Transmission and pathogenesis of hepatitis E virus infection in European wild boar and domestic pigs, and the establishment of a small animal model for hepatitis E
Hepatitis E virus (HEV) is the causative agent of acute hepatitis E in humans, which occurs mostly in developing countries, but sporadic and autochthonous cases do also occur in industrialized countries. To date, four major mammalian genotypes (HEVgt1 to gt4) have been identified. While HEVgt1 and gt2 are exclusively found in humans, HEVgt3 and gt4 are zoonotic. Sources are mainly contaminated raw or undercooked meat derived from domestic pigs and wild boar, representing the main HEV reservoir hosts. Cross-species infections with HEVgt3 were demonstrated experimentally. However, not all sources of human infections were identified thus far and in many cases, the origin of HEV infection remains unknown. Understanding HEV interspecies and intraspecies transmission is needed to implement efficient prevention and control measures. In Europe, foodborne zoonotic transmission of HEVgt3 is primarily associated with domestic pigs, but the wild boar is also discussed as one of the main source of human autochthonous infections. However, little is known about the course of HEVgt3 infection in European wild boar and their role in HEV transmission to domestic pigs, and other species. Therefore, one objective of this thesis was to provide insights into the HEV pathogenesis in European wild boar and to characterize the transmissibility of wild boar-derived HEVgt3 infection to domestic pigs. Furthermore, the following questions were also addressed: The cellular and humoral immune responses following a HEVgt3 infection were determined. It was assessed, whether a dexamethasone treatment, which causes potent immunosuppressive effects, affects the course of HEV infection in experimentally infected swine. To obtain an initial impression of the potential existence of porcine chronic hepatitis E, the course of HEV infection in naturally infected European wild boar was investigated up to six months. The infectivity of naturally acquired persistent HEV infection in wild boar was assessed in domestic pigs. Suitable small animal models for porcine HEV infection were investigated. In this study, the clinical course of porcine HEV infection was examined based on changes in liver enzyme levels. Different patterns within the course of HEV infection were observed in experimentally infected pigs, as animals with early anti-HEV seroconversion were able to clear the virus, while animals lacking antibody responses showed prolonged HEV replication. In experimentally infected pigs, liver histopathology was characterized by mild to moderate inflammatory infiltrates, predominantly consisting of CD3 positive cells, with variable degree of hepatocellular degeneration. Furthermore, studies showed that Kupffer cells, liver sinusoidal endothelial cells and extra-hepatic lymphatic cells are important cell populations possibly involved in HEV pathogenesis. Following up on this, their role as potential virus replication sites cannot be excluded. Our results indicate that experimental HEV infection enhances cellular immune responses in swine, surprisingly largely unaffected by a dexamethasone induced immunosuppression. An increase of CD8+CD4- and CD4+CD8+ T cells, and activated γδ T cell subsets was shown in PMBCs of intravenously HEV infected wild boar. Anyhow, in PMBCs of domestic pigs dominated a CD4+CD8- T cell response. Moreover, marked increase in the percentages of γδ T cells were observed in the liver of HEV infected wild and domestic swine. Interestingly, the results indicate persistent HEV infection also in naturally infected wild boar despite the presence of anti-HEV antibodies. Furthermore, the present study showed that European rabbits seem to be a promising small animal model for wild boar-derived HEVgt3, whereas viral replication in Wistar rats was less effective. The protective ability of a HEV vaccine candidate in HEVgt3 inoculated rabbits was shown. Different tested mouse lines were not susceptible to wild boar-derived HEVgt3, and resistance to HEVgt3 could be assumed. Taken together, the present study underlines the importance of European wild boar (Sus scrofa scrofa) as HEV reservoir hosts and their relevance in the transmission of HEVgt3 to domestic pigs (S. scrofa domestica), European rabbits (Oryctolagus cuniculus) and rats of the species Rattus norvegicus. Since large amounts of virus particles are excreted in feces of wild boar, droppings can contaminate the environment and pose a particular risk to susceptible species. The rabbit model for wild boar-derived HEVgt3 infection may serve as a suitable alternative to the non-human primate and swine models, and as an appropriate basis for the development and evaluation of novel vaccines. With respect to HEV perpetuation in its reservoirs and possible public health risk, especially regarding swine as a main source of human autochthonous infection, this study contributes to understand the dynamics and biology of this zoonotic disease.
