Co-infection of porcine respiratory epithelial cells by influenza viruses and Streptococcus suis

Bakterielle Sekundärinfektionen können den Schweregrad einer Influenzavirusinfektion sowohl im Menschen als auch im Tier steigern. Die Pathogenese viral-bakterieller Co-Infektionen ist im Vergleich zu viralen Mono-Infektionen viel komplexer und die Wechselwirkungen zwischen den beiden Pathogenen einerseits und dem Wirt andererseits sind bisher kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, die Interaktionen eines viralen und eines bakteriellen Erregers mit einem Wirt bei der Mono- bzw. Co-Infektion zu untersuchen. Streptococcus suis (S. suis) wurde als bakterieller Sekundärerreger gewählt, um die Co-Infektion mit Schweine-Influenzaviren (SIV) zu analysieren. Beide infektiöse Agenzien haben zoonotisches Potenzial und stellen wichtige respiratorische Pathogene dar, die mit dem „porcine respiratory disease complex“ assoziiert werden. In dieser Arbeit habe ich drei verschiedene Infektionsmodelle zur Anwendung gebracht, um die Infektion durch SIV und/oder S. suis genauer zu analysieren.: (i) immortalisierte Zellen von der Trachea neugeborener Schweine (newborn pig trachea, NPTr cells), (ii) Präzisionslungenschnitte (precision-cut lunge slices, PCLS) und (iii) sogenannte „Air-liquid interface“ (ALI)-Kulturen von primären porzinen Atemwegszellen. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich den Co-Infektionsprozess und damit die Interaktionen zwischen SIV, S. suis und dem Wirt in NPTr-Zellen und PCLS - einem in vitro- und einem in vivo-Modell - untersucht. Zudem wurde analysiert, ob es Unterschiede zwischen zwei SIV-Feldstämmen verschiedener Subtypen (H1N1 und H3N2), im Weiteren als SIV-H1N1 und SIV-H3N2 bezeichnet, gibt. Die Bedeutung des bakteriellen Kapselpolysaccharids während der SIV-S. suis-Co-Infektion wurde erforscht, indem der S. suis-Stamm 10 mit einer isogenen unbekapselten Mutante verglichen wurde. Ich konnte eine wechselseitige Interaktion nachweisen, die vom SIV-Hämagglutinin (HA)-Protein vermittelt wurde, das die α2,6-verknüpften Sialinsäuren auf dem Kapelpolysaccharid von S. suis erkannte. Diese direkte Interaktion zwischen Virus und Bakterium verzögerte die Replikation von SIV-H1N1 und SIV-H3N2. Andererseits förderte das auf der Oberfläche von SIV-infizierten Zellen exprimierte HA-Protein die Adhärenz und Kolonisation von S. suis bei NPTr-Zellen. Dieser Effekt wurde auch bei PCLS in der Frühphase der Infektion beobachtet. In der Spätphase der Infektion schädigte SIV die mukoziliäre Reinigungsfunktion der PCLS und förderte dadurch die Adhärenz und Invasion von S. suis. Meine Ergebnisse zeigen, dass SIV-infizierte Zellen zunächst über eine sialinsäure-abhängige Interaktion und dann über eine Schädigung des Epithels die bakterielle Adhärenz und Invasion erleichtern. Außerdem hatte die bakterielle Co-Infektion über die sialinsäure-abhängige Interaktion einen negativen Effekt auf die Virusreplikation. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich zwei ALI-Kultursysteme für primäre enddifferenzierte Atemwegsepithelzellen, porzine Trachealepithelzellen (PTEC) und porzine Bronchialepithelzellen (PBEC), etabliert, um die Wechselwirkungen zwischen Atemwegsepithelzellen und Influenzaviren zu untersuchen. Um die SIV-Infektion näher zu charakterisieren, wurden SIV-H1N1 und SIV-H3N2 verwendet, sowie zwei rekombinante humane Viren, R1 und R2, um den Phänotyp von Viren mit unterschiedlicher Sialinsäure-Präferenz zu analysieren. Ich fand heraus,dass die beiden SIV-Stämme zilientragende und nicht-zilientragende Zellen infizierten, jedoch keine mukus-produzierenden Zellen. Außerdem induzierten sie in infizierten Zellen Apoptose. Die SIV-Infektion führte zu einem dramatischen Verlust von Zilien, zu einer reduzierten Dicke der Epithelschicht und zu einer Exposition von Basalzellen auf der apikalen Seite des Epithels. Lektinfärbung zeigte, dass diese Zellen ein unterschiedliches Muster von Sialinsäuren auf der Zelloberfläche exprimieren. Dies liefert eine Erklärung, warum Influenzavirus-Infektionen den Wirt für viral-bakterielle Co-Infektionen prädisponieren. Außerdem behält das Epithel trotz der schädlichen Wirkung der SIV-Infektion seine Barrierefunktion bei und beginnt mit dem Regenerierungsprozess durch Differenzierung der Basalzellen zu spezialisierten Zelltypen. Meine Ergebnisse bieten einen tieferen Einblick in die Wechselwirkungen zwischen Influenzaviren und Atemwegsepithelzellen bei Langzeitinfektionen. Außerdem liefern ALI-Kulturen ein Modell, mit dem man nicht nur die SIV-induzierten Wirkungen untersuchen kann, sondern auch den Regenerierungsprozess des Epithels nach einer Influenzavirus-Infektion. Weiterhin wurde in Kollaboration mit Fandan Meng das ALI-Kultursystem genutzt um die Mono-Infektion enddifferenzierter respiratorischer Epithelzellen durch S. suis zu untersuchen. Es wurde gezeigt, dass Suilysin, ein lösliches Cytolysin von S. suis, , die Adhärenz an und die Invasion von porzinen respiratorischen Epithelzellen erleichtert. Im Verlaufe der Infektion induzierte S. suis eine suilysin-vermittelte Apoptose, die zu einer Schädigung des Epithels führte. Diese Befunde zeigen, dass die Sekretion von Suilysin durch S. suis sowohl zur Adhärenz und Invasion als auch zur Apoptose beiträgt. Nachdem mit den ALI-Kulturen die Mono-Infektionen durch SIV und S. suis charakterisiert wurden, kann dieses Kultursystem in Zukunft auch für die Untersuchung der Co-Infektion genutzt werden.