The influence of co-infections on the reservoir competence of peridomestic rodents for tick-borne pathogens | Der Einfluss von Koinfektionen auf die Reservoirkompetenz von peridomestischen Nagetieren für Zecken-übertragene Krankheitserreger

Small rodents and their nests are fascinating and existential biotopes for numerous arthropod, helminth and protozoan animals. On the other side, some of the parasite species can cause disease in humans and companion animals and wild mice and voles are reservoir hosts for many tick-borne pathogens. Despite that, the biodiversity and quantitative occurrence of many wild rodent parasites and their zoonotic potential is largely unknown. Six rodent species from the genera Apodemus, Myodes and Microtus are presumably the most abundant non-commensal rodent species in Europe and also among the most important hosts for immature life stages of ticks in urban areas like Berlin. In the first instance, the present thesis therefore reviewed for the first time all the 460 invertebrate and 69 protozoan species which were reported from these six rodent species in Europe and gave a brief overview about the taxonomy, major morphological characteristics, life cycles and zoonotic potential of the macroparasites and intestinal Coccidia associated with these rodents. In a longitudinal field study, 257 rodents of these six species were trapped at four study sites in Berlin and examined for intestinal Coccidia, macroparasites and other invertebrates. The ectoparasites, as well as phoretic and non-parasitic arthropods detected in the fur and on the skin of the rodents were covered in manuscript 1, while helminths and intestinal Coccidia were addressed in manuscript 2. A high taxon richness of at least 84 species, comprising 63 arthropod, 20 helminth and one higher coccidian taxon was observed on/in the rodents in Berlin and no rodent individual was free of parasite infections. The tick Ixodes ricinus was the most frequent species with 56% prevalence and a mean intensity of 9.4 ticks per rodent host. Eight mite and one nematode species represent new records for the fauna of Germany. Rodent species, trapping location and season were clearly associated with the quantitative occurrence of most parasite groups. Mice were more often parasitised by digenean flukes, hymenlepidid tapeworms, the nematode Heterakis spumosa, lice and listrophorid mites but less often by anoplocephalid tapeworms, trombiculid and myocoptid mites than voles. In non-metric multidimensional scaling, host species even appeared to be more important than trapping location, since rodent individuals could mostly be allocated to one of three host taxon groups, only according to the parasite taxa they harboured. However, the different degrees of urbanisation between the trapping locations affected not only the presence and abundance of the rodent species, but also the species richness of rodent parasites. Compared to rural areas, mice and voles in Berlin carried less arthropod species with low host dependence and host specifity, such as fleas, trombiculid and non-parasitic gamasid mites. Furthermore, ecto- and endoparasites with lower host adaptation and high dependence on intermediate hosts or other external factors were decreasingly diverse, prevalent and/or numerous with increasing degree of urbanisation from periurban to urban sites. Endoparasites without host change (monoxenous) and stationary ectoparasites, in contrast, were more prevalent and/or numerous at urban sites. Apart from ticks, the parasites detected on the six peridomestic rodent species in Berlin only pose a minor zoonotic risk of infection for people, since species causing severe diseases, such as Echinococcus multilocularis were absent. In contrast, the role of these hosts in the urban life cycle of ticks is important and they most certainly participate in the maintenance of well-known and emerging tick-borne pathogens in Berlin. Hence, regression analyses were performed to assess the influence of co-infections on tick abundance on the rodent host. Considering several confounding factors, the abundance of I. ricinus larvae was negatively associated with the abundance of nematodes from the superfamily Heligmosomoidea and Syphacia sp., as well as of gamasid mite parasites from the family Laelapidae, while that of hymenolepidid tapeworms was positively associated. To verify a relationship of cause and effect, laboratory co-infection experiments were conducted and published in manuscript 3. Mice simultaneously infected with Heligmosomoides polygyrus nematodes as well as with larval or nymphal I. ricinus ticks exhibited substantially higher systemic type 2 T helper cell (Th2) responses, based on interleukin 13 and GATA 3 expression compared to single-infected mice. However, the development of partial immunity and the Th2 reactivity towards ticks were unaffected by the nematode infection during repeated larval tick infestations. Co-infections with H. polygyrus were also unable to affect the susceptibility for tick-transmitted Borrelia afzelii Lyme disease spirochetes and their replication, dissemination and induction of signs of pathology in the rodent host. The negative association between heligmosomoid nematodes and ticks in wild rodents could not be confirmed in laboratory mice. However, the observed negative effect of laelapid mites on tick abundance, which may be caused by predation, should be further investigated. These mites have the potential to affect feeding success of ticks and therefore the transmission of many tick-borne pathogens. The present field study constitutes a current basis for studies on parasite diversity, arthropod vector competence and natural co-infections.

