfügbar, um
der Entwicklung von solchen diagnostischen Verfahren eine Führung zu geben,
die im Falle der präklinischen
Diagnose von Prionkrankheit anwendbar wäre. Mit anderen Worten: Verfahren
zur Ausführung
ausgefeilter diagnostischer Tests sind zur Zeit dem allgemeinen
Experten auf dem Gebiet gut bekannt; dem Experten fehlen jedoch
Verfahren zur Errichtung der Sensitivität und Spezifität von solchen
ausgefeilten diagnostischen Tests wegen des Fehlens eines Gold-Standards.
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Wir
haben nunmehr ein zuverlässiges
und rasches diagnostisches Verfahren für die präklinische Diagnose von Prionkrankheit
oder SEs gefunden. Die Erfindung bietet ein Verfahren für präklinische
Diagnose bei Schaf-Scrapie, aber auch bei anderen SEs, wie BSE und
CJD, dar. Wir benutzten Scrapie beim Schaf als Modell beim Studium
von SEs. Kenntnisse der Gruppe von SEs, welche die menschlichen
Formen, wie CJD und Kuru, einschließen, sind größtenteils
während
Studien mit Scrapie erhalten worden. Scrapie ist eine fortschreitende
und fatale neurologische Krankheit bei Schafen und Ziegen und wird
als der „Archetyp" der Gruppe von SEs betrachtet
und ist wahrscheinlich die Ursache für die BSE-Epidemie in Großbritannien.
Die Kontrolle und die sanitären
Maßnahmen,
die während
des Ausbruchs von BSE in Großbritannien
durchgeführt
wurden, basierten größtenteils
auf dem, was von Scrapie bekannt war. Indem die zuvor erwähnten Daten
von Hadlow über
die Anwesenheit von Infektivität
in zahlreichen peripheren Geweben in Betracht gezogen wurde, schlossen
wir, dass unter anderem lymphartigem Gewebe ein Kandidat für die Entwicklung
eines präklinischen
Tests sein könnte,
der auf dem Nachweis von PrPSc basiert,
jedoch wurden auch andere Gewebe, beispielsweise, aber nicht ausschließlich Retina,
alveolare Makrophagen oder Monocyten, bei denen PrP Infektivität angetroffen
wurde, in Betracht gezogen.
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Die
Immunhistochemie (IHC), welche das Immuno-Peroxidase-Einfärbeverfahren
verwendet, erwies sich in unserer Hand als ein hoch zuverlässiges und
praktisches Verfahren des Nachweises von PrPSc (Van
Keulen et al., 1995) und weniger beschwerlich als Western Blotting,
wenn IHC auf histologische Schnitte der Gehirne zur Diagnose der
klinischen Scrapie und BSE angewendet wurde. Unter Anwendung der
gleichen IHC-Technik
und der gleichen Antiseren wurde eine Anzahl von lymphartigen Geweben
in einer Gruppe von natürlich
betroffenen, klinisch positiven Scrapie-Schafen (n = 55) untersucht
(Van Keulen et al., in der Presse, siehe auch den experimentellen
Teil). Wir demonstrierten die Anwesenheit von PrPSc in
der Milz, dem retropharyngealen Lymphknoten, dem mesenterischen
Lymphknoten und den Gaumenmandeln, und zwar in allen außer einem
Tier (98%). Von allen untersuchten Lymphknoten hatten die Mandeln
die höchste
Rate an niedergeschlagenem PrPSc, die pro
Anzahl der Follikel festgestellt werden konnte: In allen positiven
Fällen zeigten
sich mehr als 60% der gefärbten
Mandelfollikel positiv, und in 95% der Fälle war dies selbst mehr als
80%. Um die Anwendbarkeit dieses Verfahrens in der präklinischen
Phase der Scrapie abzuschätzen, unternahmen
wir eine Studie unter Einbezug einer nachfolgenden Biopsie und nahmen
die Mandeln von Schafen, und zwar wurden Mandeln gewählt, weil
die experimentelle Verfügbarkeit
der nachfolgenden Studien garantiert ist, jedoch können auch
andere Gewebe für
die präklinische
Diagnose in Betracht gezogen werden. Wir haben das der Scrapie assoziierte PrPSc in Mandeln von 10 Monate alten Schafen
nachgewiesen, was weniger als die Hälfte der Inkubationsperiode
ist, da die der Studie unterliegenden Schafe die Scrapie voraussichtlich
im Alter von ungefähr
25 Monaten entwickeln. Bei Schafen, von denen angenommen wurde,
dass sie Scrapie bei einem viel späteren Zustand entwickeln oder
während
ihrer gesamten Lebenszeit gesund bleiben, stellten wir dieses PrPSc-Protein nicht fest.
