Study of the pathogenesis of highly pathogenic influenza A virus (H7N1) infection in chickens, with special focus in the central nervous system

Abstract

Los virus de influenza aviar de alta patogenicidad (IAAP) causan una enfermedad muy severa en pollos, los cuales frecuentemente inducen lesiones en el sistema nervioso central (SNC). Esta tesis recoge los resultados de tres estudios que se llevaron a cabo para determinar el mecanismo de patogénesis y neurotropismo, así como establecer la ruta de entrada al SNC para un virus H7N1 IAAP. En el primer estudio se estableció un modelo animal de infección en pollos libres de patógenos específicos, que consistía en la inoculación intranasal con el virus H7N1 IAAP. Para establecer este modelo, se utilizaron tres diferentes dosis del virus, obteniendo que las dosis más altas producen una enfermedad similar a la reportada para otros virus de IAAP. Además, se observó que las dosis más bajas causan infección demostrada porque con las dosis más bajas, el virus es hallado en muestras de tejido, muestras de heces y secreciones respiratorias. Adicionalmente, se pudo comprobar el alto neurotropismo del virus, ya que aún en pollos inoculados con bajas dosis el RNA viral es hallado en el CNS. La viremia fue detectada a un día post infección (dpi), sugiriendo que está podría ser la vía de diseminación al SNC. En el segundo estudio, se determinó la distribución topográfica del antígeno viral en el SNC durante las primeras horas post infección, lo cual permitió determinar que el virus se disemina de forma simétrica y bilateral en núcleos neurales del diencéfalo, mesencéfalo y rombencéfalo. La distribución del antígeno viral indica que el bulbo olfatorio y los nervios periféricos están involucrados en el proceso de invasión del SNC. El hallazgo de receptores aviares y humanos en las células endoteliales explica porque estas células son tan sensibles a la infección. El RNA viral fue hallado en el líquido cerebro espinal el primer dpi, lo que indica que el virus atraviesa la barrera hemato-encefálica (BHE). En el tercer estudio, la alteración de la BHE inducido por el virus H7N1 IAAP fue demostrado usando tres diferentes métodos que incluye la perfusión intracardial de Azul de Evans, la detección de la extravasación de la proteína del suero IgY, y evaluación del patrón de tinción con el marcador de las uniones fuertes de la BHE, ZO-1 y claudin-1. El antígeno viral fue observado a las 24 hpi en las células endoteliales, mientras que el daño de la BHE fue observado a las 36 hpi y 48 hpi. En resumen, se puede afirmar que el virus H7N1 IAAP se disemina por la vía hematógena durante las primeras horas pi, posiblemente favorecido por la presencia de receptores en las células endoteliales del sistema nervioso central, y poco después daña la BHE durante las primeras horas de infección como se demuestra por la presencia de extravasación del azul de Evans and IgY del suero.

Highly pathogenic avian influenza viruses (HPAIV) cause a very severe systemic disease in chickens, in which is also frequent to find central nervous system (CNS) lesions. In this thesis, three studies were undertaken in order to determine the mechanism of pathogenesis, the neurotropism and establish the route of entry into the CNS use for a H7N1 HPAI virus. In the first study, an animal model was set up that consisted of SPF chickens inoculated intranasally with the H7N1 HPAI virus. To do that, three different doses were used, obtaining that the highest dose induced a disease similar to the produce by other HPAI viruses, moreover, it was also observed that very low doses also cause infection demonstrated because viral RNA was found in tissues samples, faeces and respiratory secretions. Besides, the high neurotropism of this virus was demonstrated because still in chickens inoculated with low doses, viral RNA is found in the brain. Viremia was detected at one dpi, which indicated that the bloodstream is the pathway of viral spreading to the brain. In the second study, the topographical distribution study of the viral antigen during the first dpi was determined, which allow to determine that the virus disseminates showing a symmetrical and bilateral pattern in the diencephalon, mesencephalon and rhombencephalon, whereas in the telencephalon and cerebellum it was multifocal and random. Viral antigen distribution indicates that the olfactory bulb (OB) and peripheral nerves are not involved in the process of virus invasion into the brain. Avian and human influenza receptors were found in endothelial cells which explain why these cells are so sensitive to the infection. Viral RNA was found in cerebrospinal fluid (CSF) at one dpi, indicating that the virus was able to cross blood brain barrier (BBB). In the third study, the disruption of the BBB induce by the H7N1 HPAI was demonstrated using three different methods that include the intracardial perfusion of the tracer Evans blue (EB), detection of the extravasation serum IgY, and evaluation of the pattern of staining of the tight junction proteins ZO-1 and claudin-1. Viral antigen can be observed as early as 24 hpi in the endothelial cells, whereas disruption was detected at 36 and 48 hpi. In summary, it can be asserted that this H7N1 HPAIV disseminates via the haematogenous route early during the infection, favored by the presence of abundant receptors on the CNS endothelial cells, and soon after it disrupts the BBB during the first hours of infection as demonstrated by the presence of EB and serum IgY extravasation.