Auswirkungen einer Cadmium-Kontamination auf das Wirt-Parasit-Verhältnis von Ratten und dem intestinalen Helminthen Moniliformis moniliformis (Acanthocephala)

Diplomarbeit von Gregor Scheef

Zusammenfassung:

Die Anreicherung des Schwermetalles Cadmium in dem Acantocephalen Moniliformis moniliformis gegenüber den Organen seines Wirtes (Rattus norvegicus) sowie die Auswirkungen der Schwermetall-Exposition auf das Wirt-Parasit-Verhältnis wurden erstmals in einer Laborstudie untersucht. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine mögliche Beeinflussung der Immunabwehr gegen M. moniliformis sowie den Streßhormon-Haushalt durch das Schwermetall gelegt.

Zur Analyse der Cd-Konzentrationen in Muskel, Hämatokrit, Nebenniere, Darm, Niere und Leber der Ratten sowie im Acanthocephalen wird ein Mikrowellenaufschlußverfahren gekoppelt mit der elektrothermalen Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) verwendet.

Die Ergebnisse der Untersuchung belegen eine enorme Anreicherung von Cadmium in M. moniliformis, die das Akkumulationsvermögen des Wirtes für das Schwermetall bei weitem übertrifft. Folgerichtig unterscheiden sich die Cd-Konzentrationen in M. moniliformis signifikant von denen im Gewebe der Ratten. Eine Beeinflussung der Schwermetall-Resorption durch die Parasitose kann bedingt nachgewiesen werden. Dabei wird von einer in Folge der Nährstoffkonkurrenz auftretenden erhöhten Resorptionsrate der Darmzellen des Wirtes ausgegangen, in deren Folge eine verringerte Cd-Konzentration des Darmes bei erhöhter Cd-Akkumulation in den Nieren sowie der Leber nachweisbar ist. Aufgrund der enormen Anreicherung von Cadmium gegenüber den Geweben des Wirtes wird die Verwendung des Acanthocephalen zu Zwecken des Biomonitorings in terrestrischen Ökosystem postuliert. Dies erscheint sinnvoll, da gerade das Wirt-Parasit-System Ratte-M. moniliformis insbesondere in urbanen Ökosysteme weit verbreitet ist.

Die Bestimmung der Antikörper-Gehalte gegen in M. moniliformis erfolgt mit Hilfe eines Enzyme-Linked-Immunosorbent-Assay (ELISA). Unter dem Einfluß der Cd-Exposition läßt sich ein deutlicher Rückgang der Immunglobuline im Serum der Ratten feststellen. Als Ursache wird hierfür einerseits die Störung von Enzymsystemen durch die Schwermetallionen genannt, andererseits ist eine Beeinflussung der Immunantwort durch den starken Anstieg der Cortisol-Konzentrationen (siehe unten) wahrscheinlich. Cortisol zeichnet sich in hohen Konzentrationen zum einen durch eine immunsuppressive Wirkung aus, daneben ist eine Hemmung der Protein-Biosynthese bekannt, so daß durch die damit verbundene Beeinträchtigung der lymphatischen Organe eine verminderte Immunglobulin-Synthese vorstellbar ist.

Die Auswirkungen der Kombination Cd-Exposition-Parasitose auf den Akutstreß wird durch die Quantifizierung der Katecholamin-Konzentrationen mittels High Performance Liquid Chromatography (HPLC) untersucht. Dabei kann eine antagonistische Wirkung der beiden Einflußparameter auf die Bildung der Katecholamine festgestellt werden. Cadmium bewirkt eine deutliche Suppression der Katecholamin-Synthese, wohingegen diese durch den intestinalen Helminthen stimuliert wird.

Mit Hilfe eines Radioimmunoassay (RIA) erfolgt die Quantifizierung der Cortisol-Gehalte, so daß ein Einfluß der Cd-Exposition sowie der Infektion auf den Langzeitstreß beurteilt werden kann. Im Gegensatz zur Beeinflussung des Kurzzeitstresses ist beim Langzeitstreß eine Potenzierung der beiden Einzelwirkungen festzustellen. Sowohl Cadmium als auch die Infektion mit M. moniliformis stellt offensichtlich einen starken Stressoren dar. Die Wirkung des Schwermetalles auf den Cortisolhaushalt wird vor allem durch eine Beeinflussung des Blutzuckerspiegels sowie eine Störung des Mineralhaushaltes und der Homöostasie durch das Cadmium erklärt.

Betrachtet man zusammenfassend die Auswirkungen der Cd-Exposition auf das Wirt-Parasit-Ver-hältnis, kann sowohl von einer Verstärkung der Pathogenität des Parasiten als auch von einer Erhöhung der Sensibilität des Organismus gegen die Schadstoffexposition ausgegangen werden, so daß die toxische Wirkung des Schwermetalles zunimmt. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird eine vorsichtige Einschätzung der in experimentellen Toxizitätstests ermittelten Schadkonzentrationen vorgeschlagen, da diese in aller Regel eine mögliche Parasitose des Organismus nicht berücksichtigen. Des weiteren wird eine Übertragbarkeit der im Labor bestimmten Grenzwerte auf freilebende Organismen oder gar gesamte Ökosysteme angezweifelt.

