SARS-CoV-2 infection in domestic and wildlife animals and its impact in the COVID-19 pandemic

Abstract

El coronavirus 2 de la síndrome respiratòria aguda greu (SARS-CoV-2), responsable de la pandèmia de la malaltia per coronavirus 2019 (COVID-19), ha causat un impacte significatiu sobre la salut, l'economia i l'estabilitat social. El SARS-CoV-2 té un potencial origen zoonòtic; es creu que es va originar en ratpenats del gènere Rhinolophus, i va saltar als humans a través d'un hoste intermediari no identificat. Al febrer del 2020, es van documentar els primers casos de SARS-CoV-2 en animals, desencadenant preocupacions sobre la capacitat del virus de travessar barreres entre espècies i plantejant grans reptes per controlar-ne la transmissió. Aquesta tesi doctoral es va iniciar a principis del 2020 amb l'objectiu d'estudiar la potencial susceptibilitat de diverses espècies animals i avaluar el seu possible paper en l'epidemiologia de la COVID-19. El mes d'abril de 2020 vam iniciar un estudi de monitoratge al nord-est d'Espanya per avaluar la presència de SARS-CoV-2 en animals de companyia (Estudi 1). L'estudi, fins al gener del 2022, va detectar infeccions agudes i/o passades de SARS-CoV-2 i les seves variants en gats, gossos i fures. La freqüència de detecció d'infeccions agudes va ser baixa (0,3%), però la detecció d'anticossos va ser relativament freqüent en animals amb contacte previ amb propietaris infectats (25% en gats, 10% en gossos i 40% en fures). També es van detectar anticossos en gats ferals, amb un percentatge més baix (2,34%) comparat amb els gats domèstics (7,65%). Els animals de companyia van mostrar la capacitat de neutralitzar diferents variants de SARS-CoV-2, essent els gats els que mostraren nivells més alts de títols d'anticossos neutralizants (nAbs) respecte les altres espècies en gairebé totes les variants estudiades. Aquesta tesi doctoral inclou estudis de vigilància de SARS-CoV-2 (des de 2020 fins a 2023) en animals salvatges, tant en captivitat com en llibertat, a Espanya (Estudi 2), així com en espècies urbanes/periurbanes a Catalunya (Estudi 3). Els estudis no varen evidenciar infeccions agudes o passades en aquests grups d'animals, exceptuant un dofí mular (Tursiops truncatus) en un parc zoològic. Aquest dofí va presentar anticossos contra la nucleoproteïna de SARS-CoV-2 mitjançant un assaig immunoenzimàtic (ELISA), i baixos nivells de nAbs (38,2%) mitjançant un assaig de pseudoneutralització (pVNT). L'emergència de variants de SARS-CoV-2 durant la pandèmia va generar preocupacions sobre el seu impacte en poblacions animals. Aquesta tesi doctoral inclou la investigació de la susceptibilitat de la cabra domèstica (Capra aegagrus hircus) a una variant de SARS-CoV-2 amb un espectre d'hostes ampliat (variant Beta (B.1.351)) (Estudi 4). Les cabres van demostrar una susceptibilitat limitada a la infecció experimental per SARS-CoV-2, suggerint un paper insignificant en la transmissió del virus. Finalment, vàrem avaluar la correlació de tres kits ELISA utilitzats en aquesta tesi doctoral i els vàrem comparar utilitzant el pVNT com a referència (Estudi 5). L'ELISA-1 (utilitzat en els Estudis 1, 3 i 4), que detecta nAbs contra el domini d'unió al receptor (RBD) de SARS-CoV-2, va demostrar tenir un excel·lent rendiment diagnòstic, essent una eina fiable per a estudis d'animals a gran escala. L'ELISA-2 (orientat a detectar nAbs contra RBD) i l'ELISA-3 (orientat als anticossos contra la nucleoproteïna), utilitzats a l'Estudi 2, van mostrar baixa sensibilitat per detectar animals seropositius. En general, els nostres resultats van indicar que els animals no van influir significativament en l'epidemiologia de la pandèmia de la COVID-19. No obstant això, les interaccions regulars entre humans i animals suposen riscos d'exposició a SARS-CoV-2 en espècies animals. Aquesta tesi doctoral s'alinea amb el concepte Una Sola Salut, destacant la necessitat d'una col·laboració multidisciplinària sòlida per gestionar les amenaces per a la salut global.

El coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2), responsable de la pandemia de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), ha causado un impacto significativo en la salud, la economía y la estabilidad social. El SARS-CoV-2 tiene un posible origen zoonótico; se cree que surgió de murciélagos del género Rhinolophus, y que saltó a los humanos a través de un huésped intermediario no identificado. En febrero del 2020, se documentaron los primeros casos de infecciones por SARS-CoV-2 en animales, generando preocupaciones significativas sobre la posibilidad de que el virus cruzara las barreras de especies y planteara grandes desafíos para controlar su transmisión. Esta tesis doctoral comenzó a principios del 2020 con el objetivo de estudiar la posible susceptibilidad de varias especies animales y evaluar su papel potencial en la epidemiología de la pandemia de la COVID-19. En abril de 2020, iniciamos un estudio de monitoreo en el noreste de España para evaluar la presencia de SARS-CoV-2 en animales de compañía (Estudio 1). El estudio, que duró hasta enero del 2022, detectó infecciones agudas y/o pasadas de SARS-CoV-2 y sus variantes en gatos, perros y hurones domésticos. La frecuencia de detección de infecciones agudas fue baja (0,3%), pero la detección de anticuerpos fue relativamente frecuente en animales que habían tenido contacto previo con propietarios infectados (25% en gatos, 10% en perros y 40% en hurones). También se detectaron anticuerpos en gatos callejeros, aunque con un porcentaje significativamente menor (2,34%) comparado con los gatos de compañía (7,65%). Los animales de compañía demostraron la capacidad de neutralizar diferentes variantes de SARS-CoV-2, siendo los gatos los que mostraron títulos más altos de anticuerpos neutralizantes (nAbs) comparado con las otras especies en casi todas las variantes estudiadas. Por otro lado, esta tesis doctoral incluye estudios de vigilancia del SARS-CoV-2 (desde 2020 hasta 2023) en animales salvajes tanto en cautiverio como en libertad de España (Estudio 2), así como en especies urbanas/periurbanas en Cataluña (Estudio 3). Los estudios no demostraron evidencia de infecciones agudas o pasadas de SARS-CoV-2 en estos grupos de animales, exceptuando un delfín mular (Tursiops truncatus) en un parque zoológico. Este delfín mostró anticuerpos contra la nucleoproteína de SARS-CoV-2 mediante un ensayo inmunoenzimático (ELISA) y títulos bajos de nAbs (38,2%) mediante un ensayo de pseudoneutralización (pVNT). La aparición de variantes de SARS-CoV-2 durante la pandemia generó preocupaciones importantes sobre su impacto en las poblaciones animales. En esta tesis doctoral, investigamos la susceptibilidad de las cabras domésticas (Capra aegagrus hircus) a una variante de SARS-CoV-2 con un rango de huésped ampliado (variante Beta (B.1.351)) (Estudio 4). Las cabras demostraron una susceptibilidad limitada a la infección experimental por SARS-CoV-2, sugiriendo un papel insignificante de este huésped en la transmisión del virus. Finalmente, evaluamos la correlación de tres kits ELISA utilizados en esta tesis doctoral y los comparamos utilizando el pVNT como referencia (Estudio 5). El kit ELISA-1 (utilizado en los Estudios 1, 3 y 4), que detecta nAbs contra el dominio de unión al receptor (RBD), demostró un rendimiento diagnóstico excelente, siendo una herramienta confiable para estudios de animales a gran escala. ELISA-2 (enfocado en nAbs contra RBD) y ELISA-3 (enfocado en anticuerpos de nucleoproteína), utilizados en el Estudio 2, demostraron baja sensibilidad para detectar animales seropositivos. En general, nuestros resultados indicaron que los animales no influenciaron significativamente la epidemiología de la pandemia de COVID-19. Sin embargo, las interacciones regulares entre humanos y animales suponen riesgos de exposición a SARS-CoV-2 en especies animales. Esta tesis doctoral se alinea al concepto de Una Sola Salud, destacando la necesidad de una colaboración multidisciplinaria sólida para gestionar eficazmente las amenazas a la salud global.