Humane influenzavirussen vermenigvuldigen zich bijna uitsluitend in de luchtwegen, maar geïnfecteerde personen kunnen ook gastro-intestinale symptomen vertonen, zoals braken en diarree. Bij muizen treedt darmschade op in afwezigheid van virusreplicatie, en is een gevolg van virale depletie van de darmmicrobiota.
Intranasale inoculatie van muizen met de PR8-stam van het influenzavirus leidt tot letsel aan zowel de longen als het darmkanaal, het laatste gepaard gaande met milde diarree. Terwijl het influenzavirus zich duidelijk vermeerdert in de longen van geïnfecteerde muizen, werd geen vermeerdering waargenomen in het darmkanaal. De schade aan de darm vindt dus plaats in afwezigheid van virale replicatie.
Replicatie van influenzavirus in de long van muizen ging gepaard met een verandering in de populaties van bacteriën in de darm. De aantallen gesegmenteerde filamenteuze bacteriën (SFB) en Lactobacillus/Lactococcus namen af, terwijl de aantallen Enterobacteriaceae toenamen, waaronder E. coli. Depletie van darmbacteriën door behandeling met antibiotica had geen effect op virus-geïnduceerde longschade, maar beschermde de darm tegen schade. Het overbrengen van Enterobacteriaceae van virus-geïnfecteerde muizen naar niet-geïnfecteerde dieren leidde tot darmschade, net als het intragastrisch inoculeren van muizen met E. coli.
Om te begrijpen waarom infectie met het influenzavirus in de longen de darmmicrobiota kan veranderen, onderzochten de auteurs de immuuncellen in de darm. Zij ontdekten dat muizen die het cytokine IL-17A misten, dat geproduceerd wordt door Th17 helper T-cellen, geen darmschade ontwikkelden na een infectie met het influenzavirus. Deze dieren ontwikkelden echter wel longschade.
Th17 cellen zijn een type helper T cellen (andere omvatten Th1 en Th2 helper T cellen) die belangrijk zijn voor de microbiële afweer bij epitheliale barrières. Zij bereiken deze functie gedeeltelijk door de productie van cytokines, waaronder IL-17A. Th17 cellen lijken een rol te spelen bij darmschade veroorzaakt door infectie van de long met het influenzavirus. Het aantal Th17-cellen in de darm van muizen nam toe na een infectie met het influenzavirus, maar niet in de lever of de nieren. Bovendien verminderde het geven van antilichamen tegen IL-17A aan muizen de darmschade.
Er is een verband tussen het darmmicrobioom en Th17-cellen. Bij muizen die met antibiotica werden behandeld, was er geen toename van het aantal Th17-cellen in de darm na een infectie met het influenzavirus. Wanneer darmbacteriën van met het influenzavirus geïnfecteerde muizen werden overgebracht naar niet-geïnfecteerde dieren, nam het IL-17A-gehalte toe. Dit effect werd niet waargenomen als de ontvangende dieren werden behandeld met antibiotica.
Een belangrijke vraag is hoe influenza virus infectie in de long de darmmicrobiota beïnvloedt. Het chemokine CCL25, geproduceerd door darmepitheelcellen, trekt lymfocyten van de long naar de darm. De productie van CCL25 in de darm nam toe bij muizen die besmet waren met het influenzavirus, en behandeling van muizen met een antilichaam tegen deze cytokine verminderde darmschade en blokkeerde de veranderingen in het darmmicrobioom.
De helper T-lymfocyten die naar de darm worden gerekruteerd door de CCL25 chemokine produceren de chemokinereceptor genaamd CCR9. Deze CCR9-positieve Th-cellen namen in aantal toe in de longen en darmen van muizen die met het influenzavirus waren geïnfecteerd. Wanneer helper T-cellen van met het virus besmette muizen werden overgebracht naar niet-geïnfecteerde dieren, gingen ze naar de long; na virusinfectie werden ze ook aangetroffen in de darm.
Hoe beïnvloeden CCR9-positieve Th-cellen uit de long de darmmicrobiota? De boosdoener lijkt interferon gamma te zijn, geproduceerd door de uit de long afkomstige Th-cellen. Bij muizen die interferon gamma missen, leidt virusinfectie tot verminderde darmschade en normale niveaus van IL-17A. De van de long afkomstige CCR9 positieve Th cellen zijn verantwoordelijk voor verhoogde aantallen Th17 cellen in de darm via het cytokine IL-15.
Deze resultaten tonen aan dat influenza virus infectie van de long leidt tot productie van CCR9 positieve Th cellen, die migreren naar de darm. Deze cellen produceren interferon gamma, dat het microbioom van de darm verandert. Het aantal Th17 cellen in de darm neemt toe, wat leidt tot darmschade. Het veranderde darmmicrobioom stimuleert ook de productie van IL-15, dat op zijn beurt het aantal Th17-cellen verhoogt.
Er is voorgesteld dat alle mucosale oppervlakken met elkaar verbonden zijn door een gemeenschappelijk, onderling verbonden mucosaal immuunsysteem. De resultaten van deze studie zijn consistent met communicatie tussen de long- en darmmucosa. Andere voorbeelden van een gemeenschappelijk mucosaal immuunsysteem zijn de preventie van astma bij muizen door de bacterie Helicobacter pylori in de maag, en vaginale bescherming tegen herpes simplex virus type 2 infectie door intransale immunisatie.
Verklaren deze resultaten de gastro-intestinale symptomen die gepaard kunnen gaan met influenza bij mensen? Het antwoord is niet duidelijk, omdat infectie van muizen met influenza PR8 een zeer kunstmatig infectiemodel is. Het zou mogelijk moeten zijn om de menselijke darminhoud te bemonsteren en te bepalen of veranderingen die bij muizen zijn waargenomen in het darmmicrobioom, Th17-cellen en de productie van interferon-gamma ook worden waargenomen tijdens influenza-infectie van de longen.