Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Abstract

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.

Streptococcus suis serotype 2 is an important swine pathogen responsible for diverse infections, meningitis being its most striking feature. In addition, it is an emerging agent of zoonosis, which has gained worldwide attention due to important outbreaks in Asia. Understanding the pathogenesis of S. suis infections still represents a challenge. Up to present, the pro-inflammatory response due to S. suis has only been studied in vitro, and there is still a great need of appropriate experimental models for both septic shock and meningitis. In the present study, we successfully developed an in vivo model of S. suis infection in adult mice infected by the intraperitoneal route. This model served to investigate the pro-inflammatory events that take place at both the systemic and Central Nervous System (CNS) levels associated with this important pathogen. In addition, this model was useful to determine if susceptibility to S. suis infection may be influenced by the genetic background of the host. The mouse model of S. suis infection was standardized in CD1 mice. Results showed sustained bacteremia during the 3 days post-infection (p.i.), accompanied by a quick and substantial release of different pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) and chemokines (KC, MCP-1 and RANTES) that lead to septic shock and 20% mortality in mice. Once the hallmark of the septic phase of S. suis infection was established in CD1 mice, research continued with the objective to confirm the role of inflammation in mortality and to determine if the genetic background of the host may influence the inflammatory response toward this pathogen and the further outcome of the disease. For this, the mouse model of S. suis infection was used with two genetically different inbred mouse strains, this is, C57BL/6 (B6) and A/J mice, which are considered as the prototype of Th1-type and Th2-type mice, respectively. Results demonstrated a striking susceptibility to S. suis infection in A/J mice in comparison to B6 mice, with 100% mortality in the former mice strain at 20 h p.i., and 16 % mortality at 36 h p.i. for the latter. Very interestingly, and similarly to CD1 mice, bacteremia did not seem to be responsible for the death of mice, as both mice strains presented similar amounts of bacteria in blood and organs. Thus, it was postulated that the higher mortality in S. suis-infected A/J mice was due to uncontrolled septic shock. In fact, A/J mice presented very high levels of TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN-ɣ, that significantly exceeded those found in B6 mice. Remarkably, chemokine levels were similar between strains, suggesting their limited participation in the development of septic shock by S. suis. A greater survival of B6 mice was partially related to a better regulation of the pro-inflammatory cytokine cascade, as they showed a higher production of the anti-inflammatory cytokine IL-10 than A/J mice. The potential beneficial role of the IL-10 in mice infected with S. suis was confirmed using two approaches: the first, by blockage of the cell receptor of IL-10 (IL-10R) with an anti-mouse IL-10R monoclonal antibody (Mab) in B6 mice and the second by administrating recombinant mouse (rm)IL-10 (rmIL-10) to A/J mice. B6 mice that received the IL-10R MAb treatment before challenge with S. suis developed a clinical acute disease similar to that observed with A/J mice, with a striking and rapid increase in mortality and higher levels of TNF-α in comparison to those of infected mice that did not receive the treatment. Controversially, treatment with rmIL-10 significantly delayed the onset of septic shock in A/J mice infected with S. suis. These results show that survival from S. suis septic shock requires a tight regulation of pro- and anti-inflammatory mechanisms, and that the latter should be activated at the same time or soon after the onset of the pro-inflammatory response. This part of the study may represent a first step in the identification of host genes associated with resistance against S. suis. One of the most important achievements of the mouse model of infection described in this project is the development of distinct clinical signs of neurological disease in CD1 mice from 4 days p.i. Indeed, in CD1 mice that survived sepsis due to S. suis infection, clinical signs of neurological disease and vestibular syndrome, which are quite similar to those observed in clinical cases of S. suis meningitis in both pigs and humans, were observed. Studies of the brains of infected CD1 mice using in situ hybridization combined with immunocytochemistry, demonstrated that the CNS inflammatory response began with a significant increase in the transcription of Toll-like receptor (TLR)2 and CD14 initially in the brain microvasculature and choroid plexuses, suggesting that S. suis may use these structures as portals of entry to the brain. There also was activation of NF-κB (as indicated by transcriptional activation of IκBα as a reporter system) and TNF-α, IL-1β and MCP-1, mainly in cells identified as microglia and to a lesser extent in astrocytes. These signals reached different brain structures, mainly the brain cortex, corpus callosum, hippocampus, choroid plexuses, thalamus, hypothalamus and meninges. All of these pro-inflammatory events were associated with extensive areas of inflammation and necrosis, severe demyelination and presence of antigens of S. suis inside microglia. In vitro studies were conducted in order to better understand the interactions of S. suis and microglia. For this, mouse microglia were infected with a virulent wild type (WT) strain of S. suis. Two isogenic mutants deficient in capsule (CPS) or hemolysin production (suilysin, SLY) respectively, were also included for comparative purposes. The CPS was important for S. suis resistance to phagocytosis, and it also modulated the inflammatory response by hiding pro-inflammatory components from the bacterial cell wall. On the other hand, the absence of SLY, a potential cytotoxic factor, did not have a major impact on S. suis interactions with microglia. Studies with microglia helped to confirm previous findings in vivo in mice, as the WT S. suis strain induced the up-regulation of TLR2 and the production of several pro-inflammatory mediators, including TNF-α and MCP-1. As observed in mice, S. suis induced NF-kB translocation, which was more rapid for cells stimulated with the CPS-deficient mutant, suggesting that bacterial cell wall components are potent inducers of NF-kB. Moreover, WT S. suis promoted phosphotyrosine, PKC and different mitogen-activated protein kinase (MAPK) events. However, microglia infected with the CPS-deficient mutant showed overall stronger and more sustained phosphorylation profiles. Finally, the CPS also modulated S. suis-induced inducible nitrogen oxide synthase (iNOS) expression and further nitric oxide production in microglia, which could be related to neurotoxicity and vasodilatation in vivo.

We are confident that our results may help to more fully understand the mechanisms underlying S. suis induction of inflammation, leading to the design of more efficient anti-inflammatory strategies for sepsis and meningitis. Finally, we believe this experimental model of infection in mice could also be useful for studying the pathogenesis of infections of the CNS, due to other bacteria.