© Copyright by PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2017

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Autorzy i Wydawnictwo dołożyli wszelkich starań, aby wybór i dawkowanie leków w tym opracowaniu były zgodne z aktualnymi wskazaniami i praktyką kliniczną. Mimo to, ze względu na stan wiedzy, zmiany regulacji prawnych i nieprzerwany napływ nowych wyników badań dotyczących podstawowych i niepożądanych działań leków, Czytelnik musi brać pod uwagę informacje zawarte w ulotce dołączonej do każdego opakowania, aby nie przeoczyć ewentualnych zmian we wskazaniach i dawkowaniu. Dotyczy to także specjalnych ostrzeżeń i środków ostrożności. Należy o tym pamiętać, zwłaszcza w przypadku nowych lub rzadko stosowanych substancji.

Recenzent: prof. dr hab. n. med. Anna Przondo-Mordarska

Wydawca: Anna Plewa

Redaktor merytoryczny: Barbara Staśkiewicz

Producent: Magdalena Preder, Monika Walczak

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwa Lekarskiego: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Ilustracja na okładce: dmitrysteshenko/Fotolia

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2017

ISBN 978-83-200-5454-5

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Autorzy

Prof. dr hab. n. med. Maria Katarzyna Borszewska-Kornacka

Klinika Neonatologii i Intensywnej Terapii Noworodka, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Małgorzata Bulanda

Katedra Mikrobiologii, Collegium Medicum, Uniwersytet Jagielloński

Prof. dr hab. n. med. Krzysztof Chomiczewski

Zakład Patomorfologii, Wojskowy Instytut Medyczny w Warszawie

Prof. dr hab. med. Janusz Cianciara

Klinika Chorób Zakaźnych, Tropikalnych i Hepatologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Izabela Domitrz

Katedra i Klinika Neurologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Tomasz Dzieciątkowski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. wet. Małgorzata Gieryńska

Katedra Nauk Przedklinicznych, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Prof. dr hab. n. med. Renata Górska

Zakład Chorób Błony Śluzowej i Przyzębia, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Kazimierz Hałaburda

Klinika Transplantacji Komórek Krwiotwórczych, Instytut Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie

Prof. dr hab. n. med. Jacek Juszczyk

Profesor emerytowany, wieloletni kierownik Katedry i Kliniki Chorób Zakaźnych, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu

Prof. dr hab. n. med. Rafał Krenke

Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii i Alergologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Ernest Kuchar

Klinika Pediatrii z Oddziałem Obserwacyjnym, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Anna Majewska

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Sławomir Majewski

Klinika Dermatologii i Wenerologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Maciej Nowak

Zakład Chorób Błony Śluzowej i Przyzębia, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Agnieszka Pawlak

Zakład Fizjologii Stosowanej, Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN w Warszawie;

Klinika Kardiologii Inwazyjnej Centralnego Szpitala Klinicznego Ministerstwa Spraw Wewnętrznych i Administracji w Warszawie

Dr n. med. Maciej Przybylski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Jacek P. Szaflik

Katedra i Klinika Okulistyki, II Wydział Lekarski, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Agnieszka Tomaszewska

Klinika Transplantacji Komórek Krwiotwórczych, Instytut Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie

Dr n. med. Monika Wanke-Rytt

Klinika Pediatrii z Oddziałem Obserwacyjnym, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Alicja Wiercińska-Drapało

Klinika Chorób Zakaźnych, Tropikalnych i Hepatologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Marta Wróblewska

Zakład Mikrobiologii Stomatologicznej, Warszawski Uniwersytet Medyczny;

Zakład Mikrobiologii, Samodzielny Publiczny Centralny Szpital Kliniczny w Warszawie

Przedmowa

Współczesna wirusologia kliniczna stanowi naukę interdyscyplinarną, łączy bowiem wiedzę z zakresu chorób zakaźnych z elementami diagnostyki, epidemiologii, a nawet farmakologii. Problem zakażeń wirusowych jest obecnie niezmiernie istotny, ponieważ w ostatnich latach ciągle obserwuje się pojawianie nowych, dotąd nieznanych wirusów (np. MERS lub SARS). Jednocześnie notuje się nowe zagrożenia epidemiologiczne z powodu szerzenia się wirusów w regionach, w których dotąd ich nie notowano lub pojawiały się tylko na niewielką skalę (wirus Ebola, wirus Zika). Dotyczy to nawet wirusów przenoszonych przez stawonogi, uznawanych dotąd za patogeny występujące wyłącznie w regionach tropikalnych, a więc niezagrażające w Europie (np. wirus Chikungunya).