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Mit
Bezug auf Scrapie könnten
weitere Kontrollprogramme von diesen Ergebnissen profitieren. Kontrollprogramme
bei verschiedenen Züchtungen könnten aus
einer Kombination von Züchtungsprogrammen,
welche Gebrauch von der festgestellten Verbindung zwischen PrP-Genotyp
und größere Scrapie-Empfänglichkeit
oder -Widerstandskraft, und dem oben beschriebenen Verfahren bestehen,
welches die Krankheit erzeugende Anwesenheit von PrPSc in
Mandeln von anfälligen
Tieren in der präklinischen
Stufe der Krankheit nachweist.
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Mit
Bezug auf BSE und SEs im allgemeinen können Änderungen und Einstellungen
des angewendeten Verfahrens nunmehr durchgeführt werden, um sich den spezifischen
Umständen
und Bedingungen von BSE- und SE-Diagnose anzupassen. Diese Änderungen
können
durch spezifische Kenntnis über Homologien
und Heterologien bei den Aminosäuresequenzen
von Prionproteinen von unterschiedlichen Spezies (für eine Auswahl
von bekannten Sequenzen siehe 1) geleitet
werden. Auch kann eine Führung
bei der Auswahl spezifischer Antiseren angetroffen werden, indem
ausgewählte kontinuierliche oder
diskontinuierliche Peptidsequenzen dieser Prionproteine im Hinblick
auf Reaktivität
ausgewählt werden.
Vor allem kann die IHC-Technik für
die Anwendung bei BSE und bei peripheren Lymphknoten im Speziellen
weiter verfeinert werden. Dies könnte Adaptionen
des Protokolls bei der Anwendung für die Immuno-Färbung von
Gehirnabschnitten erforderlich machen. PrPSc-Nachweis
bei lymphartigen Geweben ist nur unter Anwendung der Immuno-Blotting-Verfahren
und in klinischen Fällen
(Mohri et al., 1992) versucht worden. Diese Ergebnisse waren negativ, was
ein Nachweisproblem mit Bezug auf Sensitivität andeutet. Keine ernsthaften
Anstrengungen wurden unternommen, um PrPSc in
präklinischen
Zuständen von
BSE nachzuweisen. Das Verfahren, tonsillare Biopsien bei lebenden
Rindern vorzunehmen, ist durchführbar
und selbst leichter als bei Schafen, da man beim Rind mit einer
leichten Sedation auskommt (Xylazine (Rompun)). Die Möglichkeit
einer frühen
Diagnose im Falle von BSE könnte
die Notwendigkeit für
gewisse drakonische Maßnahmen
erleichtern, die heutzutage mit Bezug auf die Rinderpopulation in Großbritannien
vorgeschlagen werden.
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Weitreichende
Auswirkungen unserer Erfindung liegen auf dem Gebiet der humanen
SEs. Auch hier kann die Anwendbarkeit der IHC-Technik in der präklinischen
Phase nunmehr festgestellt werden. In der Literatur fanden wir keinen
Hinweis auf die Untersuchung von lymphartigen Geweben in diesem
Zusammenhang. Da Mandeln leichter zugänglich sind und da ein pathologischanatomisches
Labor fast immer zur Verfügung
steht, könnte
die oben beschriebene Technik, bei menschlichen SEs angewendet,
zu einer frühen
Diagnose von zweifelhaften Fällen
von SEs beitragen. Dies ermöglicht
die Fähigkeit
der Feststellung von Individuen, welche die Krankheit in einem frühen Stadium
der Inkubationsperiode beherbergen, und zwar mindestens beträchtlich
lange bevor klinische Anzeichen erscheinen, was wiederum die Anwendung
gewisser therapeutischer Maßnahmen
für spezifische
Risikogruppen ermöglichen
würde (mindestens
Eingriffe, welche den Fortschritt der Krankheit verzögern, beispielsweise
die Anwendung von Amphotericin-B).
