Alai

Introducere

Intenția acestui articol este de a oferi câteva cunoștințe generale despre viruși, modul în care aceștia duc la infecții și cum răspunde sistemul imunitar al organismului. Deși mici, virușii sunt entități complexe, diverse, care au capacitatea de a infecta gazdele, de a se replica și apoi de a se răspândi la alte gazde. În plus, virusurile se pot transfera uneori între speciile gazdă sau pot suferi mutații și reinfecta specia gazdă inițială.

Ce este un virus?

Virusurile sunt pachete microscopice de informații genetice (ADN sau ARN, în funcție de tipul de virus), învelite într-un înveliș proteic. Ele pot varia ca formă și mărime și, de obicei, au dimensiuni cuprinse între 20-300 nanometri (un nanometru este un metru împărțit la o mie de milioane) (figura 1) (figura 1). Virușii pot exista în afara gazdei lor, dar nu se pot replica în mod izolat, nu dispun de niciuna dintre „mașinăriile” celulare ale unei celule normale și nici de metabolism. Într-adevăr, există o dezbatere cu privire la faptul dacă virușii sunt de fapt o formă de viață și sunt uneori considerați a fi la „marginea vieții”. La fel ca adevăratele forme de viață, virușii posedă material genetic, se pot reproduce și evoluează prin procese care implică mutația și selecția naturală (deși mutația necesită celule gazdă, mai degrabă decât să se producă în mod autonom; spre deosebire de organismele vii).

Copyright: Open University

Figura 1. Diagrama morfologică și dimensiunea relativă aproximativă a diferitelor familii de virusuri. Virusurile sunt alcătuite din ADN sau ARN care este adesea strâns asociat cu proteine pentru a oferi mai multă stabilitate. Materialul genetic (ADN sau ARN) poate fi conținut în proteine de formă regulată care dau forme geometrice (capside) sau care au un înveliș membranar mai lejer, sau ambele.

După ce infectează o gazdă, un virus va intra în celulele gazdei (în cadrul unui anumit țesut sau mai general, în funcție de virus) și va prelua controlul asupra sistemelor celulare, transformând astfel celula într-o fabrică de viruși care produce multe particule virale noi. Această invazie și alterarea funcției poate provoca schimbări dramatice la nivelul celulelor gazdei, care le pot deteriora sau ucide. Producția de noi particule virale duce la infectarea mai multor celule ale gazdei și stă la baza transmiterii virusului către o nouă gazdă.

Se estimează că fiecare mililitru de apă de mare conține până la 100 de milioane de virusuri, în timp ce sedimentele lacurilor conțin aproximativ 20 de miliarde de virusuri pe gram.Cât timp un virus poate rămâne viabil în afara gazdei sale depinde de virus și de mediul în care se află. Unii viruși pot supraviețui în aer sau pe suprafețe solide timp de câteva zile sau săptămâni. În timp ce virușii din apă tind să supraviețuiască mai mult timp – până la un an în apă rece și curată. Căldura, detergentul sau lumina UV pot inactiva virusurile în câteva minute. În schimb, temperaturile de îngheț pot păstra virușii.

Există multe tipuri diferite de viruși și sunt peste tot. De exemplu, se estimează că fiecare mililitru de apă de mare conține până la 100 de milioane de virusuri, în timp ce sedimentele lacurilor conțin aproximativ 20 de miliarde de virusuri pe gram. Persoanele infectate pot elimina o mulțime de particule de virus. Pacienții cu virusul stomacal, rotavirusul, eliberează până la 10 miliarde de particule de virus pe gram de fecale.

Gama de organisme vii pe care le infectează virușii este vastă. De fapt, se consideră că toate organismele, de la entități unicelulare, cum ar fi bacteriile, până la plante și animale multicelulare mai complexe, sunt susceptibile de a fi infectate de diferite tipuri de virusuri. Unii viruși infectează în mod specific anumite specii gazdă, în timp ce alții infectează o gamă largă de specii diferite. Consecințele infecției virale variază, de asemenea, enorm de mult între anumite interacțiuni gazdă-virus. În general, deși nu întotdeauna, infecția virală duce la îmbolnăvirea organismului gazdă.

