Transcriptional approach to study porcine tracheal epithelial cells individually or dually infected with swine influenza virus and Streptococcus suis

Background: Swine influenza is a highly contagious viral infection in pigs affecting the respiratory tract that can have significant economic impacts. Streptococcus suis serotype 2 is one of the most important post-weaning bacterial pathogens in swine causing different infections, including pneumonia. Both pathogens are important contributors to the porcine respiratory disease complex. Outbreaks of swine influenza virus with a significant level of co-infections due to S. suis have lately been reported. In order to analyze, for the first time, the transcriptional host response of swine tracheal epithelial (NPTr) cells to H1N1 swine influenza virus (swH1N1) infection, S. suis serotype 2 infection and a dual infection, we carried out a comprehensive gene expression profiling using a microarray approach. Results: Gene clustering showed that the swH1N1 and swH1N1/S. suis infections modified the expression of genes in a similar manner. Additionally, infection of NPTr cells by S. suis alone resulted in fewer differentially expressed genes compared to mock-infected cells. However, some important genes coding for inflammatory mediators such as chemokines, interleukins, cell adhesion molecules, and eicosanoids were significantly upregulated in the presence of both pathogens compared to infection with each pathogen individually. This synergy may be the consequence, at least in part, of an increased bacterial adhesion/invasion of epithelial cells previously infected by swH1N1, as recently reported. Conclusion: Influenza virus would replicate in the respiratory epithelium and induce an inflammatory infiltrate comprised of mononuclear cells and neutrophils. In a co-infection situation, although these cells would be unable to phagocyte and kill S. suis, they are highly activated by this pathogen. S. suis is not considered a primary pulmonary pathogen, but an exacerbated production of proinflammatory mediators during a co-infection with influenza virus may be important in the pathogenesis and clinical outcome of S. suis-induced respiratory diseases.

Capsular sialic acid of Streptococcus suis serotype 2 binds to swine influenza virus and enhances bacterial interactions with virus-infected tracheal epithelial cells.

Streptococcus suis serotype 2 is an important swine bacterial pathogen, and it is also an emerging zoonotic agent. It is unknown how S. suis virulent strains, which are usually found in low quantities in pig tonsils, manage to cross the first host defense lines to initiate systemic disease. Influenza virus produces a contagious infection in pigs which is frequently complicated by bacterial coinfections, leading to significant economic impacts. In this study, the effect of a preceding swine influenza H1N1 virus (swH1N1) infection of swine tracheal epithelial cells (NTPr) on the ability of S. suis serotype 2 to adhere to, invade, and activate these cells was evaluated. Cells preinfected with swH1N1 showed bacterial adhesion and invasion levels that were increased more than 100-fold compared to those of normal cells. Inhibition studies confirmed that the capsular sialic acid moiety is responsible for the binding to virus-infected cell surfaces. Also, preincubation of S. suis with swH1N1 significantly increased bacterial adhesion to/invasion of epithelial cells, suggesting that S. suis also uses swH1N1 as a vehicle to invade epithelial cells when the two infections occur simultaneously. Influenza virus infection may facilitate the transient passage of S. suis at the respiratory tract to reach the bloodstream and cause bacteremia and septicemia. S. suis may also increase the local inflammation at the respiratory tract during influenza infection, as suggested by an exacerbated expression of proinflammatory mediators in coinfected cells. These results give new insight into the complex interactions between influenza virus and S. suis in a coinfection model.

Implications des canaux K+ sur la régulation génique du canal ENaC, et impact de l'hyperglycémie sur le transport ionique et la réparation de l'épithélium respiratoire

Dans mon projet de doctorat, j’ai étudié des fonctions primordiales de l’épithélium respiratoire telles que la régulation du transport ionique, la clairance liquidienne et la réparation épithéliale. J’ai particulièrement mis l’emphase sur le rôle des canaux potassiques qui interviennent dans ces trois fonctions de l’épithélium respiratoire. J’ai tout d’abord prouvé que la modulation des canaux potassiques régulait l’activité du promoteur de αENaC, en partie via la voie de signalisation ERK1/2, dans des cellules alvéolaires. Cette régulation entraîne une variation de l’expression génique et protéique du canal ENaC. Physiologiquement, il en résulte une augmentation du phénomène de clairance liquidienne suite à l’activation des canaux K+, tandis que l’inhibition de ces canaux la diminue sévèrement. J’ai aussi pu démontrer que l’absence de canal KvLQT1 entraînait une diminution du courant (ENaC) sensible à l’amiloride, dans les cellules de trachée en culture primaire, isolées de souris KO pour kcnq1. Dans la seconde partie de mon étude, j’ai évalué l’impact de l’hyperglycémie sur la capacité de transport ionique et de réparation de cellules épithéliales bronchiques saines ou Fibrose Kystique. Mes résultats montrent que l’hyperglycémie diminue le transport transépithélial de chlore et le transport basolatéral de potassium. Des études préalables du laboratoire ayant montré que les canaux K+ et Cl- contrôlent les processus de réparation, j’ai donc évalué si ceux-ci étaient modifiés par l’hyperglycémie. Et en effet, l’hyperglycémie ralentit la vitesse de réparation des cellules issues des voies aériennes (CFBE-wt et CFBE-ΔF508). J’ai donc démontré que le transport de potassium intervenait dans des fonctions clés de l’épithélium respiratoire, comme dans la régulation génique de canaux ioniques, le contrôle de la clairance liquidienne alvéolaire, et que l’hyperglycémie diminuait le transport ionique (K+ et Cl-) et la réparation épithéliale.