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Die
vorliegende Erfindung bietet somit Verfahren für den Nachweis von Prionkrankheiten
dar, wobei abweichende Proteine in zahlreichen Geweben nachgewiesen
werden, beispielsweise im lymphartigen oder tonsillaren Gewebe,
wenn auch nicht beschränkt
darauf, welches von lebenden Tieren genommen werden kann, speziell
von Farmtieren oder Menschen oder anderen Säugetieren. Die immunologische
Feststellung umfasst jede dem Fachmann bekannte Methode bei der
diagnostischen Testentwicklung, und zwar alle Verfahren, die den
immunologischen Nachweis mit Enzym- oder Markiererverbundenen oder
nicht verbundenen Antikörpern
verwenden, selbst Western Blotting-Techniken können nun in empfindliche und
spezifische Techniken dank der Tatsache entwickelt werden, dass
ein Gold-Standard für
präklinische
Diagnosen von Prionerkrankungen nunmehr verfügbar geworden ist. Die Erfindung
umfasst ferner die Anwendung eines der obigen Verfahren bei der
Diagnose von Prionkrankheiten, bei Krankheitskontrollprogrammen,
bei der Auswahl von für
den Verbrauch geeignetem Fleisch und bei der Auswahl von Blut und
Blutprodukten.
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Experimenteller Teil
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Der
immunohistochemische Nachweis von Prionprotein in lymphartigem Gewebe
von Schafen mit klinischen Fällen
von natürlicher
Scrapie.
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Materialien und Methoden
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Schaf.
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67
Schafe mit nervösen
Störungen,
welche die der Scrapie-Infektion ähneln, wurden gekauft. 55 Schafe
wurden als mit Scrapie durch histopathologische und immunohistochemische
Prüfung
des Gehirns diagnostiziert (Van Keulen et al., 1995). Ein Tier litt
sowohl an einer Scrapie-Infektion als auch an einer gleichzeitigen
Meningoencephalitis, die vermutlich durch Lysteria-Monocytogene
verursacht wurde. Scrapie-positive Schafe stammten von 30 verschiedenen
Herden. Die Gruppe bestand aus 54 weiblichen und 1 männlichen
Tier im Alter von 2 bis 5 Jahren und umfasste 8 unterschiedliche
Rassen und Kreuzungen. 12 Schafe zeigten keine histopathologischen
Anzeichen einer Scrapie-Infektion und zeigten keine PrPSc-Immunofärbung im
Gehirn. 5 dieser Schafe wurden mit Meningoencephalitis diagnostiziert,
eines hatte intramyelitische Ödeme
unbekannter Ursache, und 6 Schafe zeigten keine histopathologischen
Abnormitäten.
Scrapienegative Schafe waren alle weiblich aus 10 unterschiedlichen
Herden und zwei unterschiedlichen Rassen und Kreuzungen im Alter
von 1 bis 5 Jahren.
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Nekroskopie.
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Eine
Obduktion wurde innerhalb von 36 Stunden nach dem natürlichen
Tod oder unmittelbar nach dem Töten
des Tieres durchgeführt,
letzteres durch intravenöse
Injektion von Natriumpentobarbital und Ausbluten. Das Gehirn jedes Schafes
wurde zur Scrapie-Diagnose wie zuvor beschrieben (Van Keulen et
al., 1995) entfernt. Proben wurden von verschiedenen lymphartigen
Geweben einschließlich Milz,
Gaumenmandel, oberflächliche
Halslymphknoten (prescapulare Lymphknoten), Subiliac Lymphknoten
(präfemoraler
Lymphknoten), medial retropharyngealer Lymphknoten, tracheobronchialer Lymphknoten,
mesenterischer Lymphknoten und Ileum genommen.
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Histologische und immunohistochemische
Prozeduren.
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Gewebeproben
wurden unmittelbar für
24 Stunden in ein Bad mit Periodat-Lysin-Paraformaldehyd-Fixativ
(PLP) mit einem Gehalt an 2%igem Paraformaldehyd (Merck, Darmstadt,
Deutschland) eingetaucht. Proben wurden dann auf eine maximale Dicke von
2 mm zugeschnitten und für
weitere 24 Stunden in frisch zubereitetem PLP fixiert. Nach der
Fixierung wurden die Proben in Wasser gewaschen, routinemäßig dehydriert
und in Paraffin eingebettet. Drei Schnitte von 5 μm wurden
geschnitten, auf mit 3-Aminoalkyltriethooxysilan-beschichtete Glasprobenträger (Sigma,
St. Louis, MO, USA) montiert, für
weitere 48 Stunden bei 60°C
getrocknet und entparaffinisiert. Der erste Schnitt wurde mit Hematoxylin-Eosin
(HE) gefärbt.