De unde provin virușii?

Există mai multe teorii privind originea virusurilor. Faptul că aceștia infectează toate formele de viață sugerează că au origini străvechi.există mai multe teorii cu privire la originea virușilor. Faptul că aceștia infectează toate formele de viață sugerează că au origini străvechi. După cum s-a menționat mai sus, virușii sunt în esență material genetic (ADN sau ARN) înconjurat de un înveliș proteic. Pentru a avea succes, materialul genetic al virusurilor (descris în mod obișnuit drept „genom viral”) trebuie să codifice pentru un număr suficient de gene, astfel încât un virus să poată realiza ciclul de infectare-replicare-reinfectare. Cantitatea de informație genetică din interiorul unui virus este foarte mică. De exemplu, genomurile coronavirusurilor conțin aproximativ 30.000 de baze nucleotidice, în timp ce genomul uman este de aproximativ 10.000 de ori mai mare, fiind format din peste 3 miliarde de perechi de baze („baze” și „perechi de baze” sunt terminologie biologică care se referă la structurile chimice din ARN și ADN; secvențele de baze din ARN și ADN codifică toate proteinele și determină caracteristicile fizice ale organismelor).

Dar, cum au apărut virușii? O idee este că virușii au evoluat din secvențe scurte de material genetic care făceau inițial parte dintr-o entitate mai mare. Se sugerează că aceste secvențe scurte de material genetic, care încapsulau un genom viral viabil, au scăpat din celula originală. Într-adevăr, se știe că unele secvențe de ADN au capacitatea de a se tăia din genomul unei celule și de a se reinsera într-o altă parte a genomului. Dacă astfel de „elemente transpozabile” s-ar lega într-o bucată de membrană celulară și ar scăpa din celulă, s-ar putea muta într-o altă celulă – asemănător cu modul în care s-ar transfera un virus. Cu toate acestea, un alt punct de vedere propune că virușii sunt de fapt mai vechi decât alte celule. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea proteinelor virale nu au nicio asemănare cu proteinele din alte organisme, ceea ce sugerează că genomurile lor sunt distincte și că sunt anterioare vieții celulare. Deoarece există atât de multe tipuri diferite de virusuri, este posibil ca ambele idei să fie corecte și diferite familii de virusuri să fi apărut independent.

Diferite tipuri de virusuri folosesc diferite strategii de replicare atunci când infectează o celulă. Retrovirusurile, de exemplu, au un genom ARN. Retrovirusurile posedă, de asemenea, o enzimă care poate utiliza șablonul ARN pentru a produce ADN, care poate fi apoi inserat în ADN-ul celulei gazdă. Acest lucru înseamnă că celula infectată și oricare dintre progeniturile sale vor conține ADN viral. Un exemplu de retrovirus este virusul imunodeficienței umane (HIV). Acest proces de integrare a genomului viral în genomul celulei gazdă are loc de milioane de ani și se estimează că aproximativ 8% din ADN-ul nostru provine de fapt de la viruși.

Cum ne infectează virușii?

Suprafața majorității virusurilor este împânzită de proteine care permit particulelor de virus să se atașeze de celulele gazdă și să pătrundă. Interacțiunea dintre virusuri și celulele gazdă are loc prin interacțiunea unor proteine specifice ale virusului și ale celulei gazdă: blocarea acestei interacțiuni este o modalitate potențială de inhibare a infecțiilor virale. Odată intrate în interiorul unei celule, particulele virale se dezasamblează, iar informația genetică virală devine un șablon pentru ca celula gazdă să înceapă să producă noi proteine și genomuri virale. Noile particule virale fie sunt eliberate din celula gazdă în timp ce aceasta continuă să funcționeze, fie celula gazdă explodează și moare, eliberând astfel particulele virale din interior.

Cum răspunde organismul la un virus?

