Вирусный патогенез — это изучение процесса и механизмов, посредством которых вирусы вызывают заболевания у своих целевых хозяев , часто на клеточном или молекулярном уровне. Это специализированная область изучения в вирусологии . [1]
Патогенез — это качественное описание процесса, посредством которого первичная инфекция вызывает заболевание. [2] Вирусное заболевание — это сумма эффектов репликации вируса на хозяине и последующего иммунного ответа хозяина на вирус. [3] Вирусы способны инициировать инфекцию, распространяться по всему организму и размножаться благодаря определенным факторам вирулентности . [2]
На патогенез влияют несколько факторов. Некоторые из этих факторов включают вирулентные характеристики вируса, который заражает. Чтобы вызвать заболевание, вирус должен также преодолеть несколько ингибирующих эффектов, присутствующих в хозяине. Некоторые из ингибирующих эффектов включают расстояние, физические барьеры и защиту хозяина. Эти ингибирующие эффекты могут различаться у разных людей из-за того, что ингибирующие эффекты контролируются генетически.
На патогенез вируса влияют различные факторы: (1) передача, проникновение и распространение внутри хозяина, (2) тропизм , (3) вирулентность вируса и механизмы заболевания, (4) факторы хозяина и защита хозяина. [4]
Вирусы должны устанавливать инфекции в клетках хозяина, чтобы размножаться. Для возникновения инфекций вирус должен захватить факторы хозяина и обойти иммунный ответ хозяина для эффективной репликации. Репликация вируса часто требует сложных взаимодействий между вирусом и факторами хозяина, которые могут привести к пагубным последствиям для хозяина, что придает вирусу его патогенность. [5]
Для успешного заражения хозяина необходимо выполнить три требования. Во-первых, должно быть достаточное количество вируса, чтобы инициировать заражение. Клетки в месте заражения должны быть доступны, поскольку их клеточные мембраны должны отображать кодируемые хозяином рецепторы, которые вирус может использовать для проникновения в клетку, а противовирусные защитные системы хозяина должны быть неэффективны или отсутствовать. [3] [5]
Вирусы, вызывающие заболевания у людей, часто проникают через рот, нос, половые пути или через поврежденные участки кожи, поэтому клетки дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, кожи и половых тканей часто являются первичным местом заражения. [2] [7] [4] Некоторые вирусы способны передаваться плоду млекопитающих через инфицированные половые клетки во время оплодотворения , на поздних стадиях беременности через плаценту и путем заражения при рождении. [2]
После первоначального проникновения в хозяина вирус захватывает механизм клетки хозяина, чтобы пройти вирусную амплификацию. Здесь вирус должен модулировать врожденный иммунный ответ хозяина, чтобы предотвратить его устранение организмом, одновременно способствуя его репликации. Реплицированный вирус из изначально инфицированной клетки затем рассеивается, чтобы заразить соседние восприимчивые клетки, возможно, с распространением на различные типы клеток, такие как лейкоциты. Это приводит к локализованной инфекции , при которой вирус в основном распространяется и заражает соседние клетки к месту проникновения. [5] [7] В противном случае вирус может быть выпущен во внеклеточные жидкости. Примеры локализованных инфекций включают: простуду ( риновирус ), грипп ( парагрипп ), желудочно-кишечные инфекции ( ротавирус ) или кожные инфекции ( папилломавирус ). [2]
В других случаях вирус может вызывать системное заболевание через диссеминированную инфекцию, распространяющуюся по всему телу. Преобладающий способ распространения вируса происходит через кровь или лимфатическую систему , некоторые из которых включают вирусы, ответственные за ветряную оспу ( вирус ветряной оспы ), оспу ( натуральную оспу ), ВИЧ ( вирус иммунодефицита человека ). Меньшая часть вирусов может распространяться через нервную систему. [2] [7] Примечательно, что полиовирус может передаваться фекально-оральным путем, где он первоначально размножается в месте своего проникновения, тонком кишечнике, и распространяется на региональные лимфатические узлы . Затем вирус распространяется через кровоток в различные органы тела (например, печень, селезенку), за которым следует вторичный раунд репликации и распространения в центральную нервную систему, повреждая двигательные нейроны . [4]
