What have we learned from brucellosis in the mouse model?

Abstract

Brucellosis is a zoonosis caused by Brucella species. Brucellosis research in natural hosts is often precluded by practical, economical and ethical reasons and mice are widely used. However, mice are not natural Brucella hosts and the course of murine brucellosis depends on bacterial strain virulence, dose and inoculation route as well as breed, genetic background, age, sex and physiological statu of mice. Therefore, meaningful experiments require a definition of these variables. Brucella spleen replication profiles are highly reproducible and course in four phases: i), onset or spleen colonization (first 48 h); ii), acute phase, from the third day to the time when bacteria reach maximal numbers; iii), chronic steady phase, where bacterial numbers plateaus; and iv), chronic declining phase, during which brucellae are eliminated. This pattern displays clear physiopathological signs and is sensitive to small virulence variations, making possible to assess attenuation when fully virulent bacteria are used as controls. Similarly, immunity studies using mice with known defects are possible. Mutations affecting INF-γ, TLR9, Myd88, Tγδ and TNF-β favor Brucella replication; whereas IL-1β, IL-18, TLR4, TLR5, TLR2, NOD1, NOD2, GM-CSF, IL/17r, Rip2, TRIF, NK or Nramp1 deficiencies have no noticeable effects. Splenomegaly development is also useful: it correlates with IFN-γ and IL-12 levels and with Brucella strain virulence. The genetic background is also important: Brucella-resistant mice (C57BL) yield lower splenic bacterial replication and less splenomegaly than susceptible breeds. When inoculum is increased, a saturating dose above which bacterial numbers per organ do not augment, is reached. Unlike many gram-negative bacteria, lethal doses are large (≥ 108 bacteria/mouse) and normally higher than the saturating dose. Persistence is a useful virulence/attenuation index and is used in vaccine (Residual Virulence) quality control. Vaccine candidates are also often tested in mice by determining splenic Brucella numbers after challenging with appropriate virulent brucellae doses at precise post-vaccination times. Since most live or killed Brucella vaccines provide some protection in mice, controls immunized with reference vaccines (S19 or Rev1) are critical. Finally, mice have been successfully used to evaluate brucellosis therapies. It is concluded that, when used properly, the mouse is a valuable brucellosis model.

La brucelosis es una zoonosis causada por la especie Brucella. Las investigaciones sobre la brucelosis en los huéspedes naturales suelen quedar excluidas por razones prácticas, económicas y éticas y se utilizan mucho los ratones. Sin embargo, los ratones no son huéspedes naturales de la Brucella y el curso de la brucelosis murina depende de la virulencia de la cepa bacteriana, la dosis y la vía de inoculación, así como de la raza, los antecedentes genéticos, la edad, el sexo y la condición fisiológica de los ratones. Por lo tanto, los experimentos significativos requieren una definición de estas variables. Los perfiles de replicación del bazo de las brucelas son muy reproducibles y se desarrollan en cuatro fases: i), inicio o colonización del bazo (primeras 48 h); ii), fase aguda, desde el tercer día hasta el momento en que las bacterias alcanzan su número máximo; iii), fase crónica estable, en la que el número de bacterias se estabiliza; y iv), fase crónica decreciente, durante la cual se eliminan las brucelas. Esta pauta muestra claros signos fisiopatológicos y es sensible a pequeñas variaciones de virulencia, lo que permite evaluar la atenuación cuando se utilizan bacterias totalmente virulentas como controles. Del mismo modo, es posible realizar estudios de inmunidad utilizando ratones con defectos conocidos. Las mutaciones que afectan a INF-γ, TLR9, Myd88, Tγδ y TNF-β favorecen la replicación de Brucella; mientras que las deficiencias de IL-1β, IL-18, TLR4, TLR5, TLR2, NOD1, NOD2, GM-CSF, IL/17r, Rip2, TRIF, NK o Nramp1 no tienen efectos notables. El desarrollo de la esplenomegalia también es útil: se correlaciona con los niveles de IFN-γ e IL-12 y con la virulencia de la cepa Brucella. Los antecedentes genéticos también son importantes: los ratones resistentes a la Brucella (C57BL) producen una menor replicación bacteriana esplénica y menos esplenomegalia que las razas susceptibles. Cuando se aumenta el inóculo, se alcanza una dosis de saturación por encima de la cual el número de bacterias por órgano no aumenta. A diferencia de muchas bacterias gram negativas, las dosis letales son grandes (≥ 108 bacterias/ratón) y normalmente más altas que la dosis de saturación. La persistencia es un índice de virulencia/atención útil y se utiliza en el control de calidad de las vacunas (virulencia residual). Los candidatos a la vacuna también se suelen probar en ratones determinando el número de Brucella esplénica después de desafiar con las dosis de brucella virulenta apropiadas en momentos precisos posteriores a la vacunación. Dado que la mayoría de las vacunas de Brucella viva o muerta proporcionan cierta protección en los ratones, los controles inmunizados con vacunas de referencia (S19 o Rev1) son fundamentales. Por último, se han utilizado con éxito ratones para evaluar las terapias contra la brucelosis. Se concluye que, cuando se utiliza correctamente, el ratón es un modelo valioso de brucelosis.