Alai

Esittely

Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa yleistietoa viruksista, siitä, miten ne johtavat infektioon ja miten elimistön immuunijärjestelmä reagoi. Vaikka virukset ovat pieniä, ne ovat monimutkaisia, monimuotoisia kokonaisuuksia, joilla on kyky tartuttaa isäntiä, monistua ja sitten levitä muihin isäntiin. Lisäksi virukset voivat joskus siirtyä isäntälajien välillä tai ne voivat mutatoitua ja tartuttaa uudelleen alkuperäisen isäntälajin.

Mikä on virus?

Virukset ovat mikroskooppisen pieniä geneettisen informaation paketteja (DNA:ta tai RNA:ta, virustyypistä riippuen), joita ympäröi proteiinikuori. Ne voivat vaihdella muodoltaan ja kooltaan, ja tyypillisesti ne ovat kooltaan 20-300 nanometriä (nanometri on metri jaettuna tuhannella miljoonalla) (kuva 1). Virukset voivat elää isäntänsä ulkopuolella, mutta ne eivät voi lisääntyä eristyksissä, niillä ei ole mitään normaalin solun solukoneistoa eikä aineenvaihduntaa. Itse asiassa käydään keskustelua siitä, ovatko virukset itse asiassa elämän muoto, ja joskus niitä pidetäänkin ”elämän reunalla”. Todellisten elämänmuotojen tavoin viruksilla on geneettistä materiaalia, ne voivat lisääntyä ja kehittyä mutaatioita ja luonnonvalintaa sisältävien prosessien kautta (vaikkakin mutaatiot edellyttävät isäntäsoluja sen sijaan, että ne tapahtuisivat itsenäisesti; toisin kuin elävät organismit).

Copyright: Avoin yliopisto

Kuvio 1. Eri virussukujen morfologia ja likimääräinen suhteellinen koko. Virukset koostuvat DNA:sta tai RNA:sta, joka on usein tiiviisti yhdistetty proteiineihin vakauden lisäämiseksi. Perintöaines (DNA tai RNA) voi olla säännönmukaisesti muotoiltujen proteiinien sisällä, jotka antavat geometriset muodot (kapsidit), tai niillä voi olla löysempi kalvopeite tai molemmat.

Tartuttuaan isäntään virus tunkeutuu isännän soluihin (tietyssä kudoksessa tai yleisemmin, viruksesta riippuen) ja ottaa haltuunsa solujärjestelmiä muuttaen näin solun virustehtaaksi, joka tuottaa monia uusia viruspartikkeleita. Tämä tunkeutuminen ja muuttunut toiminta voi aiheuttaa isännän soluissa dramaattisia muutoksia, jotka voivat vahingoittaa tai tappaa ne. Uusien virushiukkasten tuottaminen johtaa siihen, että yhä useammat isännän solut infektoituvat, ja sen taustalla on viruksen siirtyminen uuteen isäntään.

Arvioidaan, että jokaisessa millilitrassa merivettä on jopa 100 miljoonaa virusta, kun taas järvisedimenteissä on noin 20 miljardia virusta grammaa kohti.Se, kuinka kauan virus voi säilyä elinkelpoisena isäntänsä ulkopuolella, riippuu viruksesta ja sen ympäristöstä. Jotkin virukset voivat säilyä ilmassa tai kiinteillä pinnoilla useita päiviä tai viikkoja. Vedessä olevat virukset säilyvät yleensä pidempään – jopa vuoden puhtaassa kylmässä vedessä. Lämpö, pesuaine tai UV-valo voivat inaktivoida virukset muutamassa minuutissa. Sen sijaan pakkaslämpötilat voivat säilyttää virukset.

Viruksia on monia erilaisia ja niitä on kaikkialla. On esimerkiksi arvioitu, että jokainen millilitra merivettä sisältää jopa 100 miljoonaa virusta, kun taas järvisedimenteissä on noin 20 miljardia virusta grammaa kohden. Tartunnan saaneet yksilöt voivat erittää paljon virushiukkasia. Vatsatautia, rotavirusta, sairastavat potilaat erittävät jopa 10 miljardia virushiukkasta grammaa ulostetta kohden.