Die zweiten und dritten Schnitte wurden mit Antipeptid-Serum, welches
gegen das Ovine-Prion-Protein gerichtet ist, bzw. mit Prä-Immun-Serum immunogefärbt, und
zwar gemäß dem folgenden Verfahren;
nach 30 Minuten Eintauchen in 98% Ameisensäure (Merck) wurden die Schnitte
gewaschen und Autoklav-mäßig in Wasser
für weitere
30 Minuten bei 121°C
in einen Druckkocher eingetaucht. Endogene Peroxidase wurde mit
0,3% Hydrogenperoxid in Methanol (Merck) blockiert. Der Inkubation
bei Raumtemperatur für
1 Stunde mit Anti-Peptid-Antiserum oder Präimmunserum, das in Phosphat-gepufferter
Saline (pH 7,2) zu 1:1500 verdünnt
war und 1% Bovinserum-Albumin (Sigma) enthält, folgte die Inkubation zunächst mit
Biotinkonjugierter Ziegen-Anti-Kaninchen-IgG und dann mit Streptvidin-Peroxidase
für 10
bzw. 5 Minuten (Dakopatts, Glostrup, Dänemark). Als Substrat wurde
Aminoethylcarbazol (Zymed Laboratories, Inc., San Francisco, CA,
USA) verwendet, weil dessen rote Farbe leicht von dem gelbbraunen
Ceroid/Lipofuscin und dem Hemosiderin-Pigment unterschieden werden
konnte, welches oft in lymphartigen Geweben anwesend war. Zwischen
den verschiedenen Schritten wurden die Schnitte gründlich in
Phosphat-gepufferter Saline mit einem Gehalt von 0,05% Tween-20
(Merck) gespült. Schnitte
wurden mit Mayers Hematoxylin während
30 Sekunden gegengefärbt
und in Glycergel (Dakopatts) montiert. Mit jedem immunohistochemischen Färben wurde
ein Schnitt der Medulla oblongata eines sicheren, mit Scrapie betroffenen
Schafes gleichzeitig wegen PrP gefärbt, um die korrekten Immunofärbeverfahren
zu überwachen.
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Peptid-Synthese und Antipeptid-Antisera.
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Fünf Peptide
mit Sequenzen, die von dem Ovin-Prion-Protein (PrP 94–105, 100–111, 126–143, 145–177, 223–234) abgeleitet
sind, wurden synthetisiert und dazu verwendet, Antipeptid-Antiseren in Kaninchen
gemäß den zuvor
veröffentlichten
Verfahren (Van Keulen et al., 1995) zu erheben. Es wurde sichergestellt,
dass die Antisera spezifisch für
PrP sind (sowohl unverdaut als auch nach Proteinase K-Behandlung),
und zwar auf Western Blots von speziell gereinigtem Prionprotein
von mit Scrapie betroffenem Schafhirn gemäß anerkannten Verfahren (Hilmert
und Diringer, 1984). Präimmunsera
wurden vor Immunisierung gesammelt und dienten als negative Kontrollsera.
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Die
verwendeten Sera haben Vorteile, die auf einer Mischung von empirischen,
theoretischen und analytischen Werten beruhen, deren Kombination
sie in der diagnostischen Anwendung unschätzbar macht. Die Zubereitung
der Sera ist in einer Publikation von Van Keulen et al., 1995, beschrieben worden.
Die immunochemischen Eigenschaften dieser Sera sind teilweise publiziert.
Die spezifischen in diesem Beispiel benutzten Sera sind für die Scrapie-Diagnose
ausgelegt, jedoch kann eine Führung in
den unten gegebenen Hinweisen für
die Entwicklung von Sera gefunden werden, die bei der Diagnose von
anderen SEs anwendbar sind, vorausgesetzt, man wählt die Sequenzen aus, wie
sie der der Spezies entsprechenden spezifischen Sequenz des Prionproteins
entspricht. Falls notwendig, kann man andere Tiere als Kaninchen
wählen,
um die spezifischen Sera zu erzeugen.
- 1: Die Sera sind mit
synthetischen Peptiden mit Sequenzen, basierend auf der Sequenz
von PrP-Protein herbeigeführt
worden.
