Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Viral-bacterial strategies to interact with the bovine airway epithelial cells

Das respiratorische Epithel bildet eine durchgehende Zellschicht, die die Luft in den Atemwegen vom inneren Milieu im gesamten Respirationstrakt trennt. Die primären Funktionen des respiratorischen Epithels bestehen darin, die Atemwege vor potentiellen Krankheitserregern und Fremdstoffen zu schützen, um Infektionen und Gewebeverletzungen zu vermeiden. Das Atemwegepithel in der Trachea und den Bronchien ist pseudostratifiziert und besteht hauptsächlich aus drei Zelltypen - Flimmerzellen, Becherzellen und Basalzellen, um die Barrierefunktion zu erfüllen, einschließlich einer physikalischen, einer chemischen und einer immunologischen Barriere. Daher erhöht eine Verletzung oder Dysfunktion des respiratorischen Epithels das Risiko einer Infektion durch Atemwegspathogene und einer Atemwegserkrankung. Um andererseits den Abwehrmechanismen des respiratorischen Epithels zu entgehen, haben respiratorische Pathogene verschiedene Strategien entwickelt, um mit den Epithelzellen der Atemwege zu interagieren. Bei Rindern wird der Bovine Respiratory Disease Complex (BRDC), eine multifaktorielle und kostspielige Erkrankung des Rindes, in der Regel durch eine Vielzahl von Erregern verursacht. Unter diesem komplizierten BRDC-Szenario sind die genauen Mechanismen der viral-bakteriellen Mono- oder Co-Infektionen im bovinen Respirationstrakt noch weitgehend unbekannt. Pasteurella multocida ist einer der wichtigsten bakteriellen Krankheitserreger im Zusammenhang mit BRDC. Als Kommensale bei Rindern ist P. multocida häufig in den oberen Atemwegen zu finden. Die Pathogenese von P. multocida und die Wechselwirkungen mit Atemwegsepithelzellen im Kommensalenstatus sind jedoch noch immer rätselhaft. Ein weiterer wichtiger Teilnehmer am BRDC ist das Bovine Virusdiarrhoe-Virus (BVDV), ein weltweit verbreiteter Erreger bei Rindern, der für die meisten Herden eine Infektionsgefahr darstellt. BVDV kann immunsuppressive Wirkungen, Atemwegserkrankungen, Magen-Darm- und Fortpflanzungsstörungen hervorrufen und verursacht bei erkrankten Rindern eine systemische Infektion. Das Virus wird über den Respirationstrakt aufgenommen, von wo aus sich die Infektion auf andere Stellen im Körper ausbreitet. Es ist wichtig zu wissen, wie BVDV mit den Epithelzellen der Atemwege interagiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wendeten wir enddifferenzierte Epithelzellkulturen unter Luft-Flüssigkeits-Grenzflächenbedingungen an, um die Wirkung und Gegenwirkung zwischen P. multocida und Atemwegsepithelzellen während der bakteriellen Infektion zu analysieren. P. multocida wuchs effizient auf den Bronchialepithelzellkulturen und induzierte einen schädigenden Effekt, der sich durch den Verlust von Flimmerzellen zeigte. Trotz dieses Verlustes blieb die Barrierefunktion der epithelialen Zellschicht erhalten. Darüber hinaus erhielten wir Hinweise darauf, dass das Bakterienwachstum gestört werden kann, indem die Wirkung der bakteriellen Neuraminidase verhindert und damit die P. multocida-Infektion in bovinen ALI-Kulturen gehemmt wird. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Wechselwirkungen zwischen BVDV und polarisierten, aber nicht differenzierten Epithelzellen. Zunächst etablierten wir erfolgreich die polarisierte Epithelzellkultur für Infektionsstudien mit BVDV mit besonderem Schwerpunkt auf der Polarität von Viruseintritt und Virusfreisetzung. Es zeigte sich, dass BVDV die Infektion sowohl über die apikale als auch über die basolaterale Oberfläche initiiert. Die Infektion war am effizientesten, wenn das Virus auf die basolaterale Domäne der Plasmamembran appliziert wurde. Hinsichtlich der Virusfreisetzung erfolgte der Austritt von BVDV deutlich bevorzugt über die apikale Seite der Zellen. CD46, der einzige bisher identifizierte Rezeptor für BVDV, wurde vorwiegend an der apikalen Oberfläche exprimiert. In einem CD46-Blockierungsexperiment reagierten die beiden Membrandomänen unterschiedlich. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass CD46 als Rezeptor für eine apikale Infektion dient, während die basolaterale Infektion durch einen anderen Rezeptor vermittelt wird, der in der Zukunft aufgeklärt werden muss.

