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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002638-6

Reservoir-driven inhomogeneous distribution of human Puumala virus cases in Central Europe

  • Hantaviruses are enveloped viruses with a single-stranded RNA genome of negative polarity. The genome consists of three segments: small (S), medium (M) and large (L). As zoonotic pathogen, hantaviruses are worldwide responsible for 150,000 to 200,000 human disease cases per year. Two forms of human disease are currently distinguished: In the Americas the hantavirus cardiopulmonary syndrome (HCPS) and in Europe and Asia the hemorrhagic fever with renal syndrome (HFRS). Since the introduction of the German Protection against Infection Act in 2001 until now a total of 10,082 disease cases have been reported. As a result, hantavirus infections currently rank as the fifth frequent notifiable disease in Germany. More than 80% of these infections were caused by the hantavirus species Puumala virus (PUUV), transmitted by the bank vole Myodes glareolus. Besides temporal oscillations, an unequal geographical distribution of human PUUV cases was noticed in Germany and in other countries of Central Europe. This is reflected in the presence of endemic and non-endemic regions as well as of so-called outbreak years. Therefore, the overall objective of this study was to find out possible reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Central Europe, in particular in Poland, Germany and certain districts of Baden-Wuerttemberg. The basic working hypothesis was that PUUV spread in Central Europe after the last glaciation with different evolutionary lineages of the bank vole and that the current emergence of PUUV in bank vole populations is determined by local geographical and ecological factors. Very little was known about the presence of PUUV in Poland. Earlier studies were based exclusively on serological detection of PUUV, but a molecular detection with subsequent phylogenetic investigation was missing so far. Therefore, 45 bank voles from the northeastern part of Poland were investigated by serological and molecular assays. In three animals from a forest region close to the city of Miko³ajki PUUV-reactive antibodies and/or PUUV RNA were detected. Phylogenetic analysis indicated the presence of a Latvian (LAT) PUUV strain. Viral RNA was detected in one bank vole of the Eastern evolutionary lineage and two animals of the Carpathian lineage. Thereby it could be demonstrated for the first time that the distribution of the LAT PUUV lineage ranges from Latvia south-west to the northeastern part of Poland. An inhomogeneous spatial distribution of human disease cases has been observed even for Baden-Wuerttemberg, a long time known endemic federal state of Germany. Therefore 660 bank voles were trapped during the outbreak and non-outbreak years 2012 and 2013 in four districts with high incidences (H) and in four districts with low incidences or lacking PUUV cases (L). During the outbreak year 2012 PUUV-positive bank voles were detected by serological and molecular investigations in seven of eight districts. In contrast, in the following year only in one district PUUV infected bank voles were detected. Furthermore, it was demonstrated that after a beech mast, i.e., a massive fructification of beech trees, in H districts with a higher percentage of beech forest coverage a higher number of human cases was notified, but not in L districts with a lower percentage of beech forest coverage. For the future development of early warning modules it is therefore necessary to have a long-term bank vole monitoring established that incorporates beech mast data and information on beech forest coverage. High endemic regions for PUUV are mainly located in the southern and western parts of Germany, whereas in the eastern and northern parts only low numbers or even no human cases are recorded. To find out possible reasons for this inhomogeneous distribution, 1,774 bank voles from different regions of Germany were investigated for PUUV infections and in parallel for the corresponding bank vole evolutionary lineage (Western, Eastern, Carpathian). The PUUV investigations indicated positive voles in the known endemic regions with an easternmost and northernmost occurrence in western Saxony-Anhalt, western Thuringia and in Osnabrück. In the northern and eastern part of Germany none of the 1,210 investigated bank voles showed a PUUV infection. In the southern and western parts of Germany only the Western bank vole lineage was identified, whereas the Eastern lineage was exclusively found in the eastern and northern part and the Carpathian lineage in the South-East and North-East of Germany. PUUV infections were found almost exclusively in bank voles of the Western lineage. Individuals of the other two vole lineages were found to be PUUV infected only in regions with sympatric occurrence of the Western lineage. The previously described contact zone of the different bank vole phylogroups ranges from Poland to the entire northern part of Germany. In conclusion, the results of this investigation indicate two potential major reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Germany: First, PUUV of the CE lineage seems to be associated with the Western bank vole lineage. The current geographical distribution of virus and host might be explained by a post-glacial northern expansion of the bank vole starting at the western refuge. Second, the missing detection of PUUV in bank voles of the Western lineage in areas close to high endemic regions might be explained by the extinction of the virus due to a limited winter survival of infected animals during long and harsh winters. The virus stability outside the host or ecological barriers, such as isolated forest areas or broad rivers, might also influence the distribution of PUUV in bank vole populations.