- 2: Die Sera sind mit Kaninchen herbeigeführt worden.
- 3: Die Peptidsequenzen weisen solche Unterschiede mit den Kaninchen-PrP-Sequenzen
auf, dass sie nicht nur Antikörper
induzieren, welche diese Peptide erkennen, sondern auch das authentische
PrP-Protein.
- 4: Die für
die Immunisierung verwendeten Peptide werden kurz gehalten (12mere);
es wird angenommen, dass diese Kürze
eine kritische Rolle in der hohen Spezifität für die Scrapie-Formen von PrP spielt und
daher bei der Bindung in den Gewebeschnitten selbst nach harscher
Denaturierung und degradativer Behandlungen wichtig ist.
- 5: Die für
die Immunisierung verwendeten Sequenzen und zur Erzielung der spezifischen
Scrapie-PrP-Einfärbung
wurden von dem Protease K-resistenten Bereich der PrPSc ausgewählt.
- 6: Die in der Diagnose IHC verwendeten Sera sind auch gut reaktiv
in anderen immunochemischen Tests, wie Western Blotting von sowohl
PrPC als auch PrPSc,
ELISA mit PrP-Protein,
PEPSCAN mit 12mer-Peptiden mit überlappenden
Sequenzen von Schaf-PrP.
- 7: Die ausgewählten
Peptide haben Eigenschaften (Wasseranziehung, Flexibilität, Oberflächenvorkommen),
die, wenn für
die Immunisierung benutzt, für die
Hervorlockung von Antikörpern
mit Bindungen zum Antigen vorteilhaft sind, auf denen die Sequenzen
basieren.
- 8: Die hervorgelockten Antisera zeigen die richtige Spezifität, wenn
sie in PEPSCAN mit 12mer-Peptiden analysiert werden. Die Hinzufügung eines
fremden dimeren Glycins am entweder dem N-Ende oder dem C-Ende dieser
Peptide lässt
nicht die Spezifität der
Peptide sinken, sondern macht wahrscheinlich die Immunisierung noch
effektiver, vermutlich weil es die Peptide dazu bringt, weiter weg
von dem Trägerprotein
hervorzustehen, und macht sie flexibler auf dem Trägerprotein,
Eigenschaften, welche bedeutende Determinanten bei der Antigenizität sind.
- 9: Die für
die Peptidsynthese und Immunisierung ausgewählten Sequenzen stellen Bereiche
oder Domänen
dar, die eine niedrige Tendenz zur Bildung einer sekundären Struktur
(a-Helix oder β-Fläche) aufweisen
und kein Teil der vier Bereiche sind, die in der Literatur als zur
Bildung der β-Ebene als synthetische Peptide
beschrieben sind.
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Ergebnisse
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Immunohistochemisches Testen von Antipeptid-Antisera.
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Ein
identisches und besonderes Immunomarkierungsmuster wurde bei allen
Antipeptid-Antisera in den lymphartigen Geweben von mit Scrapie betroffenem
Schaf festgestellt. Weil die fünf
Antisera gegen unterschiedliche Epitope des PrP-Proteins gerichtet
waren, kann die Kreuzreaktivität
der Antipeptid-Antisera
mit anderem Protein ausgeschlossen werden. Wir klassifizierten das
immunomarkierte Protein als PrP. Wir definierten ferner dieses PrP
als Scrapie-assoziiertes PrP (PrPSc), weil
keine PrP-Immunoreaktivität
in einem der lymphartigen Gewebe von Scrapie-negativem Schaf festgestellt
wurde. Der Ersatz der Antipeptid-Antisera durch Prä-Immunsera führte nicht
zu einer Immunomarkierung.
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Lokalisierung des PrPSc in
den lymphartigen Geweben.
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PrPSc wurde innerhalb der primären und
sekundären
lymphartigen Follikel von Milz, Gaumenmandel, Lymphknoten und solitären Follikeln
oder Peyers Flecken auf dem Ileum (1A bis
C) festgestellt. Das PrPSc-Immunomarkierungs-muster
bestand aus einem retikularen Netzwerk in der Mitte des lymphartigen
Follikels, der in Färbungsintensität variierte.
