Influenza transmission

Wendy Barclayw.barclay@imperial.ac.uk

• Modes of transmission of influenza viruses in humans • Consequences for infection control policy in outbreaks/pandemics• Survival of viruses in the environment • Environmental factors that affect transmission (e.g. humidity, temp)• Animal models of transmission• Molecular determinants of transmission• As a risk assessment tool for pandemic potential of novel viruses• Human challenge model of transmission• Pharmaceutical and non‐pharmaceutical interventions of 

transmission

Influenza transmission

Escape Survive Enter and Invade

Modes of transmission of influenza

Direct contact

Contaminated fomites

Aerosols and respiratory droplets

Survival of viruses in the environment

• Infectivity is more likely to survive in cold temperatures.

• Environmental pH• Surfaces vary for virus adsorption and survival• Surface decontamination with washing up liquid

Survival of influenza on household surfaces

Greatorex et al.  PLoSOne2011

Virus in the air

• Large droplets >5m travel short distances

• Small droplets <5m  and aerosols 1mtravel more than 6 feet

• Implications for guidelines on bed spacing in wards

Seasonality of  influenza

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

89/9090/9191/9292/9393/9494/9595/9696/9797/9898/9999/0000/0101/0202/0303/0404/05

RCG

P co

nsul

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te p

er 1

00 0

00

pop

ula

tion

0

5000

10000

15000

20000

25000

Num

ber o

f dea

ths

RCGP rate No. of deaths

Figure 6. Variation of Transmission Efficiency with Relative Humidity: A Model

Lowen AC, Mubareka S, Steel J, Palese P (2007) Influenza Virus Transmission Is Dependent on Relative Humidity and Temperature. PLoS Pathog3(10): e151. doi:10.1371/journal.ppat.0030151http://www.plospathogens.org/article/info:doi/10.1371/journal.ppat.0030151

The contribution of  environmental factors to influenza seasonailty

• Absolute humidity and temperature (Lowen and Palese PLoS Path. 2007 in the guinea pig model)

• Vapor pressure: the amount of moisture in the air (Shaman and Kohn PNAS. 2009) affects virus survival

• Humidification of indoor spaces might decrease transmission?

Other ideas about influenza seasonality

• Host susceptibility due to fluctuation in immunity, melatonin and vitamin D

• Host behaviour, crowding indoors during inclement weather

• If low vapor pressure, short days and low temperature are all that is required, influenza should be very rare in subtropical regions!

• Other factors must contribute may in different ways in different regions.

Animal models to study influenza transmission

• The day of infection, dose and exposure  route and period are all defined.

• The previous exposure is known (naive animals). 

Animal models for influenza virus transmission

Many reagents  Infected by inoculationΧMouse adapted virusΧ Different cellular receptors to humansΧ Don’t sneezeΧ Virus does not readily transmitΧ Lower respiratory tract infection

Unadapted human viruses Infected by inoculation Reagents availableΧModel not well characterisedΧ Cellular receptors not characterisedΧ Lower respiratory tract infectionΧ Not been used in transmission study

Can be naturally infectedUnadapted human viruses Virus does transmitΧ New model, not well characterisedΧ Receptors on cells not characterisedΧ No symptomsΧ Lower respiratory tract infection

Mouse Cotton rat Guinea pig

Mouse experiments –Period of optimal transmission

Experimental design: • 2 donor mice co‐housed with groups of 2 sentinel mice every 24 hrs• 80 sentinel mice exposed/time period

Schulman & Kilbourne, 1963 J Exp Med

Transmission did not correlate with viral titre

Titres given as Log10EID50 mean of 5 mice

Schulman & Kilbourne, 1963 J Exp Med

Guinea pig transmission model

• Allows greater numbers than ferrets, and more easily controlled environment

• Assessment of transmissibility of NAI resistant virus (Bouvier and Palese J Virol. 2008), effects of environment (Lowen and Palese. 2007) and genetic determinants.

Animal models for human influenza virus transmission: The Ferret

Ferret model is well established. Ferrets are naturally susceptible to 

human influenza viruses. Same cellular receptors as humans. Upper respiratory tract infection, just 

like humans.  The clinical signs of infection closely 

resembles those seen in humans.  Ferrets sneeze and produce nasal 

discharge.

Χ Very few reagents.

Χ Expensive.

Influenza virus transmission between ferrets

Direct Contact

Donor

Respiratory Droplet Exposed

18

Aerosol cage set‐ups and airflow around the cages

Van Hoeven et al, PNAS 2009 Munster et al, Science 2009

Transmission of pandemic H1N1 2009 influenza in the ferret

Contact

Donor

Aerosol1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

pfu/ml

Days post inoculation

T15

T16

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

pfu/ml

Days post inoculation

T15

T16

T13

T14

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

pfu/ml

Days post inoculation

T15

T16

T13

T14

F91

F92

Viral determinants of transmission

• Virus must replicate to sufficient titres in the respiratory tract

• Virus must bind to receptors that are abundant in the respiratory tract

• Virus must survive in the environment (including respiratory tract)

• Virus release and morphology 

Sorrell et al. Current Opinion in Virology. 2011

The first human influenza pandemic of the 21st century was not H5N1 bird flu

H5N1 does not transmit between people. 

The respiratory environment

Avian and human influenza viruses bind to different types of sialic acid receptors.

Cell Cell

Avian influenza virus

α‐2,3 α‐2,6

Human influenza virus

Avian HAHuman HA

Sialic acid distribution varies through the human respiratory tract.

Shinya et al. Nature. 2006.

