Micro-epidemiology of PRRS virus infection in vaccinated endemic farms

Abstract

La present tesi té com a objectiu aprofundir en la comprensió de la dinàmica evolutiva del virus del síndrome reproductiu i respiratori porcí (acrònim en anglès, PRRSV) en el context de granges que implementen vacunació. Mitjançant tres estudis, s'esclareix l'evolució del virus en diversos escenaris relacionats amb la infecció. El primer estudi es centra en l'impacte immediat d'un brot de PRRSV en una granja que aplica vacunació. Al llarg d'un any, es van monitorar els garrins des del naixement fins a les nou setmanes d'edat per examinar el seu estat de PRRSV mitjançant RT-qPCR i anàlisis serològics, juntament amb seqüenciació (genoma complet, nsp2, nsp9 i ORF5), analitzant en detall la dinàmica del virus durant el període postbrot. Els resultats van mostrar que la diversitat genètica inicial del virus va ser generada principalment per la transmissió vertical, amb una variant que finalment va prevaldre amb el temps. A més, els resultats de l'estudi suggereixen que les truges no responsives i els superdisseminadors poden jugar un paper significatiu en la transmissió de PRRSV. El segon estudi abraça un període d'observació de dos anys en una granja que vacunava contra el PRRSV i que romania endèmica des de feia temps. Com en el primer estudi, es van seguir els garrins des del naixement fins a les nou setmanes d'edat per explorar l'evolució de la infecció. Mitjançant la seqüenciació de ORF5 i genoma complet, es va explorar l'emergència d'una variant viral i la introducció lateral d'una nova soca. Es va realitzar una anàlisi detallada de les variants virals amb la finalitat d'identificar els factors que contribueixen a la seva emergència, incloent aspectes com la cinètica de replicació, l'evasió de neutralització, la capacitat d'adherència a macròfags i la inhibició de la resposta d'interferó. Els resultats van destacar la substitució abrupta d'una variant viral per una altra i van revelar que l'emergència d'una variant viral, amb només vint-i-cinc diferències d'aminoàcids en el genoma complet, pot provocar un augment de la incidència similar al provocat per una nova soca amb un 20% de diferència nucleotídica respecte a l'anterior. Els factors clau que van propiciar la predominança d'aquestes variants van ser la seva habilitat per evadir la neutralització i una capacitat millorada per infectar macròfags. El tercer estudi va investigar la dinàmica d'evolució i persistència del PRRSV en una granja endèmica i vacunada que s'apropava a l'estabilització. De la mateixa manera, es van seguir els porquets des del naixement fins a les nou setmanes d'edat, examinant la incidència de la malaltia, l'estat serològic dels animals i utilitzant la seqüenciació per determinar la transmissió i evolució del virus. Quan la granja estava a punt d'aconseguir l'estabilització, va tenir lloc un esdeveniment crític: una única falla en la vacunació de record de les truges relacionada a temperatures elevades a l'estiu va desencadenar un ressorgiment de la infecció. Aquesta omissió va resultar en un augment de gairebé el 100% de la incidència a les sis setmanes d'edat, una disminució de la immunitat materna i un augment de la diversitat genètica del virus. Remarcablement, abans d'aquest problema de vacunació, mentre la transmissió estava relativament controlada, la diversitat genètica del virus tenia una tendència decreixent. A més, l'estudi revela que tant la selecció com la recombinació van contribuir a la diversitat viral observada en aquesta granja. Els resultats subratllen la importància de l'estricta adherència a la vacunació en el control de la incidència i la diversitat genètica del PRRSV. En resum, els resultats d'aquesta tesi contribueixen a l'avanç de la nostra comprensió dels mecanismes subjacents a la persistència del PRRSV i la seva evolució dins de les granges sota pressió de la vacunació.

