Die Infektion mit Giardia lamblia ist weltweit eine der häufigsten Ursachen für Durchfallerkrankungen (22). Dieser Protozoen-Erreger kolonisiert den Dünndarm und kann sich an das Epithel anheften, dringt aber nicht in die Schleimhaut ein. Infektionen sind in der Regel selbstlimitierend, da immunkompetente Wirte G. lamblia kontrollieren und in der Regel ausrotten können, ein Prozess, an dem CD4-T-Zellen und die Bildung von sekretorischem Immunglobulin A (IgA) und anderen, noch wenig verstandenen Effektoren beteiligt sind (6, 8, 9, 18). Trotz der häufig schweren klinischen Symptome wie Durchfall, Bauchschmerzen, Malabsorption und Gewichtsverlust geht die Infektion nicht mit einer signifikanten Entzündung der Schleimhäute einher (12). Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Entzündungsmediatoren für die durch den Parasiten ausgelöste Diarrhö nicht von Bedeutung sind, obwohl die Mechanismen, die die Diarrhö bei Giardiasis steuern, nur unzureichend verstanden sind. Es wurde nicht nachgewiesen, dass Giardien Enterotoxine freisetzen, die für die Störung der Flüssigkeitsabsorption oder -sekretion des Darms verantwortlich sein könnten. Bei der Infektion von Mäusen mit Giardien kommt es zu einer Verringerung der Absorptionsoberfläche durch den Verlust von Epithelmikrovilli (16), was zu einer osmotisch bedingten Diarrhöe in Verbindung mit Malabsorption führen könnte, aber die absolute Oberflächenverringerung ist im Vergleich zur vorausgesagten anatomischen Reserve des Dünndarms bescheiden. Menschen, die mit G. lamblia infiziert sind, zeigen bei der radiologischen Untersuchung Anzeichen von intestinaler Hypermotilität (15), ein Phänomen, das auch bei experimentell infizierten mongolischen Rennmäusen beobachtet wurde (5). Die zugrundeliegenden Mechanismen und die funktionelle Bedeutung dieser Befunde sind derzeit noch unklar. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die Hypothese zu testen, dass die intestinale Hypermotilität einen Abwehrmechanismus des Wirtes gegen Giardien darstellt, wobei Mäusemodelle der Giardiasis verwendet wurden.

Erwachsene C57BL/6-, SCID- und neuronale Stickstoffmonoxid-Synthase (nNOS)-defiziente Mäuse wurden vom Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME) bezogen. Für Infektionen mit Giardia muris wurden die Zysten durch Saccharoseflotation gereinigt, in einem Hämozytometer unter einem Phasenkontrastmikroskop gezählt und durch orale Verabreichung in Wasser mit 104 Zysten/Maus in 0,2 ml verabreicht (9). Für G. lamblia-Infektionen wurden Trophozoiten des GS/M-Stamms (ATCC 50580) (11) in TYIS-33-Medium gezüchtet und durch orale Verabreichung von 107 Zysten/Maus in 0,2 ml desselben Mediums verabreicht (9). Die Motilität des Dünndarms wurde mit einer modifizierten Testmahlzeit-Methode bestimmt. Die Mäuse wurden über Nacht gefastet und erhielten 0,2 ml einer Suspension von 106 fluoreszierenden Polystyrolkügelchen (Fluoresbrite YG Carboxylat-Mikrokügelchen mit 10 μm Durchmesser; Polysciences, Inc., Warrington, PA) (19) und 6 % Karminfarbstoff in 5 % Gummiarabikum in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS). Nach 20 Minuten wurde der Dünndarm rasch entfernt, und die Position der Karminfarbstofffront sowie die gesamte Länge des Dünndarms wurden aufgezeichnet. Der Darm wurde dann in acht gleich große Stücke geteilt, von denen jedes in Längsrichtung geöffnet, in 2 ml PBS gelegt und 10 Minuten lang auf Eis gekühlt wurde. Die Mischungen wurden kräftig geschüttelt, um die Trophozoiten und die Kügelchen abzulösen, die dann mit Hilfe von Phasenkontrast- bzw. Fluoreszenzmikroskopen getrennt gezählt wurden. Die von der Karminfarbstofffront zurückgelegte Strecke wurde als Prozentsatz der gesamten Dünndarmlänge ausgedrückt. Die Anzahl der Kügelchen pro Segment wurde als Prozentsatz der Gesamtzahl der Kügelchen im Dünndarm ausgedrückt. Um die Auswirkungen der Hemmung der Dünndarmmotilität auf die giardiale Clearance zu beurteilen, wurden Mäuse zunächst oral mit G. muris oder G. lamblia GS/M infiziert und jeden zweiten Tag, beginnend am 7. bzw. 4. Tag, mit 30 mg/kg Loperamid oder mit PBS als Kontrolle behandelt. Die Anzahl der Trophozoiten im Dünndarm wurde am 21. Tag für G. muris und am 9. Tag für G. lamblia bestimmt.

Um festzustellen, ob normale erwachsene Mäuse ein geeignetes Modell für die Untersuchung der Rolle der Darmmotilität bei der Kontrolle der Giardieninfektion sind, infizierten wir 8 bis 10 Wochen alte C57BL/6-Mäuse mit Zysten des natürlich vorkommenden Mäuseerregers G. muris. Die Motilität des Dünndarms wurde mit einer Testmahlzeit-Methode bestimmt, bei der Karminfarbstoff als Flüssigphasenmarker (14) und 10-μm-Polystyrolkügelchen als Marker für Partikel verwendet wurden, die in ihrer Größe mit Giardia-Trophozoiten vergleichbar sind (19). Die Infektion mit G. muris beschleunigte den Dünndarmtransit, da die Fronten sowohl des Karminfarbstoffs (Abb. (Abb.1A)1A) als auch der Polystyrolkügelchen (Abb. (Abb.1B)1B) bei infizierten Mäusen deutlich weiter gereist waren als bei nicht infizierten Kontrollen. Eine Zeitverlaufsanalyse dieses Phänomens ergab, dass die Hypermotilität innerhalb einer Woche nach der Infektion auftrat, aber ihren Höhepunkt nach 2 bis 3 Wochen erreichte, zu einem Zeitpunkt, als die Trophozoitenzahlen im Vergleich zu den Zahlen zum Zeitpunkt der maximalen Infektion nach 1 Woche verringert waren (Abb. (Abb.1A).1A). Die maximalen Veränderungen der Dünndarmmotilität wurden also im Vergleich zum Höhepunkt der Trophozoitenbelastung verzögert, was darauf hindeutet, dass diese Veränderungen durch einen anderen Mechanismus als die direkte giardiale Stimulation verursacht werden können.

Dieser Befund erinnert an Berichte über den durch Giardien verursachten Verlust von Mikrovilli im Darmepithel, für den die adaptive Immunantwort des Wirts verantwortlich gemacht wurde (16, 17). Um herauszufinden, ob ähnliche Mechanismen für die Hypermotilität des Dünndarms verantwortlich sind, haben wir Mäuse mit schwerer kombinierter Immunschwäche (SCID-Mäuse) untersucht. Diesen Mäusen fehlen aufgrund eines Defekts der katalytischen Untereinheit der DNA-abhängigen Proteinkinase, PRKDC, die für eine normale V(D)J-Rekombination erforderlich ist, funktionelle T- und B-Zellen, und sie können Giardien nicht ausrotten (9, 18). Die Infektion von SCID-Mäusen mit G. muris veränderte den Dünndarmtransit nicht, was in starkem Kontrast zu den Beobachtungen bei den immunkompetenten Kontrollen stand (Abb. 2).2). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die mit der Giardiasis assoziierte Hypermotilität des Dünndarms von der Induktion einer normalen adaptiven Immunantwort auf den Erreger abhängt.