Abgesehen von diesem Netzwerk wurden feine bis grobe Körner von
PrPSc in dem Zytoplasma von nicht lymphartigen
Zellen innerhalb des Follikels angetroffen. Einige dieser Zellen
wurden als Makrophagen identifiziert, wegen der gleichzeitige Anwesenheit
von Ceroid/Lipofuscin-Pigment in ihrem Zytoplasma (1D)
wurde keine Immunomarkierung der B-Lymphozyten in dem lymphartigen
Follikel festgestellt.
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Gelegentlich
wurde zusätzliche
Immunomarkierung in spezifischen Zellen und Regionen des lymphartigen
Gewebes angetroffen. In der Milz enthielten individuelle Zellen
in der periarterialen lymphtischen Hülle (PALS) und der Randzone,
welche die Milzkorpuskeln umgibt, Körner von PrPSc,
manchmal kombiniert mit Ceroid/Lipofuscin-Pigment innerhalb des
Zytoplasmas. Kein PrPSc wurde in der roten
Pulpe der Milz festgestellt. In der Gaumenmandel und dem Ileum,
Zweige oder Körner
von PrPSc wurden eingesprengt zwischen den
Lymphozyten des Dombereichs zwischen den Follikeln und dem Crypt-Epithelium angetroffen.
In den Lymphknoten wurden Körner
von PrPSc zwischen den Lymphozyten des Paracortex
festgestellt.
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Verteilung der PrPSc in
lymphartigen Geweben.
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PrPSc wurde in 54 (98%) der 55 mit Scrapie betroffenen
Schafe in der Milz, der Mandel, dem retropharyngalen Lymphknoten
und dem mesenterischen Lymphknoten festgestellt. In den tracheobronchialen,
präfemoralen
und präscapularen
Lymphknoten wurde PrPSc in leicht niedriger
Prozentzahl der Schafe (Tabelle 1) festgestellt. PrPSc wurde
in solitären
lymphartigen Follikeln oder Peyers Flecken des Ileums in 24 (89%)
von 27 Schafen angetroffen, in welchen lymphartiges Gewebe in den
Schnitten des Ileums anwesend war. In nur einem von 55 mit Scrapie
betroffenen Schafen konnte PrPSc nicht in
einem der lymphartigen Gewebe nachgewiesen werden.
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Der
Anteil der lymphartigen Follikel, die PrPSc enthielten,
wurde für
die Schnitte der Milz, der Mandel und der Lymphknoten geschätzt. In
der Gaumenmandel von 98% der mit Scrapie betroffenen Schafe enthielten über 60%
der lymphartigen Follikel PrPSc. Die Mandeln
von 93% der Schafe mit Scrapie überstieg
der Anteil der PrPSc positiven lymphartigen
Follikel selbst 80%. In der Milz oder den Lymphknoten war die PrPSc-Akkumulation in mehr als 60% der lymphartigen
Follikel nur in weniger als 30% der Schafe anwesend.
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Immunohistochemische
Feststellung von Prionprotein in lymphartigen Geweben von Schafen mit
präklinischen
Fällen
von natürlicher
Scrapie.
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Material und Methoden
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Schaf.
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Wir
wählten
eine Gruppe von 10 vorsätzlich gezüchteten
Lämmern,
6 davon gleicherbig (homozygous) für das PrP-Allel mit Valin (V)
an Poosition 136 und Glutamin (Q) an Position 171. In verschiedenen
Züchtungen
oder Rassen ist dieses PrPVQ-Allel signifikant
assoziiert mit einer vergrößerten Empfänglichkeit
für Scrapie
(Belt et al., 1995). Die verbleibenden 4 Lämmer waren heteroerbig (heterozygous) und
besaßen
ein PrPVQ-Allel und ein PrPAR-Allel
(Alanin an Position 136 und Arginin an Position 171). Das PrPAR-Allel ist signifikant assoziiert mit vergrößertem Widerstand
des Schafes gegenüber
Scrapie. In einer Herde mit natürlichem
Scrapie beobachteten wir, dass Schafe mit dem Genotyp PrPVQ/VQ an Scrapie in einem Alter von ungefähr 25 Monaten
starben und dass die Mehrzahl der Schafe mit dem Genotyp PrPVQ/AR noch in einem Alter von 70 Monaten
gesund waren. Da wir erwarteten, dass die PrPVQ/VQ-Schafe
höchst wahrscheinlich
klinische Anzeichen der Scrapie innerhalb von ungefähr 25 Monaten
nach der Geburt entwickeln würden
und dass die PrPVQ/AR-Schafe gesund bleiben
würden,
betrachteten wir diese beiden Gruppen von Schafen als ein geeignetes
Modell zum Studium von Änderungen
bei bekannten Stadien der Inkubationsperiode. Alle 10 Schafe wurden
auf der gleichen Farm in einer Umgebung, in der Scrapie seit mehreren
Jahren vorgekommen ist, geboren und aufgezogen. Sie wurden hier
gehalten, bis sie 6 Monate alt waren, als sie zu unserem Institut
in eine Koppel überführt wurden,
wo verschiedene Scrapie-positive Tiere ihre letzten Tage verbracht
hatten.