Virusten tartuttamien elävien organismien kirjo on laaja. Itse asiassa katsotaan, että kaikki organismit yksisoluisista yksiköistä, kuten bakteereista, monimutkaisempiin monisoluisiin kasveihin ja eläimiin, ovat alttiita erityyppisten virusten tartunnalle. Jotkin virukset tarttuvat erityisesti tiettyihin isäntälajeihin, kun taas toiset tarttuvat moniin eri lajeihin. Virusinfektion seuraukset vaihtelevat myös suuresti isännän ja viruksen välisissä vuorovaikutussuhteissa. Yleensä, vaikkakaan ei aina, virusinfektio johtaa isäntäorganismin sairastumiseen.

Missä virukset ovat peräisin?

Virusten alkuperästä on useita teorioita. Se, että ne tartuttavat kaikkia elämänmuotoja, viittaa siihen, että ne ovat peräisin muinaisista ajoista.Virusten alkuperästä on useita teorioita. Se, että ne tartuttavat kaikkia elämänmuotoja, viittaa siihen, että niillä on muinainen alkuperä. Kuten edellä mainittiin, virukset ovat pohjimmiltaan geneettistä materiaalia (DNA tai RNA), jota ympäröi proteiinikuori. Ollakseen menestyksekäs virusten geneettisen materiaalin (jota kutsutaan yleisesti ”virusgenomiksi”) on koodattava riittävä määrä geenejä, jotta virus voi saada aikaan infektio-replikaatio-reinfektio-syklin. Viruksen sisällä olevan geneettisen informaation määrä on pieni. Esimerkiksi koronavirusten genomit sisältävät noin 30 000 nukleotidiemästä, kun taas ihmisen genomi on noin 10 000 kertaa suurempi ja koostuu yli 3 miljardista emäsparista (emäkset ja emäsparit ovat biologian termejä, joilla viitataan RNA:n ja DNA:n kemiallisiin rakenteisiin; RNA:n ja DNA:n emästen sekvenssit koodaavat kaikkia proteiineja ja määräävät eliöiden fyysiset ominaisuudet).

Mutta, miten virukset ovat syntyneet? Yksi ajatus on, että virukset ovat kehittyneet lyhyistä geneettisen materiaalin sekvensseistä, jotka alun perin olivat osa suurempaa kokonaisuutta. On ehdotettu, että nämä lyhyet geneettisen materiaalin sekvenssit, jotka koteloivat elinkelpoisen viruksen genomin, karkasivat alkuperäisestä solusta. Tiedetäänkin, että joillakin DNA-sekvensseillä on kyky leikata itsensä irti solun perimästä ja liittää se uudelleen toiseen perimän osaan. Jos tällaiset ”siirrettävät elementit” sitoutuisivat johonkin solukalvon osaan ja pääsisivät ulos solusta, ne voisivat siirtyä toiseen soluun – samaan tapaan kuin virus siirtyisi. Toisen näkemyksen mukaan virukset ovat kuitenkin itse asiassa muinaisempia kuin muut solut. Tämä johtuu siitä, että suurimmalla osalla virusproteiineista ei ole yhtäläisyyksiä muiden organismien proteiineihin, mikä viittaa siihen, että niiden genomit ovat erillisiä ja että ne ovat peräisin ennen soluelämää. Koska viruksia on niin monenlaisia, on mahdollista, että molemmat ajatukset pitävät paikkansa ja eri virusperheet ovat syntyneet toisistaan riippumatta.