Da der Mensch speziell in urbanen Ballungsräumen einer zunehmenden Schadstoffbelastung ausgesetzt ist, haben die erzielten Resultate auch eine medizinisch-humantoxikologische Bedeutung. Einerseits ist ein Großteil der Weltbevölkerung mit hochpathogenen Parasiten infiziert, andererseits ist der Mensch oftmals starkem gesellschaftlichen Streß ausgesetzt. Somit kann auch im humanen Bereich sowohl von einer Verschlechterung des Krankheitsverlaufes bei Parasitosen als auch einer Erhöhung der Sensibilität gegen Umweltschadstoffe ausgegangen werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	3
2.	Material und Methode	10
2.1	Versuchstiere	10
2.1.1	Moniliformis moniliformis	10
2.1.2	Periplaneta americana	13
2.1.3	Rattus norvegicus	14
2.2	Tierhälterung	14
2.2.1	Hälterung von Periplaneta americana	14
2.2.2	Hälterung von Rattus norvegicus	14
2.3	Versuchsdurchführung	15
2.4	Infektion der Versuchstiere	16
2.4.1	Infektion von Periplaneta americana	16
2.4.2	Infektion von Rattus norvegicus	17
2.5	Applikation des Cadmiums	17
2.6	Blutentnahme bei Rattus norvegicus	18
2.7	Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)	19
2.7.1	Grundlagen der AAS	19
2.7.2	Entnahme der Proben	20
2.7.3	Mikrowellenaufschluß der Proben	21
2.7.4	Probenmessung	23
2.7.5	Kalibrierung	24
2.8	Enzyme-Linked-Immunosorbent-Assay (ELISA)	25
2.8.1	Grundlagen des ELISA	25
2.8.2	Weiterbehandlung der Blutproben	27
2.8.3	Beschichtung der Mikrotiterplatten	27
2.8.4	Probenmessung	27
2.8.5	Auswertung der Meßergebnisse	28
2.9	High Performance Liquid Chromatography (HPLC)	28
2.9.1	Grundlagen der HPLC	28
2.9.2	Aufarbeitung der Blutproben	29
2.9.3	Probenmessung	30
2.10	Radioimmunoassay (RIA)	30
2.10.1	Grundlagen des RIA	30
2.10.2	Probenaufbereitung	31
2.10.3	Probenmessung und Auswertung	33
2.11	Statistische Auswertung	33
3.	Ergebnisse	36
3.1	Parasitierungsraten	36
3.1.1	Parasitierungsrate bei Periplaneta americana	36
3.1.2	Parasitierungsrate des Endwirtes Rattus norvegicus	37
3.2	Massenzuwachs bei Rattus norvegicus	39
3.3	Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)	40
3.3.1	Blindwerte, Nachweis- und Bestimmungsgrenzen	40
3.3.2	Cd-Gehalte im Gewebe der Ratten und in M. moniliformis	41
3.3.3	Cadmium-Akkumulation in Moniliformis moniliformis	46
3.4	Enzyme-Linked-Immunosorbent-Assay (ELISA)	48
3.4.1	Antikörperbildung	48
3.5	High Performance Liquid Chromatography (HPLC)	50
3.5.1	Katecholamin-Bildung im Zeitverlauf des Versuches	50
3.5.2	Katecholamin-Bildung bei Akutstreß	53
3.6	Radioimmunoassay	55
3.6.1	Cortisol-Bildung im Zeitverlauf des Versuches	55
3.6.2	Cortisol-Bildung am Versuchsende	57
3.7	Masse der Nebennieren	58
3.8	Korrelationen	58
4.	Diskussion	66
4.1	Parasitierungsraten	66
4.1.1	Parasitierungsrate des Zwischenwirtes	66
4.1.2	Parasitierungsrate des Endwirtes	67
4.2	Massenzuwachs bei Rattus norvegicus	70
4.3	Quantitative Bestimmung der Cadmium-Gehalte	70
4.3.1	Analytik	71
4.3.2	Cadmium-Gehalte in Rattus norvegicus und M. moniliformis	72
4.3.3	Bioakkumulation von Cadmium in M. moniliformis	76
4.4	Verwendung von M. moniliformis als Bioindikator	77
4.5	Antikörperbildung	79
4.6	Streßhormon-Bildung	83
4.6.1	Akutstreß und Katecholamine	83
4.6.2	Langzeitstreß und Cortisol	86
4.7	Masse der Nebennieren	89
4.8	Beeinflussung des Wirtes durch Cd-Exposition und Parasitose	89
4.9	Bedeutung der Ergebnisse für den Menschen in urbanen Lebensräumen	92
5.	Zusammenfassung	94
6.	Literaturverzeichnis	96
7.	Anhang	110
8.	Danksagung	119