Neuropatia enterica in un modello murino di infezione del sistema nervoso enterico con Herpes simplex virus di tipo 1

Herpes simplex virus type 1 infection of murine enteric nervous system leads to gut neuropathy. The functional gastrointestinal disorders (FGIDs) are a heterogeneous group of chronic conditions characterized by disabling symptoms and decreased patients’ quality of life (Corazziari et al., 2004; Talley et al., 2008). Among these diseases, the Irritable Bowel Syndrome (IBS) is the most relevant for the severe prognosis and the high social and economic burden (Drossman, 2006; Fichna and Storr, 2012; Quigley et al., 2012). In clinical practice, IBS is characterized by visceral hypersensitivity and altered bowel function (Larauche et al., 2012). Since the etiology is still poorly understood and no curative treatments are available, nowadays therapy for IBS is palliative and supportive but is notoriously unsatisfactory (Halland and Talley, 2012). Although the underlying pathophysiology of FGIDs is still undefined, there are several evidences suggesting that functional or anatomical alterations of the enteric nervous system (ENS) disrupt gastrointestinal homeostasis determining FGIDs (De Giorgio and Camilleri, 2004; Furness, 2012). Infectious agents, such as neurotropic viruses, have been proposed to infect and disrupt ENS integrity either directly or indirectly eliciting harmful inflammatory responses by the innate and adaptive immune system (Chen et al., 2003; Facco et al., 2008; Selgrad et al., 2009). Among common pathogens the Herpes simplex virus type 1 (HSV-1), shows several interesting features as candidate pathogen involved in FGIDs, being highly prevalent in human populations (Knipe and Cliffe, 2008) and able to infect ENS neurons (Gesser and Koo, 1996; Brun et al., 2010). Our research group has recently established a novel animal model in rodents where a persistent HSV-1 infection in ENS leads to intestinal motor abnormalities with no macroscopic histological damage or clinical signs of disease (Brun et al., 2010). The aim of my Ph.D. research project was to study the mechanisms responsible of the altered intestinal function secondary to HSV-1 infection of mice ENS. At 1-10 weeks after viral administration the presence of HSV-1 infection in the ENS determined time-dependent alterations of enteric neural network architecture, shown by an altered distribution and/or expression of specific neural proteins, such as HuC/D, peripherin e βIII-tubulin, and glial proteins, such as S100β and glial fibrillary acidic protein (GFAP; Qesari et al., 2011). These structural modifications in myenteric plexus were linked to changes in the equilibrium between excitatory and inhibitory neurotransmission, revealed by an increased expression of both enzymes, nitric oxide synthase (nNOS), acetylcholinetransferase (ChAT) and by a modified distribution of the vasoactive intestinal polypeptide (VIP), substance P (SP) and acetylcholinesterase (AChE). The presence of an unbalanced inhibitory/excitatory activity was further confirmed by experiments on tissue cultures from longitudinal muscle with myenteric plexus (LMMP) and on gut contractility of ileum segments, mounted vertically in organ baths. Depolarization-evoked release of [3H]acetylcholine was significantly reduced for most of viral infection time course and in the same time neurally-mediated cholinergic responses to electric field stimulation were significantly reduced in the early and late phases of infection. All these data suggest that HSV-1 infection induces structural alterations and changes in neural excitatory activity and/or neurotransmitters release, all signs of an underlying enteric neuropathy (Qesari et al., 2011). To study the role of innate immunity and of viral replication in the onset of HSV-1 infection-induced gut neurodysfunction, mice deficient for Toll-like receptor 2 (TLR2 KO) and ICP27-null HSV-1 (ICP27 KO), a mutant virus unable to replicate (Uprichard and Knipe, 1996), have subsequently been used. ICP27 KO administration induced anomalies in the ENS only in the early phases of infection to indicate an involvement of viral replication in the onset of enteric neuropathy only in the latest times of infection (Qesari et al., 2012). Recent studies have shown that an interaction between TLR2 and HSV-1 can trigger excessive signaling TLR2-dependent, leading to an excessive inflammation and tissue damage (Soberman et al., 2012). HSV-1 infection in the ENS of TLR2 KO mice induced only a reduction in nNOS positive neurons with no effects on myenteric plexus anatomy and intestinal contractile function. In conclusion, this study demonstrated that HSV-1 infection of mice ENS triggers TLR2-mediated immune responses which are consequently responsible of myenteric plexus structural abnormaities and changes in ileal contractile function. My results also highlight TLR2 as an attractive therapeutic target for an effective modulation of pathogenic immune responses and possibly for the treatment of viral-associated neuropathies.

