Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

The The interaction of respiratory pathogens with differentiated porcine and canine airway epithelial cells

Respiratory pathogens cause big health problems worldwide in humans and animals ranging from the common cold to severe life-threatening respiratory tract infections. Common respiratory viruses include coronaviruses, influenza viruses, morbilliviruses, and others. Little information is known about the virus-host interactions in the respiratory tract of animals. Here, we applied an air-liquid interface (ALI) culture system comprising well-differentiated porcine and canine epithelial cells to investigate the mechanisms of infection in the native context. In the first part of the thesis, we used the porcine ALI cultures to study the mono-infection by porcine respiratory coronavirus (PRCoV) and avian influenza virus (AIV), respectively. PRCoV preferentially targeted non-ciliated cells and among them the non-mucus-producing cells. Porcine aminopeptidase N (pAPN), the cellular receptor for PRCoV was also more abundantly expressed on this type of cells suggesting that pAPN is a determinant of the cell tropism. The expression of pAPN affected the susceptibility to infection at different stages of differentiation. Similar to AIV, the binding affinity to surface receptor and the immune response are important factors for PRCoV to infect porcine ALI cultures. The results obtained by the mono-infection studies revealed how different viruses use different strategies to enter differentiated porcine airway epithelial cells. In the second part of the thesis, we investigated co-infections of porcine ALI cultures by swine influenza virus (SIV) and PRCoV as well as by SIV and Streptococcus suis (S. suis). Co- or super-infection by PRCoV and SIV revealed time-dependent viral interference between the two viruses. Prior infection by SIV impaired the mucociliary clearance function, elevated the expression of APN receptors, and induced a protective innate immune response. These changes in the porcine ALI cultures interfered with the secondary infection by PRCoV. Prior infection by SIV facilitated the adherence, colonization, and invasion of the pig-ALI cultures by a wild-type (wt) S. suis strain and a suilysin-negative mutant. These findings provide a better understanding of the scenario of viral-viral or viral-bacterial interactions during co-infection of porcine airway epithelial cells. In the third part of the thesis, we extended our cell system from porcine to canine ALI cultures. We infected canine ALI cultures by CDV and CRCoV, respectively. In CRCoV infections, virus entry and release was mainly observed at the apical surface of the dog-ALI cultures. By contrast, CDV uses a different infection strategy to get across the barrier of the airway epithelium, either via the paracellular route or via immunocyte-mediated transmission. The development of canine ALI cultures allows the investigation of canine respiratory pathogens in more detail. In sum, these findings provide novel insights into the strategies of respiratory pathogens to infect porcine and canine ALI cultures. Our results have implications also for investigation of human viruses and bacteria, including influenza virus, coronavirus, measles virus, and streptococci.

Respiratorische Erreger verursachen weltweit bei Mensch und Tier große Gesundheitsprobleme, von der gewöhnlichen Erkältung bis hin zu schweren, lebensbedrohlichen Atemwegsinfektionen. Zu den weit verbreiteten respiratorischen Viren gehören Coronaviren, Influenzaviren, Morbilliviren und andere. Über die Virus-Wirt-Interaktionen im Respirationstrakt von Tieren ist wenig bekannt. Hier haben wir das sogenannte “air-liquid interface” (ALI)-Kultursystem eingesetzt, um mit enddifferenzierten Atemwegsepithelzellen von Schwein und Hund die Mechanismen der Infektion im nativen Kontext zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit verwendeten wir die porcinen ALI-Kulturen, um die Monoinfektion durch das porcine respiratorische Coronavirus (PRCoV) bzw. aviäre Influenzaviren (AIV) zu untersuchen. PRCoV infiziert bevorzugt nicht-zilientragende Zellen und unter ihnen die nicht-schleimproduzierenden Vertreter. Die porcine Aminopeptidase N (pAPN), der zelluläre Rezeptor für PRCoV, wurde ebenfalls vermehrt auf diesem Zelltyp exprimiert, was darauf schließen lässt, dass pAPN eine Determinante für den Zelltropismus ist. Die Expression von pAPN beeinflusst die Empfänglichkeit für eine Infektion in verschiedenen Stadien Differenzierung. Die Affinität der Bindung an Sialinsäure und die angeborene Immunantwort sind wichtige Faktoren für die Infektion von ALI-Kulturen. Die erhaltenen Ergebnisse der Mono-Infektionsstudien zeigen, wie verschiedene Viren unterschiedliche Strategien nutzen, um in differenzierte Atemwegsepithelzellen einzudringen. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchten wir die Co-Infektion von Schweine-ALI-Kulturen durch Schweine-Influenzaviren (SIV) und PRCoV sowie durch SIV und Streptococcus suis (S. suis). Die Co- oder Superinfektion von PRCoV und SIV zeigte eine zeitabhängige virale Interferenz zwischen den beiden Viren. Eine vorherige Infektion mit SIV trug dazu bei, die mukoziliäre Clearance-Funktion zu beeinträchtigen, die Expression des Rezeptors APN zu erhöhen und eine Immunantwort zu induzieren. Diese Veränderungen an den Schweine-ALI-Kulturen beeinträchtigten die Sekundärinfektion durch PRCoV. Außerdem erleichterte eine vorherige Infektion durch SIV die Adhäsion, Kolonisierung und Invasion der Schweine-ALI-Kulturen durch den Wildtyp (wt) S. suis-Stamm und eine suilysin-negative Mutante. Diese Ergebnisse verbessern unser Verständnis für das Szenario von viralen-viralen oder viralen-bakteriellen Interaktionen bei Co-Infektionen von differenzierten Atemwegsepithelzellen. Im dritten Teil der Arbeit erweiterten wir unsere Methoden von Schweine-ALI- zu Hunde-ALI-Kulturen. Wir infizierten die ALI-Kulturen von Hunden mit CDV bzw. CRCoV. Die CRCoV-Infektion führte bei caninen-ALI-Kulturen hauptsächlich zu einem apikale Viruseintritt und zu einer apikalen Freisetzung. CDV nutzt unterschiedliche Strategien, um die Barriere des Atemwegepithels zu überwinden, entweder auf parazellulärem Weg oder durch Immunozyten-vermittelte Übertragung. Die Entwicklung von Hunde-ALI-Kulturen ermöglicht die genauere Untersuchung von Erregern der Atemwege von Hunden. Insgesamt bieten diese Ergebnisse neue Einblicke in die Strategien respiratorischer Erreger bei der Infektion von differenzierten Atemwegsepithelzellen. Unsere Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die Untersuchung humaner Viren und Bakterien, einschließlich Influenzaviren, Coronaviren, Masernvirus und Streptokokken.

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