Borrelien-Antigene

Die Antigene von Borrelia burgdorferi können mittels SDS-Page (Labormethode zur Auftrennung von Proteinen) entsprechend ihres Molekulargewichts aufgetrennt und anhand eines Größenmarkers bestimmt werden. Etwa 853 Gene (!) sind für die Immunogenität der Borrelie und für die komplexe Immunreaktion des Wirts verantwortlich.

Immunität und Pathogenität von Borrelia burgdorferi: Borrelia burgdorferi verfügt über die Fähigkeit der Adhäsion, Invasion, Persistenz und Immunevasion. Diese Fähigkeiten dienen der Etablierung, Vermehrung und Ausbreitung des Erregers im infizierten Organismus. Während der Infektion wandern Borrelien in verschiedenen Gewebe des Wirtsorganismus ein, um in sog. „immunprivilegierte Nischen“ zu gelangen, in denen sie vor dem Angriff des Immunsystems geschützt sind. Zu diesen „Rückzugsorten“ gehören Gelenke, Augen und das ZNS. Diese Lokalisationen enthalten extrazelluläre Flüssigkeiten (synoviale und cerebrospinale), die im lymphatischen Lymphstrom nicht zirkulieren. Weiterhin haften Borrelien bevorzugt, an versch. Zellen, wie z.B. an Thrombozyten, Lymphozyten, Fibroblasten, Epithelien und Endothelien. Für das Adhärenzvermögen der Borrelien scheint das BmpA-Protein (Borrelia membran protein A) eine wichtige Rolle zu spielen (Verma et al., 2009). Ein weiterer Mechanismus der Immunevasion besteht in der Fähigkeit von B. burgdorferi, wirtseigene Komplementregulatoren (Reconectin/FHL-1 und Factor H) an die Zelloberfläche zu binden.

Immunantwort: Etwa 2-4 Wochen nach der Erstinfektion sind beim Menschen IgM-Antikörper in nachweisbar. Sie erreichen ihr Maximum etwa 6-8 Wochen nach der Infektion. Danach fallen sie wiederum allmählich wieder ab. Antikörper der Klasse IgG (IgG) treten nach 6-8 Wochen auf. Häufig sind IgM-Antikörper auch über längere Zeit nachweisbar, worduch Rückschlüsse auf den ungefähren Infektionszeitpunkt erschwert werden. Die IgG-Konzentration hingegen kann bei fortschreitender Erkrankung über Monate/Jahre hinweg langsam bis zum Erreichen eines Plateauwerts ansteigen und dann relativ konstant bleiben.

Hinweis: Eine Unterscheidung zwischen einer klinisch manifesten und einer überstandenen Borrelien-Infektion ist aufgrund eines positiven IgG-Nachweises nicht möglich. Ein alleiniger Nachweises von IgM-Ak schließt hingegen eine chronische Lyme-Borreliose weitgehend sicher aus (Fingerle 2008).

Nomenklatur der Antigene: Die Bezeichnung der Antigene setzt sich aus dem Buchstaben „p“ (für Protein) und ihrem entsprechenden Molekulargewicht in kDa zusammen (z.B. p39). Einige Antigene haben aufgrund ihrer Funktion oder Lokalisation noch Eigennamen z.B. BmpA = Borrelia membrane protein A; OsP = „outer surface proteins“. Osp sind Oberflächenantigene von B. burgdorferi die eine Fraktion heterogener Lipoproteine bilden, die nach ihrem Molekulargewicht in die Gruppen OspA bis OspG eingeteilt werden; s.u.).

Serologisches Screening: Die Muster der Anti-Borrelia-Antikörper, zeigen bei infizierten Menschen, einen hohen Grad an Variabilität, was ihre Beurteilung erschwert. Auf Grund dieser komplexen Immunantwort ist es notwendig als Screening eine Antigenmischung einzusetzen. Dieses Panel sollte Proteine wie Osp C, BmpA = Borrelia membrane antigen = p39-Antigen), p41-Antigen and p100-Antigen enthalten. Eine Reihe von immundominante Borrelia-Proteine konnten den klinischen Stadien der Erkrankung zugeordnet worden.

