Rotavirus infections in children: Clinical features and effects of large scale prevention by rotavirus vaccination

Abstract

Rotavirukset (RV) ovat maailmanlaajuisesti yleisimpiä pienten lasten vakavan ripulitaudin (gastroenteriitti) aiheuttajia. Ennen rotavirusrokotuksia lasten rotavirusinfektiot aiheuttivat Suomessa vuosittain arviolta 2400 sairaala- ja 3600 poliklinikkakäyntiä pienillä lapsilla. Kaksi elävää suun kautta annettavaa rotavirusrokotetta sai myyntiluvan vuonna 2006. Vasikan ja ihmisen rotavirusten yhdistelmistä (reassortanteista) muodostettu rokote RotaTeq® lisättiin Suomen kansalliseen rokotusohjelmaan 1. syyskuuta 2009. Tutkimuksesta suuri osa käsittelee kansallisen rokotusohjelman vaikutuksia akuuttien gastroenteriittien (AGE) aiheuttamiin sairaalakäynteihin sekä rotavirusrokotteen mahdollisia vaikutuksia luonnossa kiertäviin villityypin rotaviruksiin sekä rokotteesta peräisin olevien virusten aiheuttamiin oireisiin. Rotavirusten aiheuttama ripulitauti on lapsille vakava tauti, joka voi runsaan oksentelun, ripuloinnin sekä kuumeilun kautta johtaa vaikeaan kuivumaan ja hoitamattomana kuolemaan. Rotavirukset infektoivat ensisijaisesti suolistoa, mutta ne voivat edetä verenkiertoon aiheuttaen systeemisen infektion. Systeemisen infektion yhteyttä kliinisen taudinkuvan vakavuuteen tutkittiin analysoimalla uloste-, seerumi- ja kokoverinäytteet 155 rotavirusgastroenteriitin vuoksi sairaalaan joutuneelta lapselta PCR-menetelmällä rotaviruksen RNA:n ja ELISAlla rotaviruksen antigeenin osoittamiseksi. Tutkimuksessa havaittiin 67%:lla lapsista samanaikainen RV RNAemia ja 61%:lla antigenemia. Niillä lapsilla joilla RV RNA:ta ja antigeenia löytyi seerumista, oli todennäköisemmin korkeampi kuume ja voimakkaampaa oksentelua, kuin lapsilla joilla rotavirusta löytyi pelkästään ulosteista. Vaikka RV:n leviäminen suoliston ulkopuolelle näyttää liittyvän vaikeampaan taudinkuvaan, ei varmuudella tiedetä lisääntyykö RV muuallakin kuin suolistossa. Rotavirusrokotteen vaikutusten arvioimiseksi verrattiin AGE:n vuoksi tehtyjä sairaalakäyntejä Tampereen yliopistollisessa sairaalassa ennen rokotuksia vuosina 2006–2008 aikana tehdyn tutkimuksen ja rokotusten aloittamisen jälkeen vuosina 2009–2011 tehtyyn tutkimukseen. Tutkimusten potilasvalinta ja tutkimusmenetelmät olivat identtiset. Vuosina 2006-2008 tehtyyn tutkimukseen osallistui 809 lasta kun taas rokotteen käyttöönoton jälkeiseen tutkimukseen osallistui 330 lasta. Ennen rokotuksia rotavirukset aiheuttivat 52% kaikista AGE tapauksista ja rokotusten jälkeisinä vuosina ainoastaan 26% (80% vähenemä). Rotavirusrokote vähensi rotaviruksen vuoksi tehtyjä sairaalahoitoja 76% ja poliklinikkakäyntejä 81%. Kaikkien AGE tapausten määrä väheni Tampereen yliopistollisessa sairaalassa 59%. Rotavirustapausten määrän väheneminen johti noroviruksen nousuun yleisimmäksi taudinaiheuttajaksi pienillä lapsilla. Norovirus aiheutti 37% sairaalahoitoisista AGE tapauksista rokotusten jälkeisinä vuosina. Laajojen rotavirusrokotusten on arveltu voivan aiheuttaa immunologista painetta luonnossa kiertäviin villityypin rotaviruksiin. Tätä tutkittiin seuraamalla yleisimmän rotavirus genotyypin G1P[8] kahden uloimman proteiinin VP7 ja VP8* nukleiinihapposekvenssejä ja aminohappojärjestystä 20-vuoden ajalta eli ennen rokotuksia ja rokotusten jälkeen. VP7 ja VP8* proteiinien tutkiminen osoitti, että näiden antigeenisilla alueilla tapahtuu kausittaista vaihtelua, johon RotaTeq® rokotteella ei kuitenkaan ole ollut todettavaa vaikutusta. RotaTeq® rokotteen käytöllä ei havaittu olevan vaikutusta G1P[8] RV genotyypin ilmiasuun ja G1P[8] säilyi vallitsevana RV genotyyppinä myös rokotusten jälkeisinä vuosina. Mielenkiintoisena havaintona kuitenkin oli että harvoissa todetuissa läpimurtoinfektioissa (AGE tapauksia) aiheuttajina olivat muut genotyypit kuin G1P[8]. Aikaisemmin on havaittu, että elävällä rotavirusrokotteella rokotetut lapset erittävät usein rokoteviruksia ulosteisiin. Tutkiessamme gastroenteriittiin sairastuneita lapsia rokotteen käyttöönoton jälkeisiltä vuosilta löysimme RT-PCR menetelmällä uuden rokotteesta peräisin olevan yhdistelmäviruksen