  • Hantaviren sind behüllte Viren mit einem einzelsträngigen RNA-Genom negativer Polarität. Das Genom ist jeweils in das small (S), medium (M) und large (L) Segment unterteilt. Als Zoonoseerreger sind Hantaviren weltweit für ca. 150.000 bis 200.000 stationäre Behandlungen von Patienten pro Jahr verantwortlich. Dabei werden derzeit zwei unterschiedliche Krankheitsbilder unterschieden: zum einen das in Amerika vorkommende Hantavirus-assoziierte kardiopulmonale Syndrom (HCPS) und zum anderen das in Asien und Europa verbreitete Hämorrhagische Fieber mit renalem Syndrom (HFRS). Seit Einführung des Infektionsschutzgesetzes im Jahr 2001 wurden in Deutschland bis zum jetzigen Zeitpunkt 10.082 HFRS-Fälle registriert. Damit zählen Hantavirusinfektionen hierzulande zur fünfthäufigsten meldepflichtigen Erkrankung. Mehr als 80% der humanen Fälle sind auf die von der Rötelmaus übertragene Hantavirusspezies Puumalavirus (PUUV) zurückzuführen. In Deutschland wie auch in anderen Teilen Mitteleuropas ist das räumliche und zeitliche Auftreten humaner PUUV-Infektionen ungleich verteilt. Dieser Umstand spiegelt sich in dem Vorkommen von Endemie- bzw. Nicht-Endemie-Regionen sowie von sogenannten Hantavirus-Ausbruchsjahren wider. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mögliche Gründe für die inhomogene Verteilung von PUUV in Mitteleuropa, insbesondere in Polen, Deutschland und bestimmten Landkreisen Baden-Württembergs, zu identifizieren. Die zugrundeliegende Arbeitshypothese ging davon aus, dass sich das PUUV mit unterschiedlichen evolutionären Linien der Rötelmaus nacheiszeitlich in Mitteleuropa ausgebreitet hat und dass das gegenwärtige Auftreten des PUUV in Rötelmaus-Populationen von lokalen geografischen und ökologischen Faktoren bestimmt wird. Über das Auftreten von PUUV in Polen war bisher wenig bekannt. Während frühere Studien ausschließlich serologische Verfahren nutzten, um PUUV-Infektionen nachzuweisen, war ein molekularbiologischer Nachweis inklusive phylogenetischer Charakterisierung im Reservoir bisher nicht geführt worden. Zu diesem Zweck wurden 45 Rötelmäuse aus dem Nordosten Polens serologisch und molekularbiologisch untersucht. Bei drei Tieren aus einem Waldgebiet nahe der Stadt Miko³ajki konnten PUUV-reaktive Antikörper und/oder PUUV-RNA detektiert werden. Phylogenetische Analysen ergaben das Vorkommen von PUUV der lettischen Linie (LAT). Virale RNA wurde in einer Rötelmaus der östlichen evolutionären und in zwei Tieren der Karpaten-Linie gefunden. Damit konnte erstmalig belegt werden, dass sich die Verbreitung des PUUV der lettischen Linie von Lettland in südwestliche Richtung bis in den Nordosten Polens erstreckt. Eine ungleiche geographische Verteilung von humanen PUUV-Fällen wurde auch in Baden-Württemberg, einem schon über viele Jahre bekannten Hochendemiegebiet, registriert. Deshalb wurden im Hantavirusausbruchsjahr 2012 und im darauffolgenden Jahr insgesamt 660 Rötelmäuse gefangen, die aus vier Landkreisen mit hohen Inzidenzen (H) und vier Landkreisen mit geringer Inzidenz bzw. fehlendem Nachweis von humanen PUUV-Fällen (L) stammten. Im Ausbruchsjahr 2012 konnten in sieben der acht Landkreise PUUV-positive Rötelmäuse mittels serologischer und molekularer Verfahren nachgewiesen werden, während im Jahr 2013 nur in einem Landkreis PUUV-infizierte Tiere gefunden wurden. Darüber hinaus konnte erstmalig gezeigt