Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Jana Kirchhoff

 

Infection of differentiated epithelial cells by viruses of the bovine respiratory disease complex

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104898

title (ger.)

Infektion differenzierter Epithelzellen durch Viren des Rindergrippe-Komplexes

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kirchhoffj_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Die Enzootische Bronchopneumonie (oder Rindergrippe-Komplex) ist eine Infektionskrankheit des Respirationstraktes bei Rindern, die multifaktoriellen Ursprungs ist. Neben zahlreichen viralen und bakteriellen Erregern tragen auch der Immunstatus des Tieres sowie Umweltbedingungen zum Schweregrad der Erkrankung bei. Wichtige Viren sind das bovine respiratorische Synzytialvirus (BRSV), das bovine Parainfluenzavirus 3 (BPIV3) sowie das bovine Herpesvirus 1 (BHV-1).

Das Ziel dieser These war es, die Empfänglichkeit von bovinen primären Lungenepithelzellen gegenüber den obig genannten Viren zu untersuchen sowie deren Strategien zum Ein- und Austritt aus dem Epithelgewebe zu analysieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei Kultursysteme für primäre respiratorische Epithelzellen genutzt, die zuvor in unserer Arbeitsgruppe etabliert worden waren: Zum einen handelt es sich hierbei um das Air-liquid interface (ALI)-System, in dem Zellen aus der Rinderlunge isoliert und anschließend auf Filterkultureinsätzen zur Ausdifferenzierung gebracht werden. Als Vergleichskultur wurden Lungenpräzisionsschnitte (PCLS; precision-cut lung slices) verwendet. Diese Schnitte haben den Vorteil, dass die respiratorischen Epithelzellen im ursprünglichen Gewebeverband verbleiben und zudem für mindestens eine Woche vital sind. Infektionsversuche zeigten, dass die drei Viren unterschiedliche Infektionsstrategien verfolgen: BPIV3 infizierte die zilientragenden Epithelzellen sehr effizient und replizierte zu hohen Titern. Des Weiteren ist die Infektion lokal ausgeprägt und war abhängig von der Gegenwart von Sialinsäuren auf der Zelloberfläche. Im Gegensatz dazu waren die Epithelzellen resistent gegenüber einer Infektion mit BHV-1. Diese Resistenz konnte jedoch überwunden werden, wenn den Viren Zugang zur basalen Seite des Epithels verschafft wurde, z.B. durch chemische oder manuelle Eingriffe. Zudem konnte gezeigt werden, dass nicht die differenzierten Epithelzellen selbst infiziert wurden, sondern die Basalzellen, die als Vorläuferzellen der differenzierten Epithelzellen fungieren. Wie schon in vorherigen Studien beschrieben wurde, hatte das Flimmerepithel nur eine geringe Empfänglichkeit gegenüber einer BRSV-Infektion; diese Unempfänglichkeit konnte nicht durch die oben bei BHV-1 beschriebenen Eingriffe am Epithel überwunden werden. Durch Infektion der Lungenpräzisionsschnitte wurde deutlich, dass subepitheliale Zellen sehr effizient durch BRSV infiziert wurden; bei diesen Zellen könnte es sich um dendritische Zellen handeln. Zudem stellte sich heraus, dass Typ-I- und Typ-II-Pneumozyten sehr empfänglich für eine BRSV-Infektion sind.

Es wird angenommen, dass auch kleine Wiederkäuer wie Ziegen durch Viren des Rindergrippe-Komplexes infiziert werden und somit als Virusquelle dienen können. Um diese Thematik zu untersuchen, wurde ein Kultursystem für enddifferenzierte Epithelzellen aus der Ziegenlunge etabliert: caprine Lungenpräzisionsschnitte.  Infektionsversuche mit den obig genannten Viren zeigten, dass die Infektionsstrategien ähnlich waren wie im bovinen System sowie gleiche Zielzellen infiziert wurden. Zudem wurde deutlich, dass die Infektion mit BPIV3 und BRSV ähnlich effizient war wie in den bovinen Kultursystemen; die Infektion mit BHV-1 benötigte jedoch einen zehnfach höheren Titer. Auch hier waren die Basalzellen Ziel der Infektion. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass auch nicht-bovine Wiederkäuer als Reservoir für Viren des Rindergrippe-Komplexes dienen können und somit bei Interventionsmaßnahmen berücksichtigt werden sollten.

abstract (englisch)

Respiratory tract infections of cattle are often associated with the bovine respiratory disease complex (BRDC). BRDC is a multifactorial disease and several factors like stress or reduced immunity contribute to the severity of disease. Bovine respiratory syncytial virus (BRSV), bovine parainfluenza virus type 3 (BPIV3) and bovine herpesvirus type 1 (BHV-1) are important viral pathogens associated with this disease complex. 

The aim of the thesis was to analyze the susceptibility of bovine airway epithelial cells (BAEC) to the three viruses of the BRDC and the different viral strategies concerning entry and release. For this purpose, two culture systems for well- differentiated BAEC were used, which were previously established in our institute: the air-liquid interface (ALI) system, where filter-grown respiratory BAEC undergo mucociliary differentiation and precision-cut lung slices (PCLS), where cells are maintained in their original structural conformation and stay vital for more than one week. When the viruses were applied to these culture systems, different infection strategies were observed: BPIV3 efficiently infected ciliated epithelial cells and replicated to high titers. Entry and release were a) sialic acid-dependent and b) localized to the apical side of the ALI cultures. In contrast, BAEC were largely resistant to infection by BHV-1, which could be overcome by injury of the cell monolayer or destruction of tight junctions. Moreover, BHV-1 infection was primarily directed to basal cells. BRSV infected the respiratory epithelial cells inefficiently; in contrast to BHV-1, this infection was not enhanced when the integrity of the epithelial barrier was destroyed. Subepithelial cells and pneumocytes type I and II appeared to be the target of infection by this virus.

Furthermore, non-bovine ruminants such as goats can be considered as a target for viruses of BRDC and therefore may serve as a virus reservoir as well. To address this question, a culture system for differentiated caprine epithelial cells, caprine PCLS, was established for the first time. When the three viruses of the BRDC were applied to the cultures, it was observed that the infection pattern was similar to that reported for bovine cultures. While infection of caprine cells by BPIV3 and BRSV was as efficient as that observed for bovine cells, infection of BHV-1 required a tenfold higher dose of infectious virus in comparison to the bovine culture system. Nevertheless, BHV-1 displayed the same tropism for basal cell. These results indicate that non-bovine ruminants are also important hosts for viruses of the BRDC and should be considered in the development of control strategies.

keywords

Rindergrippe-Komplex, Air-liquid interface System, Lungenpräzisionsschnitte; bovine respiratory disease complex, air-liquid interface system, precision-cut lung slices

kb

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