neljältä rokotetulta ja yhdeltä rokottamattomalta lapselta. Sekvensoimalla rokoteperäinen G1P[8] rotavirus, huomattiin sen olevan uusi yhdistelmä kahdesta RotaTeq® rokotteen sisältämästä viruksesta G1P[5] ja G6P[8], jossa vasikan rotaviruksen sisäkuoren (VP6) pinnalla onkin kaksi ihmisen rotaviruksen pinta-antigeenia. Rokotteesta peräisin oleva yhdistelmävirus G1P[8] osoittautui stabiiliksi soluviljelyssä, minkä perusteella sen voi olettaa olevan stabiili myös luonnossa. Kaksoisyhdistelmävirus voi aiheuttaa gastroenteriitin oireita rokotetuilla lapsilla ja se voi myös tartuttaa rokottamattomia lapsia. Kokonaisuutena rotavirusrokotuksen todetut haittavaikutukset ovat vähäisiä suhteutettuna rokotusten antamaan suureen hyötyyn. Rotavirusten molekyyliepidemiologiaa on kuitenkin syytä seurata jatkossa varsinkin kun tiedetään, että rokotevirus ja villityypin virus voivat vaihtaa genomijaokkeita odottamattomalla tavalla. Rotavirusrokotuksiin liittyvää harvinaista komplikaatiota, suolistoinvaginaatiota, ei ole esiintynyt Suomen nykyisen rokotusohjelman aikana, mutta tätäkin on jatkossa seurattava. Rotavirusrokotusten hyödyt näyttävät jatkuvan tämän työn seurannan jälkeenkin; rotavirusten aiheuttamat AGE:t ovat olleet harvinaisia ainakin 4 vuotta rokotusten aloittamisen jälkeen. Rotavirusrokotus ei kuitenkaan kykene juurimaan villityypin rotavirusta.

Rotaviruses (RVs) are the most common causative agents of acute gastroenteritis (AGE) in young children worldwide. Before the launch of rotavirus vaccines, rotavirus infections caused an estimated 2400 hospital admissions and 3600 outpatient clinic visits among young children in Finland every year. In 2006, two live oral RV vaccines were licensed. As of 1 September 2009, bovine-human RV vaccine RotaTeq® was added to the National Immunization Programme (NIP) of Finland. A major part of the present study focuses on the impact of universal rotavirus vaccination on hospital admissions for AGE and its possible effects on circulating wild-type RV strains and on the appearance of vaccine-originated RV strains. Rotavirus causes an intestinal infection, the symptoms of which include diarrhea, vomiting, and fever. In 2002 it was discovered that many RV AGE patients also have RV antigen in their blood. To study the association between systemic spread of the virus and clinical severity of the disease, stool, serum, and whole- blood samples from 155 children hospitalized for RV AGE during the pre-vaccination years 2006-2008 were analyzed by reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). RV RNAemia and antigenemia were found to be common events in RV AGE patients, occurring in 67% and 61% of the cases, respectively. Children positive for RV RNA and RV antigen in both serum and stools were more likely to have a higher level of fever and more severe vomiting than children with RV detected only in stools. These data indicate that the clinical severity of RV disease is related to extraintestinal spread of the virus. To determine the effect of universal mass vaccination on hospital admissions and outpatient clinic visits for rotavirus gastroenteritis (RVGE), results from two similar epidemiological studies using the same methodology were analyzed. Material for the first study was collected from pre-vaccination (pre-NIP) years 2006-2008 and the other from post-vaccination (post-NIP) years 2009-2011. In both studies, children seen for AGE in the outpatient clinic or emergency department were enrolled in the study. In the pre-NIP period 809 children with available stool specimens were recruited, whereas in the post-NIP period only 330 patients were recruited from the same population (59% decrease). In the pre-NIP period, RVs accounted for 52% of all cases of AGE, which dropped to 26% in the post-NIP years, giving an 80% overall reduction in RVGE cases. Hospital admissions for RVGE were reduced by 76% and outpatient clinic visits by 81%. The large drop in RVGE cases was accompanied by a relative increase in cases of norovirus (NoV) AGE. Although the absolute number of NoV cases remained fairly stable, the proportion of