Diferite specii au dezvoltat strategii diferite pentru a depăși infecțiile virale. La om, sistemul imunitar poate fi clasificat în două tipuri: înnăscut și adaptativ, ambele asigurând protecție împotriva infecțiilor virale. Sistemul imunitar înnăscut cuprinde bariere fizice (de exemplu, mucoasa), mesageri chimici (de exemplu, citokine; un tip de moleculă de semnalizare utilizată de celule) și diferite tipuri de celule (de exemplu, leucocite; globule albe) și reprezintă prima linie de apărare împotriva microorganismelor invadatoare. O citokină deosebit de importantă este interferonul, care este eliberat de celule atunci când acestea sunt infectate cu particule de virus. Moleculele de interferon eliberate de o celulă infectată pot activa mecanismele de semnalizare în celulele vecine pentru a inhiba continuarea infecției virale. S-a sugerat că celulele infectate cu SARS-CoV-2 ar putea să nu elibereze interferoni în aceeași măsură ca și în cazul altor infecții virale.

Spre deosebire de sistemul imunitar înnăscut, marele avantaj al sistemului imunitar adaptativ este că își amintește virușii și bacteriile pe care le-a întâlnit.Intervențiile mai bine țintite împotriva virușilor provin de la sistemul imunitar adaptativ. Sistemul imunitar adaptativ implică, de asemenea, leucocite, cum ar fi limfocitele care recunosc proteinele străine și produc anticorpi. Un anticorp se va lega de o regiune specifică (cunoscută sub numele de epitop) de pe o proteină străină, permițând astfel ca numai materialul invadator să fie vizat pentru eliminare. Producerea de anticorpi prin intermediul sistemului imunitar adaptiv poate dura câteva zile pentru a se dezvolta, astfel încât poate exista un decalaj între debutul infecției și capacitatea de a organiza un răspuns. Cu toate acestea, spre deosebire de sistemul imunitar înnăscut, marele avantaj al sistemului imunitar adaptiv este că acesta își amintește virușii și bacteriile pe care le-a întâlnit. În consecință, dacă organismul este expus din nou la același agent patogen, acesta poate crește rapid producția acelor anticorpi specifici din nou. Această imunitate poate scădea în timp, pe măsură ce celulele care își amintesc agentul patogen se diminuează, motiv pentru care oamenii ar putea fi nevoiți să fie vaccinați din nou împotriva unei anumite boli.

Pentru a preveni răspândirea virusului în corpul nostru, unele celule infectate suferă un tip specializat de dispariție cunoscut sub numele de apoptoză (numită și „moarte celulară programată”). Apoptoza este un proces fiziologic și este o parte normală a vieții care este utilizată într-un mod foarte bine reglementat pentru a elimina celulele deteriorate, nedorite sau infectate din toate țesuturile. Celulele infectate cu un virus pot declanșa apoptoza și astfel mor. Acest lucru sună ca o acțiune drastică, dar limitează în mod eficient eliberarea continuă de noi virusuri dintr-o celulă.

Nu toți virușii sunt „răi”

În ultimii ani, multe bacterii au devenit rezistente la antibiotice. Prin urmare, virușii care infectează și distrug bacteriile au devenit un punct central al cercetării medicale. Acești viruși, cunoscuți sub numele de bacteriofagi, nu infectează celulele umane, astfel încât pot fi utilizați ca agenți antibiotici selectivi. Alți viruși care infectează selectiv celulele umane pot fi utilizați pentru a livra ADN terapeutic în celulele pacienților, o tehnică cunoscută sub numele de terapie genică.

Ce știm despre noul coronavirus care provoacă COVID-19?

COVID-19 este o boală cauzată de un tip nou recunoscut de coronavirus numit SARS-CoV-2. Au fost propuse teorii cu privire la modul în care a apărut acest nou coronavirus, dar sunt necesare mai multe informații înainte de a se putea stabili originea sa. Alți membri ai familiei de coronavirusuri includ virușii responsabili de Sindromul respirator acut sever (SARS) și de Sindromul respirator din Orientul Mijlociu (MERS), care provoacă, de asemenea, infecții grave ale tractului respirator superior la om. Aceleași virusuri pot infecta și animalele. La găini, acestea provoacă, de asemenea, infecții ale tractului respirator, în timp ce la vaci și porci provoacă diaree. Datele actuale sugerează că SARS-CoV-2 cauzează un risc de fatalitate mai mic (~1% din persoanele infectate mor) în comparație cu SARS (10%) și MERS (37%), dar mai mare decât gripa (0,1%).