Наконец, вирусы распространяются в места, где может произойти выделение в окружающую среду. Дыхательные пути , пищеварительный и мочеполовой тракты, а также кровь являются наиболее частыми местами выделения в виде телесных жидкостей, аэрозолей, кожи, экскрементов. Затем вирус передается другому человеку и снова устанавливает цикл заражения. [2] [4] [7]
Существует несколько основных факторов, влияющих на вирусные заболевания:
Тропизм вируса относится к предпочтительному месту репликации вируса в дискретных типах клеток внутри органа. В большинстве случаев тропизм определяется способностью вирусных поверхностных белков сливаться или связываться с поверхностными рецепторами определенных целевых клеток для установления инфекции. Таким образом, специфичность связывания вирусных поверхностных белков диктует тропизм, а также разрушение определенных популяций клеток и, следовательно, является основным фактором, определяющим патогенез вируса. [2] [7] Однако иногда требуются корецепторы в дополнение к связыванию клеточных рецепторов на клетках-хозяевах с вирусными белками для установления инфекции. Например, ВИЧ-1 требует, чтобы клетки-мишени экспрессировали корецепторы CCR5 или CXCR4 поверх рецептора CD4 для продуктивного прикрепления вируса. [8] Интересно, что ВИЧ-1 может подвергаться переключению тропизма , когда вирусный гликопротеин gp120 изначально использует CCR5 (в основном на макрофагах) в качестве основного корецептора для проникновения в клетку-хозяина. Впоследствии ВИЧ-1 переключается на связывание с CXCR4 (в основном на Т-клетках ) по мере прогрессирования инфекции, тем самым переводя патогенность вируса на другую стадию. [8] [9]
Помимо клеточных рецепторов, вирусный тропизм может также регулироваться другими внутриклеточными факторами, такими как тканеспецифические факторы транскрипции . Примером может служить полиомавирус JC , тропизм которого ограничен глиальными клетками , поскольку его энхансер активен только в глиальных клетках, [2] а экспрессия гена вируса JC требует транскрипционных факторов хозяина, экспрессируемых исключительно в глиальных клетках. [9]
Доступность тканей и органов хозяина для вируса также регулирует тропизм. Доступность зависит от физических барьеров, [2] [7], например, у энтеровирусов, которые размножаются в кишечнике, поскольку они способны выдерживать желчь, пищеварительные ферменты и кислую среду. [9]
Вирусная генетика, кодирующая вирусные факторы, определит степень вирусного патогенеза. Это может быть измерено как вирулентность , которая может быть использована для сравнения количественной степени патологии между родственными вирусами. Другими словами, различные штаммы вируса, обладающие различными вирусными факторами, могут приводить к различным степеням вирулентности, что, в свою очередь, может быть использовано для изучения различий в патогенезе вирусных вариантов с различной вирулентностью. [10] [11]
Факторы вируса в значительной степени зависят от вирусной генетики, которая является детерминантой вирулентности структурных или неструктурных белков и некодирующих последовательностей . Для того чтобы вирус успешно инфицировал и вызвал заболевание у хозяина, он должен кодировать в своем геноме определенные факторы вируса, чтобы преодолеть профилактические эффекты физических барьеров и модулировать подавление хозяином репликации вируса. [2] [10] В случае полиовируса все штаммы вакцины, обнаруженные в оральной полиовакцине, содержат ослабляющие точечные мутации в 5'-нетранслируемой области (5' UTR). Наоборот, вирулентный штамм, ответственный за возникновение заболевания полиомиелитом, не содержит этих точечных мутаций 5' UTR и, таким образом, проявляет большую вирусную патогенность у хозяев. [1] [12]
Факторы вируса, закодированные в геноме, часто контролируют тропизм, пути проникновения вируса, его распространение и передачу. В полиовирусах считается, что ослабляющие точечные мутации вызывают дефект репликации и трансляции , чтобы снизить способность вируса к перекрестному связыванию с клетками хозяина и репликации в нервной системе. [12]
Вирусы также разработали множество механизмов иммуномодуляции для подрыва иммунного ответа хозяина. Это, как правило, включает кодируемые вирусом ложные рецепторы, которые нацелены на цитокины и хемокины, вырабатываемые как часть иммунного ответа хозяина, или гомологи цитокинов хозяина. [13] [14] Таким образом, вирусы, способные манипулировать реакцией клетки хозяина на инфекцию в качестве стратегии уклонения от иммунного ответа, проявляют большую патогенность.