Dynamiczny rozwój wirusologii medycznej rozpoczął się w latach 80. XX w., w momencie szerokiego wprowadzenia do badań naukowych metod biologii molekularnej. Pozwoliły one nie tylko na lepsze poznawanie cech wirusów, lecz także na usprawnienie technik diagnostycznych oraz opracowywanie nowych leków przeciwwirusowych o zminimalizowanych działaniach niepożądanych.

Nowym wyzwaniem w medycynie są oportunistyczne zakażenia wirusowe zagrażające zdrowiu, a nawet życiu osób z głębokimi zaburzeniami odporności. Mimo że liczba leków przeciwwirusowych dostępnych w terapii tych zakażeń jest ciągle bardzo ograniczona, to jednak pojawiają się nowe opcje leczenia i profilaktyki tego typu infekcji.

Niniejsza książka adresowana jest przede wszystkim do lekarzy klinicystów, lecz także do innych przedstawicieli zawodów medycznych. Stanowi ważne uzupełnienie publikacji w zakresie wirusologii klinicznej, dostępnych w języku polskim, zwłaszcza że – mimo szybkiego i znacznego postępu wiedzy w tej dziedzinie – jest pierwszym takim opracowaniem od 40 lat. Książka napisana jest przez Autorów polskich, będących ekspertami w różnych dziedzinach medycyny i mikrobiologii klinicznej.

dr hab. n. med. Marta Wróblewska

dr hab. n. med. Tomasz Dzieciątkowski

1
Budowa i ogólne właściwości wirusów
Tomasz Dzieciątkowski

1.1. WSTĘP

Wirusy stanowią dużą i zróżnicowaną morfologicznie oraz pod względem wielkości grupę subkomórkowych (pozbawionych struktur komórkowych) czynników zakaźnych. Ich nazwa pochodzi od łacińskiego słowa virus, które oznacza jad lub truciznę. Pojedyncze cząstki wirusów noszą miano wirionów. Replikacja wirusów zachodzi wyłącznie wewnątrz żywych, wrażliwych (permisywnych) komórek, gdyż patogeny te nie mają żadnej aktywności metabolicznej niezależnej od komórki gospodarza, w której się namnażają. Na podkreślenie zasługuje fakt, że wirusy charakteryzują się opornością na antybiotyki, są natomiast wrażliwe na interferony (specyficzne białka przeciwwirusowe) oraz leki przeciwwirusowe.

W 1980 roku Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV) stworzył nadal obowiązującą rozwiniętą definicję wirusów, która opisuje ich wspólne cechy:

■ Wirion zawiera tylko jeden typ kwasu nukleinowego (DNA lub RNA).

■ Reprodukcja wirusów zachodzi w procesie syntezy de novo.

■ Wirion nie wykazuje cech wzrostu ani nie ma zdolności do bezpośredniego podziału.

■ Wirion nie ma w genomie informacji dla syntezy systemu umożliwiającego wytwarzanie energii (układu Lipmanna).

■ Wirion wykorzystuje rybosomy komórki gospodarza, co przesądza o jego bezwzględnym pasożytnictwie.

1.2. STRUKTURA WIRUSÓW

1.2.1. WIELKOŚĆ WIRIONÓW

Większość wirusów ze względu na swoją wielkość (20–300 nm) jest niewidoczna w mikroskopie świetlnym, z tego też powodu do obrazowania cząstek wirusów wykorzystuje się zazwyczaj mikroskopię elektronową. Wyjątek wśród wirusów zakażających człowieka stanowią przedstawiciele rodziny Poxviridae (wirus ospy prawdziwej, wirus krowianki), o wielkości zbliżonej do wielkości ciałek elementarnych Chlamydia spp., które zdaniem niektórych autorów mogą być widoczne w mikroskopie świetlnym.