Kleine Nagetiere und ihre Nester sind faszinierende und existentielle Biotope für zahlreiche Arthropoden-, Helminthen-, und intestinale Protozoenarten. Auf der anderen Seite können einige der parasitischen Arten Krankheiten bei Menschen und Haustieren verursachen. Zudem sind wilde Wühlmäuse und Mäuse Reservoirwirte für viele Zecken übertragene Pathogene. Trotz allem sind die Biodiversität und das quantitative Vorkommen vieler Wildnagerparasiten, sowie ihr zoonotisches Potential noch immer weitgehend unbekannt. Sechs Nagetierarten aus den Gattungen Apodemus, Myodes und Microtus umfassen wahrscheinlich die individuenreichsten, nicht kommensalen Nagetierarten in Europa und gehören zugleich zu den wichtigsten Wirten für juvenile Zeckenstadien in urbanen Gebieten wie Berlin. Daher fasst diese Thesis zu Beginn erstmalig alle 460 Invertebraten- und 69 Protozoenarten zusammen, welche diese sechs Nagetierarten in Europa parasitieren oder anderweitig mit ihnen assoziiert sind und gibt zudem einen kurzen Überblick über die Taxonomie, die wichtigsten morphologischen Charakteristiken, die Lebenszyklen und das zoonotische Potential der Makroparasiten und intestinalen Kokzidien. In einer longitudinalen Freilandstudie wurden 257 Nagetiere dieser sechs Arten an vier Fangorten in Berlin gefangen und auf intestinale Kokzidien, Makroparasiten und andere Invertebraten untersucht. Die Ektoparasiten, sowie phoretische und nicht parasitische Arthropoden, welche im Fell und auf der Haut der Nagetiere gefunden wurden, werden im Manuskript 1 behandelt, während Helminthen und intestinale Kokzidien in Manuskript 2 präsentiert werden. Eine hohe Taxonvielfalt von mindestens 84 Arten, welche sich aus 63 Arthropoden , 20 Helminthenarten und einem höheren Kokzidientaxon zusammensetzt, wurde auf/in den Nagetieren in Berlin festgestellt und kein einziges Tier war frei von parasitischen Infektionen. Die Zecke Ixodes ricinus war die häufigste Art mit einer Prävalenz von 56% und einer mittleren Intensität von 9,4 Zecken pro Nagetierwirt. Acht Milbenarten und eine Nematodenart stellten Erstnachweise für die deutsche Fauna dar. Nagetierart, Fangort und Jahreszeit hatten deutlichen Einfluss auf das quantitative Vorkommen der meisten Parasitengruppen. Mäuse waren häufiger mit Trematoden, hymenolepididen Bandwürmern, dem Nematoden Heterakis spumosa, Tierläusen und listrophoriden Milben, aber seltener mit anoplocephaliden Bandwürmern, trombiculiden und myocoptiden Milben befallen als Wühlmäuse. Unter Verwendung einer Nicht-metrischen multidimensionalen Skalierung erschien die Wirtsart von größerer Bedeutung zu sein als der Fangort, da die Nagetierindividuen allein aufgrund ihrer Parasitentaxa einer von drei Wirtstaxongruppen zugeordnet werden konnten. Der unterschiedliche Grad an Urbanisierung zwischen den Fangorten hingegen beeinflusste nicht nur die Präsenz und Abundanz der Nagetierarten, sondern auch den Artenreichtum der Nagetierparasiten. Im Vergleich zu ländlichen Gebieten waren die Mäuse und Wühlmäuse in Berlin mit weniger Arthropodenarten mit geringer Wirtsabhängigkeit und spezifität, wie