Animal science in livestock: Insights in models of respiratory diseases and infections

Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 131

DOI: 10.2376/0005-9366-18033

© Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG. 2018

Publiziert: 06/2018

Zusammenfassung

Sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin stellen Atemwegs- und Lungenerkrankungen bedeutsame gesundheitliche Probleme dar. Mit Fokussierung auf das respiratorische System werden in der Grundlagenforschung wie auch in der translationalen und klinischen Forschung Tiermodelle eingesetzt, wobei das Spektrum der Tierarten auch Schweine, Schafe, Rinder und selbst Pferde einschließt. Unter Beachtung genetisch determinierter tierartlicher Besonderheiten in Struktur und Funktion des respiratorischen Systems sowie markanter Spezies-Unterschiede bezüglich wirtsspezifischer Abwehrmechanismen gilt für die Etablierung von biologisch relevanten Tiermodellen der Grundsatz: ‚So wenig artifiziell wie nötig und so nah an der Realität wie möglich‘. Respiratorische Infektionen oder nichtinfektiöse pulmonale Erkrankungen bei Tieren, denen eine ähnliche Pathophysiologie zugrunde liegt wie der vergleichbaren Affektion beim Menschen, stellen natürliche Modelle dar, die disziplinübergreifend zum Erkenntnisgewinn für Mensch und Tier beitragen können. Mit der Verfügbarkeit genetisch modifizierter Nutztiere bereichern auch transgene Modelle, z. B. das porcine Modell für zystische Fibrose, die moderne pneumologische Forschung. Experimentelle Expositionen des Respirationstraktes beziehen sich oft auf Pathogene, wobei insbesondere bei respiratorischen Infektionen mit zoonotischem Potenzial deutliche Schnittmengen zwischen humanmedizinischen und veterinärmedizinischen Fragestellungen existieren. Unabhängig von der Tierart umfasst die Charakterisierung eines respiratorisch fokussierten Modells am lebenden Tier ein klinisches Scoring, die Quantifizierung pulmonaler Dysfunktionen Lungenfunktionsdiagnostik, Blutgasanalyse) und die Darstellung struktureller Veränderungen (bildgebende Verfahren). Die Implementierung von innovativen nicht-invasiven diagnostischen Methoden (z. B. Analyse exhalierter Biomarker) trägt im Sinne des Tierschutzes und 3R-Konzeptes zum Refinement eines jeden Tiermodells bei und befördert zugleich den Wissenschaftstransfer zwischen Human- und Veterinärmedizin. Am Versuchsende steht in der Regel die Sektion der Versuchstiere. Durch eine qualifizierte pathologische Untersuchung lassen sich Läsionen im Respirationstrakt beurteilen und quantifizieren. Die Gewinnung von Probenmaterial aus dem Respirationstrakt lebender Tiere (Tupfer, Abstriche, Spülproben, Bioptate, Exhalat) sowie von Gewebeproben bei der Sektion erlauben weiterführende Untersuchungen zur Pathogenese bzw. zu Erreger-Wirt-Interaktionen.

Summary

Airway and lung diseases affect humans and animals. Consequently, models focusing on the respiratory system are indispensable in basic and translational research. Although rodent models are still dominating, livestock or domestic species (pigs, sheep, bovines, and horses) are also included in experimental pneumology being advantageous for within-subject assessments of functional, inflammatory and morphological changes in long-term studies. Species-specific peculiarities in structure and function of the respiratory system as well as in host response mechanisms must be taken into account when introducing animal models of biological relevance. Respiratory infections or pulmonary diseases in livestock presenting significant pathophysiological similarities compared to human diseases are natural models that may contribute to scientific progress in both human and veterinary medicine. With the availability of genetically modified farm animal species, transgene disease models become available as well; one excellent example is the porcine model of cystic fibrosis. Experimental challenges of the respiratory system are often focused on pathogens. In this context, particularly zoonotic infections are relevant for interdisciplinary research between human and veterinary medicine. A profound in vivo characterization of each respiratory model (regardless of the animal species chosen) includes clinical scoring, evaluation of pulmonary dysfunctions (blood gases, lung function testing) and visualization of the changes induced (imaging techniques). Implementation of innovative non-invasive diagnostic methods (i.e., assessment of exhaled biomarkers) improves animal welfare, contributes markedly to refine any model (3R-concept), and advances knowledge transfer between human and veterinary medicine. At necropsy, pulmonary lesions need to be characterized and quantified by a profound pathological examination. Different samples from the respiratory tract (swabs, smears, lavage samples, biopsies, exhaled breath) and tissue samples assessed at necropsy are indispensable for further investigations towards pathogenesis or pathogen-host interactions.