Forschungsprojekte

Stress, Immunfunktion und Gesundheit: Projekte bei Nutztieren

Die Erkenntnisse auf dem Gebiet der Psychoneuroimmunologie haben unser Wissen über die mannigfaltigen und engen Interaktionen zwischen Umweltfaktoren und dem Immunsystem stark erweitert. Heute ist klar: das Immunsystem reagiert nicht nur auf Pathogene, sondern auch auf weitere Umweltfaktoren wie Licht, Ernährung und insbesondere Stressoren. Im Gegensatz zu Modellorganismen sind die Auswirkungen von Stress auf das Immunsystem bei Nutztieren immer noch sehr unzureichend untersucht; insbesondere fehlen Studien in notwendiger Breite und unter Verwendung modernster immunologischer Methodik. Dieses ist eigentlich sehr erstaunlich, denn Krankheiten führen zu starken Leistungseinbußen in der Produktion und beeinflussen das Tierwohl negativ.

In unseren Untersuchungen beschäftigen wir uns mit den Auswirkungen von sozialen Stressoren wie sozialer Instabilität oder hoher Belegungsdichte auf das Immunsystem beim Hausschwein und Geflügel, sowie in Partnerprojekten auch mit anderen Spezies wie Pferden (Konstanze Krüger, Nürtingen). Unsere Arbeiten leisten einen wichtigen Betrag in der Grundlagenforschung, um Veränderungen der Immunkompetenz von Nutztieren besser zu verstehen. Sie tragen aber auch zum Tierschutz und zu einer nachhaltigeren landwirtschaftlichen Tierhaltung bei.

Stressbedingte Immunmodifikationen und Interaktionen von Immunzellen mit Bakterien (Interkingdom Signaling)

Trotz der Bedeutung von Schweinen für die Tierproduktion und ihrer zunehmenden Bedeutung als Modellorganismus für die Physiologie des Menschen ist das Wissen über das Immunsystem von Schweinen unter dem Einfluss von Stresshormonen unzureichend. Unsere Projekte zielen darauf ab, in in-vitro- und in-vivo-Studien systematisch die spezifischen Glucocorticoid- und Katecholamin-Wirkungen auf das Immunsystem von Schweinen zu untersuchen. Unsere bisherigen Ergebnisse deuten auf eine erhebliche immunmodulierende Wirkung von Stresshormonen mit vielen Ähnlichkeiten zum Menschen hin, wodurch das Schwein als ein hervorragender Modellorganismus in der Psychoneuroimmunologie angesehen werden kann.

Interkingdom-Signaling in Zeiten von Stress: In Stresssituationen modulieren Katecholamine die Immunfunktion von Säugetieren und können darüber hinaus von vielen Bakterien wahrgenommen werden. Katecholamin-Sensing wurde auch im zoonotischen Darmpathogen Salmonella Typhimurium gefunden, was wahrscheinlich zu dem stressinduzierten erhöhten Salmonelloserisiko beiträgt. Virulenzmerkmale wie Proliferation und Invasivität werden beim Erkennen von Katecholaminen gefördert, es ist jedoch nicht bekannt, ob Krankheitserreger die Immunfunktion von Säugetieren in Stresssituationen hemmen. Diese Fragen werden in enger Zusammenarbeit mit Julia Fritz-Steuber (Universität Hohenheim, Zelluläre Mikrobiologie) untersucht. Unser Projekt war das erste, das zeigte, dass Bakterien, die in Gegenwart von Katecholaminen kultiviert, wurden, ihre Wachstumsumgebung verändern. Wahrscheinlich geschieht das durch die Produktion von immunmodulierenden Substanzen, so dass die Immunantwort des Wirts unterdrückt wird. Diese Ergebnisse erweitern die Bedeutung der  Interkingdom-Signalübertragung um eine neue Dimension und liefern neue Hinweise, um die erhöhte Anfälligkeit eines gestressten Wirts für Salmonelleninfektionen zu erklären.