Flöhen, trombiculiden und nicht parasitischen gamasiden Milben, infestiert. Zudem waren Ekto- und Endoparasiten mit geringerer Wirtsadaptation und starker Abhängigkeit von Zwischenwirten oder anderen externen Faktoren weniger divers, prävalent und/oder individuenreich mit steigendem Grad der Urbanisierung von periurbanen zu urbanen Fangorten. Endoparasiten ohne Wirtswechsel (monoxen) und stationäre Ektoparasiten waren dagegen prävalenter und/oder zahlreicher an den urbanen Standorten. Mit Ausnahme der Zecken stellen die in dieser Studie gefundenen Parasiten der sechs peridomestischen Nagetierarten in Berlin nur ein geringes zoonotisches Infektionsrisiko für den Menschen dar. Arten wie der Fuchsbandwurm Echinococcus multilocularis, welche schwere Krankheiten verursachen, fehlten. Im Gegensatz dazu ist die Rolle dieser Wirte bedeutend für die urbanen Lebenszyklen von Zecken und sie nehmen unzweifelhaft auch an der Zirkulation von bekannten und neuartigen Zecken-übertragenen Krankheitserregern in Berlin teil. Aus diesem Grund wurden Regressionsanalysen zum Einfluss von Koinfektionen auf die Abundanz von Zecken auf ihren Nagetierwirten durchgeführt. Unter Berücksichtigung von wichtigen Störfaktoren war die Abundanz von I. ricinus Larven sowohl mit der Abundanz von Nematoden der Überfamilie Heligmosomoidea und von Syphacia sp., als auch mit der Abundanz von parasitischen, gamasiden Milben der Familie Laelapidae negativ assoziiert, während jene von hymenolepididen Bandwürmern positiv assoziiert war. Für den Nachweis einer kausalen Beziehung zwischen den Parasiten wurden experimentelle Koinfektionen in Labornagern durchgeführt, welche in Manuskript 3 publiziert wurden. Mäuse, welche gleichzeitig sowohl mit Heligmosomoides polygyrus Nematoden, als auch mit Zeckenlarven und nymphen von I. ricinus infiziert waren, zeigten beträchtlich erhöhte systemische Typ 2 T Helfer Zellantworten (Th2), auf der Basis der Interleukin 13- und GATA 3-Expression im Vergleich zu Mäusen mit Einzelinfektionen. Die Entwicklung einer teilweisen Immunität und die Th2 Reaktivität gegenüber Zecken waren hingegen unbeeinflusst von der Nematodeninfektion während wiederholter Infestationen mit Zeckenlarven. Koinfektionen mit H. polygyrus waren zudem nicht in der Lage, die Suszeptibilität gegenüber Zecken-übertragenen Borrelia afzelii Lyme-Spirochäten, sowie deren Replikation, Dissemination und Induktion von pathologischen Veränderungen im Nagetierwirt zu beeinflussen. Die in Wildnagern beobachtete negative Assoziation zwischen heligmosomoiden Nematoden und Zecken konnte somit in Labormäusen nicht bestätigt werden. Allerdings sollte ein womöglich negativer Effekt von laelapiden Milben auf die Zeckenabundanz, welcher eventuell auf Prädation beruht, in Zukunft näher untersucht werden. Diese Milben haben das Potential, den Erfolg der Blutmahlzeit von Zecken und somit die Transmission von Zecken-übertragenen Pathogenen zu beeinflussen. Die hier präsentierte Feldstudie bietet eine aktuelle Basis für weitere Studien zur Biodiversität von Parasiten, zur Vektorkompetenz von Arthropoden und zu natürlichen Koinfektionen.