Avian influenza virus infection in human innate immune cells

Abstract

Influenza A viruses are one of the most significant pathogens to humans. These viruses cause recurrent epidemics and occasional devastating pandemics. Avian influenza viruses (AIVs) circulate constantly among birds and some of these viruses are able to infect humans. Most human cases have been caused by H7N9, H5N1, H7N7 and H9N2 subtypes of influenza A viruses. H9N2 virus infections have been generally mild in humans. H5N1 and H7N9 viruses have caused a severe acute respiratory distress syndrome (ARDS) in several patients, and among humans, mortality rates are around 50% and 40%, respectively. AIVs pose a major pandemic threat, because practically all humans lack pre-existing immunity against these viruses. Innate immune responses are the first barrier against AIV infections prior to adaptive immunity is being activated. In the present study, innate immune responses have been characterized in human primary innate immune cells induced by avian influenza viruses. H5N2, H7N3, H7N9 and H9N2 low pathogenic AIV strains were used, which had been isolated either from birds or humans and highly pathogenic AIV (H5N1) strains of human origin. Macrophages and dendritic cells are the central cells of innate immunity. The present study shows that avian isolates of H5N2, H7N3 and H9N2 viruses are able to infect and replicate in human dendritic cells. Also, human isolates of H5N1, H7N9 and H9N2 viruses infected and replicated in dendritic cells, but in their ability to spread in human immune cells there was remarkable difference between different virus subtypes. It was evident, that the H5N1 viruses were able to spread extremely efficiently and eventually infected the whole cell culture starting from very low virus dose. H5N1 virus infection was productive in human monocyte-derived macrophages and dendritic cells, indicating that the infection produced new infective virus particles. Seasonal influenza H3N2 virus and H7N9 AIV infections seemed to be productive only in macrophages but not in dendritic cells. It was also noted that H5N1 virus particles were more often propagation competent than H3N2 or H7N9 viruses. In addition, innate immune responses induced by the different influenza virus strains were investigated. The data shows that low pathogenic H5N2, H7N3 and H9N2 AIVs induced interferon and pro-inflammatory cytokine responses and antiviral protein expression in a similar fashion as the seasonal influenza H3N2 virus. Surprisingly, interferon and pro-inflammatory cytokine responses were impaired in the H7N9 virus infection. In contrast to the H7N9 virus-induced deficient responses, H5N1 virus triggered very strong cytokine responses, which is known as a "cytokine storm". In conclusion, the results of these studies show that currently circulating avian influenza viruses are able to infect human cells. The results also indicate that H5N1 and H7N9 viruses interfere with human innate immune signaling but by totally different mechanisms.

Influenssa A -virukset ovat yksi merkittävimmistä ihmisen patogeeneistä. Nämä virukset aiheuttavat säännöllisesti epidemioita ja satunnaisesti tuhoisia pandemioita. Lintuinfluenssavirukset (AIV) kiertävät jatkuvasti linnuissa ja voivat myös infektoida ihmisen. Suurimman osan ihmisinfektioista ovat aiheuttaneet H7N9-, H5N1-, H7N7- ja H9N2–alatyyppien virukset. H9N2-viruksen aiheuttamat infektiot ovat ihmisillä yleensä lieviä. H5N1 ja H7N9 -virukset ovat aiheuttaneet useissa potilaissa äkillistä hengitysvaikeusoireyhtymää ja ihmisissä kuolleisuus on 40-50%. Nämä virukset muodostavat pandemiauhan, koska ihmisiltä puuttuu suojaava immuniteetti niitä vastaan. Luonnollisen immuniteetin vasteet ovat ensimmäinen este virusinfektiota vastaan ennen kuin opittu immuniteetti aktivoituu. Tässä tutkimuksessa karakterisoitiin lintuinfluenssan laukaisemia luontaisen immuniteetin vasteita ihmisen primäärisissä luontaisen immuniteetin soluissa. Tutkimuksissa käytettiin linnuista ja ihmisistä eristettyjä H5N2, H7N3, H7N9 ja H9N2 matalapatogeenisiä lintuinfluenssakantoja sekä ihmisestä eristettyä H5N1 korkeapatogeenistä lintuinfluenssavirusta. Makrofagit ja dendriittisolut ovat keskeisiä luontaisen immuniteetin soluja. Tässä tutkimuksessa osoitetaan, että linnuista eristetyt H5N2-, H7N3- ja H9N2-virukset voivat infektoida ja replikoitua ihmisen dendriittisoluissa. Myös ihmisestä eristetyt H5N1-, H7N9- ja H9N2-virukset infektoivat ja replikoituivat dendriittisoluissa ja makrofageissa, mutta leviämiskyvyssä oli huomattavia eroja eri alatyyppien välillä. Havaittiin, että H5N1-virus pystyi leviämään erittäin tehokkaasti ja lopulta infektoimaan koko soluviljelmän, vaikka virusannos olisi aluksi erittäin pieni. H5N1–virusinfektio oli produktiivinen, ts. infektio johti uusien infektiivisten viruspartikkeleiden syntyyn ihmisen monosyyttiperäisissä dendriittisoluissa ja makrofageissa. H3N2-kausi-influenssa- ja H7N9-lintuinfluenssainfektiot vaikuttivat olevan produktiivisia makrofageissa, mutta eivät dendriittisoluissa. Havaittiin myös, että H5N1-viruspartikkelit olivat useammin lisääntymiskykyisiä kuin H3N2- tai H7N9-viruspartikkelit. Lisäksi tutkimme luontaisen immuniteetin vasteita. Huomattiin, että matalapatogeenisten H5N2-, H7N3- ja H9N2-virusten laukaisema interferonivaste ja proinflammatoristen sytokiinien vasteet ja antiviraalisten proteiinien ilmentyminen oli samankaltaista kuin H3N2-kausi-influenssainfektiossa. Yllättäen havaittiin, että interferonien ja proinflammatoristen sytokiinien ilmentyminen oli puutteellista H7N9-virusinfektiossa. Vastakohtana H7N9-viruksen laukaisemille häiriintyneille vasteille, H5N1-virus indusoi erittäin korkeat sytokiinivasteet, mikä tunnetaan termillä "sytokiinimyrsky". Yhteenvetona tulokset osoittavat, että nykyisin kiertävät lintuinfluenssakannat voivat infektoida ihmisperäisiä primaarisoluja ja todennäkäisesti myös ihmisiä. Tulokset myös osoittavat, että H5N1- ja H7N9-virukset häiritsevät ihmisen luontaisen immuniteetin signalointia, mutta täysin eri mekanismeilla.