Niedawno odkryto wirusy olbrzymie z rodzaju Mimivirus, Mamavirus, Megavirus czy Pandoravirus (o średnicy wirionu 400–1000 nm) zakażające ameby. Ich znaczenie w medycynie nie jest jeszcze poznane, lecz obecnie przypuszcza się, że mimiwirus może być czynnikiem etiologicznym zapalenia płuc u ludzi.

Na rycinie 1.1 przedstawiono wielkość wirusów w stosunku do bakterii i komórki eukariotycznej.

Wielkość pojedynczego wirionu stanowi jeden z elementów identyfikacji wirusa, jako że możemy je podzielić na wirusy: małe (20–50 nm), średnie (100–150 nm) oraz duże (200–300 nm). Kolejną cechą identyfikacyjną wirusa jest kształt jego cząstek. Niektóre wirusy mają charakterystyczną dla siebie postać: przedstawiciele rodziny Rhabdoviridae (wirus wścieklizny) mają kształt pocisku, cząstki zaś filowirusów (Marburg, Ebola) przypominają wydłużone, czasem posplatane pałeczki o długości dochodzącej do 800 nm. Wiriony wirusa zapalenia wątroby typu B (HBV) są widoczne w mikroskopii elektronowej jako okrągłe cząstki Dane’a, którym towarzyszą wydłużone skupiska antygenu powierzchniowego wirusa (HBsAg).

RYCINA 1.1
Porównanie wielkości wirusów, bakterii i komórki eukariotycznej.

1.2.2. GENOM WIRUSA

Rodzaj zawartego w genomie kwasu nukleinowego (wyłącznie DNA lub RNA) stanowi podstawowe kryterium klasyfikacji wirusów. Nie stwierdzono dotąd występowania obydwu rodzajów kwasów w tej samej cząstce wirusa.

Kwas nukleinowy zawierający materiał genetyczny wirusa określany jest jako jego genom. Zawiera on sekwencje kodujące oraz niekodujące, które mogą stanowić 3–10% genomu. W zależności od rodzaju wirusa poszczególne geny mogą kodować więcej niż jedno białko. W genomie wirusowym zawarte są informacje o tzw. genach strukturalnych, kodujących informacje dla syntezy białek rdzenia, kapsydu czy osłonki, oraz geny stanowiące sekwencje końcowe genomu. Poza genami strukturalnymi w genomie wirusowym obecne są także geny funkcjonalne, kodujące informacje o enzymach regulujących replikację i dalszą syntezę wirionów potomnych.

Cząsteczka wirusowego kwasu nukleinowego jest zazwyczaj liniowa, choć genom niektórych wirusów ma układ kolisty. Genom wirusa najczęściej występuje w części centralnej jego cząstki w postaci rdzenia, który zawiera zwinięty kwas nukleinowy oraz białka histonowe. Pojedynczy lub podwójny łańcuch polinukleotydowy stanowić może jedną całość lub występować w kilku segmentach, co znacząco ułatwia procesy rekombinacji i mutacji; dla przykładu wirusy grypy zawierają 7–8 segmentów ssRNA, reowirusy zaś – 10–12 segmentów dsRNA. Postacie genomów wirusowych przedstawiono na rycinie 1.2.

Materiał genetyczny wirusów DNA stanowi najczęściej podwójną nić DNA (double-stranded DNA, dsDNA). Wyjątek stanowią rodziny Parvo-, Anello- i Circoviridae, które zawierają w swoim genomie pojedynczą nić DNA (single-stranded DNA, ssDNA). Z kolei genom wirusów RNA zwykle tworzy pojedynczą nić kwasu rybonukleinowego (ssRNA). Wyjątkiem wśród wirusów zakażających człowieka są reowirusy, mające podwójną nić RNA (dsRNA).