The respiratory epithelium forms a continuous layer of cells that separates air in the airways from the internal milieu throughout the respiratory tract. The primary functions of the respiratory epithelium are to protect the airway tract from potential pathogens and foreign substances to avoid infections and tissue injury. The respiratory epithelium in the trachea and bronchi is pseudostratified and mainly consists of three cell types, ciliated cells, goblet cells, and basal cells to fulfill the barrier function including a physical barrier, a chemical barrier and an immunologic barrier. Therefore, injury or dysfunction of the respiratory epithelium will increase the risks for infection by respiratory pathogens and respiratory disease. On the other hand, in order to escape the defense mechanisms of the respiratory epithelium, respiratory pathogens have developed different strategies to interact with airway epithelial cells. In cattle, the bovine respiratory disease complex (BRDC), a multifactorial and costly disease of cattle, usually is caused by a variety of pathogens. Under this complicated BRDC scenario, the exact mechanisms of viral-bacterial mono-infection or co-infections in the bovine respiratory tract are still largely unknown. Pasteurella multocida is one of the most important bacterial pathogens related to BRDC. As a commensal of cattle, P. multocida can be found commonly in the upper respiratory tract. However, the pathogenesis of P. multocida and the interactions with airway epithelial cells in commensal status are still mysterious. Another important participant in BRDC is bovine viral diarrhea virus (BVDV), a common pathogen of cattle worldwide that presents a risk of infection for most herds. BVDV can induce immunosuppressive effects, respiratory diseases, gastrointestinal and reproductive failure causing systemic infection in diseased cattle. The virus is taken up via the respiratory tract from where infection spreads to other sites in the body. It is important to know how BVDV interacts with airway epithelial cells. In the first part of this thesis, we applied well-differentiated epithelial cell cultures under air-liquid interface conditions to analyze the action and counteraction between P. multocida and airway epithelial cells during the bacterial infection. P. multocida grew efficiently on the bronchial epithelial cell cultures and induced a detrimental effect which was evident by the loss of ciliated cells. Despite this loss, the barrier function of the epithelial cell layer was sustained. Furthermore, we obtained evidence that the bacterial growth can be disordered by preventing the action of the bacterial neuraminidase and thus inhibiting P. multocida infection in bovine ALI cultures. The second part of this thesis focused on the interactions between BVDV and bovine polarized but not differentiated epithelial cells. Firstly, we established the polarized epithelial cell culture successfully for infection studies with BVDV with a special focus on the polarity of entry and virus release. BVDV was found to initiate infection via both the apical and the basolateral side. Infection was most efficient when the virus was applied to the basolateral domain of the plasma membrane. In terms of viral release, BVDV egress occurred preferentially via the apical side of the cells. CD46 which is the only receptor identified so far for BVDV, was found to be predominantly expressed at apical surface. In the CD46 blocking experiment, only the apical infection was efficiently blocked, while basolateral infection was not affected by the CD46 specific antibody. This result suggests that CD46 serves as a receptor for apical infection, whereas basolateral infection is mediated by a different the receptor that has to be elucidated in the future.

Preview

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Rights

Use and reproduction:

Export