Kreuzreaktivitäten/Spezifitäten: Eine Anzahl von konservierten Borrelia-Proteine, wie Hitze-Schockproteine und Teile des Flagellins haben Epitope, die auch auf anderen Bakterien gefunden werden. Diese Kreuzreaktivität führt naturgemäß zu falsch-positiven Resultaten. V.a. innerhalb der humanpathogenen Genospezies (B. burgdorferi s. s., B. afzelii, B. garinii und B. valaisiana) wurde für OspA und OspC eine ausgesprochene Heterogenität nachgewiesen. Für OspA wurden 7 verschiedene Serotypen definiert. So entspricht OspA-Serotyp 1 entspricht der Spezies B. burgdorferi s.s., OspA-Serotyp 2 der Spezies B. afzelii, die OspA-Serotypen 3-7 der Spezies B. garinii. Für B. garinii wurde noch ein weiterer Serotyp (Serotyp 8) definiert. Diese Unterschiede sind für die Diagnostik von großer Bedeutung, da die verschiedenen OspA-Serotypen mit unterschiedlichen klinischen Manifestationen beim Menschen assoziiert werden. So tritt die Lyme-Arthritis v.a. bei Infektionen mit B. burgdorferi s. s. auf. B. burgdorferi ist ebenso wie B. garinii Auslöser der Neuroborreliose. Für Hautmanifestationen wie die Acrodermatitis atrophicans werden hingegen vor allem Infektionen mit B. afzelii verantwortlich gemacht.

Wichtige Antigene:

• OspC: Für OsPC (Outer surface protein) wurden bislang wurden 22 Serotypen identifiziert. Während OspA (dieses Lipoprotein dient der Adhäsion der Borrelien). OSPA wird im Darm nüchterner Zecken exprimiert, wird das Lipoprotein OspC während der Blutmahlzeit gebildet (Pal et al. 2004). Die Konzentration an OspC nimmt zu, wenn die Spirochäten den Zeckenmitteldarm verlassen und in die Speicheldrüsen der Zecke invadieren.
• OspC spielt offenbar eine wichtige Rolle beim Übertragungsprozess vom Vektor auf den Wirt (Pal et al. 2004). Das Antigen gilt wie OsPA und OspB als sehr früh auftretender Marker für eine Borrelien-Infektion.
• VlsE: VlsE (variable major protein) ist ein weiteres für den Infektionsprozess bedeutendes Oberflächenlipoprotein, dessen Synthese ebenfalls durch den Saugakt reguliert wird und dessen Aktivierung bei der Übertragung auf den Wirt stattfindet, ist das plasmidkodierte VlsE. Es kann sowohl in der frühen Phase wie auch der späten Phase der Infektion in Erscheinung treten. VlsE scheint aufgrund der kombinatorischen Antigenvariation als „immune escape“–Mechanismus, wesentlich zur Persistenz von B. burgdorferi s.l. im infizierten Säugerorganismus beizutragen.
• BmpA (Borrelia membrane protein =  p39): Neben den Proteinen, OspA, OspC und p83/p100 ist auch das 39 kD-Antigen (BmpA) diagnostisch relevant (Simpson WJ et al. 1990). Dieses membranassoziierte und immundominante Protein hat möglicherweise eine große Bedeutung bei der Entstehung einer Lyme-Arthritis (Pal et al. 2008). 
• FlaB Flagellin (P41): Das Flagellen-assoziierte p41-Antigen induziert eine sehr frühe Immunantwort, die bis spätestens fünf Wochen nach der Infektion eintritt. P41 spielt für die Diagnostik einer frühen Infektion eine wichtige Rolle.
• Osp17 (syn. Lipoprotein p17, Decorin binding protein A, DbpA, p18): Osp17 ist ein weiteres immundominantes Borrelien-Antigen. Das Antigen, ein Lipoprotein, ist auf der Oberfläche der äußeren Membran der Borrelie lokalisiert und wird deswegen auch als Osp17 bezeichnet. Osp17 erscheint meist zu einem späten Zeitpunkt und gilt als Marker für einen chronischen Infektionsverlauf (Jauris-Heipke et al. 1999).
• P58: P58 ist ein weiteres „outer surface Protein“ das als später Marker der Infektion gilt. Das Protein kommt in den drei humanpathogenen Genospezies B. burgdorferi s.s., B. afzelii und B. garinii vor (Hauser et al. 1997).
• p83/p100: p83/p100 besitzt dagegen Struktureigenschaften, die denen eukaryotischer Zellen ähneln, so dass ein Imitationseffekt entsteht, welcher ebenfalls zur Immunevasion beiträgt (Rössler et al., 1995). Es ist ein spätauftretender Marker der Infektion.  