werden, dass nach einer Buchenmast, d.h. einer massiven Fruktifikation der Buche, in H-Landkreisen mit relativ hohem Buchenwaldanteil vermehrt humane PUUV-Fälle auftraten, in den L-Kreisen mit geringem prozentualen Buchenwaldanteil jedoch nicht. Für die zukünftige Entwicklung von Frühwarnsystemen für Hantavirus-Ausbrüche sollte deshalb ein mehrjähriges Monitoring von Rötelmäusen unter Einbeziehung von Buchenmastdaten durchgeführt werden. PUUV-Hochendemieregionen sind vor allem im Süden und Westen Deutschlands lokalisiert, wohingegen im Norden und Osten sehr wenige bis keine humanen Fälle gemeldet wurden. Um mögliche Ursachen für diese inhomogene Verteilung zu finden, wurden 1.774 Rötelmäuse aus verschiedenen Regionen Deutschlands auf das Vorliegen von PUUV-Infektionen untersucht und parallel die Rötelmäuse mittels molekularbiologischer Verfahren den evolutionären Linien (westliche, östliche, karpatische) zugeordnet. Die PUUV-Untersuchungen zeigten positive Rötelmäuse in den bekannten Endemiegebieten mit dem östlichsten und nördlichsten Vorkommen im westlichen Sachsen-Anhalt und Thüringen sowie in Osnabrück. Im östlichen und nördlichen Teil Deutschlands war bei keinem der 1.210 untersuchten Tiere eine PUUV-Infektion nachweisbar. Im südlichen und westlichen Teil Deutschlands wurde die westliche Linie der Rötelmaus gefunden, während die östliche Linie nur im östlichen und nördlichen Teil und die karpatische Linie im südöstlichen und nordöstlichen Teil gefunden wurde. PUUV-Infektionen waren fast ausschließlich mit Rötelmäusen der westlichen Linie assoziiert. In Rötelmäusen der anderen beiden Linien wurde nur bei einem sympatrischen Vorkommen der westlichen Linie PUUV gefunden. Die bereits in einer früheren Studie beschriebene Kontaktzone zwischen den verschiedenen Phylogruppen der Rötelmaus erstreckte sich von Polen über den gesamten nördlichen Teil Deutschlands. Die im Rahmen der Untersuchungen erhaltenen Daten weisen darauf hin, dass für die inhomogene Verteilung von PUUV zwei Gründe ausschlaggebend sein könnten. Erstens scheint das PUUV der CE-Linie mit der westlichen Rötelmauslinie assoziiert zu sein. Die heutige geographische Verbreitung von Virus und Wirt könnte durch eine gemeinsame nacheiszeitliche Ausbreitung mit dem westlichen Refugium als Ausgangspunkt in Richtung Norden erklärt werden. Zweitens könnte der fehlende Nachweis von PUUV in der Rötelmaus der westlichen Linie in einigen Endemiegebiet-nahen Regionen durch ein Aussterben des Virus aufgrund einer erhöhten Sterblichkeit infizierter Tiere während längerer Winter zu erklären sein. Die Virusstabilität außerhalb des Wirtes oder ökologische Barrieren, wie isolierte Waldgebiete und breite Flüsse, könnten ebenfalls Auswirkungen auf die ungleiche Verteilung des PUUV haben.

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Metadaten
Author: Stephan Drewes
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002638-6
Title Additional (German):Reservoir vermittelte inhomogene Verteilung von humanen Puumalavirus-Fällen in Mitteleuropa
Advisor:Dr. Rainer G. Ulrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/10/19
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/09/19
Release Date:2016/10/19
Tag:Myodes glareolus, Puumala virus, bank vole, endemic region, evolutionary lineage
GND Keyword:Central Europe, outbreak
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie