II Mikrobiologische Qualitätsanforderungen
Gnotobiotische Tiere, ob axenisch (d.h., keimfrei) oder mit einem definierten Mikrobiom, das aus einigen wenigen nicht-pathogenen Bakterien besteht, machen nur einen kleinen Teil der in der Forschung verwendeten Tiere aus; ihre Verwendung wird jedoch wahrscheinlich mit der zunehmenden Erforschung der tiefgreifenden Einflüsse und vielfältigen Auswirkungen des Mikrobioms auf die menschliche Gesundheit und die experimentellen Reaktionen von Forschungsmodellen zunehmen (Bech-Nielsen et al., 2012; Friswell et al., 2010; Grada und Weinbrecht, 2013). Wie bereits erwähnt, werden die meisten Labortiere als SPF bezeichnet, um anzuzeigen, dass sie nachweislich frei von Krankheitserregern auf einer Ausschlussliste sind.
Die Ausschlusslisten für Nagetiere, Kaninchen und andere gängige Labortierarten wurden in den Industrieländern dank der Bemühungen von Organisationen für Labortierkunde (Guillen, 2012; Nicklas, 2008; Nicklas et al., 2002) und der Globalisierung der biomedizinischen Forschung weitgehend harmonisiert. Darüber hinaus ermutigt der Wettbewerb um Kunden die Anbieter, SPF-Tiere anzubieten, die frei von neu entdeckten Krankheitserregern sind, und die diagnostischen Labors, Tests für diese Krankheitserreger zu entwickeln (Shek, 2000). Die Ausschlusslisten für SPF-Mäuse und -Ratten sind aus einer Reihe von Gründen umfangreicher als die für Kaninchen und andere gängige Labortierarten. Erstens: Da Mäuse und Ratten die überwiegende Mehrheit der in der Forschung verwendeten Tiere ausmachen, ist es naheliegend, dass mehr über ihre einheimischen Krankheitserreger bekannt ist als über die anderer, weniger häufig verwendeter Labortierarten. Die Vielfalt der Inzuchttiere und der natürlich und gentechnisch veränderten immundefizienten mutierten Nagerstämme, die sehr anfällig für Infektionskrankheiten sind (Compton et al., 2003; Franklin, 2006) hat in Verbindung mit empfindlichen Immunoassay-Methoden (Smith, 1986b) und Fortschritten in der Molekulargenetik (Compton und Riley, 2001) zur Entdeckung und Charakterisierung von Nagetierpathogenen (Fox et al., 1994; Ward et al., 1994a) beigetragen, die als Ursache für allgegenwärtige, inapparente Infektionen von Labornagerkolonien gelten (Hsu et al., 2006; Shames et al., 1995). Darüber hinaus hat die Vorherrschaft von Forschungsmodellen mit Mäusen einen starken Anreiz für Diagnoselaboratorien und Anbieter geschaffen, spezifische serologische und PCR-Tests für virale und andere anspruchsvolle mikrobielle Erreger – die sich nicht durch direkte mikroskopische Untersuchung oder kulturelle Isolierung nachweisen lassen – bald nach ihrer Entdeckung zu entwickeln und anzubieten. Im Gegensatz dazu haben kommerzielle Anbieter und Diagnoselaboratorien nur wenig Nachfrage von Seiten der Forschung und der Labortiermedizin erhalten, um routinemäßige serologische und PCR-Tests für Kaninchenviren anzubieten, die bereits vor Jahrzehnten erkannt wurden, wie z. B. das Lapine Parvovirus (Matsunaga und Matsuno, 1983) (dessen Sequenzierung kürzlich gezeigt hat, dass es sich um ein Bocavirus handelt (persönliche Mitteilung, K. Henderson)), das enterische Coronavirus des Kaninchens (Deeb et al., 1993; Descoteaux und Lussier, 1990; Descoteaux et al., 1985) und das leporide Herpesvirus 2 (Matsunaga und Yamazaki, 1976). Schließlich ist die Reaktivierung durch Hysterektomie oder Embryotransfer (ET) zur Eliminierung aller exogenen Krankheitserreger die Standardpraxis für SPF-Mäuse und -Ratten, aber nicht für andere Spezies.
SPF-Ausschlusslisten für Mäuse und Ratten enthalten alle bekannten exogenen Viren, unabhängig von ihrer Virulenz, weil Viren als obligate intrazelluläre Parasiten von Natur aus invasiv sind; außerdem wurde gezeigt, dass selbst nicht-zytopathische Virusinfektionen den Stoffwechsel der Wirtszellen verändern (Oldstone et al, 1982). Die strikte Einhaltung des Dogmas, alle exogenen Viren aus SPF-Mäusen und -Ratten auszuschließen, ist jedoch in vielen Forschungseinrichtungen nicht mehr praktikabel, da asymptomatische MNV-Infektionen, vor allem bei gentechnisch veränderten Mäusen, als zu weit verbreitet angesehen werden, um eliminiert zu werden. Modernste molekulargenetische Techniken haben vor kurzem ein murines Astrovirus entdeckt (Farkas et al., 2012), das in Mäusen möglicherweise häufiger vorkommt als MNV, und es werden sicherlich weitere weit verbreitete Viren gefunden, die sich bisher der Entdeckung entzogen haben, da sie, wie MPV, MNV und das murine Astrovirus, in hohem Maße an den Wirt angepasst und im Großen und Ganzen selbst für immundefiziente Wirte apathogen sind. Wie bereits erwähnt, sind die viralen Ausschlusslisten für Kaninchen und andere Labortierarten weniger umfassend als für murine Nagetiere.
Ektoparasiten, Helminthen, pathogene Protozoen, Bakterien und Pilze sind Teil der Ausschlusslisten für alle SPF-Tierarten. Die für SPF-Tiere ausgeschlossenen pathogenen Bakterien und Pilze unterscheiden sich von kommensalen und autochthonen (d.h. einheimischen) Organismen hauptsächlich durch ihre Fähigkeit, anatomische und biochemische Barrieren zu überwinden, um sich in Nischen ohne andere Mikroorganismen zu etablieren, wie z.B. in den unteren Atemwegen und im Urogenitaltrakt, in inneren Organen und intrazellulär (Casadevall und Pirofski, 2000; Council, 2009; Merrell und Falkow, 2004). Pathogenität ist nicht notwendigerweise ein unveränderliches Merkmal der mikrobiellen Spezies, da normalerweise kommensale Mikroben wie Escherichia coli durch den Erwerb von Virulenzgenen, die von anderen Bakterien in mobilen genetischen Elementen wie Plasmiden, Phagen und Transposons übertragen wurden, in Pathogene umgewandelt wurden (Dobrindt et al., 2004).
Mikroben werden als primäre Pathogene eingestuft, wenn sie bei immunkompetenten Wirten Krankheiten verursachen können. Beispiele hierfür sind Salmonellen, Mycoplasma pulmonis, Helicobacter hepaticus und Clostridium piliforme (der Erreger der Tyzzer-Krankheit). Opportunistische Erreger wie Pseudomonas aeruginosa, β-hämolytische Streptokokken, Staphylococcus aureus und Pneumocystis-Pilze verursachen Krankheiten hauptsächlich bei immungeschwächten Wirten, die (1) durch Bestrahlung oder Chemotherapie immunsupprimiert sind (Bosma et al., 1983; Cryz et al., 1983; Flynn, 1963; Homberger et al, 1993; Rosen und Berk, 1977; Waggie et al., 1988; Walzer et al., 1989; Weir et al., 1986; Weisbroth et al., 1999) oder (2) von Natur aus immundefizient, wie athymische Nacktmäuse und Mäuse mit schwerer kombinierter Immunschwäche (SCID) (Bosma et al., 1983; Clifford et al., 1995; Dole et al., 2013b; Henderson et al., 2012; Pantelouris, 1968; Ward et al., 1996). In den meisten Fällen werden nur primäre mikrobielle Krankheitserreger in die SPF-Ausschlusslisten für immunkompetente Tiere aufgenommen. Opportunisten werden vor allem von kommerziellen Anbietern in die Listen für immundefiziente und gentechnisch veränderte Mutantenlinien aufgenommen. Da es nicht ungewöhnlich ist, dass Opportunisten wie S. aureus Krankheiten in immunkompetenten Standard-Nagerstämmen (d. h. nicht gentechnisch veränderten Stämmen) verursachen (Besch-Williford und Franklin, 2007), die häufig in Wiederbelebungs- und Zuchtprogrammen für gentechnisch veränderte Linien verwendet werden, ist die Nachfrage nach immunkompetenten Standard-Nagerstämmen und Beständen, die frei von opportunistischen und primären Krankheitserregern sind, gestiegen. Diese Untergruppe von SPF-Tieren wird als SOPF (spezifisch opportunistisch pathogenfrei) bezeichnet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Infektionserreger auf den SPF-Ausschlusslisten durch allgemeine und institutionsspezifische Kriterien bestimmt werden. Im Allgemeinen sind die SPF-Ausschlusslisten von Mäusen und Ratten umfassender als die von weniger populären Tierarten, da mehr einheimische virale und an den Wirt angepasste mikrobielle Erreger bei Mäusen identifiziert und untersucht wurden; serologische und PCR-Tests für Mäuseerreger werden bald nach ihrer Entdeckung zur Verfügung gestellt; und die Reaktivierung zur Eliminierung aller exogenen Erreger aus SPF-Maus- und Rattenpopulationen ist Standardpraxis. Die SPF-Ausschlusslisten für alle Spezies enthalten in der Regel Ektoparasiten, Endoparasiten und Mikroben, die als primäre Krankheitserreger eingestuft werden, sowie Viren; die Hersteller fügen häufig opportunistische Krankheitserreger für immundefiziente und gentechnisch veränderte Mausmodelle hinzu.
Die Einhaltung der SPF-Konsensstandards kann in einer Einrichtung problematisch sein, wenn die Infektionsprävalenz hoch ist oder die Barrieresysteme und -praktiken unzureichend sind, um zu verhindern, dass zufällige Infektionen wieder auftreten und sich ausbreiten. Viele forschungsintensive akademische Einrichtungen haben beschlossen, dass die Vorteile der Beseitigung verbreiteter Infektionen mit kürzlich anerkannten Erregern wie MNV und Helicobacter, die nur selten Krankheiten hervorrufen und/oder seit vielen Jahren in ihren Forschungskolonien endemisch sind, durch die Unterbrechung der Forschung und die damit verbundenen Kosten aufgewogen werden. Die Eliminierung (und der Ausschluss) von weit verbreiteten Krankheitserregern und die Einhaltung von SPF-Konsensstandards verringern jedoch das Risiko, dass ein Erreger weitere Kolonien infiziert und die Forschung beeinträchtigt, und vereinfachen den Austausch von Tiermodellen und gemeinsame Studien mit anderen Forschern und Einrichtungen.