Spread of Langat virus in the central nervous system in mice

Abstract

Das durch Zecken übertragene TBEV (engl.: tick-borne encephalitis virus = TBEV) ist ein neu-rotropes Flavivirus. Dieses sich ausbreitende Virus zeigt über die letzten Jahrzehnte einen An-stieg der Morbidität in Europa und eine Ausweitung der Risikogebiete [1–4]. Zwar gibt es wirk-same Impfstoffe zur Prävention, aber beim Auftreten der Erkrankung ist nur eine symptoma-tische Therapie möglich. Ausprägungen wie Meningitis und Enzephalitis bis hin zu neurologi-schen Folgeerscheinungen oder sogar tödliche Verläufe sind charakteristisch für diese schwere Erkrankung des zentralen Nervensystems [4, 3]. Allerdings ist bisher nicht bekannt, auf welchem Weg das Virus in das Gehirn eindringt. In dieser Arbeit wurde das Langat Virus (LGTV) als Modell verwendet, um die Neuroinvasion und Neurovirulenz in Abhängigkeit der Typ I Interferon (IFN) Antwort in asymptomatischen Wildtyp C57BL/6 (WT) und hoch suszep-tiblen Interferon-α Rezeptor defizienten (Ifnar-/-) Mäusen zu untersuchen. Die Ausbreitung des Virus während des Infektionsverlaufs wurde in verschiedenen Hirnregionen untersucht und infizierte Zelltypen wurden identifiziert. Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) und die Blut-Liquor-Schranke (BLS) wurden als mögliche Eintrittswege für LGTV ins Gehirn untersucht. Schließlich wurde der Einfluss der viralen Infektion auf die Expression der tight junction (engl. für „enge Verbindung“) Proteine analysiert. Der Bulbus olfactorius (engl.: olfactory bulb = OB) war die Gehirnregion, unabhängig von der Typ I IFN Antwort, in der LGTV am frühesten repliziert. Das macht den OB zum wahrscheinlichsten Kandidaten für den Eintrittsort von LGTV in das zent-rale Nervensystem. Eine beeinträchtigte IFN Signalübertragung führte zu einer Verschiebung der Ausbreitung des Virus in Richtung einer heftigen Infektion des Plexus choroideus (engl.: choroid plexus = CP), in dem zuvor keine virale RNA bei WT Mäusen nachgewiesen werden konnte. Dies weist auf eine wichtige Rolle der Typ I IFN Antwort im CP hin, um die LGTV Infek-tion im Gehirn zu kontrollieren. Außerdem war eine starke Infektion von Iba-1+ Zellen in OB, CP und den Hirnhäuten von Ifnar-/- Mäusen zu beobachten, was darauf hinweist, dass die Typ I IFN Signalübertragung in diesen Zellen eine essentielle Rolle bei der Abwehr gegen LGTV im Gehirn spielt. Eine direkte Infektion der BHS, BLS und der Hirnhäute konnte während den spä-teren Zeitpunkten der Infektion nachgewiesen werden. Während der frühen Zeitpunkte, wenn sich LGTV bereits im OB befindet, war das Niveau der RNA Expression von den tight Junction Proteinen Claudin-5 und Zonula occludens-1 Protein in WT Mäusen relativ stabil. In Ifnar-/- Mäusen hingegen waren diese sowohl in nicht infizierten als auch infizierten Tieren negativ beeinflusst. Das weist darauf hin, dass LGTV keine gestörte Funktion der Barrieren benötigt um in das Gehirn zu gelangen, auch wenn die beeinträchtigte Expression der tight junction Proteine in Ifnar-/- Mäusen vermutlich zur verstärkten und veränderten Neurovirulenz von LGTV beiträgt.

Tick-borne encephalitis virus (TBEV) is a neurotropic arthropod borne flavivirus that is trans-mitted by ticks. TBEV is an emerging virus and the risk areas expanded over the past decades together with an increase in morbidity in Europe [1–4]. Although several protective vaccines provide an effective prevention, there is only symptomatic therapy available in the case of an onset of TBE. Manifestations from meningitis via encephalitis through to neurological long-term sequelae or death are characteristic for this severe disease of the central nervous system (CNS) [3, 4]. However, it is not known how the virus infiltrates the brain. In this work, the Langat virus (LGTV) has been used as a surrogate model to study the neuroin-vasion and neurovirulence depending on the type I interferon (IFN) response in asymptomatic wild-type C57BL/6 (WT) and highly susceptible Interferon-α receptor deficient (Ifnar-/-) mice. The viral distribution across several brain regions was examined during the course of infection and infected cell types were identified. The blood-brain-barrier (BBB) and the blood-cerebro-spinal fluid-barrier (BCSFB) together with the cerebrospinal fluid (CSF) and the meninges were examined as possible entry routes for LGTV. Finally, the influence of the viral infection on the tight junction protein expression was analyzed. The olfactory bulb was confirmed as the brain region with the earliest onset of LGTV replica-tion independent of the type I IFN response, identifying it as the most probable entry site for LGTV into the CNS. An impaired IFN signaling caused a shift in the viral distribution pattern towards a heavy infection of the choroid plexus (CP) in which viral RNA was not detectable for WT mice. As a conclusion, this hints at a critical role for the type I IFN response in the CP for controlling LGTV infection in the CNS. Additionally, Iba-1+ cells were strongly infected in OB, CP and meninges of Ifnar-/- mice, indicating that the regular type I IFN signaling in those cells is crucial to control the LGTV infection in the brain. A direct infection of the BBB, BCSFB and the meninges could be detected at the later stages of the infection. During the early time points, when LGTV RNA was already detectable in the OB, the RNA expression levels of the tight junction proteins claudin-5 (CLDN-5) and zonula occludens-1 protein (ZO-1) were mostly stable in the WT mice. In Ifnar-/- mice however, the RNA expression levels were significantly negatively influenced in the steady state as well as during the infection with LGTV. This indi-cates that LGTV does not need a disturbed barrier function to enter the brain, although im-paired tight junction protein expression in Ifnar-/- mice can promote the neurovirulence of LGTV.