Alai

Wprowadzenie

Celem tego artykułu jest dostarczenie ogólnej wiedzy na temat wirusów, tego jak prowadzą one do infekcji i jak reaguje na nie układ odpornościowy organizmu. Choć malutkie, wirusy są złożonymi, różnorodnymi jednostkami, które mają zdolność do infekowania gospodarzy, replikowania się, a następnie rozprzestrzeniania się na kolejnych gospodarzy. Ponadto wirusy mogą czasami przenosić się między gatunkami gospodarzy lub mutować i ponownie zakażać pierwotnego gospodarza.

Co to jest wirus?

Wirusy to mikroskopijne pakiety informacji genetycznej (DNA lub RNA, w zależności od rodzaju wirusa), otoczone płaszczem białkowym. Mogą mieć różny kształt i rozmiar, zwykle od 20 do 300 nanometrów (nanometr to metr podzielony przez tysiąc milionów) (rysunek 1). Wirusy mogą istnieć poza swoim gospodarzem, ale nie mogą replikować się w izolacji, nie mają żadnego „mechanizmu” komórkowego normalnej komórki, ani metabolizmu. W rzeczywistości toczy się dyskusja, czy wirusy są rzeczywiście formą życia i czasami uważa się, że są na „granicy życia”. Jak prawdziwe formy życia, wirusy posiadają materiał genetyczny, mogą się rozmnażać i ewoluować poprzez procesy obejmujące mutację i dobór naturalny (aczkolwiek mutacja wymaga komórek gospodarza, a nie zachodzi autonomicznie; w przeciwieństwie do żywych organizmów).

Copyright: Open University

Figura 1. Morfologia i przybliżony względny rozmiar różnych rodzin wirusów. Wirusy składają się z DNA lub RNA, które często są ściśle związane z białkami, aby zapewnić większą stabilność. Materiał genetyczny (DNA lub RNA) może być zawarty w regularnie ukształtowanych białkach, które nadają geometryczne kształty (kapsydy) lub mają luźniejsze pokrycie błonowe, lub oba.

Po zainfekowaniu gospodarza, wirus wchodzi do komórek gospodarza (w obrębie określonej tkanki lub bardziej ogólnie, w zależności od wirusa) i przejmuje systemy komórkowe, zamieniając w ten sposób komórkę w fabrykę wirusów produkującą wiele nowych cząstek wirusowych. Ta inwazja i zmieniona funkcja może spowodować dramatyczne zmiany w komórkach gospodarza, które mogą je uszkodzić lub zabić. Produkcja nowych cząstek wirusowych prowadzi do zakażenia większej liczby komórek gospodarza i leży u podstaw przeniesienia wirusa na nowego gospodarza.

Oszacowano, że każdy mililitr wody morskiej zawiera do 100 milionów wirusów, podczas gdy osady jeziorne zawierają około 20 miliardów wirusów na gram.To, jak długo wirus może pozostać żywotny poza swoim gospodarzem, zależy od wirusa i jego środowiska. Niektóre wirusy mogą przetrwać w powietrzu lub na stałych powierzchniach przez kilka dni lub tygodni. Podczas gdy wirusy w wodzie mają tendencję do przetrwania dłużej – do roku w czystej, zimnej wodzie. Ciepło, detergent lub promieniowanie UV mogą unieszkodliwić wirusy w ciągu kilku minut. Dla kontrastu, temperatura zamarzania może zachować wirusy.

Istnieje wiele różnych typów wirusów i są one wszędzie. Na przykład, szacuje się, że każdy mililitr wody morskiej zawiera do 100 milionów wirusów, podczas gdy osady jeziorne zawierają około 20 miliardów wirusów na gram. Osoby zakażone mogą rozsiewać wiele cząsteczek wirusów. Pacjenci z bakcylem żołądkowym, rotawirusem, uwalniają do 10 miliardów cząstek wirusa na gram kału.

Zakres organizmów żywych, które infekują wirusy jest ogromny. W rzeczywistości uważa się, że wszystkie organizmy, od jednokomórkowych jednostek, takich jak bakterie, do bardziej złożonych wielokomórkowych roślin i zwierząt, są podatne na zakażenie różnymi typami wirusów. Niektóre wirusy zakażają specyficznie określone gatunki gospodarzy, podczas gdy inne zakażają wiele różnych gatunków. Konsekwencje infekcji wirusowej są również bardzo różne w poszczególnych interakcjach gospodarz-wirus. Generalnie, choć nie zawsze, infekcja wirusowa skutkuje chorobą organizmu gospodarza.

