Light and Ultrastructural Pathologic Changes in Intestinal Coronavirus Infection of Newborn Calves

Abstract

Summary

Seven conventional newborn calves were inoculated orally with the coronavirus strain LY‐138, originally recovered from naturally‐infected diarrheic calves. All calves developed diarrhea during the first 24 h after inoculation. The presence and excretion of virus was monitored by electron microscopy.

Grossly, the changes were subtle and not striking. The intestinal tract was distended and contained a yellow clear fluid. The small intestinal wall was thin and transparent.

Histologic changes were characterized by atrophy and fusion of the villi, decreased height and vacuolation of the intestinal epithelial cells, by a reduced number of goblet cells, crypt hypertrophy and dilatation, and by edema and increased cellularity of the lamina propria mucosae.

Ultrastructurally the viral agent infected the intestinal absorptive epithelial cells, undifferentiated epithelial cells and goblet cells of the villi, and occasionally fibroblasts and endothelial cells of the lamina propria mucosae. Morphologic evidence indicated that virus multiplication occurred only in the cytoplasm of infected cells. The rough and smooth endoplasmic reticulum became dilated, and electron‐dense, granulo‐fibrillar material filled their cysternae to form smooth membrane‐bounded viral factories in the supranuclear cytoplasm of infected intestinal epithelial cells. Ultrastructural cytologic changes in this viral infection consisted of dilation of the endoplasmic reticulum network, cellular ribosome depletion, extensive endoplasmic vacuolation and vesiculation of Golgi elements of intestinal epithelial cells, swelling and degeneration of mitochondria, loss of normal nuclear polarity with pyknosis and karyolysis of the nuclei, loss of cytoplasmic matrix, and a broad spectrum of pathologic changes involving the microvilli and terminal web.

Zusammenfassung

Lichtmikroskopische und Ultrastrukturelle pathologische Veränderungen bei intestinaler Coronavirusinfektion neugeborener Kälber

Sieben konventionelle neugeborene Kälber wurden oral mit dem Coronavirus‐Stamm LY‐138, der ursprünglich von natürlich infizierten Kälbern mit Diarrhoe stammt, infiziert. Alle Kälber entwickelten Durchfall während der ersten 24 Stunden nach Inokulation. Vorhandensein und die Ausscheidung des Virus wurden elektronenoptisch verfolgt.

Sichtbare Veränderungen waren gering und wenig auffallend. Der Darmtrakt war erweitert und enthielt eine gelbe, klare Flüssigkeit. Die Dünndarmwand war dünn und durchscheinend.

Histologische Veränderungen waren charakterisiert durch Atrophie und Verschmelzung der Zotten, verminderte Höhe und Vakuolisierung der intestinalen Epithelzellen, durch eine reduzierte Anzahl von Gobletzellen, Kryptenhypertrophie und ‐erweiterung, sowie Ödematisierung und erhöhte Zellularität der lamina propria mucusae. Ultrastrukturell infizierte das Virus die intestinalen absorptiven Epithelzellen, nichtdifferenzierte Epithelzellen und Gobletzellen der Zotten, und gelegentlich Fibroblasten sowie Endothelzellen der Lamina propria mucosae. Die morphologischen Veränderungen weisen darauf hin, daß die Virusvermehrung nur im Zytoplasma infizierter Zellen stattfand. Das rauhe und glatte endoplasmatische Retikulum war erweitert, und elektronendichtes, granulo‐fibrilläres Material füllte die Zisternen aus, die feine Membran‐gebundene Virusvermehrungsfabriken in dem supranukleären Zytoplasmabereich infizierter intestinaler Epithelzellen bildeten. Ultrastrukturelle zytologische Veränderungen bestanden bei dieser Virusinfektion aus Erweiterung des endoplasmatischen Retikulumnetzwerks, zellulärem Ribosomenverlust, extensiver endoplasmatischer Vakuolisierung der Golgielemente der intestinalen Epithelzellen, Schwellung und Degeneration von Mitochondrien, Verlust der normalen nukleären Polarität mit Pyknose und Karyolyse der Zellkerne, Verlust der Zytoplasmamatrix, und aus einem breiten Spektrum pathologischer Veränderungen an den Mikrozotten und der terminalen Netzstruktur.