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, significantly impacting health, economies, and social stability. The virus emerged in late 2019 in China and rapidly spread worldwide, making evident the interconnectedness of the current globalized world. The high transmission capacity of the virus led to the emergence of several SARS-CoV-2 variants that caused major threats to human health. Importantly, SARS-CoV-2 has a potential zoonotic origin, likely stemming from Rhinolophus bats, and it is believed that jumped to humans through an unidentified intermediate host. In February 2020, the first cases of SARS-CoV-2 infections in animals were documented, triggering significant concerns regarding the virus crossing species barriers and posing major challenges for controlling its transmission. This PhD Thesis started in early 2020 with the aim to study the potential susceptibility of various animal species and assessing their potential role in the epidemiology of the COVID-19 pandemic. In April 2020, we began a monitoring study in North-Eastern Spain to evaluate the presence of SARS-CoV-2 in companion animals (Study 1). In our study, which lasted until January 2022, we detected acute and/or past infections of SARS-CoV-2 and its variants in pet cats, dogs, and ferrets. The frequency of detection of active SARS-CoV-2 infection was low (0.3%) but detection of antibodies was relatively frequent in animals that had previous contact with infected owners (25% in cats, 10% in dogs, and 40% in ferrets). Additionally, we detected SARS-CoV-2 antibodies in stray cats, although with a significantly lower percentage (2.34%) compared to pet cats (7.65%). Moreover, this study demonstrated that companion animals were able to neutralize different SARS-CoV-2 variants, with cats exhibiting higher neutralizing antibody (nAbs) titers than the other species across almost all studied variants. On the other hand, we conducted SARS-CoV-2 surveillance studies (from 2020 to 2023) in both captive and free-ranging wildlife animals from Spain (Study 2), as well as in urban/peri-urban species, including rodents and wild boars, in Catalonia (Study 3). Our studies demonstrated no evidence of SARS-CoV-2 acute and/or past infections in these groups of animals, except for one bottlenose dolphin (Tursiops truncatus) in a zoological park. This dolphin exhibited antibodies against the nucleoprotein of SARS-CoV-2 by an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), and low titers of nAbs (38.2%) by a pseudoneutralization assay (pVNT). The emergence of SARS-CoV-2 variants during the pandemic also triggered concerns regarding their impact on animal populations. In this PhD Thesis, we investigated the susceptibility of domestic goats (Capra aegagrus hircus) to a SARS-CoV-2 variant with an expanded host range (B.1.351 variant) (Study 4). Goats, like other common livestock species, demonstrated limited susceptibility to SARS-CoV-2 experimental infection, supporting the notion that they played a negligible role in virus transmission so far. Finally, since this PhD Thesis used three different ELISA kits to study humoral responses against SARS-CoV-2 in animal species, we evaluated their correlation and compared them using the pVNT as a reference (Study 5). ELISA-1 (used in Studies 1, 3 and 4), which targets receptor binding domain (RBD) nAbs of SARS-CoV-2, had excellent diagnostic performance, and demonstrated to be a reliable tool for initial screenings for high-throughput animal studies. ELISA-2 (targeting RBD nAbs) and ELISA-3 (targeting nucleoprotein antibodies) were used in Study 2 and demonstrated lower sensitivity for detecting seropositive animals. Overall, our results indicated that animals did not significantly influence the epidemiology of the COVID-19 pandemic. However, we evidenced that regular human-animal interactions pose risks of SARS-CoV-2 exposure in animal species. This PhD Thesis aligns with the One Health concept, emphasizing the need of robust multidisciplinary collaboration, integrating expertise from diverse fields, to manage global health threats effectively.