W przypadku wirusów ssRNA istotnym kryterium klasyfikacji wirusów jest również określenie tzw. polarności genomu. Za polarność dodatnią uznaje się możliwość pełnienia przez genom podczas cyklu replikacyjnego bezpośrednio roli mRNA. O polarności ujemnej mówi się, gdy wirusowy RNA musi zostać przepisany na mRNA, aby doszło do translacji białek wirusa w obrębie rybosomów zakażonej komórki. Proces ten katalizuje enzym RNA-zależna RNA-polimeraza. U niektórych rodzin wirusów (Hantaviridae, Nairoviridae, Peribunyaviridae i Arenaviridae) genom ssRNA ma charakter ambisensowny. Znaczy to, że ich początkowe sekwencje mają orientację antysensowną, a przed translacją muszą być przepisane na mRNA, natomiast dalsze sekwencje wewnątrz genomu mają orientację sensowną i funkcjonują jako otwarte ramki odczytu.

RYCINA 1.2
Postacie genomów wirusowych.

Zależnie od stopnia skomplikowania struktury wirionu i liczby kodowanych białek genomy wirusowe mają różną wielkość, wyrażaną liczbą nukleotydów lub par zasad (base pairs, bp) tworzących cząsteczkę kwasu nukleinowego. Wielkość genomu wirusów zakażających człowieka waha się od około 4000 nukleotydów (wirusy małe, np. Parvoviridae) do > 300 000 par zasad u dużych wirusów, np. przedstawicieli rodziny Poxviridae. Kompletne cząstki zakaźne wirusów zawierają w swym genomie pełne informacje o zdolności do zakażania wrażliwych komórek oraz wytwarzania potomnych wirionów o takich samych właściwościach. Natomiast w wyniku spontanicznych mutacji w procesie replikacji wirusów tworzyć się mogą tzw. wirusowe cząstki defektywne (defective interfering particles, DIPs), które w wyniku utraty fragmentów genomu do replikacji wymagają innego, kompletnego wirusa z tej samej rodziny, zwanego wirusem pomocniczym (helper virus). DIPs mogą odgrywać istotną rolę w procesie zakażenia wirusowego, pobudzając układ odpornościowy do produkcji interferonów, ale także hamując replikację wirionów kompletnych czy predysponując komórki do transformacji nowotworowej. Niektóre wirusy, np. delta wirus, wirus zapalenia wątroby typu D (Hepatitis D virus, HDV), są tzw. wirusami satelitarnymi, które podobnie jak wirusy defektywne wymagają do swojej replikacji niehomologicznego „helpera”; w tym przypadku jest to wirus zapalenia wątroby typu B (Hepatitis B virus, HBV).

1.2.3. KAPSYD WIRUSA

Kwas nukleinowy, stanowiący rdzeń wirusa, otoczony jest przez płaszcz białkowy, nazywany kapsydem. Utworzony jest on przez powtarzające się jednostki białkowe – kapsomery. Są one polipeptydami lub agregatami polipeptydów, należących do białek strukturalnych wirusa. Białka te otaczają wirusowy genom, tworząc z nim tzw. nukleokapsyd. Rolą kapsydu jest ochrona wirusowego kwasu nukleinowego przed wpływem czynników zewnętrznych. W przypadku wirusów bezosłonkowych (nagich) kapsyd pełni także istotne funkcje w procesie wnikania wirionu do komórki.

Lokalizacja białek tworzących kapsyd względem genomu wirusa warunkuje symetrię jego nukleokapsydu i kształt cząstki. Większość wirusów ma symetrię ikosaedralną, często określaną jako typ symetrii bryłowej albo kubicznej, lub symetrię helikalną, podobną do spiralnych zwojów nici kwasu nukleinowego (ryc. 1.3). W pierwszym przypadku wiriony (z osłonką lub bez niej) mają kształt okrągły, w drugim zaś podobne są do wydłużonych pałeczek. Wśród części wirusów osłonkowych spotykany jest pleomorfizm. Cząstki zakaźne niektórych wirusów (np. Poxviridae) mają bardzo skomplikowaną strukturę, w której nie można odróżnić jednego wyraźnego kapsydu, lecz stwierdza się dodatkowe elementy strukturalne i kilka płaszczy białkowych skupionych wokół kwasu nukleinowego. Budowa taka nosi nazwę złożonej lub kompleksowej.