Skąd się biorą wirusy?

Istnieje kilka teorii dotyczących pochodzenia wirusów. Fakt, że infekują one wszystkie formy życia sugeruje, że mają one starożytne pochodzenie.Istnieje kilka teorii dotyczących pochodzenia wirusów. Fakt, że infekują one wszystkie formy życia sugeruje, że mają one starożytne pochodzenie. Jak wspomniano powyżej, wirusy są zasadniczo materiałem genetycznym (DNA lub RNA) otoczonym płaszczem białkowym. Aby odnieść sukces, materiał genetyczny wirusów (powszechnie określany jako „genom wirusowy”) musi kodować wystarczającą liczbę genów, tak aby wirus mógł osiągnąć cykl infekcja-replikacja-infekcja. Ilość informacji genetycznej wewnątrz wirusa jest niewielka. Na przykład genom koronawirusa zawiera około 30 000 zasad nukleotydowych, podczas gdy genom człowieka jest około 10 000 razy większy, składający się z ponad 3 miliardów par zasad („zasady” i „pary zasad” to terminologia biologiczna odnosząca się do struktur chemicznych w RNA i DNA; sekwencje zasad w RNA i DNA kodują wszystkie białka i określają fizyczne cechy organizmów).

Ale, jak powstały wirusy? Jednym z pomysłów jest to, że wirusy wyewoluowały z krótkich sekwencji materiału genetycznego, które pierwotnie były częścią większej jednostki. Sugeruje się, że te krótkie sekwencje materiału genetycznego, obejmujące żywy genom wirusowy, wydostały się z pierwotnej komórki. Rzeczywiście, wiadomo, że niektóre sekwencje DNA mają zdolność wycinania się z genomu komórki i ponownego umieszczania się w innej części genomu. Jeśli takie „elementy transpozycyjne” zostałyby związane w kawałku błony komórkowej i wydostałyby się z komórki, mogłyby przenieść się do innej komórki – podobnie jak w przypadku wirusa. Inny pogląd mówi jednak, że wirusy są w rzeczywistości bardziej starożytne niż inne komórki. Wynika to z faktu, że większość białek wirusowych nie wykazuje podobieństwa do białek innych organizmów, co sugeruje, że ich genomy są odrębne i poprzedzają powstanie życia komórkowego. Ponieważ istnieje tak wiele różnych typów wirusów, możliwe jest, że obie koncepcje są poprawne i różne rodziny wirusów powstały niezależnie.

Różne typy wirusów stosują różne strategie replikacji podczas infekowania komórki. Retrowirusy, na przykład, mają genom RNA. Retrowirusy posiadają również enzym, który może wykorzystać szablon RNA do produkcji DNA, które następnie może zostać wprowadzone do DNA komórki gospodarza. Oznacza to, że zainfekowana komórka i każde jej potomstwo będzie zawierało wirusowe DNA. Przykładem retrowirusa jest ludzki wirus niedoboru odporności (HIV). Ten proces integracji genomu wirusowego z genomem komórki gospodarza zachodzi od milionów lat i szacuje się, że około 8% naszego DNA pochodzi od wirusów.

Jak wirusy nas zarażają?

Powierzchnia większości wirusów jest usiana białkami, które umożliwiają cząsteczkom wirusa przyłączenie się do komórek gospodarza i wejście do nich. Interakcja wirusów i komórek gospodarza zachodzi poprzez oddziaływanie specyficznych białek wirusa i komórek gospodarza: blokowanie tej interakcji jest potencjalnym sposobem hamowania infekcji wirusowych. Po dostaniu się do wnętrza komórki cząstki wirusowe ulegają rozpadowi, a wirusowa informacja genetyczna staje się szablonem dla komórki gospodarza, który rozpoczyna tworzenie nowych białek i genomów wirusowych. Nowe cząstki wirusa są albo uwalniane z komórki gospodarza podczas jej dalszego funkcjonowania, albo komórka gospodarza pęka i umiera, uwalniając w ten sposób znajdujące się w niej cząstki wirusa.

Jak organizm reaguje na wirusa?