Das Hepatitis E Virus (HEV) verursacht vor allem in Entwicklungsländern eine akute Hepatitis E im Menschen. Sporadische und autochthone Fälle einer HEV-Infektion treten auch in industrialisierten Ländern auf. Bisher sind vier bedeutende Genotypen (HEVgt1 bis gt4) im Säugetier bekannt. HEVgt1 und gt2 werden nur im Menschen gefunden, während HEVgt3 und gt4 zoonotische Erreger sind. Ansteckungsquellen sind hauptsächlich kontaminiertes rohes oder unzureichend gegartes Fleisch von Haus- und Wildschweinen, welche die wichtigsten HEV-Reservoirwirte darstellen. In Europa ist die Übertragung des HEVgt3 über Lebensmittel vor allem mit Hausschweinen assoziiert, wobei auch das Wildschwein als eine der bedeutendsten Quellen humaner autochthoner Infektionen diskutiert wird. Allerdings ist wenig über den Verlauf einer HEV-Infektion im Wildschwein und die Bedeutung des Wildschweines als Überträger des HEV auf das Hausschwein, sowie weitere Spezies bekannt. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die HEVgt3-Infektion im Wildschwein und deren Übertragbarkeit auf das Hausschwein näher zu charakterisieren. Weiterhin sollten die zellulären und humoralen Immunantworten in Folge einer Infektion mit dem HEVgt3 bestimmt werden. Zusätzlich sollte beurteilt werden, ob eine durch Dexamethason induzierte Immunsuppression Auswirkungen auf den Verlauf einer experimentellen HEV-Infektion im Schwein hat. Um einen ersten Eindruck über die mögliche Existenz einer chronischen HEV-Infektion im Schwein zu erlangen, wurden natürlich HEV-infizierte Wildschweine über sechs Monate untersucht. Die Übertragbarkeit einer natürlich erworbenen persistenten HEV-Infektion im Wildschwein wurde außerdem im Hausschwein überprüft. Darüber hinaus sollte ein geeignetes Kleintiermodell für die porzine HEV-Infektion etabliert werden. Anhand veränderter Leberenzymwerte konnte ein klinischer Verlauf der HEV-Infektion im Wildschwein nachgewiesen werden. Dies gelang ebenfalls nach experimenteller Übertragung einer HEVgt3-Infektion vom Wildschwein auf das Hausschwein. Außerdem zeigten sich verschiedene Verlaufsformen der HEV-Infektion in experimentell infizierten Schweinen: Tiere mit einer frühen Antikörperantwort gegen das HEV waren in der Lage die Infektion zu überstehen, wobei eine fehlende Serokonversion dazu führte, dass diese Tiere eine längere Virusreplikation zeigten. Histopathologisch konnten in den Lebergeweben der experimentell infizierten Schweine milde bis moderate Entzündungsinfiltrate, welche vor allem aus CD3 positiven Zellen bestanden, und variable hepatozelluläre Degenerationen nachgewiesen werden. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass Kupffer Zellen, Leber-sinusoidale-Endothelzellen und extrahepatische Zellen des Lymphsystems als wichtige Zellpopulationen an der Pathogenese der porzinen HEV-Infektion beteiligt sein können. Eine Bedeutung dieser Zellpopulationen als Orte der Virusreplikation kann ebenfalls nicht ausgeschlossen werden. Weiterhin weisen die Untersuchungen darauf hin, dass eine experimentelle HEV-Infektion im Schwein die zelluläre Immunantwort steigert. Dies konnte ebenfalls in den durch eine Dexamethasonbehandlung immunsupprimierten Schweinen nachgewiesen werden. Ein Anstieg der CD8+CD4- und CD4+CD8+ T-Zellen, sowie aktivierter γδ T-Zellen konnte in den mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PMBCs) der intravenös infizierten Wildschweine gezeigt werden. In den PMBCs der Hausschweine dominierte eine Antwort der CD4+CD8- T-Zellen. Weiterhin konnte ein deutlicher prozentualer Anstieg der γδ T-Zellen im Lebergewebe der HEV-infizierten Haus- und Wildschweine nachgewiesen werden. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass in natürlich infizierten Wildschweinen persistierende HEV-Infektionen auftreten können, obwohl Antikörper gegen das HEV vorhanden sind. Diese Studie ergab außerdem, dass das Hauskaninchen ein vielversprechendes Kleintiermodell für die vom Wildschwein stammende HEVgt3-Infektion darstellt. Im Gegensatz dazu war die Virusreplikation in Wistar-Ratten ineffizient. Außerdem gelang exemplarisch der Nachweis, dass eine potentielle HEV-Vakzine protektive Wirkung in HEVgt3-inokulierten Hauskaninchen entfalten kann. Verschiedene getestete Mauslinien waren nicht empfänglich für eine vom Wildschwein stammende HEVgt3-Infektion. Die vorliegende Arbeit zeigt damit erstmalig, dass HEVgt3-infizierte Wildschweine (Sus scrofa scrofa) als Überträger des Erregers auf Hausschweine (S. scrofa domestica), Hauskaninchen (Oryctolagus cuniculus) und Ratten der Spezies Rattus norvegicus in Frage kommen. Aufgrund der möglichen Ausscheidung großer Mengen viraler Partikel über den Kot, stellt das Wildschwein ein bedeutendes natürliches Reservoir für das HEV und somit auch ein Ansteckungsrisiko für andere empfängliche Spezies dar. Als Alternative für HEV-Infektionsmodelle in Primaten und Schweinen könnte ebenfalls das Hauskaninchen-Modell für eine vom Wildschwein stammende HEVgt3-Infektion in Frage kommen, und zukünftig als geeignete Basis für die Entwicklung und Evaluierung von Vakzinen dienen. Hinsichtlich des Fortbestehens der HEV-Infektionen in seinen Wirten und den damit verbundenen Risiken für die öffentliche Gesundheit, insbesondere bezüglich des Schweines als Hauptquelle autochthoner Infektionen, trägt diese Studie dazu bei, die Dynamiken und Biologie dieses zoonotischen Erregers besser zu verstehen.
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