RYCINA 1.3
Typy symetrii wirusów.

1.2.4. OSŁONKA WIRUSA

Najprostszą budowę mają wirusy składające się wyłącznie z nukleokapsydu, zwane także wirusami bezosłonkowymi (nagimi). Bardziej skomplikowane są wirusy posiadające osłonkę (wirusy osłonkowe). Osłonka wirusów wywodzi się z błon cytoplazmatycznych komórki gospodarza, ale u większości wirusów nie zawiera białek komórkowych. Powstaje ona w trakcie pączkowania wirionów potomnych i przechodzenia przez błonę jądrową lub rzadziej przez błony siateczki śródplazmatycznej. Ze względu na obecność w niej lipidów wirusy osłonkowe łatwiej ulegają inaktywacji na skutek działania czynników fizykochemicznych. Lipidy osłonki stanowić mogą od około 5 do 54% wirionu, a występują głównie pod postacią fosfolipidów. Osłonki mogą zawierać również węglowodany (3–16%) pod postacią glikoproteidów, które mają istotny wpływ na swoistość antygenową wirusów. Tradycyjnie wirusy osłonkowe określane były jako „wrażliwe na eter”, natomiast wirusy nagie charakteryzują się obniżoną wrażliwością na działanie detergentów czy rozpuszczalników organicznych (eter, chloroform, alkohole).

1.2.5. BIAŁKA WIRUSOWE

Białka wirusowe stanowią 40–96% wirionu i zawierają aminokwasy typowe dla białek komórek gospodarza, w których wirusy się namnażają. Mają one jednak całkowicie odmienną strukturę przestrzenną, która pozwala na ich różnicowanie w budowie antygenowej z białkami komórkowymi. Ze względu na biosyntezę w rybosomach zakażonej komórki produkcja białek wirusowych odbywa się na takich samych zasadach jak białek komórkowych. Białka wirusowe pełnią wiele ważnych funkcji, począwszy od budulcowych (strukturalnych), do enzymatycznych i funkcjonalnych. Występujące u niektórych wirusów białka enzymatyczne niezbędne są w procesie replikacji wirusa (polimeraza DNA lub RNA) czy wytwarzania białek istotnych w procesie dojrzewania wirionów potomnych (proteaza). Patogeny zaliczane do retro- i hepadnawirusów zawierają unikatowy enzym, jakim jest odwrotna transkryptaza (rewertaza), która umożliwia przepisanie materiału genetycznego wirusa „wstecz” – z RNA na DNA.

Niektóre spośród wirusów mają na swojej powierzchni wypustki (peplomery), które zbudowane są z glikoprotein kodowanych przez genom patogenu. Określają one zwłaszcza swoistość antygenową wirusów osłonkowych i odgrywają istotną rolę w procesie przylegania (adsorpcji) wirionu do receptorów na powierzchni permisywnych komórek, co umożliwia wniknięcie wirusa do jej wnętrza i zajście procesu replikacji.

Typowym przykładem wypustki powierzchniowej jest hemaglutynina wirusa grypy (Orthomyxoviridae), która ułatwia jego adsorpcję i wnikanie do komórki. Inną wypustką powierzchniową tego wirusa jest neuraminidaza, wspomagająca uwalnianie wirionów potomnych. Obydwie te wypustki znajdują istotne zastosowanie w określaniu i typowaniu przynależności antygenowej wirusów grypy.

1.3. KLASYFIKACJA I TAKSONOMIA WIRUSÓW

Pozorna różnorodność wirusów przez lata powodowała trudności w ich dokładnej klasyfikacji. Stosowane uprzednio systemy miały swoje wady i zalety, jednak obecnie za obowiązującą uznaje się systematykę wirusów zatwierdzaną przez ICTV. Podlega ona nieustannym zmianom i modyfikacjom w miarę poznawania i porównywania sekwencji genomów poszczególnych wirusów, co pozwala na ich dokładną analizę filogenetyczną.