I disordini funzionali gastrointestinali (DFGI) comprendono un gruppo eterogeneo di malattie croniche i cui sintomi possono essere invalidanti e compromettere la qualità della vita dei pazienti che ne sono affetti (Corazziari et al., 2004; Talley et al., 2008). Tra queste, la sindrome dell'intestino irritabile (Irritable Bowel Syndrome, IBS) è considerata la più rilevante per la gravità della prognosi ed il forte impatto economico-sociale nella popolazione mondiale (Drossman, 2006; Fichna and Storr, 2012; Quigley et al., 2012). Le manifestazioni cliniche dell'IBS includono aumento della sensibilità viscerale ed alterazioni della motilità intestinale (Larauche et al., 2012). Essendo l'eziologia ancora poco conosciuta, a tutt'oggi le terapie disponibili sono per lo più palliative e poco soddisfacenti (Halland and Talley, 2012). Sebbene la patofisiologia dei DFGI non sia ancora stata definita, numerose evidenze scientifiche suggeriscono che alterazioni permanenti o transitorie a carico del sistema nervoso enterico (SNE) possono determinare anomalie funzionali con compromissione dell'omeostasi del tratto gastrointestinale (De Giorgio and Camilleri, 2004; Furness, 2012). Agenti infettivi, come virus neurotropi, sono stati a lungo sospettati di rappresentare uno dei fattori in grado di interferire con l'integrità del SNE determinando alterazioni della rete neuronale sia direttamente che mediante una risposta immunitaria di tipo innato e/o adattativo spesso dannosa per l'ospite (Chen et al., 2003; Facco et al., 2008; Selgrad et al., 2009). L'Herpes simplex virus di tipo I (HSV-1), un virus neurotropo altamente diffuso nella popolazione (Knipe and Cliffe, 2008) e capace di infettare il SNE (Gesser and Koo, 1996; Brun et al., 2010), è stato proposto come un possibile agente eziopatologico coinvolto nell'insorgenza di DFGI. In questo contesto, il nostro gruppo di ricerca ha di recente descritto un nuovo modello sperimentale in roditori nel quale un'infezione persistente nel SNE ad opera dell'HSV-1 causa delle complesse anomalie funzionali in assenza di macroscopici danni istologici o segni di malattia (Brun et al., 2010). Il mio progetto di dottorato ha avuto come obiettivo lo studio dei meccanismi responsabili dell'alterata funzione intestinale secondaria all'infezione del SNE murino da parte dell'HSV-1. L'infezione con HSV-1 ha determinato a 1-10 settimane dalla somministrazione del virus alterazioni tempo-dipendenti dell'architettura della rete nervosa enterica evidenziate da un'alterata distribuzione e/o espressione di specifiche proteine neuronali, quali HuC/D, periferina e βIII-tubulina, e di specifiche proteine gliali, quali S100β e proteina acidica fibrillare gliale (GFAP; Qesari et al., 2011). Tali cambiamenti strutturali a livello del plesso mienterico sono stati accompagnati da variazioni nell'equilibrio tra la neurotrasmissione eccitatoria ed inibitoria, rilevate da un aumento dell'espressione degli enzimi ossido nitrico sintetasi (nNOS), acetilcolintrasferasi (ChAT) e da cambiamenti nella distribuzione del polipetide intestinale vasoattivo (VIP), della sostanza P (SP) e dell'enzima acetilcolinesterasi (AChE). La presenza di uno sbilanciamento dell'attività eccitatoria/inibitoria è stata ulteriormente confermata da studi su culture tissutali di cellule derivate dalla muscolatura longitudinale con annesso il plesso mienterico (LMMP) e di contrattilità su preparati di ileo, montati verticalmente in bagni per organo isolato. La liberazione di acetilcolina triziata in seguito a depolarizzazione è risultata ridotta in quasi tutti i tempi di infezione virale. In parallelo, la risposta colinergica neuronale evocata dalla stimolazione elettrica è risultata significativamente ridotta sia in una fase iniziale che tardiva dell'infezione. Tali risultati suggeriscono che il decorso dell'infezione virale ha indotto sia alterazioni strutturali che di eccitabilità neuronale e/o di rilascio di neurotrasmettitori, segni della presenza di una neuropatia a livello enterico (Qesari et al., 2011). Allo scopo di studiare il ruolo dell'immunità innata e della replicazione virale nell'insorgenza della neurodisfunzione enterica indotta dall'infezione da HSV-1, si sono impiegati topi deficienti del gene che codifica per il recettore Toll-like 2 (TLR2 KO) ed un ceppo di HSV-1 deficiente del gene immediatamente precoce che codifica per la proteina ICP27 (ICP27 KO) essenziale per la replicazione virale (Uprichard and Knipe, 1996). L’infezione con ICP27 KO ha determinato alterazioni del SNE solamente nel primo periodo di infezione, a suggerire un coinvolgimento dei meccanismi di replicazione virale nell'insorgenza della neuropatia nelle fasi tardive dell’infezione (Qesari et al., 2012). Studi recenti hanno evidenziato che l'interazione fra TLR2 e HSV-1 porta allo sviluppo di una risposta immunitaria innata con produzione eccessiva di citochine pro-infiammatorie e conseguente danno tissutale di natura neuroimmunitaria (Soberman et al., 2012). L'infezione del SNE con HSV-1 nei topi TLR2 KO ha prodotto solo una riduzione dei neuroni nitrergici nNOS positivi senza determinare anomalie strutturali del plesso mienterico ed alterazioni della contrattilità intestinale. In conclusione, questa ricerca ha dimostrato che l'infezione del SNE in topi ad opera di HSV-1 determina alterazioni strutturali nel plesso mienterico e funzionali dell'attività contrattile dell'ileo che insorgono in seguito all'attivazione della risposta immunitaria mediata dai TLR2. Alla luce di questi risultati il mio lavoro di ricerca evidenzia i TLR2 come un interessante bersaglio molecolare per modulare le risposte immunitarie innescate da patogeni e possibilmente per il trattamento di neuropatie di origine virale.