Alai

Úvod

Záměrem tohoto článku je poskytnout některé obecné znalosti o virech, o tom, jak vedou k infekci a jak na ně reaguje imunitní systém organismu. Ačkoli jsou viry malé, jsou to složité, různorodé entity, které mají schopnost infikovat hostitele, replikovat se a následně se šířit na další hostitele. Kromě toho mohou viry někdy přecházet mezi hostitelskými druhy nebo mohou mutovat a znovu infikovat původní hostitelský druh.

Co je to virus?

Viry jsou mikroskopické balíčky genetické informace (DNA nebo RNA, v závislosti na typu viru), obalené bílkovinným pláštěm. Mohou se lišit tvarem a velikostí a obvykle se pohybují v rozmezí 20-300 nanometrů (nanometr je metr dělený tisícem milionů) (obrázek 1). Viry mohou existovat mimo svého hostitele, ale nemohou se replikovat izolovaně, nemají žádný buněčný „mechanismus“ normální buňky ani žádný metabolismus. Ve skutečnosti se vedou diskuse o tom, zda jsou viry skutečně formou života, a někdy jsou považovány za „okraj života“. Stejně jako skutečné formy života mají viry genetický materiál, mohou se rozmnožovat a vyvíjet se prostřednictvím procesů zahrnujících mutaci a přirozený výběr (i když mutace vyžaduje hostitelské buňky a neprobíhá samostatně; na rozdíl od živých organismů).

Copyright: Open University

Obrázek 1. Morfologické schéma a přibližná relativní velikost různých čeledí virů. Viry se skládají z DNA nebo RNA, která je často pevně spojena s proteiny, aby byla stabilnější. Genetický materiál (DNA nebo RNA) může být obsažen v pravidelně tvarovaných bílkovinách, které mu dávají geometrické tvary (kapsidy), nebo může mít volnější membránový obal, případně obojí.

Po infikování hostitele virus vstoupí do jeho buněk (v určité tkáni nebo obecněji, v závislosti na viru) a ovládne buněčné systémy, čímž se buňka změní v továrnu na viry produkující mnoho nových virových částic. Tato invaze a změněná funkce může způsobit dramatické změny v buňkách hostitele, které je mohou poškodit nebo usmrtit. Produkce nových virových částic vede k tomu, že se infikuje více buněk hostitele, a je základem přenosu viru na nového hostitele.

Odhaduje se, že každý mililitr mořské vody obsahuje až 100 milionů virů, zatímco jezerní sedimenty obsahují přibližně 20 miliard virů na gram.

Jak dlouho může virus zůstat životaschopný mimo svého hostitele, závisí na viru a jeho prostředí. Některé viry mohou přežívat ve vzduchu nebo na pevných površích několik dní nebo týdnů. Zatímco viry ve vodě mají tendenci přežívat déle – v čisté studené vodě až rok. Teplo, čisticí prostředky nebo UV záření mohou viry inaktivovat během několika minut. Naproti tomu teploty pod bodem mrazu mohou viry uchovat.

Existuje mnoho různých typů virů a jsou všude. Odhaduje se například, že každý mililitr mořské vody obsahuje až 100 milionů virů, zatímco jezerní sedimenty obsahují přibližně 20 miliard virů na gram. Infikovaní jedinci mohou vylučovat velké množství virových částic. Pacienti se žaludečním bacilem, rotavirem, uvolňují až 10 miliard virových částic na gram stolice.

Škála živých organismů, které viry infikují, je obrovská. Ve skutečnosti se má za to, že všechny organismy, od jednobuněčných útvarů, jako jsou bakterie, až po složitější mnohobuněčné rostliny a živočichy, jsou náchylné k infekci různými typy virů. Některé viry infikují specificky určité druhy hostitelů, zatímco jiné infikují širokou škálu různých druhů. Důsledky virové infekce se také velmi liší mezi jednotlivými interakcemi mezi hostitelem a virem. Obecně, i když ne vždy, vede virová infekce k onemocnění hostitelského organismu.

Kde se viry vzaly?

Existuje několik teorií o původu virů. Skutečnost, že infikují všechny formy života, naznačuje, že mají prastarý původ. existuje několik teorií týkajících se původu virů. Skutečnost, že infikují všechny formy života, naznačuje, že mají dávný původ. Jak bylo uvedeno výše, viry jsou v podstatě genetický materiál (DNA nebo RNA) obklopený bílkovinným obalem. Aby byly viry úspěšné, musí jejich genetický materiál (běžně označovaný jako „virový genom“) kódovat dostatečný počet genů, aby virus mohl dosáhnout cyklu infekce-replikace-reinfekce. Množství genetické informace uvnitř viru je nepatrné. Například genom koronaviru obsahuje asi 30 000 nukleotidových bází, zatímco lidský genom je asi 10 000krát větší a skládá se z více než 3 miliard párů bází („báze“ a „páry bází“ je biologická terminologie označující chemické struktury v RNA a DNA; sekvence bází v RNA a DNA kódují všechny bílkoviny a určují fyzikální vlastnosti organismů).