Erilaiset virustyypit käyttävät erilaisia replikaatiostrategioita tartuttaessaan solun. Retroviruksilla on esimerkiksi RNA-genomi. Retroviruksilla on myös entsyymi, joka voi käyttää RNA-mallia tuottamaan DNA:ta, joka sitten voidaan lisätä isäntäsolun DNA:han. Tämä tarkoittaa, että tartunnan saanut solu ja kaikki sen jälkeläiset sisältävät viruksen DNA:ta. Esimerkki retroviruksesta on ihmisen immuunikatovirus (HIV). Tätä prosessia, jossa viruksen genomi integroituu isäntäsolun genomiin, on tapahtunut miljoonia vuosia, ja on arvioitu, että noin 8 % DNA:stamme on itse asiassa peräisin viruksilta.

Miten virukset tartuttavat meidät?

Useimpien virusten pinnalla on proteiineja, joiden avulla viruspartikkelit voivat kiinnittyä isäntäsoluihin ja päästä sisään. Virusten ja isäntäsolujen vuorovaikutus tapahtuu tiettyjen viruksen ja isäntäsolun proteiinien vuorovaikutuksen kautta: tämän vuorovaikutuksen estäminen on mahdollinen tapa estää virusinfektioita. Kun viruspartikkelit ovat solun sisällä, ne hajoavat, ja viruksen geneettisestä informaatiosta tulee isäntäsolulle malli, jonka avulla se voi alkaa valmistaa uusia virusproteiineja ja genomeja. Uudet viruspartikkelit joko vapautuvat isäntäsolusta sen jatkaessa toimintaansa tai isäntäsolu puhkeaa ja kuolee, jolloin sen sisällä olevat viruspartikkelit vapautuvat.

Miten elimistö reagoi virukseen?

Erilajit ovat kehittäneet erilaisia strategioita virusinfektioiden voittamiseksi. Ihmisillä immuunijärjestelmä voidaan luokitella kahteen tyyppiin: synnynnäiseen ja adaptiiviseen, jotka molemmat tarjoavat suojaa virusinfektioita vastaan. Synnynnäinen immuunijärjestelmä koostuu fyysisistä esteistä (esim. limakalvo), kemiallisista viestimistä (esim. sytokiinit; eräänlainen solujen käyttämä signaalimolekyyli) ja erityyppisistä soluista (esim. leukosyytit; valkosolut), ja se on ensimmäinen puolustuslinja tunkeutuvia mikro-organismeja vastaan. Erityisen tärkeä sytokiini on interferoni, jota solut vapauttavat, kun ne ovat saaneet viruspartikkeleita. Tartunnan saaneen solun vapauttamat interferonimolekyylit voivat aktivoida naapurisoluissa signaalimekanismeja, jotka estävät virustartunnan jatkumisen. On esitetty, että SARS-CoV-2:n infektoimat solut eivät ehkä vapauta interferoneja samassa määrin kuin muiden virusinfektioiden yhteydessä.

Toisin kuin synnynnäisen immuunijärjestelmän, adaptiivisen immuunijärjestelmän suurena etuna on se, että se muistaa kohtaamansa virukset ja bakteerit.Kohdennetummat interventiot viruksia vastaan tulevat adaptiiviselta immuunijärjestelmältä. Adaptiiviseen immuunijärjestelmään kuuluvat myös leukosyytit, kuten lymfosyytit, jotka tunnistavat vieraita proteiineja ja tuottavat vasta-aineita. Vasta-aine sitoutuu vieraassa proteiinissa olevaan tiettyyn alueeseen (ns. epitooppiin), jolloin vain tunkeutuva materiaali voidaan kohdistaa poistettavaksi. Adaptiivisen immuunijärjestelmän kautta tapahtuva vasta-aineiden tuotanto voi kestää useita päiviä, joten infektion alkamisen ja vasteen syntymisen välillä voi olla viivettä. Toisin kuin synnynnäisen immuunijärjestelmän, adaptiivisen immuunijärjestelmän suuri etu on kuitenkin se, että se muistaa kohtaamansa virukset ja bakteerit. Näin ollen, jos elimistö altistuu samalle taudinaiheuttajalle uudelleen, se voi nopeasti lisätä näiden erityisten vasta-aineiden tuotantoa. Tämä immuniteetti voi ajan mittaan heikentyä, kun taudinaiheuttajan muistavat solut vähenevät, minkä vuoksi ihmisiä saatetaan joutua rokottamaan uudelleen tiettyä tautia vastaan.