Résumé

Lésions pathologiques ultrastructurelles et au microscope optique lors d'infection intestinale à Coronavirus chez des veaux nouveau‐nés

Sept veaux nouveau‐nés conventionnels ont été infectés oralement par la souche LY‐138 de Coronavirus, isolée précédement chez des veaux naturellement infectés présentant une diarrhée. Tous les veaux développèrent une diarrhée durant les premières 24 heures suivant l'inovulation. La présence et la sécrétion du virus ont été suivies au microscope électronique.

Les lésions apparentes furent faibles et peu apparentes. Le tractus digestif fut élargi et contenait un liquide jaune et clair. La paroi de l'intestin grêle était mince et transparente.

Les lésions histologiques furent caractérisées par une atrophie et une fusion des villi, une hauteur diminuée et une vacuolisation des cellules épithéliales de l'intestin, par un nombre réduit des cellules caliciformes, une hypertrophie et un élargissement des cryptes ainsi qu'un oedème et un nombre de cellules augmenté de Lamina propria mucosae.

Le virus a infecté ultrastructurellement les cellules épithéliales absorbantes de l'intestin, des cellules épithéliales non différenciées et des cellules caliciformes des villi, de temps en temps des fibroblastes et des cellules endothéliales de Lamina propria mucosae. Les lésions morphologiques ont montré que la multiplication du virus n'avait lieu que dans le cytoplasme des cellules infectées. Le Reticulum endoplasmique grossier et fin fut élargi et un matériel granuleux et fibrillaire remplissait les citernes qui formaient de fines régions de réplication virale liées à la membrane dans le voisinage cytoplasmique supranucléaire des cellules épithéliales infectées de l'intestin. Les lésions cytologiques ultrastructurelles lors de cette infection virale consistèrent en un élargissement du réseau endoplasmique, une perte des ribosomes cellulaires, une vacuolisation endoplasmique extensive des éléments de Golgi dans les cellules épithéliales de l'intestin, une enflure et une dégénérescence des mitochondries, une perte de la polarité nucléaire normale avec une picnose et une carylolyse des noyaux cellulaires, une perte de la matrice cytoplasmique et un large éventail de lésions pathologiques des microvilli et des tissus terminaux.

Resumen

Modificaciones patológicas fotomicroscópicas y ultraestructurales en la infección intestinal de terneros recién nacidos por virus Corona

Se infectaron por vía oral siete terneros convencionales con la estirpe de virus Corona LY‐138, la cual es originaria de terneros, infectados naturalmente, con diarrea. Todos los terneros manifestaban diarrea durante las 24 horas primeras después de la inoculación. Se seguía electrónicoópticamente la presencia y eliminación de virus.

Las modificaciones visibles eran escasas y se destacaban poco. El tracto intestinal se hallaba dilatado, conteniendo un líquido amarillo claro. La pared del intestino delgado era tenue y translúcida.

Las modificaciones histopatológicas se caracterizaban por atrofia y soldadura de las villosidades, altura reducida y vacuolización de las células epiteliales intestinales, por una cantidad reducida de células caliciformes, hipertrofia y ensanchamiento de las criptas, y por edematización y celularidad aumentada de la lámina propia mucosa. El virus infectaba ultraestructuralmente las células epiteliales intestinales absortivas, células epiteliales no diferenciadas y células caliciformes de las villosidades, y, en ocasiones fibroblastos y células endoteliales de la lámina propia mucosa. Las modificaciones morfológicas señalan que la multiplicación de virus solo tuvo lugar en el citoplasma de las células infectadas. El retículo endoplasmático basto y fino se hallaba dilatado y material granulosofibrilar, opaco a los electrones, ocupaba las cisternas, las cuales formaban lugares finos de replicación antiviral, ligados a las membranas en el ámbito citoplasmático supranuclear de células epiteliales intestinales infectadas. Las modificaciones citológicas ultraestructurales consistían en esta infección a virus en dilatación del retículo endoplasmático, pérdida celular de ribosomas, vacuolización endoplasmática extensiva de los elementos de Golgi de las células epiteliales intestinales, tumefacción y degeneración de mitocondrias, pérdida de la polaridad nuclear normal con picnosis y cariolisis de los núcleos celulares, pérdida de la matriz citoplasmática, y en un espectro amplio de modificaciones patológicas en las microvillosidades y tejidos terminales.