Chronologicznie najstarsza jest klasyfikacja kliniczna wirusów na podstawie objawów chorobowych, jakie wywołują. Przy zaletach, jakie niósł ten system z punktu widzenia lekarzy klinicystów, nie brał on pod uwagę w najmniejszym stopniu przynależności taksonomicznej patogenu. Najlepszym przykładem mogą być wirusy zapalenia wątroby, gdzie na podstawie samych objawów klinicznych nie można określić rodzaju wirusa zakażającego pacjenta; w tym celu niezbędne są dodatkowe badania wirusologiczne. Podobnie można wyróżnić wirusy jako: pneumotropowe, neurotropowe czy zakażające układ pokarmowy. Taką klasyfikację reprezentuje też grupa wirusów wywołujących gorączki krwotoczne.

Podobnie, z epidemiologicznego punktu widzenia, wirusy mogą być klasyfikowane na podstawie dróg ich szerzenia się w populacji. Wyróżnić więc można wirusy szerzące się drogą oddechową (aerogenną), pokarmową (fekalno-oralną) lub przenoszone drogą krwi i produktów krwiopochodnych. Stosunkowo często wirusy przenoszone przez stawonogi (komary, kleszcze i pchły) określa się zbiorczym mianem arbowirusów (arthropod-borne). Na podobnej zasadzie stworzono mniej popularny akronim robowirusów (rodent-borne), oznaczający wirusy przenoszone przez gryzonie.

1.3.1. KLASYFIKACJA WIRUSÓW BALTIMORE’A

Chociaż zarówno chorobotwórczość, jak i przebieg zakażenia, zakres gospodarzy czy tropizm tkankowy mogą służyć do podziału wirusów na grupy, ich klasyfikacja na podstawie pojedynczej czy nawet 2 powyższych cech nie umożliwia wyciągania wniosków na temat biologii pozostałych członków tej samej grupy. Ponadto podział taki nie daje żadnych informacji na temat sposobu replikacji patogenu. W tym celu noblista David Baltimore zaproponował schemat klasyfikacji, który charakteryzuje wszystkie wirusy na podstawie typu ich genomu i przebiegu ekspresji genów. Schemat taki daje możliwość wnioskowania na temat „zachowania się” wirusów w obrębie każdej zdefiniowanej grupy.

W oryginalnym systemie klasyfikacji Baltimore’a wirusy są pogrupowane zgodnie z mechanizmem syntezy mRNA, który wykorzystują w swym procesie replikacji. Zgodnie z przyjętym modelem każdy mRNA jest oznaczony jako dodatni (+) dla sensownego RNA. Nić RNA, która jest komplementarna do mRNA, określa się jako ujemną (–). Bazując na strukturze genomu (DNA lub RNA), liczbie i polarności jego nici, w połączeniu z dodatkowymi informacjami o procesie replikacji, zmodyfikowany system klasyfikacji oparty na oryginale zaproponowanym przez Baltimore’a definiuje 7 grup wirusów (tab. 1.1):

■ Klasa I zawiera wszystkie wirusy, mające w genomie dwuniciowe DNA. W tej klasie wskazanie polarności nici nie ma uzasadnienia, jako że mRNA może pochodzić z obydwu nici, transkrypcja zaś zachodzi w sposób analogiczny do prowadzonej w komórkach gospodarza.

■ Do klasy II należą wirusy mające pojedynczą nić DNA – najczęściej o polarności dodatniej, która przed syntezą mRNA ulega przepisaniu na dwuniciową formę pośrednią.

■ Klasa III grupuje wirusy, których genom stanowi dsRNA. Wszystkie znane wirusy zaliczane do tej klasy charakteryzują się segmentowanym genomem, a mRNA syntetyzowany jest tylko z jednej nici każdego segmentu. Proces transkrypcji z genomowego dsRNA jest podobny do transkrypcji z dwuniciowego DNA, jednakże enzymy niezbędne do jego przeprowadzenia nie występują w normalnych niezakażonych komórkach i są kodowane przez genom wirusa.

■ W skład klasy IV wchodzą wirusy o genomie zbudowanym z ssRNA o polarności dodatniej (+), który może bezpośrednio stanowić mRNA.