Вирусный патогенез также во многом зависит от факторов хозяина. Несколько вирусных инфекций продемонстрировали различные эффекты, начиная от бессимптомной до симптоматической или даже критической инфекции, исключительно на основе различных факторов хозяина. В частности, генетические факторы, возраст и иммунокомпетентность играют важную роль, определяя, может ли вирусная инфекция быть смодулирована хозяином. [11] [15] Мыши, обладающие функциональными генами Mx, кодируют белок Mx1 , который может избирательно ингибировать репликацию гриппа . Поэтому мыши, несущие нефункциональный аллель Mx , не синтезируют белок Mx и более восприимчивы к инфекции гриппа. [16] С другой стороны, у людей с ослабленным иммунитетом из-за существующих заболеваний может быть дефектная иммунная система, что делает их более уязвимыми к повреждению вирусом. Кроме того, ряд вирусов проявляют различную патогенность в зависимости от возраста хозяина. Свинка , полиомиелит и вирус Эпштейна-Барр вызывают более тяжелое заболевание у взрослых, в то время как другие, такие как ротавирус, вызывают более тяжелую инфекцию у младенцев. Поэтому предполагается, что иммунная система хозяина и защитные механизмы могут меняться с возрастом. [10]
Вирусная инфекция не всегда вызывает болезнь. Вирусная инфекция просто включает репликацию вируса в хозяине, но болезнь — это повреждение, вызванное размножением вируса. [5] Человек, у которого есть вирусная инфекция, но не проявляются симптомы болезни, называется носителем . [ 17]
Попав внутрь клеток хозяина, вирусы могут разрушать клетки с помощью различных механизмов. Вирусы часто вызывают прямые цитопатические эффекты, нарушая клеточные функции. [11] [18] Это может быть связано с высвобождением ферментов для деградации метаболических предшественников хозяина или высвобождением белков, которые подавляют синтез важных факторов хозяина, белков, ДНК и/или РНК. [13] А именно, вирусные белки вируса простого герпеса могут разрушать ДНК хозяина и подавлять репликацию ДНК клетки хозяина и транскрипцию мРНК . [9] Полиовирус может инактивировать белки, участвующие в трансляции мРНК хозяина, не влияя на трансляцию мРНК полиовируса. В некоторых случаях экспрессия вирусных белков слияния на поверхности клеток хозяина может вызывать слияние клеток хозяина с образованием многоядерных клеток. Известные примеры включают вирус кори , ВИЧ , респираторно-синцитиальный вирус . [2] [13]
Важно отметить, что вирусные инфекции могут различаться по «стратегии образа жизни». Персистирующие инфекции случаются, когда клетки продолжают выживать, несмотря на вирусную инфекцию, и их можно далее классифицировать на латентные (присутствует только вирусный геном , репликация не происходит) и хронические (базальные уровни вирусной репликации без стимуляции иммунного ответа). При острых инфекциях литические вирусы выделяются в высоких титрах для быстрого заражения вторичной ткани/хозяина, тогда как персистирующие вирусы выделяются в более низких титрах для более длительной передачи (месяцы или годы). [1] [2] [19]
Литические вирусы способны разрушать клетки-хозяева, вызывая и/или вмешиваясь в специализированные функции клеток-хозяев. Примером может служить запуск некроза в клетках-хозяевах, инфицированных вирусом. [18] В противном случае, сигнатуры вирусной инфекции, такие как связывание ВИЧ с корецепторами CCR5 или CXCR4, также могут запускать гибель клеток через апоптоз через каскады сигналов хозяина иммунными клетками. [20] Однако многие вирусы кодируют белки, которые могут модулировать апоптоз в зависимости от того, является ли инфекция острой или постоянной. Индукция апоптоза, например, посредством взаимодействия с каспазами , будет способствовать вирусному выделению литических вирусов для облегчения передачи, в то время как вирусное ингибирование апоптоза может продлить производство вируса в клетках или позволить вирусу оставаться скрытым от иммунной системы при хронических, постоянных инфекциях. [9] [11] [18] Тем не менее, индукция апоптоза в основных иммунных клетках или антиген-презентирующих клетках может также действовать как механизм иммуносупрессии при персистирующих инфекциях, таких как ВИЧ. Основная причина иммуносупрессии у пациентов с ВИЧ связана с истощением CD4+ T-хелперных клеток . [4]