Borrelia burgdorferi-Antigene (in Klammern das Molekulargewicht in kDa) und ihre diagnostische Relevanz im Verlauf einer Lyme-Borreliose (variiert n. Müllegger B 2018).

Frühes Infektionsstadium:

• FlaB Flagellin (P41)
• OspE (19,3) früh/spät
• OspC (22-24) sehr früh
• VlsE p66 (66): Fusionsprotein, repräsentiert die immundominanten VlsE-Epitope von verschiedenen Genospezies früh/spät
• p39 (39 ) BmpA
• p41 (41) Flagellin

Spätes Infektionsstadium:

• Osp 17 (Marker für chronischen Verlauf der Infektion)
• p30 (30)
• OspA (31-33) Oberflächenprotein B. afzelii
• OspB (34-36)
• p43 (43 )
• p45 (45)
• p58 (58)
• p83/100

Nach der Ablagerung in der Haut vermehrt sich B. burgdorferi in der Regel lokal, bevor er sich durch das Gewebe und in das Blut- oder Lymphsystem ausbreitet, was die Wanderung zu entfernten Stellen erleichtert. Motilität (erzeugt durch die Geißeln) und Anhaftung an Wirtsmoleküle (vermittelt durch die Oberflächenlipoproteine) sind entscheidend dafür, dass sich B. burgdorferi durch das Blut und die Gewebe des Wirts bewegen und Immunreaktionen entgehen kann. Mutierte Bakterien, die Defekte in der Motilität oder Chemotaxis aufweisen, können sich nicht ausbreiten und werden schnell von der Inokulationsstelle entfernt.

Viele der für Säugetiere phasenspezifischen Oberflächenlipoproteine können direkt mit verschiedenen Makromolekülen des Wirts interagieren, darunter Plasminogen, komplementregulierende Proteine und Komponenten der extrazellulären Matrix wie Fibronektin, Kollagen, Laminin und Glykosaminoglykane. Man geht davon aus, dass diese Interaktionen unterschiedliche Funktionen haben, z. B. Plasminogen für die Proteolyse von Geweben, extrazelluläre Matrixmoleküle für die Adhäsion und komplementregulierende Proteine für die Immunabwehr. Es besteht jedoch ein hohes Maß an funktioneller Redundanz zwischen diesen B. burgdorferi-Lipoproteinen. Eine Ausnahme bildet das Fibronektin-bindende Protein BBK32, bei dem den Fibronektin-bindenden und GAG-bindenden Domänen bei der Interaktion von B. burgdorferi mit dem Wirtsgefäßsystem einzigartige und aufeinander folgende Rollen zugewiesen werden. Die BBK32-Fibronektin-Bindung initiiert die "Bindung" zirkulierender B. burgdorferi an die Gefäßoberfläche, und die BBK32-GAG-Bindung trägt zu einer stabileren vaskulären Interaktion bei, nach der B. burgdorferi durch das Endothel wandert und sich im Gewebe ausbreitet.

B. burgdorferi nutzt mehrere Strategien, um dem angeborenen und adaptiven Immunsystem des Wirts zu entgehen.

Mehrere Lipoproteine von B. burgdorferi, die unter der Bezeichnung "complement regulator-acquiring surface proteins" (CRASPs) bekannt sind, können an den Wirtsfaktor H, das Faktor-H-ähnliche Protein und die Faktor-H-verwandten Proteine binden, was die komplementvermittelte Abtötung der Bakterien in vitro verhindert.  

Nach der Etablierung der Infektion ist die Umgehung der bakteriziden Antikörper entscheidend für das Überleben der Bakterien. Zu diesem Zweck verändert B. burgdorferi erneut die Lipoproteine, die auf seiner äußeren Oberfläche exprimiert werden, indem es OspC durch VlsE ersetzt. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeiten zwischen OspC und VlsE könnten diese beiden Proteine eine ähnliche physiologische Funktion haben. Im Gegensatz zu OspC unterliegt VlsE jedoch einer umfangreichen Antigenvariation, um der Immunantwort des Wirts zu entgehen. 

B. burgdorferi kann Wirtsantikörpern gegen eine VlsE-Variante ausweichen, indem es eine andere auf der Oberfläche exprimiert. Mutanten, die nicht variables VlsE exprimieren, sind nicht in der Lage, Tiere, die zuvor mit B. burgdorferi infiziert wurden, erneut zu infizieren, während Bakterien, die variables VlsE exprimieren, dies können.