Ale jak vznikly viry? Podle jedné z myšlenek se viry vyvinuly z krátkých sekvencí genetického materiálu, které byly původně součástí většího celku. Předpokládá se, že tyto krátké sekvence genetického materiálu, uzavírající životaschopný virový genom, unikly z původní buňky. Je totiž známo, že některé sekvence DNA mají schopnost vystřihnout se z genomu buňky a znovu se vložit do jiné části genomu. Pokud by se takové „transponovatelné elementy“ navázaly na kus buněčné membrány a unikly z buňky, mohly by se přesunout do jiné buňky – podobně jako při přenosu viru. Jiný názor však předpokládá, že viry jsou ve skutečnosti starší než jiné buňky. Je tomu tak proto, že většina virových proteinů nemá žádnou podobnost s proteiny jiných organismů, což naznačuje, že jejich genomy jsou odlišné a vznikly před vznikem buněk. Protože existuje mnoho různých typů virů, je možné, že obě představy jsou správné a různé rodiny virů vznikly nezávisle na sobě.

Různé typy virů používají při infikování buňky různé replikační strategie. Retroviry mají například genom RNA. Retroviry také disponují enzymem, který dokáže použít RNA templát k výrobě DNA, kterou pak může vložit do DNA hostitelské buňky. To znamená, že infikovaná buňka a všichni její potomci budou obsahovat virovou DNA. Příkladem retroviru je virus lidské imunodeficience (HIV). Tento proces integrace virového genomu do genomu hostitelské buňky probíhá již miliony let a odhaduje se, že přibližně 8 % naší DNA ve skutečnosti pochází z virů.

Jak nás viry infikují?

Povrch většiny virů je posetý bílkovinami, které umožňují částicím viru přichytit se na hostitelské buňky a proniknout do nich. K interakci virů a hostitelských buněk dochází prostřednictvím interakce specifických proteinů viru a hostitelské buňky: blokování této interakce je potenciální způsob, jak potlačit virové infekce. Po vstupu do buňky se virové částice rozloží a virová genetická informace se stane šablonou pro hostitelskou buňku, která začne vytvářet nové virové proteiny a genomy. Nové virové částice se buď uvolní z hostitelské buňky, zatímco ta pokračuje ve své činnosti, nebo hostitelská buňka praskne a odumře, čímž se virové částice uvnitř uvolní.

Jak tělo reaguje na virus?

Různé druhy vyvinuly různé strategie, jak překonat virové infekce. U člověka lze imunitní systém rozdělit na dva typy: vrozený a adaptivní, přičemž oba poskytují ochranu před virovou infekcí. Vrozený imunitní systém zahrnuje fyzické bariéry (např. sliznice), chemické posly (např. cytokiny; typ signálních molekul používaných buňkami) a různé typy buněk (např. leukocyty; bílé krvinky) a je první linií obrany proti napadení mikroorganismy. Zvláště důležitým cytokinem je interferon, který je uvolňován buňkami, když jsou infikovány virovými částicemi. Molekuly interferonu uvolněné infikovanou buňkou mohou aktivovat signalizační mechanismy v sousedních buňkách a bránit tak další virové infekci. Předpokládá se, že buňky infikované SARS-CoV-2 nemusí uvolňovat interferony ve stejné míře jako při jiných virových infekcích.

Na rozdíl od vrozeného imunitního systému je velkou výhodou adaptivního imunitního systému, že si pamatuje viry a bakterie, se kterými se setkal. cílenější zásahy proti virům pocházejí z adaptivního imunitního systému. Na adaptivním imunitním systému se podílejí také leukocyty, například lymfocyty, které rozpoznávají cizí bílkoviny a produkují protilátky. Protilátka se naváže na specifickou oblast (známou jako epitop) na cizím proteinu, čímž umožní cíleně odstranit pouze napadený materiál. Tvorba protilátek prostřednictvím adaptivního imunitního systému může trvat několik dní, takže mezi počátkem infekce a schopností reagovat může být prodleva. Na rozdíl od vrozeného imunitního systému je však velkou výhodou adaptivního imunitního systému to, že si pamatuje viry a bakterie, se kterými se setkal. Pokud je tedy tělo znovu vystaveno stejnému patogenu, může opět rychle zvýšit produkci těchto specifických protilátek. Tato imunita může časem slábnout, protože buněk, které si patogen pamatují, ubývá, a proto může být nutné, aby se lidé proti určité nemoci znovu očkovali.

