Virus and host factors involved in herpes simplex virus infection of the human nervous system
Das Herpes-simplex-Virus (HSV) ist ein weit verbreitetes Pathogen mit zwei besonderen Eigenschaften: die Fähigkeit Nervenzellen zu infizieren und die Etablierung einer lebenslangen viralen Latenzphase. HSV-1 und HSV-2 sind zwei verschiedene Subtypen des Virus. Während der Primärinfektion dringt das Virus über Oberflächenrezeptoren der Wirtszelle in periphere Nervenendigungen ein und erreicht über Axone die Nervenzellkörper der sensorischen Ganglien des peripheren Nervensystems. Hier etabliert HSV eine lebenslange virale Latenzphase, die ohne Entwicklung von Krankheitssymptomen verläuft. Regelmäßige Virusreaktivierung kann jedoch zu wiederkehrenden, HSV-assoziierten Erkrankungen führen. HSV-induzierte Enzephalitis ist eine lebensgefährliche Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die oft zu schweren Folgeschäden in den Patienten führt. Sowohl Virus- als auch Wirtsfaktoren beeinflussen den Ausgang einer HSV-Infektion im Nervensystem. Die genauen Mechanismen und das Zusammenspiel zwischen Virus und Wirt sind jedoch noch nicht genau erforscht. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, den Einfluss von Virus und Wirt auf HSV-Infektionen des humanen Nervensystems genauer zu charakterisieren. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der genetischen Variabilität von HSV-Isolaten und deren Auswirkung auf die antivirale Therapie von HSV-Enzephalitis. Dafür wurden virale Genome aus dem Liquor cerebrospinalis von HSV-Enzephalitispatienten isoliert und auf Mutationen in der viralen Thymidinkinase (TK) untersucht, die zu Resistenz gegen das Virostatikum Aciclovir (ACV) führen. Insgesamt wurden 35 Nukleotidmutationen in den Liquorproben von 12 Patienten detektiert, die zum Austausch von 17 Aminosäuren führten. Alle Mutationen waren jedoch natürliche Polymorphismen, die überwiegend in nicht-konservierten Genregionen auftraten. Genetische Analyse von Liquor- und Schleimhautproben des selben Patienten zeigte kein Auftreten von resistenzassoziierten TK-Polymorphismen während ACV-Therapie. Durch phänotypische Suszeptibilitätsanalyse von Virusisolaten wurden jedoch ACV-resistente Viren in zwei Enzephalitispatienten gefunden, was darauf hindeutet, dass wahrscheinlich zusätzliche Mutationen in der viralen DNA Polymerase vorliegen. Schlussendlich wurden in den Virusisolaten der Enzephalitispatienten keine Mutationen im HSV-TK-Gen detektiert, die ACV-Resistenz hervorrufen und dadurch die Krankheitsentwicklung beeinflussen können. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem angeborenen Immunsystem in humanen sensorischen Ganglien, welches eindringende Pathogene detektiert und daraufhin eine Immunantwort auslöst. Mittels Toll-like-Rezeptoren (TLR) werden verschiedene Pathogene anhand spezifischer molekularer Muster erkannt und daraufhin eine Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen induziert. In unserer Studie wurde die Expression von TLR in humanen Satellitenzellen der Trigeminusganglien (TG) und in Mikrogliazellen des ZNS charakterisiert und verglichen. Durchflusszytometrie von Zellsuspensionen, die aus postmortalen humanen TG- und Gehirngewebe gewonnen wurden, zeigte, dass Satellitenzellen und Mikrogliazellen ein breites Repertoire an TLR mit unterschiedlichen Expressionslevels exprimieren. Nach Stimulierung der Zellsuspensionen mit TLR-Agonisten wurden Satellitenzellen und Mikrogliazellen als die Hauptquelle der gemessenen Zytokinsekretion identifiziert. Schlussendlich wurde aufgezeigt, dass Satellitenzellen ähnlich wie Mikrogliazellen eine breite Anzahl von funktionellen TLRs exprimieren, was darauf hindeutet, dass sie an der Initiierung einer Entzündungsreaktion gegen Pathogene wie HSV in humanen sensorischen Ganglien beteiligt sind. Insgesamt umfasst diese Arbeit Aspekte der viralen Genetik und des angeborenen Immunsystems gegenüber eindringenden Pathogenen im humanen Nervensystem. Durch kombinierte Untersuchungen von Virus- und Wirtsmechanismen wird die Grundlage für eine erfolgreiche Entwicklung von neuen Interventionsstrategien gegen HSV-Infektionen des humanen Nervensystems gelegt.