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Probenahme und Testen von Mandeln vom
lebenden Tier.
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Tonsilbiopsien
wurden unter genereller Anästhesie
gesammelt, was durch eine intravenöse Anwendung einer Kombination
von Ketalar (Ketamin-HCl) 4 mg/kg, Xylazine (Rompun) 0,05 mg/kg und
Atropin 0,1 mg/kg erzielt wurde. Wir verwendeten einen Mundknebel,
ein Lyryngoskop, eine Biopsiezange mit einem Kopf von ungefähr 4 mm
im Durchmesser. Mandeln bei Schafen sind nicht so leicht zugänglich wie
bei anderen Spezies, beispielsweise dem Menschen, wo sie oft in
den Pharyngealraum hineinreichen. Beim Schaf sind sie verborgen und
umgeben einen kleinen Hohlraum. Es zeigte sich jedoch, dass es genügt, eine
Biopsie der Kante des Eingangs zu diesem Hohlraum zu nehmen, die
Fossa tonsillaris, wobei genügend
Material (Follikel!) gesammelt wird, um die Prüfung zu ermöglichen. Einige Erfahrung in
der Technik wurde dadurch erhalten, dass, bevor die Tiere euthanasiert
wurden, tonsillare Biopsien von 11 Schafen gesammelt wurden, darunter
klinisch betroffene Scrapie-Schafe. Histologische Verfahren umfassten
Immunofärbung
mit spezifischen (Anti-PrPSc) Anti-Peptid-Sera, wie
zuvor und in Van Keulen et al., 1995, beschrieben. Von den 11 Schafen
erwiesen sich 8 als Scrapiepositiv, während 3 sich als negativ herausstellten,
was histologisch und durch IHC des Hirngewebes nach der post mortem-Untersuchung
bestätigt
wurde. Die tonsillare Biopsie aller 8 positiven Tiere zeigte eine
positive Immunofärbung
bei IHC, während
keine Immunofärbung
in den drei negativen Fällen
festgestellt werden konnte.
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In
dem aktuellen Experiment planten wir, tonsillare Biopsien aufeinander
folgend bei regelmäßigen Intervallen
und beginnend in einem Alter von 6 Monaten vorzunehmen. Aus logistischen
Gründen wurde
dies verzögert.
Wir sammelten Biopsien von beiden Gruppen zum ersten Mal bei ungefähr 10 Monaten
nach der Geburt, während
keines der Schafe klinische Anzeichen der Scrapie zeigte. Die jüngsten Schafe
waren 9% Monate alt, das älteste
Schaf war 10 Monate und 1 Woche alt.
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Ergebnisse.
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Nach
der IHC-Färbung
fanden wir klare, bereits extensive PrPSC-Färbung in
den tonsillaren Biopsien aller 6 empfänglichen PrPVQ/VQ-Schafe,
während
keine Immunofärbung
in den tonsillaren Biopsien eines der widerstandsfähigen PrPVQ/AR-Schafe festgestellt
wurden. Wir haben so die Scrapie-assoziierte
PrPSC in Mandeln von 10 Monate alten Schafen nachgewiesen,
was weniger als die Hälfte
der Inkubationsperiode ist, in der die Entwicklung von Scrapie zu
erwarten war, wenn Schafe ungefähr
25 Monate alt sind. Bei Schafen, bei denen die Entwicklung von Scrapie
in einem viel späteren
Stadium zu erwarten war oder die während ihrer gesamten Lebensdauer gesund
bleiben, haben wir dieses PrPSC-Protein nicht nachgewiesen.
Wir schließen
daraus, dass IHC-Färbung und ähnliche
Verfahren die Möglichkeit
für präklinische
Diagnose bei Schaf-Scrapie sowie für andere SEs, wie BSE und CHD
bieten.
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