Różne gatunki wykształciły różne strategie pokonywania infekcji wirusowych. U ludzi układ odpornościowy można podzielić na dwa typy: wrodzony i adaptacyjny, z których oba zapewniają ochronę przed infekcjami wirusowymi. Wrodzony układ odpornościowy obejmuje bariery fizyczne (np. śluzówkę), przekaźniki chemiczne (np. cytokiny; rodzaj cząsteczek sygnalizacyjnych używanych przez komórki) oraz różne typy komórek (np. leukocyty; białe krwinki) i stanowi pierwszą linię obrony przed inwazyjnymi mikroorganizmami. Szczególnie ważną cytokiną jest interferon, który jest uwalniany przez komórki, gdy są one zainfekowane cząsteczkami wirusa. Cząsteczki interferonu uwalniane przez zakażoną komórkę mogą aktywować mechanizmy sygnalizacyjne w sąsiednich komórkach w celu zahamowania dalszej infekcji wirusowej. Zasugerowano, że komórki zakażone SARS-CoV-2 mogą nie uwalniać interferonów w takim samym stopniu jak w przypadku innych infekcji wirusowych.

W przeciwieństwie do wrodzonego układu odpornościowego, wielką zaletą adaptacyjnego układu odpornościowego jest to, że pamięta on wirusy i bakterie, z którymi się zetknął.Bardziej ukierunkowane interwencje przeciwko wirusom pochodzą z adaptacyjnego układu odpornościowego. Adaptacyjny układ odpornościowy obejmuje również leukocyty, takie jak limfocyty, które rozpoznają obce białka i wytwarzają przeciwciała. Przeciwciało wiąże się ze specyficznym regionem (zwanym epitopem) na obcym białku, umożliwiając w ten sposób usunięcie tylko inwazyjnego materiału. Wytwarzanie przeciwciał przez adaptacyjny układ odpornościowy może trwać kilka dni, dlatego może wystąpić opóźnienie między początkiem infekcji a możliwością reakcji. Jednakże, w przeciwieństwie do wrodzonego układu odpornościowego, ogromną zaletą adaptacyjnego układu odpornościowego jest to, że pamięta on wirusy i bakterie, z którymi się zetknął. W związku z tym, jeśli organizm zostanie ponownie wystawiony na działanie tego samego patogenu, może szybko zwiększyć produkcję tych specyficznych przeciwciał. Odporność ta może z czasem maleć, ponieważ komórki pamiętające patogen zmniejszają się, dlatego ludzie mogą potrzebować ponownego szczepienia przeciwko konkretnej chorobie.

Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wirusów w naszych ciałach, niektóre zainfekowane komórki przechodzą specjalistyczny rodzaj rozpadu, znany jako apoptoza (zwana również „zaprogramowaną śmiercią komórki”). Apoptoza jest procesem fizjologicznym i stanowi normalną część życia, która jest wykorzystywana w wysoce regulowany sposób do usuwania uszkodzonych, niechcianych lub zainfekowanych komórek we wszystkich tkankach. Komórki zainfekowane wirusem mogą wywołać apoptozę i w ten sposób umrzeć. Brzmi to jak drastyczny sposób działania, ale skutecznie ogranicza ciągłe uwalnianie nowego wirusa z komórki.

Nie wszystkie wirusy są „złe”

W ostatnich latach wiele bakterii stało się odpornych na antybiotyki. Wirusy, które infekują i niszczą bakterie, stały się zatem przedmiotem badań medycznych. Wirusy te, znane jako bakteriofagi, nie zakażają komórek ludzkich, więc mogą być stosowane jako selektywne środki antybiotyczne. Inne wirusy, które selektywnie zakażają komórki ludzkie, mogą być wykorzystywane do dostarczania terapeutycznego DNA do komórek pacjenta, techniką znaną jako terapia genowa.

Co wiemy o nowym koronawirusie, który powoduje COVID-19?

