Characterization of immune responses to porcine circovirus type 2 (PCV2) infection and vaccination in pigs

Abstract

El Circovirus porcí tipus 2 (PCV2) és l'agent causal de la circovirosi porcina (CP), una malaltia multifactorial que afecta porcs en fases de transició i engreix i que causa importants pèrdues econòmiques a la indústria porcina d'arreu del món. Les característiques histopatològiques de la CP i el fet que els animals malalts pateixin sovint infeccions secundàries i oportunístiques indica que aquesta malaltia implica una greu alteració del sistema immunitari del porc. Durant molts anys, el control de la CP es centrava principalment en la millora d'estratègies de maneig i en el control dels factors de risc que influeixen la presentació clínica de la malaltia. A dia d'avui, s'han introduït al mercat internacional quatre vacunes enfront PCV2 i la seva implementació al camp ha disminuït dràsticament la incidència de la CP. La present Tesi tenia com objectiu la caracterització de les respostes immunitàries desenvolupades pel porc en el curs de la infecció i vacunació per PCV2. En la primera part (Estudis I i II), es va caracteritzar el perfil immunològic de porcs sub-clínicament infectats amb PCV2, amb especial èmfasi en les respostes mediades per cèl·lules i el paper de les proteïnes capside (Cap) i replicasa (Rep) de PCV2 en el seu desenvolupament. Es va demostrar que el virus sencer, però no Cap i Rep indueix l'alliberació d'interleuquina (IL)-10 en cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (CMSP), fins i tot en els cultius procedents d'animals verges, indicant l'origen innat d'aquesta resposta. Addicionalment, es va observar que, en fases inicials de la infecció per PCV2, es pot detectar interferó (IFN)-α en sèrum (dia 5 post-inoculació (PI)). Per altra banda, nivells detectables d'IL-10 només s'observaren de forma esporàdica, suggerint que els animals infectats sub-clínicament per PCV2 no es caracteritzen per tenir nivells elevats d'aquesta citoquina en sèrum. En relació a la immunitat adaptativa enfront a PCV2, es va veure que la resposta humoral es desenvolupa entra la segona i tercera setmana PI i que es caracteritza per la producció d'anticossos totals i neutralitzants, essent els neutralitzants d'aparició més tardana. La immunitat mediada per cèl·lules apareix entre la primera i segona setmana PI, i tant Cap com Rep estan implicades en el seu desenvolupament. A la segona part d'aquesta Tesi (Estudis III i IV), es va avaluar la immunogenicitat i eficàcia d'una vacuna comercial (una i dues dosis) basada en la Cap d'una soca de genotipus PCV2a en porcs convencionals. Els resultats d'aquests estudis van demostrar que la vacunació indueix el desenvolupament d'immunitat humoral i cel·lular i redueix la viremia, l'excreció i la càrrega vírica en teixits després de la infecció amb PCV2, tant amb soques de genotipus PCV2a com PCV2b. També es va observar que els anticossos maternals (AM) protegeixen enfront la infecció per PCV2 i influeixen en el desenvolupament de la resposta humoral després de la vacunació. Els resultats de l'estudi IV suggereixen que porcs amb títols d'IPMA per sota 5 log2 són potencialment més susceptibles a infectar-se amb PCV2. D'altra banda, es va veure que títols d'IPMA per sobre 10 log2 poden interferir amb el desenvolupament d'anticossos en resposta a la vacunació. En base a aquestes observacions, es proposa una "finestra de vacunació", definida com el rang de títols d'anticossos en el que els porcs s'haurien de vacunar per minimitzar la interferència amb els AM i, al mateix temps, assegurar el desenvolupament d'immunitat protectiva abans que els animals s'exposin a PCV2.

Porcine circovirus type 2 (PCV2) is the causative agent of Postweaning multisystemic wasting syndrome (PMWS), a multifactorial disease of nursery and fattening pigs that causes considerable economic losses to the swine industry worldwide. The histopathological features of PMWS and the fact that secondary and opportunistic infections are common in PMWS-affected pigs indicate that this disease involves a deep alteration of the immune system. For years, control of PMWS was limited mainly to the improvement of management strategies and to the control of risk factors thought to influence the infection outcome. At present, four vaccines against PCV2 are being sold on the international market and their application in the field drastically reduced the incidence of PMWS. This Thesis aimed to characterize the immune responses developed by pigs upon PCV2 infection and vaccination. In the first part (Studies I and II), the immune features of PCV2 experimental sub-clinical infections were characterized, with particular emphasis on cell-mediated responses, and on the role of PCV2 capsid (Cap) and replicase (Rep) proteins on it. Results from these studies showed that whole PCV2, but not Cap or Rep, induces the release of interleukin (IL)-10 in peripheral blood mononuclear cells (PBMC), even in those cultures obtained from PCV2-naïve pigs, a fact that indicates the innate origin of this response. In addition, it was found that interferon (IFN)-α can be detected in serum at early stages of the sub-clinical infection (5 days post inoculation (PI)). In contrast, IL-10 in serum could only be sporadically detected, suggesting that increased levels of this cytokine are not characteristic of PCV2 sub-clinically infected pigs. With regards to the acquired immunity to PCV2, humoral responses were developed mostly between the second and third week PI, characterized by the production of PCV2 total and neutralizing antibodies (NA), appearing NA later than total antibodies. Cell-mediated immunity developed within the first two weeks PI and it was demonstrated that both Cap and Rep proteins of PCV2 are involved in its development. In the second part of this thesis (Studies III and IV), the immunogenicity and efficacy of a commercial PCV2a-based sub-unit vaccine used in one- and two-dose schedules was evaluated in conventional piglets. Results from these studies demonstrated that vaccination induced the development of humoral and cell-mediated responses and significantly reduced viremia, shedding, and viral load in tissues upon challenge with either PCV2a or PCV2b isolates. It was also found that maternally derived PCV2 antibodies (MDA) protect against PCV2 infection and influence the humoral response developed after vaccination. Results from study IV suggest that pigs with IPMA titres below 5 log2 are potentially more susceptible to PCV2 infection. Besides, IPMA titres beyond 10 log2 were seen to interfere with the development of antibodies following PCV2 vaccination. Based on these observations a "vaccination window" was proposed, defined as the range of antibody titres at which piglets should be vaccinated to minimize interference with MDA and, at the same time, ensure the development of protective immunity before PCV2 exposure.