Unmasking the microbicidal and immunostimulatory properties of warthog fecal microbiota in vitro and in vivo

Abstract

El virus de la Pesta Porcina Africana (VPPA) és l’amenaça principal per a la indústria porcina. L’absència de vacunes enfront del virus complica el control i erradicació de la malaltia que provoca: la Pesta Porcina Africana (PPA). El VPPA infecta tant a porcs domèstics com a senglars euroasiàtics (ambdós Sus Scrofa), cursant amb diferents quadres clínics, que varien des de la PPA aguda o hiperaguda, amb taxes de mortalitat de fins al 100%, fins a la infecció crònica. Malgrat el VPPA és capaç d’infectar també als porcs salvatges africans, incloent al facoquer, el virus no provoca signes clínics aparents, convertint-se de fet en reservoris naturals del VPPA.

Aquesta Tesi s’ha sustentat en dues observacions realitzades al nostre laboratori. D’una banda, la infecció de porcs lliures de patògens específics (SPF) amb una soca atenuada de VPPA, provoca un quadre agut de PPA, mentre que aquesta mateixa infecció resulta innòcua per als porcs domèstics convencionals. D’altra banda, estudis comparatius d’espècies de porcs amb molt diferent susceptibilitat a la VPPA van permetre demostrar que la composició de la microbiota intestinal, és influenciada tant per factors genètics com ambientals.

Aquests resultats, juntament amb el coneixement sobre el paper clau de la microbiota intestinal en el manteniment de l’equilibri homeostàtic de l’organisme, la maduració del sistema immunològic i la resistència als patògens, ens va conduir a plantejar com a objectiu general d’aquesta tesi, investigar el paper potencial que podria exercir la microbiota fecal del facoquer en la seva resistència a la PPA. Els objectius específics van ser: 1) Establir un model de trasplant de microbiota fecal (TMF) de facoquers en porcs domèstics; 2) utilitzar aquest model per comparar la seva susceptibilitat a la PPA, després de la infecció experimental amb soques virulentes o atenuades de VPPA; 3) aïllar bacteris individuals de la microbiota fecal del facoquero per caracteritzar la capacitat immunoestimulatòria i microbicida in vitro, i 4) inocular porcs domèstics in vivo amb components seleccionats amb l’objectiu de mimetitzar els efectes del TMF.

Els principals resultats van ser que el TMF de facoquers: (1) no és perjudicial per als garrins domèstics deslletats, (2) modifica la composició de la microbiota del receptor, (3) millora la immunitat de mucoses del porc domèstic trasplantat i (4) confereix protecció parcial contra una soca atenuada de VPPA, mostrant una reducció molt significativa de virus en sèrum, excreció nasal i signes clínics. No obstant això, el TFM de facoquer no va resultar eficient enfront la infecció intramuscular amb una soca altament virulenta de VPPA. (5) L’aïllament de bacteris a partir de femtes de facoquer va permetre la caracterització de components individuals de la seva microbiota in vitro. Es van caracteritzar bacteris de facoquer amb propietats beneficioses sobre el creixement in vitro d’organoides d’ili i colon del porc. Es va caracteritzar un grup de bacteris capaços d’inhibir el creixement in vitro de bacteris patògens del porc: Clostridium perfringens, Salmonella enterica, Salmonella entérica Typhimurium, Escherichia coli K88 i Streptococcus suis (soques virulentes i apatogèniques). Finalment, es va caracteritzar un aïllat capaç d’estimular la secreció in vitro d’IFNγ de cèl·lules del teixit limfoides associats a l’intestí. (6) La inoculació intragástrica de 15 soques seleccionades, va millorar la immunitat de mucoses en els animals receptors confirmat per un augment en la producció total d’IgA en el sèrum i d’IgA específica enfront del VPPA.

Aquests resultats han obert una nova via d’investigació en la recerca d’estratègies que permetin lluitar no només contra el VPPA, sinó també contra altres patògens del porcí. El desemmascarament del paper biològic de la microbiota intestinal dels facoquers podria suposar un gran benefici pel futur.

El Virus de la Peste Porcina Africana (VPPA) es la amenaza principal para la industria porcina. La ausencia de vacunas frente al virus complica el control y erradicación de la enfermedad que este virus provoca: la Peste Porcina Africana (PPA). El VPPA infecta tanto a cerdos domésticos como a jabalíes euroasiáticos (ambos Sus Scrofa), cursando con distintos cuadros clínicos, que varían desde la PPA aguda o hiperaguda, con tasas de mortalidad de hasta el 100%, hasta la infección crónica. A pesar el VPPA es capaz de infectar también a los cerdos salvajes africanos, incluyendo al facóquero, el virus no provoca signos clínicos aparentes, convirtiéndose de hecho en reservorios naturales del VPPA.

Esta Tesis se ha sustentado en dos observaciones realizadas en nuestro laboratorio. Por un lado, la infección de cerdos libres de patógenos específicos (SPF) con una cepa atenuada de VPPA, provoca un cuadro agudo de PPA, mientras que esa misma infección resultaba inocua para los cerdos domésticos convencionales. Por otro lado, estudios comparativos de especies de cerdos con muy distinta susceptibilidad a la VPPA permitieron demostrar que la composición de su microbiota intestinal, venía marcada por factores genéticos como ambientales.