Aby se zabránilo šíření virů v našem těle, některé infikované buňky podstupují specializovaný typ zániku známý jako apoptóza (nazývaný také „programovaná buněčná smrt“). Apoptóza je fyziologický proces a je normální součástí života, která se používá vysoce regulovaným způsobem k odstranění poškozených, nežádoucích nebo infikovaných buněk ve všech tkáních. Buňky infikované virem mohou spustit apoptózu, a tím odumřít. Zní to jako drastický postup, ale účinně omezuje neustálé uvolňování nového viru z buňky.

Ne všechny viry jsou „špatné“

V posledních letech se mnoho bakterií stalo odolnými vůči antibiotikům. Viry, které infikují a ničí bakterie, se proto staly předmětem lékařského výzkumu. Tyto viry, známé jako bakteriofágy, neinfikují lidské buňky, takže je lze použít jako selektivní antibiotika. Jiné viry, které selektivně infikují lidské buňky, mohou být použity k doručení terapeutické DNA do buněk pacienta, což je technika známá jako genová terapie.

Co víme o novém koronaviru, který způsobuje COVID-19?

COVID-19 je onemocnění způsobené nově rozpoznaným typem koronaviru nazvaným SARS-CoV-2. Virus SARS-CoV-2 způsobuje onemocnění, které se vyskytuje na celém světě. Byly navrženy teorie o tom, jak tento nový koronavirus vznikl, ale než bude možné stanovit jeho původ, je třeba získat více informací. Mezi další členy rodiny koronavirů patří viry způsobující těžký akutní respirační syndrom (SARS) a blízkovýchodní respirační syndrom (MERS), které rovněž způsobují závažné infekce horních cest dýchacích u lidí. Stejné viry mohou infikovat i zvířata. U kuřat způsobují rovněž infekce dýchacích cest, zatímco u krav a prasat způsobují průjmy. Současné údaje naznačují, že SARS-CoV-2 způsobuje menší riziko úmrtí (~1 % nakažených osob zemře) ve srovnání se SARS (10 %) a MERS (37 %), ale vyšší než chřipka (0,1 %).

Povrch SARS-CoV-2 je pokryt shluky proteinů „hrotů“ (obr. 2). Tyto proteiny se specificky vážou na protein zvaný angiotenzin konvertující enzym 2 (ACE2), který je přítomen na povrchu buněk v plicích a dalších orgánech, jako jsou srdce, ledviny a střeva. Po připojení je virus SARS-CoV-2 internalizován do buňky, virová částice se otevře a uvolní svůj genom RNA, který je poté použit jako šablona pro tvorbu další virové RNA a proteinů. Bylo zjištěno, že buňky zapojené do vrozeného i adaptivního imunitního systému mohou být po infekci virem SARS-CoV-2 rychle vyčerpány, čímž je vážně narušena protivirová imunita.

The Open University pod licencí Creative Commons BY-NC-SA 4.0

Obrázek 2. Schéma struktury koronaviru.

Obrázek ukazuje strukturu koronaviru v příčném řezu. Genom koronaviru je dlouhé vlákno RNA navinuté kolem proteinu a sestavené uvnitř obalu z membránového proteinu. Tato struktura je obklopena obalem, který obsahuje další dva proteiny, z nichž jeden, protein spike, je zodpovědný za přichycení viru k cílové buňce před infekcí. Další podrobnosti viz: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

V současné době se klade značný důraz na matematické modely přenosu SARS-CoV-2, které slouží jako podklad pro rozhodování v oblasti veřejného zdraví, aby nedošlo k zahlcení zdravotnických zařízení. Matematické modelování přesahuje rámec tohoto článku, ale zájemce odkazujeme na neformální video, které vysvětluje „SIR model“ (Susceptible, Infected, Recovered/Removed) přenosu onemocnění, který se může vztahovat na COVID-19: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Co je to „stádová imunita“?

Virální infekce může proniknout do populace pouze tehdy, pokud se jedinci, kteří jsou k ní vnímaví, dostanou do kontaktu s virovými částicemi. Pokud se lidé izolují, je mnohem menší pravděpodobnost, že se s virem setkají nebo ho přenesou na vnímavé jedince. Kromě toho, jakmile někdo prodělá virovou infekci a vytvoří si proti ní ochranné protilátky, není zpravidla náchylný k opětovné infekci. Čím více osob v populaci se z viru vyléčilo, tím menší je šance, že se virus setká s vnímavou osobou, a tím menší je šance, že se virus rozšíří. Tento koncept je znám jako stádová imunita.