Das vom Labor mitgeteilte Testergebnis des Immunoblots sollte die Angabe der nachgewiesenen Banden beinhalten. Für die Beurteilung der Borrelienserologie sollte die Höhe der AK im EIA, die Anzahl der spezifischen Banden, die Art der Banden (frühe/späte Banden) und vorhandene Vorbefunde berücksichtigt werden. Die Beurteilung sollte unter Kenntnis der klinischen Symptomatik, der Erkrankungsdauer und bereits durchgeführter Therapien erfolgen.

Diagnostik bei Neuroborreliose: Bei einer akuten Neuroborreliose können, im Gegensatz zu den meisten anderen Infektionserkrankungen, Antikörper zunächst nur im Liquor nachweisbar sein. Deshalb muss bei Verdacht auch bei negativen Ergebnissen im Serum stets der Liquor mitgetestet werden. Die Antikörperbestimmung im Liquor ist nur bei gleichzeitiger Untersuchung eines Serums vom selben Abnahmetag sinnvoll. Absolute Antikörperkonzentrationen im Liquor sind meist bedeutungslos, da (v.a. bei gestörter Liquor-Schrankenfunktion) erhebliche Antikörpermengen aus dem Serum in den Liquor übertreten können. Autochthon gebildete Antikörper können auch nach ausgeheilter Neuroborreliose noch jahrelang nachweisbar sein. Bei einer Neuroborreliose finden sich im Liquor i.d.R. weitere pathologische Befunde: monozytäre Liquorpleozytose; Störung der Blut-Liquor-Schrankenfunktion (Erhöhung des Albumin-Quotienten).

Allgemeine Hinweise für Serologische Diagnostik bei Borrelia burgdorferi-Infektionen

Eine serologische Stufendiagnostik ist empfehlenswert. Zunächst wird ein empfindlicher Screeningtest (z.B. IFT, EIA) durchgeführt. I.d.R. ist dies ein standardisierter Enzyme-linked-Immunsorbent-Assay (ELISA). Bei einem positiven oder grenzwertigen Ergebnis wird als zweite Stufe ein Immunoblot durchgeführt. Dieser Test dient der Überprüfung der Spezifität. Er ermöglicht den Nachweis und die Diskriminierung spezifischer Borrelien-Antigene mit einer nahezu 100%igen Spezifität.

Antikörperbildung bei einer Borrelieninfektion: Die Frühphase der Infektion (Stadium I: Erythema migrans, Borrelien-Lymphozytom) ist zunächst durch Bildung von IgM-Antikörpern gekennzeichnet. Hier werden vor allem Antikörper gegen Osp C gebildet. Je nach Testsystem werden auch p41-Antikörper (FlaB Flagellin) gefunden, die jedoch nicht so spezifisch sind wie die Immunantwort gegen OspC.

Weitere relevante Banden sind gegen BmpA und Osp17 gerichtet, kommen jedoch deutlich seltener vor. IgM-Antikörper sind nach 3 - 6 Wochen zu erwarten. Die IgG-Antikörperbildung beginnt in der Regel später. Abweichend davon sind VlsE-IgGs (Variable major protein-like sequence) oft schon zeitgleich mit IgM-Antikörpern nachweisbar.

Fehlende IgM-Antikörper in der Frühphase der Infektion (früh-lokalisiert) z.B. bei EM schließen eine akute Infektion nicht aus. Diese Konstellation kann auch bei einer akuten Neuroborreliose oder bei einer Borrelien-bedingter Facialis Parese (FP) auftreten.

In der Phase der frühen Dissemination (Stadium II) werden zunehmend IgG-Antikörper gegen weitere Antigene gebildet. Parallel dazu sind IgM-Ak häufig noch nachweisbar.

Im Stadium der chronischen (disseminierten) Infektion (Stadium III) treten eine Reihe von IgG-Antikörper auf. Meist finden sich IgG-Blots mit vielen spezifischen Banden.

In den späten Infektionsstadien fehlen IgM-Antikörper häufig.

Nach stadiengerecht behandelter Borreliose können IgM-Antikörper mehrere Monate, seltener auch Jahre nachweisbar sein. Somit stellt die Persistenz von IgM-Antikörpern bei Beschwerdefreiheit keine Indikation zur erneuten Therapie dar.

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