Création d'un modèle cellulaire des voies respiratoires du porc pour étudier les effets d'une co-infection virale au virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin et au circovirus porcin

Le circovirus porcin de type 2 (PCV2) est un pathogène majeur pour l’industrie porcine et est associé à une longue liste de maladies associées au circovirus porcin (MACVP). Les premières tentatives pour reproduire ces maladies ont montré que le virus doit être combiné à d’autres agents pathogènes du porc ou à différents stimulants du système immunitaire. De ces agents, le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (VSRRP) est celui qui est le plus souvent co-isolé avec le PCV dans les fermes. Une grande partie des efforts faits pour étudier les interactions entre ces deux virus ont été menés in vivo. Les interactions in vitro ont jusqu’à maintenant été peu étudiées du fait qu’il n’existe pas de modèle cellulaire permettant la réplication efficace des deux virus. L’objectif de ce projet était donc de développer un modèle cellulaire propice à la réplication des deux virus et d’étudier leur interaction en co-infection. Une lignée cellulaire provenant de la trachée d’un porcelet nouveau-né (NPTr), permissive au PCV, a été génétiquement modifiée pour exprimer la protéine CD163, un récepteur majeur du VSRRP. Ce projet a montré que cette nouvelle lignée cellulaire (NPTr-CD163) est permissive au VSRRP ainsi qu’à plusieurs génotypes de PCV (PCV1, PCV2a, PCV2b et PCV1/2a). De plus, les résultats obtenus lors d’infections mixtes suggèrent que la réplication du VSRRP et du PCV conditionne de façon génotype-dépendante celle du PCV puisque la réplication du PCV1 est inhibée en présence de VSRRP, alors que celle du PCV2b est significativement augmentée dans les mêmes conditions. Ni la mortalité cellulaire, ni la réponse cellulaire en cytokines n’a permis d’expliquer ces résultats. La modulation de la réplication du PCV par le VSRRP serait donc liée à un mécanisme spécifique qui demeure inconnu. De plus, cet effet varierait en fonction du génotype de PCV.

Isolation, culture et caractérisation phénotypique de cellules musculaires lisses endobronchiques équines.

Le muscle lisse endobronchique est l’un des acteurs principaux de l’asthme. La description de ces caractéristiques phénotypiques reste cependant très elliptique, notamment à cause de la difficulté inhérente à l’échantillonnage. Le cheval offre un large champ d’investigation en raison de sa taille et un modèle d’asthme pertinent en regard de la similitude entre asthme et souffle. La technique de culture et de caractérisation du muscle lisse a été mise au point à partir de muscle lisse trachéal. Ce modèle a ensuite été transposé et réalisé à partir de biopsies endobronchiques chez le cheval. Les cellules du muscle lisse ont été isolées, mises en culture puis caractérisées par immunofluorescence, cytométrie de flux et immunobuvardage. Le maintien du phénotype contractile en culture restant un défi dans l’établissement d’un modèle d’asthme réaliste. Suite à l’isolement des cellules musculaires lisses à partir de muscle lisse trachéal équin et leur mise en culture en présence de 10% de FBS pendant 7 passages, 96.4% des cellules expriment l’α-smooth muscle-actine (α-sm-actine), tandis que 83.8% et 77% expriment la desmine et la myosine respectivement. Les cellules musculaires lisses issues de biopsies endobronchiques expriment après 7 passages à 84% l’α-sm-actine, à 57% la desmine et 69% la myosine. Ces résultats ont été obtenus par immunofluorescence et immunobuvardage. Le pourcentage de cellules exprimant les protéines d’intérêt, tout comme l’intensité moyenne de fluorescence ne présentent pas de variation significative ni entre le 4ième et le 7ième passage, ni avec la caractérisation initiale, lors du premier passage. Cette étude suggère qu’il est possible de maintenir le phénotype contractile en culture sur plastique en présence de 10% de FBS, et que les biopsies endobronchiques sont un support d’étude valable pour de futures investigations concernant le rôle du muscle lisse et ses caractéristiques.