Podíl populace, který musí být imunní vůči infekci, aby bylo dosaženo stádové imunity, závisí na několika faktorech. Rozhodujícím faktorem je množství kontaktů mezi lidmi, protože tak se mohou šířit virové částice. Ve volně se mísící populaci závisí stádová imunita na počtu lidí, kteří se v průměru nakazí od jednoho jedince (tzv. „základní reprodukční číslo“; R0). Hodnota R0 se liší v závislosti na typu viru. Odhaduje se, že R0 viru COVID-19 je přibližně 2,5. Naproti tomu spalničky se šíří mnohem snadněji a jejich R0 se pohybuje mezi 12-18. Podíl populace, který je nutný k tomu, aby byl vůči nemoci imunní a účinně tak zastavil její šíření, je známý jako „práh stádní imunity“ a lze jej vypočítat pomocí R0 v následující rovnici:

Práh stádní imunity = (R0 – 1)

Tak pro COVID-19 s R0 2.5 by rovnice zněla:

Prah stádové imunity proti COVID-19 = (2,5 – 1)

Pro zabránění dalšího šíření je tedy třeba, aby bylo vůči COVID-19 imunních přibližně 60 % populace.

Herd imunity lze dosáhnout tím, že se lidé nakazí a jejich imunitní systém si vytvoří rezistenci, nebo očkováním pomocí částí viru, které vyvolají reakci adaptivního imunitního systému, aniž by došlo k onemocnění. Čím je nemoc nakažlivější, tím vyšší je podíl osob, které je třeba očkovat. Například v případě spalniček, jejichž R0 je 12-18, doporučuje Světová zdravotnická organizace k eliminaci onemocnění 95 % proočkovanost, čehož se Spojené království v současné době snaží dosáhnout.

V současné době neexistuje vakcína proti COVID-19, což znamená, že stádní imunita by mohla vzniknout pouze tak, že by se nakazilo a vyvinulo imunitu přibližně 60 % populace. Pro Spojené království by to vyžadovalo, aby se nakazilo téměř 40 milionů lidí, aby bylo dosaženo cílové stádové imunity. Při riziku úmrtí ~1 % by však na infekci zemřelo mnoho tisíc lidí. Kromě toho by mnoho desítek tisíc nakažených lidí trpělo respiračními potížemi a vyžadovalo by hospitalizaci a tato čísla by najednou zahltila zdravotnický systém. V dlouhodobějším horizontu si může světová populace vytvořit imunitu vůči viru COVID-19, která zmírní další epidemie, ale stádní imunita není pravděpodobným řešením současné krize způsobené virem COVID-19.

Viry mohou produkcí různých proteinů obejít imunitu získanou očkováním nebo předchozí expozicí původnímu viru. bylo prokázáno, že protilátky namířené proti proteinu spike viru SARS-CoV-2 mohou zabránit průniku viru do buněk. Takový pokrok v našich znalostech o viru SARS-CoV-2 povede k vývoji testů, které ukáží, zda byla osoba infikována a zda již není vnímavá, a také k vývoji terapeutických vakcín.

Jednou z důležitých informací, které jsou potřebné v boji proti COVID-19, je zjištění, do jaké míry může genom viru SARS-CoV-2 podléhat mutacím. Mutace by vznikla změnou sekvencí bází v jeho RNA genomu, což by vedlo k produkci jiného proteinu. Produkcí odlišných proteinů mohou viry obejít imunitu získanou očkováním nebo předchozí expozicí původnímu viru. Je známo, že virus SARS-CoV-2 může mutovat, a virus, který se v současné době šíří po celém světě, by skutečně prošel mutacemi při přenosu z původního druhu na člověka. Kromě toho je známo, že mezi původním virem SARS-CoV-2, který se vyvinul v čínském Wuhanu, a kmeny viru, které v současnosti způsobují COVID-19 ve Spojených státech, existují genetické rozdíly. To znamená, že virus SARS-CoV-2 při průchodu lidskými hostiteli mutuje. Dobrou zprávou však je, že míra mutace viru SARS-CoV-2 není ve srovnání s jinými viry, například těmi, které způsobují chřipku, tak vysoká.

Významný počet biomedicínských, farmaceutických a klinických výzkumníků obrátil svou pozornost k viru SARS-CoV-2.

Výzkumníci, kteří se zabývají problematikou SARS-CoV-2, se zaměřili na jeho mutace. Rychlá kontrola databází výzkumných publikací, jako je PubMed, ukazuje, že za celý rok 2019 bylo o koronaviru publikováno 695 položek. Zatímco za první tři měsíce roku 2020 je to již 1 818 publikací. S každou novou informací jsme blíže k pochopení viru a vývoji řešení, jak se proti němu bránit.

.