■ Klasa V zawiera wirusy, które mają genom złożony z ssRNA o polarności ujemnej (–). Transkrypcja wirusowego mRNA wymaga więc syntezy nici pośredniej, która stosowana jest też jako matryca do powstawania nowych genomów. Do klasy tej zaliczane są też rodziny wirusów ambisensownych, u których część genomu ma polarność dodatnią, a część ujemną.

■ Do klasy VI zaliczane są wirusy mające w genomie ssRNA, lecz syntetyzujące dsDNA na jego matrycy za pomocą odwrotnej transkryptazy, kodowanej przez wirus. Do zajścia cyklu replikacyjnego wirusa niezbędna jest integracja jego genomu z genomem komórki gospodarza.

■ Klasę VII cechują wirusy, które replikują swoje dsDNA z udziałem RNA jako formy pośredniej. Używają one mechanizmu odwrotnej transkrypcji, co zbliża je pod tym względem do wirusów zaliczanych do klasy VI.

Klasyfikacja Baltimore’a jako narzędzie do charakterystyki wirusów ma swoje mocne i słabe strony. Niewątpliwą zaletą jest przypisanie do klasy oparte na niezmiennych cechach genomu i replikacji wirusa. Wadą jest to, że pomimo łączenia wirusów z podobnym mechanizmem replikacji schemat ten nie uwzględnia ich różnic w budowie czy zakresie gospodarzy.

TABELA 1.1
Kryteria klasyfikacji wirusów Baltimore’a

Grupa

Rodzaj kwasu nukleinowego

Rodziny wirusów zakażających człowieka

I

dsDNA

Adenoviridae

Herpesviridae

Papillomaviridae

Polyomaviridae

Poxviridae

II

ssDNA; (+) polarność

Anelloviridae

Circoviridae

Parvoviridae

III

dsRNA; genom segmentowany

Birnaviridae

Reoviridae

IV

ssRNA; (+) polarność

Astroviridae

Caliciviridae

Coronaviridae

Flaviviridae

Hepeviridae

Picornaviridae

Togaviridae

V

ssRNA; (–) polarność

Arenaviridae

Bornaviridae

Hantaviridae*

Nairoviridae*

Peribunyaviridae*

Filoviridae

Orthomyxoviridae

Paramyxoviridae

Pneumoviridae*

Rhabdoviridae

rodzaj Deltavirus

VI

RT-ssRNA

Retroviridae

VII

RT-dsDNA

Hepadnaviridae

* Nowe rodziny utworzone w klasyfikacji ICTV w 2016 r. (opublikowanej w 2017 r.).

1.3.2. SYSTEMATYKA WIRUSÓW ICTV

Przypisując wirus do konkretnej grupy taksonomicznej, ICTV uwzględnia wiele różnych cech, obejmujących zakres żywicieli, cechy morfologiczne wirionu czy charakter i budowę genomu (tab. 1.2). Nadal jednak w przypadku wirusów utrudniona jest definicja gatunku, która często pozostaje punktem spornym. Decyzja o tym, co stanowi gatunek wirusa, jest nieraz arbitralna, ponieważ zazwyczaj zawierają one wiele różnych szczepów, znacznie różniących się sekwencją nukleotydów. Blisko spokrewnione gatunki wirusów są następnie grupowane w rodzaje. Te zaś tworzą podrodziny i rodziny, które mogą być uważane za podstawową jednostkę taksonomii wirusów. Najwyższym taksonem w systematyce wirusów jest rząd, do którego obecnie sklasyfikowana została tylko niewielka część wirusów. Należy więc podkreślić, że klasyfikacja wirusów nie jest tak jednoznaczna, jak w przypadku innych grup drobnoustrojów, takich jak bakterie czy grzyby.

Podział ICTV na rodziny zależy od typu i klasy kwasu nukleinowego, rozmiaru genomu, struktury wirionu i strategii replikacyjnej wykorzystywanej przez wirus. Ta ostatnia określana jest częściowo przez organizację genomu.