Von der DFG gefördertes Projekt (Projektnummer 272280174)

Biologische Rhythmen und Immunfunktion beim Schwein

In vielen Arten unterliegt das Immunsystem diurnalen und saisonalen Rhythmen, die zu Veränderungen in der Anzahl und Funktionalität von Immunzellen und damit zu Unterschieden in Immunreaktionen oder auch stress-induzierten Immunmodulationen führen können. Eine variierende Immunkompetenz zu bestimmten Tages- und Jahreszeiten kann somit die Anfälligkeit für Krankheiten sowie die Reaktion des Organismus auf Impfungen oder Medikamentengaben beeinflussen. Tages- und jahreszeitliche Anpassungen werden maßgeblich durch die Photoperiode, also Licht/Dunkel-Verhältnisse, gesteuert. Photoperiodische Einflüsse auf Immunfunktionen wurden bisher hauptsächlich an nachtaktiven Nagern untersucht. Ergebnisse aus diesen Studien können jedoch nicht zwangsläufig auf tagaktive Arten übertragen werden, da sich tag- und nachtaktive Arten unter anderem durch unterschiedliche Verläufe der Hauptmediatoren photoperiodischer Effekte auf das Immunsystem auszeichnen.

In verschiedenen Studien untersuchen wir aus diesem Grund photoperiodische Einflüsse auf die Immunfunktion sowie zugrundeliegende endokrine und ethologische Wirkungsmechanismen beim Hausschwein (Sus scrofa domestica). Die Kenntnis photoperiodischer Faktoren, welche die Immunkompetenz von Hausschweinen beeinflussen können, stellt dabei ein hohes Potential für die praktische Schweinehaltung dar. Da das Schwein eine zunehmende Bedeutung als Modellorganismus erfährt, leisten die Ergebnisse dieser Studien darüber hinaus einen generellen Beitrag zum Verständnis photoperiodischer Einflüsse auf Immunkompetenz und mögliche Konsequenzen für Krankheitsanfälligkeit von tagaktiven Spezies.

DFG gefördertes Projekt (Projektnummer 269213015)

Einflüsse der Ca/P-Versorgung auf das Immunsystem bei hochleistenden und genetisch unterschiedlichen Legehennenlinien

Phosphor (P) und Kalzium (Ca) sind essenzielle Nährstoffe für ein funktionierendes und gut reguliertes Immunsystem und daher für die Gesundheit und das Wohlergehen der Tiere von größter Bedeutung. Die Auswirkungen der P- und Ca-Versorgung über das Futter auf das Immunsystem sind bei Geflügel nur unzureichend untersucht. Neben der reinen Verfügbarkeit beeinflusst auch die Form, in der P zugeführt wird, die Immunregulation. Jüngste Erkenntnisse deuten auf ein hohes Potenzial von Geflügel zur Hydrolyse von Phytinsäure mit einer großen Variation der Phosphornutzung hin. Legehennen unterscheiden sich von Säugetieren, da sich die Anforderungen an P und Ca während der Lebensdauer drastisch ändern.

In unseren Projekten in Zusammenarbeit mit FOR2601 untersuchen wir die Auswirkungen von reduziertem P und/oder Ca auf verschiedene Immunmerkmale bei hochleistenden und genetisch unterschiedlichen Legehennenlinien. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die P- und Ca-Versorgung über die Nahrung, der Beginn der Legung und der genetische Hintergrund das Immunsystem in beiden Stämmen beeinflussen. Diäten mit einem verringerten Phosphorgehalt hatten einen starken Einfluss auf die Anzahl von Zellen des angeborenen und adaptiven Immunsystems sowie auf die Antikörperkonzentration in Brauen (LB) und Weißen (LSL) -Leghornhornhybriden, wobei die Auswirkungen bei LB-Hühnern stärker waren. Trotz einer ähnlich hohen Legeleistung unterschieden sich beide Linien signifikant in ihren immunologischen Eigenschaften. Die LSL-Hybriden weisen einen ausgeprägteren adaptiven Phänotyp, die LB-Hybride einen ausgeprägteren angeborenen immunologischen Phänotyp auf. Beide Hennenlinien halten offenbar durch unterschiedliche physiologische Mechanismen eine hohe Eiproduktivität aufrecht.

Qualitative und quantitative Aspekte der Schweinemast mit Immunkastraten

In der EU werden etwa 75% der männlichen Ferkel chirurgisch kastriert, obwohl sich zentrale Stakeholder verpflichtet haben, diese Praxis bis 2018 zu verbieten. Die Kastration dient dazu, den sogenannten Ebergeruch bei männlichen Schweinen, der sich nach Eintritt in die Pubertät entwickeln kann, zu verhindern. Die Ferkelkastration ist jedoch schmerzhaft und stellt ein Tierschutzproblem dar. Auch die Anwendung der Anästhesie während der Kastration hat Nachteile und verstößt gegen das Prinzip der körperlichen Unversehrtheit. Die Ebermast wurde über eine gewisse Zeit als beste Alternative angesehen, allerdings bestehen weiterhin Probleme mit dem Tierschutz (aggressives Verhalten, Penisverletzungen der Eber) und der Fleischqualität (geruchsbelastete Schlachtkörper) und einer verminderten Verarbeitungsqualität (zu wenig Fett und zu hoher Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren). Viele dieser Probleme können durch die Immunkastration vermieden werden.