cases in which NoV was the causative agent in children hospitalized for AGE rose to 37%, and NoV became the leading cause of AGE in children seen in hospital. Previous studies have suggested that large-scale use of monovalent G1P[8] human rotavirus vaccine may have an effect on the prevalent G1 VP7 subtype in wild-type RVs. We investigated whether the use of RotaTeq® vaccine would have any such effects on the most common circulating rotavirus genotype G1P[8]. As RotaTeq® has human-bovine reassortants containing both VP7 protein G1 and VP4 protein P[8] of human origin, we followed the changes in the sequences of those two outer layer proteins (VP7 and VP8*) at nucleotide and amino acid level over a 20-year period from 1992 to 2012. The study material included G1P[8] strains from pre-vaccination years 1992-1994 and 2002-2004, strains from 2006-2008 when rotavirus vaccine (mainly Rotarix™) was available, and the post-NIP years 2009-2012. For G1 VP7 the circulating rotaviruses were divided into two sublineages, both present in each study year. For VP8* protein of G1P[8] strains we observed periodical fluctuation of sublineages over the 20-year period, with multiple changes at both nucleotide and amino acid levels. The fluctuation of sublineages was not correlated to the use of the RotaTeq® vaccine, but did have a temporal correlation with the use of Rotarix™ in 2006-2008. These observations indicate that the universal immunization with RotaTeq® vaccine has not affected the circulating wild-type G1P[8] rotavirus strains. Overall, the G- (and P-type) distribution of wild-type rotavirus strains has not changed much after this introduction of universal rotavirus vaccination. It is of interest, however, that the few breakthrough infections in vaccinated children that have been detected seem to be associated with RV genotypes other than G1P[8]. Virus strains from live-attenuated RV vaccine are shed in the stools. Usually shedding is symptomless, but diarrhea has been reported in 1-2% of infants receiving bovine-human reassortant vaccine. We studied the presence of RV vaccine virus in children hospitalized for AGE. Stool samples from all cases of RV positive AGE in the post-NIP years 2009-2011 and 2012-2013 were analyzed by sequencing the two outer layer proteins VP7 and VP4, as well as the middle layer protein VP6, to determine the origin of the virus. If the VP7, VP4 and/or VP6 proteins were identical to the cognate gene segments from RotaTeq® vaccine, the stool samples were tested for the presence of rotavirus antigen by ELISA, and, if positive, were propagated in MA104 cells. Final RT-PCR and sequencing were performed on the viruses extracted from the cell cultivation to confirm the stability of the new virus. In the first post-vaccination years 2009-2011 we found three recently vaccinated children with symptoms of acute GE due to a new vaccine-derived human-bovine double reassortant rotavirus. In the 2012-2013 season we detected the vaccine-derived double reassortant in an unvaccinated 7-year-old girl with AGE. Cultivation in MA-104 cells confirmed the virus to be a new double-reassortant rotavirus G1P[8] between two vaccine strains G1P7[5] and G6P[8]. These data indicate that the vaccine-derived double-reassortant G1P[8] may be formed in RotaTeq®-vaccinated infants and may occasionally cause gastroenteritis symptoms. The virus remains stable in the environment for more than one transmission cycle, and may potentially infect unvaccinated contacts. In addition, we commonly found original human-bovine reassortants in the stools of AGE patients, but in all such cases another gastroenteritis virus (norovirus) was present at the same time. We conclude that shedding of vaccine virus is not associated with clinical symptoms. Taken together, the vaccine-associated issues do not offset the value of the universal rotavirus vaccination program in Finland, which has greatly reduced the burden of AGE in children. Moreover, intussusception, which is a well-known albeit rare complication of rotavirus vaccination, has not occurred in connection with the rotavirus NIP in Finland.