COVID-19 jest chorobą wywoływaną przez nowo rozpoznany typ koronawirusa o nazwie SARS-CoV-2. Zaproponowano teorie dotyczące powstania tego nowego koronawirusa, ale potrzeba więcej informacji, zanim będzie można ustalić jego pochodzenie. Do innych członków rodziny koronawirusów należą wirusy odpowiedzialne za zespół ostrej ciężkiej niewydolności oddechowej (SARS) i zespół oddechowy Bliskiego Wschodu (MERS), które również powodują ciężkie infekcje górnych dróg oddechowych u ludzi. Te same wirusy mogą również zakażać zwierzęta. U kurcząt również wywołują infekcje dróg oddechowych, a u krów i świń – biegunkę. Obecne dane sugerują, że SARS-CoV-2 powoduje mniejsze ryzyko śmiertelności (~1% zakażonych umiera) w porównaniu z SARS (10%) i MERS (37%), ale wyższe niż grypa (0,1%).

Powierzchnia SARS-CoV-2 pokryta jest skupiskami białek „spike” (rysunek 2). Białka te wiążą się specyficznie z białkiem zwanym enzymem konwertującym angiotensynę 2 (ACE2), które jest obecne na powierzchni komórek w płucach i innych narządach, takich jak serce, nerki i jelita. Po przyłączeniu, SARS-CoV-2 jest internalizowany w komórce, cząstka wirusa otwiera się i uwalnia swój genom RNA, który jest następnie wykorzystywany jako szablon do produkcji większej ilości wirusowego RNA i białek. Stwierdzono, że komórki zaangażowane zarówno we wrodzony, jak i adaptacyjny układ odpornościowy mogą ulec szybkiemu zubożeniu po zakażeniu SARS-CoV-2, tym samym poważnie upośledzając odporność przeciwwirusową.

The Open University under Creative Commons BY-NC-SA 4.0 license

Figura 2. Schemat budowy koronawirusa.

Lustracja przedstawia strukturę koronawirusa w przekroju poprzecznym. Genom koronawirusa jest długą nicią RNA owiniętą wokół białka i złożoną wewnątrz otoczki z białka błonowego. Struktura ta otoczona jest otoczką, zawierającą jeszcze dwa białka, z których jedno, białko spike, odpowiedzialne jest za przyłączenie wirusa do komórki docelowej przed infekcją. Więcej szczegółów można znaleźć w: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

Obecnie znaczny nacisk kładzie się na modele matematyczne transmisji SARS-CoV-2, które informują o decyzjach dotyczących zdrowia publicznego, aby uniknąć przeciążenia służby zdrowia. Modelowanie matematyczne wykracza poza zakres tego artykułu, ale zainteresowanych czytelników odsyłamy do nieformalnego filmu wideo, który wyjaśnia „model SIR” (Susceptible, Infected, Recovered/Removed) przenoszenia choroby, który może mieć zastosowanie do COVID-19: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Co to jest „odporność stadna”?

Infekcja wirusowa może przetoczyć się przez populację tylko wtedy, gdy osoby na nią podatne wejdą w kontakt z cząsteczkami wirusa. Jeśli ludzie izolują się od siebie, jest o wiele mniejsza szansa na zetknięcie się z wirusem lub przekazanie go osobom podatnym. Ponadto, gdy ktoś już przeszedł infekcję wirusową i wytworzył przeciwciała ochronne, to generalnie nie jest podatny na ponowne zakażenie. Im więcej osób w populacji, które wyleczyły się z wirusa, tym mniejsza szansa, że wirus natrafi na podatną osobę i tym mniejsza szansa, że się rozprzestrzeni. Koncepcja ta znana jest jako odporność stada.

Proporcja populacji, która musi być odporna na zakażenie, aby osiągnąć odporność stada, zależy od kilku czynników. Czynnikiem krytycznym jest ilość kontaktów między ludźmi, ponieważ w ten sposób cząsteczki wirusa mogą się rozprzestrzeniać. W populacji swobodnie mieszającej się, odporność stada zależy od liczby osób, które średnio zostają zakażone przez jednego osobnika (znana jako „podstawowa liczba reprodukcyjna”; R0). Wartość R0 różni się w zależności od rodzaju wirusa. Szacuje się, że R0 COVID-19 wynosi około 2,5. Natomiast odra rozprzestrzenia się znacznie łatwiej, a jej R0 wynosi 12-18. Proporcja populacji, która musi być odporna na daną chorobę i w ten sposób skutecznie powstrzymać jej rozprzestrzenianie się, jest znana jako „próg odporności stada” i może być obliczona przy użyciu R0 w następującym równaniu:

Próg odporności stada = (R0 – 1)

Tak więc dla COVID-19 z R0 wynoszącym 2.5, równanie byłoby następujące:

Prog odporności stada COVID-19 = (2,5 – 1)

Więc, około 60% populacji musi być uodpornione na COVID-19, aby zapobiec dalszemu rozprzestrzenianiu się.