Herpes simplex virus (HSV) is a wide-spread human pathogen with two defining attributes: the ability to infect neuronal cells (neurotropism) and the establishment of a life-long quiescent infection (viral latency). It has two different subtypes, namely HSV-1 and HSV-2. During primary infection HSV enters peripheral nerve endings via host surface receptors and travels within the axon to the neuronal cell body in the innervating sensory ganglion of the peripheral nervous system. Here, HSV establishes viral latency in sensory nerve cell bodies, a life-long quiescent infection which shows no signs of disease. Periodical virus reactivation results in asymptomatic virus shedding and occasionally recurring HSV-associated diseases. HSV-induced encephalitis is a life-threatening neuropathological disease that often leads to severe and residual neurological sequelae in surviving patients. Both viral and host factors contribute to the outcome of HSV infection in the human nervous system. However, the mechanisms executed by both the virus and the human immune system as well as the interplay between them remain unclear. Therefore, this thesis aimed to further characterize the involvement of viral and host determinants that influence the outcome of HSV infection in the human nervous system. The first part of this thesis takes a closer look into the genetic variability of HSV isolates and its implications on anti-viral treatment of Herpes simplex encephalitis (HSE). Therefore, viral genomes recovered from cerebrospinal fluid (CSF) of HSV-1 and HSV-2 encephalitis patients were analyzed for the presence of mutations in the viral thymidine kinase (TK) gene that lead to resistance towards the antiviral drug acyclovir (ACV). In total, 35 unique HSV TK nucleotide changes accounting for 17 distinct amino acid changes were detected in surplus CSF samples of 12 HSE patients analyzed. However, all mutations were identified as natural polymorphisms located mainly in non-conserved TK gene regions. Genetic analysis of consecutive CSF samples and mucocutaneous virus isolates of the same patients did not reveal emergence of known ACV resistance-associated TK polymorphisms during ACV therapy. However, phenotypic susceptibility analysis of the mucocutaneous HSV isolates demonstrated ACV resistant virus in two HSV-2 encephalitis patients suggesting involvement of additional polymorphisms in the viral DNA polymerase gene. In conclusion, no intrathecal HSV TK mutations were detected that could render resistance to ACV therapy and thereby influence antiviral treatment outcome. The second part of this thesis focused on the host’s innate immunity in human sensory ganglia to detect and respond to incoming pathogens and danger signals. Toll-like receptors (TLRs) can recognize various pathogens and danger signals based on distinctive molecular patterns and subsequently initiate defense mechanisms by secretion of pro-inflammatory cytokines. In our study, the expression profile and function of different TLRs were characterized on satellite glial cells (SGCs) from human trigeminal ganglia (TG) and microglia from the central nervous system (CNS). Ex vivo flow cytometry of cell suspensions obtained from post-mortem human TG and white matter tissues showed that both human TG-derived SGCs and microglia expressed a broad repertoire of TLRs, although expression levels varied between both cell types. Stimulation of cell suspensions with TLR agonists identified SGCs and microglia as the main source of detected cytokine secretion in response to TLR activation. In conclusion, human TG-SGCs express – similar to microglia – a broad panel of functional TLRs suggesting their role in initiating and orchestrating inflammation to pathogens such as HSV in human sensory ganglia. In summary, this thesis covers aspects of (1) viral genetics in the context of human HSV CNS infection and (2) host innate immunity of the nervous system towards infiltrating pathogens. Integration of both disciplines, viral genetic tools and established host counter-mechanisms, will create the basis for future success in the development of novel intervention strategies against HSV infections of the human nervous system.
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