SARS-CoV-2 are suprafața acoperită cu grupuri de proteine „spike” (Figura 2). Aceste proteine se leagă în mod specific de o proteină numită enzima de conversie a angiotensinei 2 (ACE2), care este prezentă pe suprafața celulelor din plămâni și din alte organe, cum ar fi inima, rinichii și intestinele. Odată atașat, SARS-CoV-2 este internalizat în celulă, particula de virus se deschide și își eliberează genomul ARN, care este apoi folosit ca șablon pentru a produce mai mult ARN viral și proteine. S-a constatat că celulele implicate atât în sistemul imunitar înnăscut, cât și în cel adaptativ pot fi rapid epuizate în urma infecției cu SARS-CoV-2, compromițând astfel grav imunitatea antivirală.

The Open University sub licența Creative Commons BY-NC-SA 4.0

Figura 2. Diagramă a structurii coronavirusului.

Imaginea prezintă structura unui coronavirus în secțiune transversală. Genomul coronavirusului este un șir lung de ARN înfășurat în jurul unei proteine și asamblat în interiorul unui înveliș de proteină membranară. Această structură este înconjurată de un înveliș, care conține încă două proteine, dintre care una, proteina spike, este responsabilă de atașarea virusului la celula țintă înainte de infectare. Pentru mai multe detalii, consultați: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

În prezent, se pune un accent considerabil pe modelele matematice ale transmiterii SARS-CoV-2, care să informeze deciziile de sănătate publică pentru a se evita o copleșitoare furnizare de asistență medicală. Modelarea matematică depășește sfera de aplicare a acestui articol, dar cititorii interesați sunt trimiși la un videoclip informal care explică un „model SIR” (Susceptibil, infectat, recuperat/eliminat) de transmitere a bolii care se poate aplica la COVID-19: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Ce este „imunitatea de turmă”?

O infecție virală poate străbate o populație doar dacă indivizii care sunt susceptibili la aceasta intră în contact cu particule virale. Dacă oamenii se izolează, atunci sunt mult mai puține șanse să întâlnească virusul sau să îl transmită indivizilor susceptibili. În plus, odată ce o persoană a avut o infecție virală și a dezvoltat anticorpi de protecție împotriva acesteia, în general nu este susceptibilă la o nouă infecție. Cu cât sunt mai multe persoane dintr-o populație care s-au vindecat de virus, cu atât sunt mai puține șanse ca virusul să întâlnească o persoană sensibilă și cu atât mai mici sunt șansele ca acesta să se răspândească. Acest concept este cunoscut sub numele de imunitate de turmă.

Proporția din populație care trebuie să fie imună la infecție pentru a obține imunitatea de turmă depinde de mai mulți factori. Un factor critic este cantitatea de contact între oameni, deoarece acesta poate fi modul în care particulele de virus se pot răspândi. Într-o populație care se amestecă liber, imunitatea de turmă depinde de numărul de persoane care, în medie, devin infectate de către un individ (cunoscut sub numele de „număr de reproducere de bază”; R0). Valoarea lui R0 variază în funcție de tipul de virus. Se estimează că COVID-19 are un R0 de aproximativ 2,5. În schimb, rujeola se răspândește mult mai ușor, cu un R0 cuprins între 12-18. Proporția din populație care este necesară pentru a fi imună la o boală și, prin urmare, pentru a opri în mod eficient răspândirea acesteia este cunoscută sub numele de „pragul de imunitate a turmei” și poate fi calculată folosind R0 în următoarea ecuație:

Pragul de imunitate a turmei = (R0 – 1)

Astfel, pentru COVID-19 cu un R0 de 2.5, ecuația ar fi:

Semnalul de imunitate a turmei COVID-19 = (2,5 – 1)

Atunci, aproximativ 60% din populație trebuie să fie imună la COVID-19 pentru a preveni răspândirea în continuare.