Virusten leviämisen estämiseksi elimistössämme jotkin infektoituneet solut käyvät läpi erityyppisen kuoleman, jota kutsutaan apoptoosiksi (jota kutsutaan myös nimellä ”ohjelmoitu solukuolema”). Apoptoosi on fysiologinen prosessi ja normaali osa elämää, jota käytetään hyvin säännellyllä tavalla vaurioituneiden, ei-toivottujen tai infektoituneiden solujen poistamiseen kaikissa kudoksissa. Viruksen tartuttamat solut voivat käynnistää apoptoosin ja siten kuolla. Tämä kuulostaa jyrkältä toimintatavalta, mutta se rajoittaa tehokkaasti uusien virusten jatkuvaa vapautumista solusta.

Eivät kaikki virukset ole ”pahoja”

Viime vuosina monet bakteerit ovat tulleet vastustuskykyisiksi antibiooteille. Siksi bakteereja infektoivista ja tuhoavista viruksista on tullut lääketieteellisen tutkimuksen kohteena. Nämä bakteriofageiksi kutsutut virukset eivät tartu ihmissoluihin, joten niitä voidaan käyttää valikoivina antibioottitekijöinä. Muita viruksia, jotka infektoivat valikoivasti ihmissoluja, voidaan käyttää terapeuttisen DNA:n siirtämiseen potilaan soluihin, tekniikka tunnetaan nimellä geeniterapia.

Mitä tiedämme uudesta koronaviruksesta, joka aiheuttaa COVID-19:n?

COVID-19 on tauti, jonka aiheuttaja on äskettäin tunnistettu uusi koronavirustyyppi, jota kutsutaan nimellä SARS-CoV-2. On esitetty teorioita siitä, miten tämä uusi koronavirus on syntynyt, mutta lisää tietoa tarvitaan, ennen kuin sen alkuperä voidaan todeta. Muita coronavirusperheen jäseniä ovat muun muassa vakavan akuutin hengitystieoireyhtymän (SARS) ja Lähi-idän hengitystieoireyhtymän (MERS) aiheuttavat virukset, jotka myös aiheuttavat vakavia ylähengitystieinfektioita ihmisillä. Nämä samat virukset voivat tartuttaa myös eläimiä. Kanoilla ne aiheuttavat myös hengitystieinfektioita, kun taas lehmillä ja sioilla ne aiheuttavat ripulia. Tämänhetkiset tiedot viittaavat siihen, että SARS-CoV-2 aiheuttaa pienemmän kuolemanriskin (~1 % tartunnan saaneista kuolee) verrattuna SARSiin (10 %) ja MERSiin (37 %), mutta korkeamman kuin influenssa (0,1 %).

SARS-CoV-2:n pintaa peittävät ”piikkiproteiinien” klusterit (kuva 2). Nämä proteiinit sitoutuvat spesifisesti proteiiniin nimeltä angiotensiinikonvertaasientsyymi 2 (ACE2), jota esiintyy keuhkojen ja muiden elinten, kuten sydämen, munuaisten ja suoliston, solujen pinnalla. Kun SARS-CoV-2 on kiinnittynyt, se sisäistyy soluun, virushiukkanen avautuu ja vapauttaa RNA-genominsa, jota käytetään sitten mallina viruksen RNA:n ja proteiinien valmistamiseen. On havaittu, että solut, jotka osallistuvat sekä synnynnäiseen että adaptiiviseen immuunijärjestelmään, voivat tyhjentyä nopeasti SARS-CoV-2-infektion jälkeen, mikä heikentää vakavasti antiviraalista immuniteettia.

Avoin yliopisto Creative Commons BY-NC-SA 4.0 -lisenssillä

Lisenssi

Kuva 2. Kaavio koronaviruksen rakenteesta.