Um zu prüfen, ob die beobachtete Dünndarm-Hypermotilität zur Clearance von Giardien beiträgt, behandelten wir Mäuse mit Loperamid, einem Medikament, das die Darmtätigkeit durch Aktivierung von μ-Opioidrezeptoren im Magen-Darm-Trakt hemmt (2, 13, 21). Die medikamentöse Behandlung wurde zum Zeitpunkt des Höhepunkts der G. muris-Infektion (Tag 7) begonnen, um sicherzustellen, dass die pharmakologisch induzierten Veränderungen der Motilität die anfängliche Etablierung der Infektion nicht beeinträchtigen würden. Die Hemmung der Dünndarmmotilität durch Loperamid beeinträchtigte die giardiale Clearance deutlich, wobei die Anzahl der Trophozoiten bei den mit Loperamid behandelten Mäusen nach 21 Tagen um das 25-fache höher war als bei den mit PBS behandelten Kontrollen (Abb. 3).3). Die Behandlung mit Loperamid hatte keinen Einfluss auf die Entwicklung der adaptiven Immunität, da die Titer von antigiardialem IgA in den Darmschleimhautsekreten durch die Behandlung nicht beeinflusst wurden (Daten nicht gezeigt). Darüber hinaus zeigte diese experimentelle Strategie eine ähnliche hemmende Wirkung auf die Infektion von Mäusen mit G. lamblia GS/M, einem menschlichen Giardien-Erreger, der normale erwachsene Mäuse infizieren kann (3, 9). Bei Mäusen, die mit PBS behandelt wurden, war die Infektion nach 9 Tagen weitgehend abgeklungen, während bei Mäusen, die ab dem 4. Tag mit Loperamid behandelt wurden, weiterhin eine beträchtliche Anzahl von G. lamblia-Trophozoiten im Dünndarm vorhanden war (Abb. 3).3). Somit beeinträchtigte die Hemmung der Dünndarmmotilität die Clearance von Giardien im Mauswirt, unabhängig von der Giardienart. Als zusätzlichen Ansatz zur Bestimmung der Bedeutung der Darmmotilität bei der Abwehr von Giardien verwendeten wir einen genetischen Ansatz, bei dem die Unterbrechung des nNOS-Gens den effektiven Vortrieb im Darm von Mäusen beeinträchtigt (20). Die Motilitätsanalyse bestätigte, dass nNOS-defiziente Mäuse im Vergleich zu ihren Wildtyp-Wurfgeschwistern eine konstitutive Verzögerung der Magen-Darm-Passage aufwiesen (Abb. (Abb.4A).4A). Gleichzeitig gelang es den Knockout-Mäusen nicht, eine Infektion mit G. lamblia normal zu beseitigen (Abb. (Abb.4B).4B). Mit pharmakologischen und genetischen Ansätzen fanden wir heraus, dass eine verringerte Darmmotilität mit einer Beeinträchtigung der Wirtsabwehr gegen Giardien einhergeht.

