Role of CD34+ hematopoietic stem cells and mesenchymal stromal cells on avian influenza virus (H5N1) pathogenesis

Abstract

Avian influenza A H5N1 virus continues to cause a global threat to human health. Major complications of H5N1 infection are the systemic spread with uncontrolled replication and host cytokine responses leading to gross pathology-like sepsis. The clinical data suggests almost half of the fatal cases were associated with hyperactivation of cytokines which might be correlated with reactive hemophagocytosis. Moreover, the presence of abnormal hematologic findings such as lymphopenia, thrombocytopenia, and pancytopenia were diagnosed in severe cases. These increase interest in exploring bone marrow (BM) dissemination, which direct infection of BM cells remains elusive. The BM compartment contains two stem cell types, which are hematopoietic stem cells (HSCs) and mesenchymal stromal cells (MSCs) with possessing stem-like and immunomodulatory properties. Our investigation demonstrated that CD34+ HSCs and MSCs were susceptible to H5N1 infection. H5N1 virus could productively infect and induce cell deaths in both cell types. By contrast, these aspects were not found in human influenza virus infection. Reverse genetics analyses demonstrated that hemagglutinin played a role in the infection of MSCs. We also investigated host response following H5N1 infection of CD34+ HSCs and MSCs. We found that inflammatory cytokines were not induced in H5N1-infected cells. We next investigated whether infection affects the immunomodulatory function of MSCs. We noted a consequent dysregulation of MSCs-mediated immune modulation from high cytokine and chemokine production in H5N1-infected MSCs/Monocytes co-culture. These findings provide a better understanding of H5N1 pathogenesis in terms of host tropism and systemic spread.

เชื้อไวรัสไข้หวัดนก (H5N1) เป็นเชื้อที่มีความรุนแรงในการก่อโรค และ มีการระบาดอย่างต่อเนื่อง ในหลายทวีปทั่วโลก การติดเชื้อ H5N1 ในผู้ป่วยส่วนใหญ่จะเป็นแบบแพร่กระจาย เนื่องจากมีการตรวจพบ ปริมาณเชื้อที่สูงในอวัยวะต่าง ๆ รวมทั้งในกระแสเลือด จากผลการตรวจวิเคราะห์ทางโลหิตวิทยาทั้งในผู้ป่วยติด เชื้อที่มีอาการรุนแรง พบความผิดปกติของทั้งรูปร่างและจำนวนของเม็ดเลือด นอกจากนี้จากการศึกษาการเกิดพยาธิสภาพในไขกระดูกของผู้ป่วยที่เสียชีวิต พบแอนติเจนของไวรัสในเซลล์ต้นกำเนิดในไขกระดูก หลักฐานต่าง ๆ เหล่านี้ ทำให้เกิดสมมติฐานที่ว่า เชื้อ H5N1 อาจมีการแพร่กระจายเข้าไปสู่ไขกระดูก เนื่องจากไขกระดูกเป็นแหล่งสำคัญที่ประกอบไปด้วยเซลล์ต้นกำเนิดสำหรับสร้างเซลล์เม็ดเลือดและเนื้อเยื่อชนิดต่าง ๆ ดังนั้นการที่เซลล์ต้นกำเนิดถูกรุกรานโดยไวรัส อาจจะทำให้เกิดพยาธิสภาพที่รุนแรงในไขกระดูกได้ สมมติฐานดังกล่าวได้นาไปสู่ การศึกษาในหลอดทดลองโดยเริ่มต้นจากการแยกเซลล์ต้นกำเนิดซึ่งมี 2 ชนิด คือเซลล์ต้นกำเนิดเม็ดเลือด (Hematopoietic Stem Cells; HSCs) และ เซลล์ต้นกำเนิดที่ไม่ใช่เม็ดเลือด (Mesenchymal Stromal Cells; MSCs) ผลการทดลองเบื้องต้นพบว่า ไวรัสสามารถเข้าและเพิ่มจำนวนใน HSCs และ MSCs และยังสามารถทำ ลายเซลล์ทั้งสองชนิดนี้โดยเหนี่ยวนำ ให้เกิดการตายแบบ apoptosis ปัจจัยหนึ่งที่ทำ ให้เชื้อ H5N1 เข้าสู่เซลล์ได้ดีคือ Hemagglutinin ที่อยู่บนผิวของไวรัส นอกจากนี้ยังได้ศึกษาการตอบสนองของเซลล์หลังจากได้รับเชื้อเข้าไป โดย การทดสอบปริมาณการหลั่ง cytokine พบว่า HSCs และ MSCs ไม่สามารถผลิต cytokine ได้ แต่อย่างไรก็ตาม เซลล์ MSCs ซึ่งมีคุณสมบัติลดการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน สามารถหลั่งสาร cytokine และ chemokine ในปริมาณ สูงเมื่อเลี้ยงร่วมกันกับเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกัน (ในการศึกษานี้คือโมโนไซต์) ในสภาวะที่มีเชื้อ H5N1 จึงเป็นไปได้ ว่าเชื้อ H5N1 สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของการลดระบบคุ้มภูมิกันมาเป็นการทำ ให้เกิดปฏิกิริยาตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่รุนแรงมากขึ้น การศึกษานี้สามารถอธิบายการเกิดพยาธิสภาพของไวรัสไข้หวัดนกในไขกระดูก ที่อาจนำไปสู่สภาวะเม็ดเลือดต่ำ อย่างผิดปกติและการอักเสบจากการหลั่ง cytokines ได้