Kuvassa on esitetty koronaviruksen rakenne poikkileikkauksessa. Koronaviruksen genomi on pitkä RNA-juoste, joka on kierretty proteiinin ympärille ja koottu kalvoproteiinikuoren sisään. Tätä rakennetta ympäröi kuori, joka sisältää kaksi muuta proteiinia, joista toinen, piikkiproteiini, vastaa viruksen kiinnittymisestä kohdesoluun ennen tartuntaa. Lisätietoja ks: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

Suurta huomiota kiinnitetään tällä hetkellä SARS-CoV-2:n leviämisen matemaattisiin malleihin, jotka antavat tietoa kansanterveydellisistä päätöksistä, jotta vältetään terveydenhuollon ylikuormitus. Matemaattinen mallintaminen ei kuulu tämän artikkelin aihepiiriin, mutta kiinnostuneita lukijoita pyydetään tutustumaan epäviralliseen videoon, jossa selitetään ”SIR-malli” (Susceptible, Infected, Recovered/Removed) taudin leviämisestä, jota voidaan soveltaa COVID-19:ään: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Mitä on ”laumaimmuniteetti”?

Virusinfektio voi levitä populaation läpi vain, jos sille alttiit yksilöt joutuvat kosketuksiin viruspartikkelien kanssa. Jos ihmiset eristävät itsensä, on paljon pienempi mahdollisuus kohdata virus tai välittää se alttiille yksilöille. Lisäksi kun joku on saanut virustartunnan ja kehittänyt sitä vastaan suojaavia vasta-aineita, hän ei yleensä ole altis uudelle tartunnalle. Mitä useammat ihmiset populaatiossa ovat toipuneet viruksesta, sitä pienempi on mahdollisuus, että virus kohtaa alttiita henkilöitä, ja sitä pienempi on mahdollisuus, että se leviää. Tätä käsitettä kutsutaan laumaimmuniteetiksi.

Kantaimmuniteetin saavuttamiseksi tarvittava osuus väestöstä, jonka on oltava immuuni tartunnalle, riippuu useista tekijöistä. Kriittinen tekijä on ihmisten välisten kontaktien määrä, koska näin virushiukkaset voivat levitä. Vapaasti sekoittuvassa populaatiossa laumaimmuniteetti riippuu niiden ihmisten määrästä, jotka keskimäärin saavat tartunnan yhdeltä yksilöltä (tunnetaan nimellä ”peruslisääntymisluku”; R0). R0:n arvo vaihtelee virustyypin mukaan. COVID-19:n R0-arvon arvioidaan olevan noin 2,5. Tuhkarokko sen sijaan leviää paljon helpommin, ja sen R0-arvo on 12-18. Sitä osuutta väestöstä, jonka on oltava immuuni taudille ja siten tehokkaasti estettävä sen leviäminen, kutsutaan ”laumaimmuniteettikynnykseksi”, ja se voidaan laskea käyttämällä R0:ta seuraavassa yhtälössä:

Laumaimmuniteettikynnys = (R0 – 1)

Tällöin COVID-19:lle, jonka R0 on 2.5, yhtälö olisi:

CoVID-19-kannan immuniteettikynnys = (2,5 – 1)

Siten noin 60 %:lla väestöstä on oltava immuniteetti COVID-19:tä vastaan, jotta leviäminen voidaan estää.

Herd-immuniteetti voidaan saavuttaa siten, että ihmiset saavat tartunnan ja heidän immuunijärjestelmänsä kehittää vastustuskyvyn, tai rokotuksilla, joissa käytetään viruksen osia, jotka laukaisevat adaptiivisen immuunijärjestelmän vasteen ilman, että ne johtavat sairauteen. Mitä tarttuvampi tauti on, sitä suurempi osa ihmisistä on rokotettava. Esimerkiksi tuhkarokon tapauksessa, jonka R0-arvo on 12-18, Maailman terveysjärjestö suosittelee 95 prosentin rokotusastetta taudin hävittämiseksi, minkä saavuttamisesta Yhdistynyt kuningaskunta kamppailee tällä hetkellä.