Estos resultados, junto con el conocimiento sobre el papel clave de la microbiota intestinal en el mantenimiento del equilibrio homeostático del organismo, la maduración del sistema inmunológico y la resistencia a los patógenos, nos condujo a plantear como objetivo general de esta tesis, investigar el papel potencial que podría desempeñar la microbiota fecal de facóquero en su resistencia a la PPA. Los objetivos específicos fueron: 1) Establecer un modelo de trasplante de microbiota fecal (TMF) de facóqueros en cerdos domésticos; 2) utilizar este modelo para comparar su susceptibilidad a la PPA, tras la infección experimental con cepas virulentas o atenuadas del VPPA; 3) aislar bacterias individuales de la microbiota fecal del facóquero para caracterizar la capacidad inmunoestimulatoria y microbicida in vitro, y 4) inocular cerdos domésticos in vivo con componentes seleccionados con el objetivo de mimetizar los efectos del TMF.

Los principales hallazgos fueron el TMF de facóqueros: (1) no es perjudicial para los lechones domésticos recién destetados, (2) modifica la composición de la microbiota del receptor, (3) mejora la inmunidad de mucosas del cerdo doméstico trasplantado. (4) y confiere protección parcial contra una cepa atenuada del VPPA, mostrando una reducción muy significativa del virus en suero, excreción nasal y signos clínicos. Sin embargo, el TFM de facóquero no resultó eficiente frente la infección intramuscular con una cepa altamente virulenta del VPPA. (5) El aislamiento de bacterias a partir de heces de facóquero permitió la caracterización de componentes individuales de su microbiota in vitro. Se caracterizaron bacterias de facóquero con propiedades beneficiosas sobre el crecimiento in vitro de organoides del íleon y colon del cerdo. Se caracterizó un grupo de bacterias capaces de inhibir el crecimiento in vitro de bacterias patógenas del cerdo: Clostridium perfringens, Salmonella enterica, Salmonella entericaTyphimurium, Escherichia coli K88 y Streptococcus suis (cepas virulentas y apatogénicas). Finalmente, se caracterizó un aislado capaz de estimular la secreción in vitro de IFNγ de células del tejido linfoides asociados al intestino. (6) La inoculación intragástrica de 15 cepas seleccionadas, mejoró la inmunidad de mucosas en los animales receptores indicada por un aumento en la producción total de IgA en el suero y de la IgA específica frente al VPPA.

Estos resultados han abierto una nueva vía de investigación en la búsqueda de estrategias que permitan luchar no sólo contra el VPPA, sino también contra otros patógenos del porcino. El desenmascaramiento del papel biológico de la microbiota intestinal de los facóqueros podría suponer un gran beneficio para el futuro.

African swine fever virus (ASFV) is the number one threat for the pig industry. Until today, there is no commercial vaccine or treatment available, thus complicating the control and eradication of African swine fever (ASF). ASFV can infect domestic pigs (DPs) and Eurasian wild boars (both being Sus Scrofa), resulting in different clinical disease courses, varying from acute ASF with 100 % mortality rate to chronic infection. Conversely ASFV can infect African wild pigs, including warthog, bushpig and giant forest hog, without causing apparent disease.

The work here presented is based on two observations preliminary obtained in our laboratory. Firstly, specific-pathogen-free (SPF) pigs infected with attenuated ASFV strains, developed acute ASF dying in a matter of two weeks, while with same ASFV strains conventional DPs perfectly overcame the infection, despite sharing identical genetic background than the SPF pigs. This definitively demonstrated that together with genetic differences, environmental factors could also play roles in ASF susceptibility. Furthermore, fecal microbiota comparisons between two swine species (pigs and warthogs), grown in diverse environmental conditions, confirmed that microbiota composition varies depending on genetic and environmental factors.

With this data at hand and taking into account that gut microbiota is one of the key players driving body homeostasis equilibrium, immune system maturation and pathogen resistance, the main objective here was to investigate the potential role of warthog fecal microbiota in ASF resistance. We proposed four specific objectives: 1) To establish a fecal microbiota transplantation (FMT) model in DPs using microbiota from DPs or warthogs. 2) To use this animal model to compare the ASF susceptibility after experimental challenge with virulent or attenuated ASFV strains. 3) To isolate individual bacteria from warthog fecal microbiota for further characterization of their in vitro microbicidal or immunostimulatory capabilities, and 4) to inoculate in vivo DPs with selected components of the in vitro characterized microbiota, aiming to mimic the effects observed after FMT.

The main findings obtained can be summarized as follows: (1) Transplantation of fecal microbiota from warthog is not harmful to domestic weaned piglets. (2) FMT from warthog modifies the microbiota composition of transplanted DPs. (3) FMT from warthog improves the mucosal immunity of transplanted DPs, with higher levels of total IgA in sera. (4) FMT from warthog to DPs confers partial protection against intramuscular infection with E75CV1, an attenuated strain. Thus, pigs transplanted with fecal microbiota from warthog, showed a very significant reduction of virus in serum, nasal shedding and clinical signs, while FMT from pigs to pigs did not. No effect was observed against intramuscular challenge with E75, a highly virulent strain. (5) Isolation of individual bacteria from warthog feces allowed the characterization of individual microbiota components in vitro. Therefore, some bacteria showed beneficial properties on pig ileum and colon organoids, others showed microbicidal properties against different pig pathogenic bacteria, including: Clostridium perfringens (type B), Salmonella enterica, Salmonella enterica serovar Typhimurium monophasic variant, Escherichia coli K88 and Streptococcus suis (virulent and apathogenic strains). Several bacteria were able to stimulate in vitro IFNγ secretion by gut associated lymphoid tissues, a key cytokine involved in ASFV protection. (6) The intragastric inoculation of 15 selected isolates strains, improved the mucosal immunity in the recipient animals denoted by the increase in total IgA production in sera and the ASFV-specific IgA in both serum and nasal swabs upon E75CV1 challenge.

The results obtained during the present doctoral thesis will open new avenues for the future fighting not only against ASFV, but also against other pathogens.”