La presente tesis tiene como objetivo profundizar en la comprensión de la dinámica evolutiva del virus del síndrome reproductivo y respiratorio porcino (acrónimo en inglés, PRRSV) en el contexto de granjas que implementan vacunación. A través de tres estudios, se esclarece la evolución del virus en diversos escenarios relacionados con la infección. El primer estudio se centra en el impacto inmediato de un brote de PRRSV en una granja que aplica vacunación. En el transcurso de un año, se monitorearon lechones desde el nacimiento hasta las nueve semanas de edad para examinar su estado de PRRSV mediante RT-qPCR y análisis serológicos, junto con secuenciación (genoma completo, nsp2, nsp9 y ORF5), analizando en detalle la dinámica del virus durante el período post-brote. Los resultados mostraron que la diversidad genética inicial del virus fue generada principalmente por la transmisión vertical, con una variante que finalmente prevaleció con el tiempo. Además, los hallazgos del estudio sugieren que las cerdas no respondedoras y los superdiseminadores pueden desempeñar un papel significativo en la transmisión de PRRSV. El segundo estudio cubre un período de observación de dos años en una granja que vacunaba contra PRRSV y permanecía endémica desde hacía tiempo. Como en el primer estudio, se siguieron lechones desde el nacimiento hasta las nueve semanas de edad para explorar la evolución de la infección. Mediante la secuenciación de ORF5 y genoma completo, se exploró la emergencia de una variante viral y la introducción lateral de una nueva cepa. Se realizó un análisis de las variantes virales con el propósito de identificar los factores que contribuyen a su emergencia, incluyendo aspectos como la cinética de replicación, la evasión de neutralización, la capacidad de adherencia a macrófagos y la inhibición de la respuesta de interferón. Los resultados destacaron la sustitución abrupta de una variante viral por otra y revelaron que la emergencia de una variante viral, con solo veinticinco diferencias de aminoácidos en el genoma completo, puede provocar un aumento de la incidencia similar al provocado por una nueva cepa con un 20% de diferencia nucleotídica respecto a la anterior. Los factores clave que propiciaron la predominancia de estas variantes fueron su habilidad para escapar de la neutralización y una capacidad mejorada para infectar macrófagos. El tercer estudio investigó la dinámica de evolución y persistencia del PRRSV en una granja endémica y vacunada que se aproximaba a la estabilización. Asimismo, se siguieron lechones desde el nacimiento hasta las nueve semanas de edad, examinando la incidencia de enfermedad, el estado serológico de los animales y utilizando la secuenciación para determinar la transmisión y evolución del virus. Cuando la granja estaba cerca de lograr la estabilización, tuvo lugar un evento crítico: un único fallo en la vacunación de recuerdo de las cerdas relacionado con temperaturas elevadas en verano desencadenó un resurgimiento de la infección. Esta omisión resultó en un aumento de casi el 100% de la incidencia a las seis semanas de edad, una disminución de la inmunidad maternal y un incremento en la diversidad genética del virus. Destacablemente, antes de este problema de vacunación, mientras la transmisión estaba relativamente controlada, la diversidad genética del virus tenía una tendencia decreciente. Además, el estudio revela que tanto la selección como la recombinación contribuyeron a la diversidad viral observada en esta granja. Los hallazgos subrayan la importancia de la estricta adherencia a la vacunación en el control de la incidencia y la diversidad genética de PRRSV. En resumen, los resultados de esta tesis contribuyen en el avance de nuestra comprensión de los mecanismos subyacentes a la persistencia de PRRSV y su evolución dentro de granjas sometidas a la presión de vacunación.

The present Ph.D. dissertation aims to delve into understanding the evolutionary dynamics of porcine reproductive and respiratory virus (PRRSV), within the framework of farms implementing vaccination. Through three studies, it elucidates the virus's evolution in diverse scenarios associated with the infection. The first study focuses on the immediate impact of an outbreak of PRRSV in a farrow-to-fattening farm applying a vaccination program. Over the course of a year, piglets were monitored from birth to nine weeks of age to examine their PRRSV-status using RT-qPCR and serological analyses, together with sequencing (whole genome, nsp2, nsp9, and ORF5), providing an in-depth exploration of the virus's dynamics during the post-outbreak period. The results showed that the initial genetic diversity of the virus within the farm was generated mostly by vertical transmission, with one variant eventually prevailing over time. Additionally, the study's findings suggest that non-responder sows and super-spreaders may play a significant role in the transmission of PRRSV. The second study covers a two-year observation period of a PRRSV-vaccinated farrow-to-finish farm that had remained endemic for an extended period. Similar to the first study, piglets were followed from birth to nine weeks of age to explore the evolution of the infection. By using ORF5 and whole-genome sequencing, the emergence of a viral variant and the lateral introduction of a new strain were explored. A detailed analysis of the viral variants sought to identify the factors that drive their emergence, encompassing replication kinetics, evasion of neutralization, attachment to macrophages, and inhibition of the interferon response. Results spotlighted the abrupt replacement of one viral variant by another and revealed that the emergence of a viral variant, with only twenty-five amino acid differences in the whole genome, can lead to an incidence surge akin to that induced by a new strain, with a 20% nucleotide difference from the previous one. The key factors driving the dominance of these variants were their ability to escape neutralization, plus an enhanced capacity to infect macrophages. The third study investigated the evolution and persistence dynamics of PRRSV-1 within an endemically infected and vaccinated farm that was approaching stabilization. Once again, piglets were followed from birth to nine weeks of age, examining the incidence of the disease, the serological status of the animals, and using sequencing techniques to determine the transmission and evolution of the virus. When the farm was close to achieve herd stabilization, a critical event unfolded: a single failure of recall vaccination of sows related to elevated temperatures during the summer led to a resurgence of the infection. This lapse resulted in a surge to almost 100% incidence at six weeks of age, a drop in maternally-derived immunity, and a rise in genetic diversity within the virus. Notably, prior to this vaccination issue, while transmission was relatively controlled, the genetic diversity of the virus was on a declining trajectory. Furthermore, the study reveals that both selection and recombination contributed to the viral diversity observed in this farm. The findings underscore the importance of strict vaccination adherence in controlling PRRSV incidence and genetic diversity. Overall, the results of this Ph.D. dissertation advance our understanding of the mechanisms underlying PRRSV persistence and its evolution within farms under vaccination pressure.