Интересно, что у аденовируса есть белок E1A , который индуцирует апоптоз, инициируя клеточный цикл, и белок E1B , который блокирует апоптотический путь посредством ингибирования взаимодействия каспазы. [21]
Стойкие вирусы иногда могут трансформировать клетки хозяина в раковые клетки . [15] [22] [18] Такие вирусы, как вирус папилломы человека (ВПЧ), Т-лимфотропный вирус человека (HTLV) и т. д., могут стимулировать рост опухолей у инфицированных хозяев, либо нарушая экспрессию гена-супрессора опухоли (ВПЧ), либо повышая экспрессию протоонкогена (HTLV). [15]
Иногда вместо клеточной смерти или клеточной дисфункции, вызванных вирусом, иммунный ответ хозяина может опосредовать болезнь и чрезмерное воспаление . Стимуляция врожденной и адаптивной иммунной системы в ответ на вирусные инфекции разрушает инфицированные клетки, что может привести к тяжелым патологическим последствиям для хозяина. Это повреждение, вызванное иммунной системой, известно как иммунопатология, вызванная вирусом . [23] [24]
В частности, иммунопатология вызвана чрезмерным высвобождением антител , интерферонов и провоспалительных цитокинов , активацией системы комплемента или гиперактивностью цитотоксических Т-клеток . Секреция интерферонов и других цитокинов может вызвать повреждение клеток, лихорадку и гриппоподобные симптомы. [23] [24] В тяжелых случаях некоторых вирусных инфекций, как при птичьем гриппе H5N1 в 2005 году , аномальная индукция иммунного ответа хозяина может вызвать вспышку высвобождения цитокинов, известную как цитокиновый шторм . [25]
В некоторых случаях вирусная инфекция может инициировать аутоиммунный ответ , который происходит посредством различных предполагаемых механизмов: молекулярной мимикрии и механизма свидетеля . [26] Молекулярная мимикрия относится к перекрытию структурного сходства между вирусным антигеном и собственным антигеном. [26] Механизм свидетеля предполагает инициирование неспецифического и чрезмерно реактивного противовирусного ответа, который в процессе борется с собственными антигенами. [26] Повреждения, вызванные самим хозяином из-за аутоиммунитета, наблюдались у вируса Западного Нила . [27]
Вирусы демонстрируют различные инкубационные периоды после проникновения вируса в хозяина. Инкубационный период относится ко времени, необходимому для начала заболевания после первого контакта с вирусом. [2] [7] У вируса бешенства инкубационный период варьируется в зависимости от расстояния, пройденного вирусом до целевого органа; но у большинства вирусов продолжительность инкубационного периода зависит от многих факторов. [7] [28] Удивительно, но генерализованные инфекции тогавирусами имеют короткий инкубационный период из-за прямого проникновения вируса в целевые клетки через укусы насекомых. [7]
Есть несколько других факторов, которые влияют на инкубационный период. Механизмы, лежащие в основе длительных инкубационных периодов, например, месяцев или лет, пока не полностью изучены. [28]
Некоторые относительно авирулентные вирусы в своем естественном хозяине демонстрируют повышенную вирулентность при переносе на новый вид хозяина . Когда появляющийся вирус впервые проникает в новый вид хозяина, хозяева имеют слабый или нулевой иммунитет против вируса и часто испытывают высокую смертность . Со временем иногда можно наблюдать снижение вирулентности в преобладающем штамме. Успешному патогену необходимо распространиться по крайней мере на одного другого хозяина, и более низкая вирулентность может привести к более высоким показателям передачи при некоторых обстоятельствах. Аналогичным образом, генетическая устойчивость к вирусу может развиться в популяции хозяина с течением времени. [2] [29]
Примером эволюции вирулентности в появляющемся вирусе является случай миксоматоза у кроликов. Выпуск диких европейских кроликов в 1859 году в Викторию, Австралия, для развлечения привел к чуме кроликов. Чтобы обуздать перенаселение кроликов, вирус миксомы , смертельный видоспецифический поксвирус, ответственный за миксоматоз у кроликов, был преднамеренно выпущен в Южной Австралии в 1950 году. Это привело к 90% сокращению популяции кроликов, и болезнь стала эндемичной в течение пяти лет. Примечательно, что сильно ослабленные штаммы вируса миксомы были обнаружены всего через 2 года после его выпуска, а генетическая устойчивость у кроликов появилась в течение семи лет. [30]