Imunitatea de tip herd poate fi obținută prin faptul că oamenii sunt infectați, iar sistemul lor imunitar dezvoltă rezistență, sau prin vaccinări care utilizează bucăți de virus care declanșează un răspuns din partea sistemului imunitar adaptativ fără a provoca boala. Cu cât o boală este mai infecțioasă, cu atât mai mare este proporția persoanelor care trebuie să fie vaccinate. În cazul rujeolei, de exemplu, care are un R0 de 12-18, Organizația Mondială a Sănătății recomandă o rată de vaccinare de 95% pentru a elimina boala, lucru pe care Regatul Unit se străduiește în prezent să îl atingă.

În prezent nu există un vaccin pentru COVID-19, ceea ce înseamnă că imunitatea de grup ar putea apărea doar prin infectarea și dezvoltarea imunității de către aproximativ 60% din populație. Pentru Regatul Unit, acest lucru ar necesita ca aproape 40 de milioane de persoane să fie infectate pentru ca obiectivul de imunitate de turmă să fie atins. Cu toate acestea, cu un risc de mortalitate de ~1%, multe mii de persoane ar muri din cauza infecției. În plus, multe zeci de mii de persoane infectate ar suferi de insuficiență respiratorie și ar necesita spitalizare, iar aceste cifre, toate deodată, ar copleși sistemul de sănătate. Pe termen lung, este posibil ca populația lumii să dezvolte o imunitate la COVID-19 care să atenueze apariția altor focare, dar imunitatea de turmă nu este o soluție plauzibilă la actuala criză COVID-19.

Prin producerea de proteine diferite, virusurile pot ocoli imunitatea obținută prin vaccinare sau printr-o expunere anterioară la virusul original. s-a demonstrat că anticorpii direcționați împotriva proteinei spike a SARS-CoV-2 pot împiedica virusul să pătrundă în celule. Astfel de progrese în cunoașterea SARS-CoV-2 vor duce la dezvoltarea unor teste care să arate dacă o persoană a fost infectată și nu mai este susceptibilă, precum și a unor vaccinuri terapeutice.

O informație esențială de care este nevoie în lupta împotriva COVID-19 este să știm în ce măsură genomul virusului SARS-CoV-2 poate suferi mutații. O mutație ar apărea în urma unei modificări a secvențelor de baze din genomul său ARN, ceea ce ar duce la producerea unei proteine diferite. Prin producerea unor proteine diferite, virusurile pot ocoli imunitatea obținută prin vaccinare sau printr-o expunere anterioară la virusul original. Se știe că SARS-CoV-2 poate suferi mutații și, într-adevăr, virusul care se răspândește în prezent în întreaga lume ar fi suferit mutații pe măsură ce s-a transferat de la specia sa originală la oameni. Mai mult, se știe că există diferențe genetice între SARS-CoV-2 original care s-a dezvoltat în Wuhan, China, și tulpinile virusului care provoacă în prezent COVID-19 în Statele Unite. Acest lucru înseamnă că SARS-CoV-2 suferă mutații pe măsură ce trece prin gazdele umane. Cu toate acestea, vestea bună este că rata de mutație a SARS-CoV-2 nu este atât de mare în comparație cu alte virusuri, cum ar fi cele care cauzează gripa.

Un număr substanțial de cercetători din domeniul biomedical, farmaceutic și clinic și-au îndreptat atenția către SARS-CoV-2. O verificare rapidă a bazelor de date cu publicații de cercetare, cum ar fi PubMed, arată că au fost publicate 695 de articole despre Coronavirus în tot anul 2019. În timp ce, numărătoarea este deja de 1.818 publicații pentru primele 3 luni ale anului 2020. Cu fiecare nouă informație, ne apropiem mai mult de înțelegerea virusului și de dezvoltarea de soluții pentru a ne apăra împotriva lui.