Upper respiratory tract

Lung

Nasal mucosa paranasal sinus bronchus

2,6 SA

2,3 SA

Amino acids in the receptor binding site of HA absolutely required for transmission

Human H3 L SCTG AGC 6/6

Avian H3 Q GCAG GGC 0/6

226 228 Transmission rate

Tumpey et al. Science 2007Pappas et al. Plos One 2010Roberts et al.J Gen Virol 2011Imai and Kawaoka Current Opinion in Virology 2012

Human H1 D G

Avian H1 E D

190 225

H5N1 ferret transmission controversy.

The Kawaoka paper

pH1N1 2009

H5N1 2004

7:1 reassortant HA library N224K Q226L

Mutations in receptor binding site AND in HA stalk region are required for H5  transmission in ferrets

Imai et al. Nature 2012

HA stability

The Fouchier approach

H5N1Indonesia 2006

H5N1RG Q226L G228SPB2 E627K

Passage in ferrets

A common set of mutations to confer transmissibility

Minimum set of mutationsQ226L G228SPB2 E627K

PlusH103Y T156A in HAH99Y I368V in PB1R99K S345N in NP in F5 virus

4 or 5 changes to natural H5N1 for transmission

C A Russell et al. Science 2012

543

10  nt away

H103YT315I

The importance of HA and PB2

• For H5N1 virus, H9N2 virus and 1918 virus experimental models have shown that residues in HA and in PB2 are key for transmissibility

Herfst et al. Science 2012Imai et al. Nature 2012Wan and Perez, Sorell et al. PNAS 2009Van Hoeven et al. PNAS. 2009

Influenza Pandemics in the 20th Century:Reassortants also required HA mutations

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

H1N1H2N2

H3N2

Avian circulatingviruses

A role for neuraminidase in transmissionHA NA

SA

Cell Cell

HA:NA balance

Reassortment between swine viruses from different continents led to a new human influenza

HA:NA balance is critical for transmissibility

• pH1N1 2009 emerged from swine after acquiring novel NA and M genes by reassortment

• HA:NA balance confers RD transmission of pH1N1  (Yen et al. PNAS 2011)

Human viruses must adapt to the innate barriers in the human nose

Stalk

Enzyme Head

Neuraminidase adaptation to poultry by shortening the stalk length

M gene and transmission

• M and NA were the two new genes acquired by the precursor of the 2009 H1N1 pandemic that seem to have  led to human transmission.

• M and NA contribute to aerosol release, morphology and transmission (Lakdawala et al. PLoSPath 2011)

• pH1N1 2009 M is critical for transmissibility in guinea pigs (Bouvier and Palese. J Virol 2011)

The host range barrier: which animal viruses can contribute to the next pandemic?

Risk assessment for pandemic potential of new viruses

• H3N2 viruses in North American pigs have reassorted with pH1N1 2009 viruses and acquired novel M gene.

• These reassortants are transmissible in ferrets.• The small size of the susceptible population may be all that limits this pandemic.

Risk assessing emergence of  antiviral resistance

Kiso et al. PLoSPath 2010.

Seibert, C. W. et al. 2010. J. Virol. 84(21):11219-11226

FIG. 3. Wild-type and oseltamivir-resistant pandemic H1N1 viruses are transmitted efficiently by aerosol contact in the guinea pig model

Competitive fitness of transmission

Duan et al. PLoS Path 2010

The reliability of the ferret model?

• Ferrets are easily infectable and often show mild symptoms (caveat infection dose and route)

• Several viruses that infect and transmit between ferrets do not infect people or cause human disease (classical swine flu; H2, H7;H9)

• Ferret sialic acid containing glycans are similar but not identical to human ones

Human transmission challenge studies

Killingley et al JID  2012:205

• 60 volunteers screened

• 24 eligible

• 9 donors

• 15 recipients

• 30 hrs interaction

• 7/8 donors infected• 5 donors symptomatic

•1 donor had fever

• 10/12 recipients reported symptoms

• 3/12 confirmed influenza

• 25% transmission

Non‐pharmaceutical interventions

Simulating aerosol transmission

Noti et al. CID. 2012

Face mask protecting from inhaled virus

Noti et al. CID. 2012

Fit tested N95 99% protectiveNon fit tested mask = surgical mask reduced 2/3 virus

Pharmaceutical interventions

• Immunization reduced transmission in the guinea pig model (Lowenet al. J Virol 2009)

• Vaccination policy to immunize children

• Prophylactic use of antivirals to interrupt transmission 

Infection control policy

R0 depends on• Size of susceptible population• Length of time for which infected is contagious

• Inherent transmissibility of virus

The relationship between symptoms and contagiousness.

0

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80

100

No.

of s

neez

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0

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15

20

No.

of c

ough

s

Days post inoculation

Days post inoculation

Inoculated

2/3

0/3

373839404142

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Bod

y Te

mpe

ratu

re C

Days post inoculation

Roberts et al. PLoSOne in press

Transmission is not dependent on symptoms

• Infectious virus detected in air exhaled in normal tidal breathing

• Guinea pigs have no respiratory symptoms but transmit efficiently

• pH1N12009 pandemic had a large proportion of asymptomatic individuals, and R0=1.4 but spread quickly

• Viral shedding precedes clinical illness by one day in humans

Patrozou and Mermel. Public Health Reports 2009

Screening at airports to contain a pandemic?

How does transmission occur?

• Estimated infectious dose 1‐10 infectious particles (by aerosol delivery Alford et al 1963)

Transmission proportional to the minimum infectious dose

Inoculated donor

Transmission to sentinel

Wild type virus

Receptor mutant virus

~ 5 viruses

~ 180 viruses

Escape Survive Enter and Invade

Understanding transmission in the future

• Super shedders• Competition experiments• Lung on a chip• Chains of transmission, lengths of contagiousness

• Effect of prior exposure• Non‐pharmaceutical interventions; First Defense.