Dissertation

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

Jie Tong

Co-infection of respiratory epithelial cells by respiratory viruses and streptococci

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-111682

titel (deu.)

Co-Infektion von respiratorischen Epithelzellen durch respiratorische Viren und Streptokokken

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2018

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/tongj_ss18.pdf

abstract (deutsch)

Viral-bakterielle Co-Infektionen des Respirationstrakts führen häufig zu schwereren Erkrankungen als Mono-Infektionen durch einen der beiden Partner. Der Synergismus bei Co-Infektionen kann von direkten oder indirekten Wechselwirkungen herrühren. Ein prominentes Beispiel für durch Koinfektionen verursachte Erkrankungen ist die Influenza-Pandemie von 1918 ("Spanische Grippe") mit Millionen von Todesopfern.  Die meisten tödlichen Influenza-Fälle waren die Folge einer schweren sekundären bakteriellen Lungenentzündung. Die späteren Influenza-Pandemien von 1957/1958 und 1968 sowie das kürzlich aufgetretene H1N1-Virus 2009 waren auch assoziiert mit erhöhten Fallzahlen einer bakteriellen Lungenentzündung. Abgesehen von Influenzaviren sind auch Paramyxoviren, einschließlich des humanen Parainfluenzavirus 3 (HPIV3) und Mumpsvirus (MuV), häufig an der Pathogenese bakterieller Pneumonien beim Menschen, insbesondere bei kleinen Kindern, beteiligt. Unter den bakteriellen Pathogenen, die an respiratorischen Co-Infektionen beteiligt sind, spielen Streptokokken eine besondere Rolle, wobei S. pneumoniae der bekannteste Vertreter ist. Streptokokken der Gruppe B (GBS, Streptococcus agalactiae), der Erreger von Säuglingsmeningitis und Lungenentzündung bei nicht-schwangeren Erwachsenen, besiedeln das menschliche Atemwegsepithel und stellen ein weiteres potentielles Pathogen dar für Co-Infektionen mit respiratorischen Viren. Die genauen Pathogenese-Mechanismen der viral-bakteriellen Koinfektionen im menschlichen Atemtrakt sind jedoch weitgehend unbekannt.

Kürzlich wurde gefunden, dass Streptococcus suis mit Schweineinfluenzaviren der Subtypen H3N2 und H1N1 interagieren und somit seine Kolonisierungseigenschaften verbessern kann. Diese Wechselwirkung hängt von den Kapselpolysacchariden (CPS) der Bakterien ab. CPS von S. suis besteht aus sich wiederholenden Einheiten, die eine Seitenkette mit einer endständigen Sialinsäure in einer α2,6-Bindung aufweisen. Die Sialinsäuren können als Rezeptordeterminanten für das HA-Protein der Influenzaviren fungieren und die Bindung von Bakterien an virale Glykoproteine auf der Oberfläche virus-infizierter Zellen vermitteln.

Im ersten Teil dieser Arbeit berichten wir, dass die Hämagglutinine mehrerer Influenza-A-Viren (IAV) die α2,3-verknüpfte Sialinsäure am Kapselpolysaccharid von Streptokokken der Gruppe B (GBS) erkennen. Die Wechselwirkung äußerte sich nicht nur in der Bindung von Virionen an Bakterien in einem Co-Sedimentationstest, sondern auch in der bakteriellen Bindung an virus-infizierte Zellen. Während die Co-Infektion durch GBS und IAV die Virusreplikation verzögerte, steigerte sie nicht nur die bakterielle Adhärenz an virus-infizierte Zellen, sondern auch den nachfolgenden Invasionsprozess. Da die Erkennung von α2,3-gebundener Sialinsäure ein charakteristisches Merkmal für  aviäre IAV ist, kann eine Co-Infektion mit GBS auftreten, wenn Vogelviren auf Menschen übertragen werden. Dieser Koinfektions-Mechanismus ist nicht auf die oben erwähnten Pathogene beschränkt, da es auch menschliche Viren mit einer Bindungspräferenz für α2,3-verknüpfte Sialinsäuren gibt, z.B. Paramyxoviren,.

Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit den Wechselwirkungen zwischen menschlichen Paramyxoviren und Streptokokken. Die beiden Paramyxoviren HPIV3 und MuV zeigten bei ihren Interaktionen mit GBS die gleiche Sialinsäurespezifität wie wir sie im Zusammenspiel zwischen aviären Viren und GBS gefunden haben. Viral-bakterielle Co-Sedimentation oder bakterielle Adhärenz an HN-exprimierende Zellen wurde nur mit GBS beobachtet, das α2,3-gebundene Sialinsäure enthält, aber nicht mit S. suis, das α2,6-gebundene Sialinsäure aufweist. Zusätzlich wurde die Hämadsorptionsaktivität von MuV-HN durch GBS beeinträchtigt. In der Gegenwart von GBS war die Adhärenz von Erythrozyten an MuV-HN-exprimierende Zellen deutlich reduziert.

abstract (englisch)

Respiratory viral-bacterial co-infections often result in more severe disease than mono-infections by either of the two partners. The synergism in co-infections may be derived from direct or indirect interactions. A prominent example for diseases due to co-infections is the influenza pandemic of 1918 (“Spanish flu”) with millions of victims. Most fatal influenza cases were due to severe secondary bacterial pneumonia. After that, the influenza pandemics in 1957-1958 and 1968, as well as the recently emerged 2009 H1N1 virus were also associated with increased case numbers of bacterial pneumonia. Apart from influenza viruses, several paramyxoviruses including human parainfluenza virus 3 (HPIV3) and mumps virus (MuV) also have frequently been implicated in the pathogenesis of bacterial pneumonia in humans, especially in young children. Among the bacterial pathogens involved in respiratory co-infections, streptococci play a prominent role Streptococcus. pneumoniae being a well-known representative. Group B streptococci (GBS, Streptococcus agalactiae), the causative agent of infant meningitis and pneumonia in non-pregnant adults, have been found to colonize the human airway epithelium and may be another potential pathogen co-infecting with respiratory viruses. However, the exact mechanisms of viral-bacterial co-infections in the human respiratory tract are still largely unknown.  

Recently, it has been found that Streptococcus suis can interact with swine influenza viruses of the H3N2 and H1N1 subtypes and thus improve its colonization properties. This interaction depends on the capsular polysaccharides (CPS) of the bacteria. CPS of S. suis consists of repeating units which have a side-chain with a terminal sialic acid in an α2,6-linkage. The sialic acids can act as receptor determinants for the HA protein of influenza viruses and mediate the binding of bacteria to viral glycoproteins exposed on the surface of virus-infected cells.

In the first part of this thesis, we report that the hemagglutinins of several influenza A viruses (IAV) recognize the α2,3-linked sialic acid present on the capsular polysaccharide of group B streptococci (GBS). The interaction was evident not only by the binding of virions to bacteria in a co-sedimentation assay but also in the bacterial binding to virus-infected cells. While co-infection by GBS and IAV had a delaying effect on the virus replication, it enhanced not only the bacterial adherence to virus-infected cells but also the subsequent invasion process. As recognition of α2,3-linked sialic acid is characteristic for avian IAV, co-infection with GBS can occur when avian viruses are transmitted to humans. This mechanism of co-infection may not be restricted to the above mentioned pathogens, because there are also human viruses, e.g. paramyxoviruses, with a binding preference for α2,3-linked sialic acids.

The second part of this thesis focused on the interactions between human paramyxoviruses and streptococci. The interactions of the two paramyxoviruses HPIV3 and MuV with GBS were found to occur with the same sialic acid specificity as that found in the interplay between avian influenza viruses and GBS. Viral-bacterial co-sedimentation or bacterial adherence to HN-expressing cells was observed only with GBS which contains α2,3-linked sialic acid, but not with S. suis the capsular polysaccharide of which has α2,6-linked sialic acid. Additionally, GBS affected the hemadsorption activity of MuV-HN. In the presence of GBS, the adherence of the erythrocytes to MuV-HN expressing cells was substantially reduced.

keywords

Viral-bakterielle Co-Infektionen, Influenzaviren, Paramyxoviren ; viral-bacterial co-infection, influenza virus, parainfluenza virus

kb

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