In einem ERA-NET Projekt (Sustainability in Pork Production with Immunocastration - SuSI) befasst wir uns mit der Immunkastration als Alternative zur Kastration und Ebermast mit potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen. Sieben internationale Partner sind am Projekt beteiligt.

Die bisherigen Ergebnisse von SuSI zeigen eindeutig, dass die Immunkastration klare Vorteile im Bereich des Tierwohls, aber auch ökologische Vorteile im Vergleich zu Kastraten mit sich bringt. Die Fleischqualität von Immunkastraten ist gut. Darüber hinaus hat die Immunkastration auch potenzielle wirtschaftliche Vorteile, wenn sie eine entsprechende Marktakzeptanz gewinnt.

Insgesamt bieten die aktuellen Ergebnisse von SuSI bereits jetzt optimiertes Wissen über die Immunkastration, um die Schweinefleischindustrie, Landwirte und Regierungsbehörden bei ihren Entscheidungsprozessen für eine vom Verbraucher akzeptierte Schweinefleischproduktion in der gesamten EU zu unterstützen und die  Nachhaltigkeit in der Schweinefleischproduktion zu verbessern.

Tierwohl: Verbesserung experimenteller Ansätze zur Beurteilung von Haltungsbedingungen und Wohlergehen bei Nutztieren

Die Frage, wie und in welchem Ausmaß soziale und nicht-soziale Umweltfaktoren das Verhalten und die Physiologie von Tieren beeinflussen können, stellt eine der zentralen Forschungsfragen der Verhaltensphysiologie dar. Die Gestaltung der Haltungsumwelt oder die Interaktionen von Gruppenmitgliedern können das Wohlergehen und letztendlich auch die Gesundheit von Nutztieren erheblich beeinflussen. Allerdings ist immer noch unzureichend untersucht, welche Elemente der Haltungsumwelt tatsächlich für das Tierwohl von besonderer Bedeutung sind.

In verschiedenen Projekten untersuchen wir deshalb die Einflüsse von Tierwohl-relevanten Haltungs- und Managementfaktoren auf das Verhalten sowie das Hormon- und Immunsystem. Die Ergebnisse unserer Forschung können auch dazu dienen, einen substanziellen Beitrag zur Versachlichung der Diskussion über das Tierwohl bei landwirtschaftlichen Nutztieren leisten.

EIP-AGRI: Einstellungen zu Schweinefleisch von lmmunkastraten und Wahrnehmung durch den Verbraucher

Entstehung von lnositolphosphaten im Verdauungstrakt und Wirkung auf die intestinale Mikrobiota, Phosphorverwertung und Tiergesundheit (mikroP)

Projektdauer: 01.12.2012 bis 30.11.2014

Beteiligte Einrichtungen: Hohenheim Center for Livestock Microbiome Research (HoLMiR), Fg. Feed-Gut Microbiota Interaction (460c), Institut für Nutztierwissenschaften (460), Fg. Verhaltensphysiologie von Nutztieren (460f)

Beteiligte Personen: M.Sc. Charlotte Heyer, Prof. Dr. med. vet. Ludwig E. Hölzle, Prof. em. Dr. Dr. h.c. Rainer Mosenthin, Dr. rer. nat. Sonja Schmucker, Dr. sc. agr. Eva Weiß, Prof. Dr. Volker Stefanski

Einfluss der Besatzdichte auf das Immunsystem der Legehenne mit besonderem Augenmerk auf das Darm-assoziierte Immunsystem

 (Förderkennzeichen: HOH 44/17 TH)

Projektdauer: 31.12.2019 - 31.1.2020

Beteiligte Einrichtungen: Institut für Nutzierwissenschaften (460), Fg. Populationsgenomik bei Nutztieren (460h), Fgl. Verhaltensphysiologie von Nutztieren (460f)

Beteiligte Personen: apl. Prof. Dr. sc. agr. habil. Michael A. Grashorn, Dr. rer. nat. Sonja Schmucker, M.Sc. Tanja Hofmann, Prof. Dr. Volker Stefanski