Odporność Herda można osiągnąć poprzez zakażenie ludzi i rozwinięcie odporności przez ich układy odpornościowe lub poprzez szczepienia z wykorzystaniem fragmentów wirusa, które wywołują odpowiedź adaptacyjnego układu odpornościowego bez wywoływania choroby. Im bardziej zakaźna jest dana choroba, tym większy jest odsetek osób, które muszą zostać zaszczepione. Na przykład w przypadku odry, której współczynnik R0 wynosi 12-18, Światowa Organizacja Zdrowia zaleca, aby w celu wyeliminowania choroby współczynnik szczepień wynosił 95%, z czym obecnie walczy Wielka Brytania.

Obecnie nie ma szczepionki na COVID-19, co oznacza, że odporność stadna mogłaby powstać tylko wtedy, gdyby około 60% populacji uległo zakażeniu i rozwinęło odporność. W przypadku Zjednoczonego Królestwa wymagałoby to zakażenia blisko 40 milionów osób, aby osiągnąć docelowy poziom odporności stadnej. Jednakże, przy ryzyku śmiertelności wynoszącym ~1%, wiele tysięcy osób umarłoby z powodu infekcji. Ponadto wiele dziesiątek tysięcy zakażonych osób cierpiałoby z powodu zaburzeń oddechowych i wymagałoby hospitalizacji, a te liczby, wszystkie naraz, przeciążyłyby system opieki zdrowotnej. W dłuższej perspektywie, ludność świata może rozwinąć odporność na COVID-19, która złagodzi dalsze epidemie, ale odporność stadna nie jest prawdopodobnym rozwiązaniem obecnego kryzysu związanego z COVID-19.

Wytwarzając różne białka, wirusy mogą ominąć odporność uzyskaną dzięki szczepieniu lub wcześniejszej ekspozycji na oryginalnego wirusa.Wykazano, że przeciwciała skierowane przeciwko białku spike wirusa SARS-CoV-2 mogą zapobiec wnikaniu wirusa do komórek. Taki postęp w naszej wiedzy o SARS-CoV-2 doprowadzi do opracowania testów, które pokażą, czy dana osoba została zakażona i nie jest już podatna na zakażenie, jak również szczepionek terapeutycznych.

Jedną z krytycznych informacji, która jest potrzebna w walce z COVID-19 jest wiedza o tym, w jakim stopniu genom wirusa SARS-CoV-2 może ulegać mutacjom. Mutacja wynikałaby ze zmiany sekwencji bazowych w jego genomie RNA, co prowadziłoby do produkcji innego białka. Produkując inne białka, wirusy mogą ominąć odporność uzyskaną dzięki szczepieniu lub wcześniejszej ekspozycji na pierwotnego wirusa. Wiadomo, że SARS-CoV-2 może mutować i rzeczywiście wirus, który obecnie rozprzestrzenia się po całym świecie, przeszedł mutacje w trakcie przenoszenia się ze swojego pierwotnego gatunku na człowieka. Ponadto wiadomo, że istnieją różnice genetyczne pomiędzy pierwotnym SARS-CoV-2, który rozwinął się w Wuhan w Chinach, a szczepami wirusa powodującymi obecnie COVID-19 w Stanach Zjednoczonych. Oznacza to, że SARS-CoV-2 mutuje w miarę przechodzenia przez ludzkich gospodarzy. Jednak dobrą wiadomością jest to, że tempo mutacji SARS-CoV-2 nie jest tak wysokie w porównaniu z innymi wirusami, takimi jak te, które wywołują grypę.

Znaczna liczba badaczy biomedycznych, farmaceutycznych i klinicznych zwróciła swoją uwagę na SARS-CoV-2. Szybkie sprawdzenie baz danych publikacji badawczych, takich jak PubMed, pokazuje, że w całym 2019 r. było 695 opublikowanych pozycji na temat koronawirusa. Natomiast w pierwszych 3 miesiącach 2020 roku liczba ta wynosi już 1 818 publikacji. Z każdym nowym bitem informacji, jesteśmy coraz bliżej zrozumienia wirusa i opracowania rozwiązań do obrony przed nim.