Tällä hetkellä COVID-19:tä vastaan ei ole rokotetta, mikä tarkoittaa, että laumaimmuniteetti voisi toteutua vain siten, että noin 60 prosenttia väestöstä saisi tartunnan ja kehittäisi immuniteetin. Yhdistyneessä kuningaskunnassa tämä edellyttäisi, että lähes 40 miljoonaa ihmistä saisi tartunnan, jotta laumaimmuniteettitavoite saavutettaisiin. Kuolemanriski on kuitenkin noin 1 %, joten monet tuhannet ihmiset kuolisivat tartuntaan. Lisäksi monet kymmenet tuhannet tartunnan saaneista kärsisivät hengitysvaikeuksista ja tarvitsisivat sairaalahoitoa, ja nämä määrät kerralla kuormittaisivat terveydenhuoltojärjestelmää. Pidemmällä aikavälillä maailman väestö voi kehittää COVID-19:lle immuniteetin, joka lieventää uusia taudinpurkauksia, mutta laumaimmuniteetti ei ole uskottava ratkaisu nykyiseen COVID-19-kriisiin.

Tuottamalla erilaisia proteiineja virukset voivat ohittaa rokotuksen tai aikaisemman altistumisen alkuperäiselle virukselle saaman immuniteetin.On osoitettu, että SARS-CoV-2:n piikkiproteiinia vastaan suunnatut vasta-aineet voivat estää virusta pääsemästä soluihin. Tällaiset edistysaskeleet SARS-CoV-2:ta koskevassa tietämyksessämme johtavat sellaisten testien kehittämiseen, jotka osoittavat, onko henkilö saanut tartunnan eikä ole enää altis, sekä terapeuttisten rokotteiden kehittämiseen.

Yksi kriittinen tieto, jota tarvitaan COVID-19:n vastaisessa taistelussa, on tietää, kuinka paljon SARS-CoV-2 -viruksen perimässä voi tapahtua mutaatiota. Mutaatio syntyisi sen RNA-genomin emäsjaksojen muuttumisesta, mikä johtaisi erilaisen proteiinin tuotantoon. Erilaisia proteiineja tuottamalla virukset voivat ohittaa rokotuksen tai aikaisemman altistumisen alkuperäiselle virukselle saavuttaman immuniteetin. Tiedetään, että SARS-CoV-2 voi mutaantua, ja tällä hetkellä ympäri maailmaa leviävässä viruksessa on tapahtunut mutaatioita, kun se on siirtynyt alkuperäisestä lajistaan ihmiseen. Lisäksi tiedetään, että Kiinan Wuhanissa kehittyneen alkuperäisen SARS-CoV-2:n ja Yhdysvalloissa tällä hetkellä COVID-19-virusta aiheuttavien viruskantojen välillä on geneettisiä eroja. Tämä tarkoittaa, että SARS-CoV-2 muuntuu, kun se kulkee ihmisisäntien läpi. Hyvä uutinen on kuitenkin se, että SARS-CoV-2:n mutaatiovauhti ei ole kovin suuri verrattuna muihin viruksiin, kuten flunssaa aiheuttaviin viruksiin.

Suuri määrä biolääketieteen, lääketeollisuuden ja kliinisen alan tutkijoita on kiinnittänyt huomionsa SARS-CoV-2:een. Nopea tarkistus tutkimusjulkaisutietokannoista, kuten PubMedistä, osoittaa, että koko vuoden 2019 aikana julkaistiin 695 koronavirusta koskevaa artikkelia. Kun taas vuoden 2020 kolmen ensimmäisen kuukauden aikana on jo 1 818 julkaisua. Jokaisen uuden tiedon myötä pääsemme lähemmäksi viruksen ymmärtämistä ja ratkaisujen kehittämistä sitä vastaan puolustautumiseen.