Unsere Studie zeigt, dass die Hypermotilität des Darms eine wichtige Abwehrfunktion des Wirtes gegen Giardien ist, eine Schlussfolgerung, die auch in einem anderen kürzlich erschienenen Bericht gezogen wurde (10). Diese Abwehr scheint von der Entwicklung einer normalen adaptiven Immunantwort gegen den Parasiten abzuhängen, da sie bei Mäusen, denen T- und B-Zellen fehlen, nicht auftrat, obwohl es prinzipiell möglich ist, dass T- oder B-Zellen unabhängig von ihrer Rolle bei der adaptiven antigiardialen Immunität zur Hypermotilität beitragen. Die immunabhängige Hypermotilität dient der Verteidigung des Wirts gegen andere Darmparasiten, insbesondere Helminthen. So ist beispielsweise die Ausrottung des Spulwurms Trichinella spiralis, der einen erheblichen Teil seines Lebenszyklus im Dünndarm verbringt, in hohem Maße mit einer erhöhten Darmmotilität verbunden (4, 23). Ebenso geht die Ausscheidung des Hakenwurms Nippostrongylus brasiliensis bei Ratten mit einer Hypermotilität des Dünndarms einher, was auf eine Rolle bei der Abwehr dieses Helminthen hindeutet (7). Allen diesen Darmpathogenen ist gemeinsam, dass sie primär, wenn auch nicht ausschließlich, im Darmlumen lokalisiert sind. Anatomisch gesehen befindet sich dieser Infektionsort außerhalb des eigentlichen, mit Epithel ausgekleideten Körpers und ist daher für viele Immuneffektorzellen und -moleküle, wie z. B. Neutrophile oder Komplement, die innerhalb des Körpers wirksam arbeiten, nicht ohne weiteres zugänglich. In der Tat stellt eine wirksame antimikrobielle Abwehr im Darmlumen eine besondere Herausforderung für den Wirt dar, der an dieser Stelle nur über ein begrenztes Repertoire an Abwehrkräften verfügt. Von diesen wird das sekretorische IgA gemeinhin als ein primärer luminaler Abwehrmechanismus angesehen, aber seine tatsächliche Bedeutung für die giardiale Clearance scheint variabel zu sein und kann von schlecht definierten Wirts- und Parasitenfaktoren abhängen (6, 9, 18). Unsere Daten und frühere Arbeiten mit Helminthen (4, 23) deuten darauf hin, dass die intestinale Hypermotilität ein weiterer wichtiger Abwehrmechanismus gegen die Kolonisierung des Darmlumens ist.

Die immunabhängige Hypermotilität könnte eine mechanistische Erklärung für die mit Giardiasis assoziierte Diarrhö liefern, wie in früheren Berichten festgestellt wurde (5, 15). Grundsätzlich kann der Durchfall durch eine verminderte Flüssigkeitsaufnahme oder eine erhöhte Sekretion oder eine Kombination dieser beiden Mechanismen verursacht werden. Es gibt nur wenige Belege für eine erhöhte Ionen- und Flüssigkeitssekretion bei Giardiasis, so dass eine beeinträchtigte Flüssigkeitsabsorption die wahrscheinliche Ursache ist. Es ist zu erwarten, dass eine verkürzte Kontaktzeit mit luminalen Flüssigkeiten, die verschluckt oder aus Magen- oder Pankreassekreten stammen können, die Effektivität des Ionentransports durch das Epithel beeinträchtigt, insbesondere wenn die Hypermotilität mit dem gemeldeten Verlust von absorbierenden Epitheloberflächen kombiniert wird (16). Es ist jedoch anzumerken, dass Mäuse nach einer Giardieninfektion keinen offenen Durchfall zeigen. Dennoch ist es möglich, dass sowohl beim Menschen als auch beim Tier ein Ungleichgewicht der Darmflüssigkeit auftritt, das bei Mäusen kompensiert wird, beim Menschen jedoch nicht. Wenn Hypermotilität tatsächlich zur Pathogenese der Diarrhoe beiträgt, würde unsere Feststellung, dass SCID-Mäuse keine Giardia-induzierte Hypermotilität aufweisen, bedeuten, dass Patienten mit zellulären Immundefekten, die mit einer erhöhten Anfälligkeit für Giardia-Infektionen einhergehen (z. B. chronisch variable Immundefizienz), weniger wahrscheinlich eine infektionsassoziierte Diarrhoe entwickeln. Darüber hinaus legen unsere Ergebnisse nahe, dass bei der Verwendung von Darmmotilitätshemmern zur Behandlung von Giardia-induzierter Diarrhö Vorsicht geboten ist (1), da eine solche Behandlung die zugrunde liegende Infektion verlängern kann.