Według zaleceń ICTV nazwa gatunku musi zapewnić jego jednoznaczną identyfikację. Jednakże często w przypadku niektórych wirusów (np. herpeswirusów) obok ich nazw gatunkowych stosowane są też nazwy tradycyjne, typowo funkcjonujące w praktyce klinicznej (np. ludzki herpeswirus typu 4, znany powszechnie jako wirus Epsteina-Barr).

TABELA 1.2
Zasady systematyki wirusów [według: ICTV]

Kryteria klasyfikacji wirusów

Opis

Typ kwasu nukleinowego

DNA

RNA

Klasa kwasu nukleinowego

dsDNA

ssDNA

dsRNA

ssRNA

Obecność odwrotnej transkryptazy (RT)

wirusy RT (+)

wirusy RT (–)

Polarność genomu ssRNA wirusów

polarność dodatnia (+)

polarność ujemna (–)

genom ambisensowny (częściowo dodatni, częściowo ujemny)

Struktura genomu

liniowy

kolisty

ciągły (niesegmentowany)

segmentowany (liczba segmentów)

Wielkość genomu

(nukleotydów/par zasad)

mały: 1 700–7 000

średni: 10 000–45 000

duży: 120 000–400 000

Typ symetrii

ikosaedralna (bryłowa)

helikalna (spiralna)

złożona (kompleksowa)

Obecność osłonki

wirus osłonkowy

wirus bezosłonkowy (nagi)

Wielkość wirionu

mały: 20–40 nm

średni: 100–150 nm

duży: 200–400 nm

1.4. CHARAKTERYSTYKA PRZEBIEGU ZAKAŻEŃ WIRUSOWYCH

Do zajścia prawidłowej replikacji wirusa niezbędna jest wrażliwa (permisywna) komórka. W komórkach niepermisywnych namnażanie wirusa nie zachodzi, gdyż na jej powierzchni nie występują stosowne receptory lub brakuje czynników wymaganych przez patogen już po jego wniknięciu. W tym ostatnim przypadku replikacja może ulec rozpoczęciu, ale nie są syntetyzowane wiriony potomne.

Zakażenie komórki może mieć charakter produktywny, przetrwały (persystentny) lub utajony (latentny). W niektórych przypadkach wynikiem zakażenia wirusowego może być transformacja onkogenna komórki.

W przypadku zakażenia produktywnego wytwarzane są duże ilości kompletnych i zakaźnych wirionów potomnych, jednak zazwyczaj zakażona komórka gospodarza ulega zniszczeniu. Śmierć komórki może nastąpić na drodze indukcji apoptozy, jednak ten proces jest niekorzystny dla samego wirusa, który dąży do jego zahamowania. W przeciwieństwie do martwicy programowana śmierć komórki nie powoduje nasilenia odpowiedzi prozapalnej. Zazwyczaj jednak replikacja wirusa wpływa na utratę integralności błon komórkowych i/lub zmiany w obrębie cytoszkieletu. Można je obserwować w mikroskopie świetlnym, a wyrażają się tworzeniem wakuoli w komórce czy fuzją komórek z wytworzeniem syncytiów. Są one określane mianem efektu cytopatycznego (CPE).

Przy zakażeniu przetrwałym zainfekowana komórka gospodarza żyje i produkuje stale kompletne i zakaźne wiriony potomne. Osiągają one jednak znacznie mniejsze miana niż przy zakażeniu produktywnym; zazwyczaj też nie występują zaznaczone objawy kliniczne, choć może dochodzić do transmisji wirusa na wrażliwe osoby. Jednym z najlepszych przykładów jest przewlekłe zakażenie ludzkim wirusem niedoboru odporności (human immunodeficiency virus, HIV), gdzie z limfocytów T stale uwalniane są w niewielkich ilościach wiriony potomne, bez widocznego wpływu na komórkę gospodarza. Może ona wówczas przez długi czas zachowywać swoje normalne funkcje i zdolność do podziału. Podobne właściwości wykazuje wirus zapalenia wątroby typu C, mając zdolność do wywoływania przewlekłych zapaleń wątroby, które mogą utrzymywać się do końca życia.

Zakażenie latentne charakteryzuje całkowite zahamowanie wirusowej replikacji, ekspresja genów wirusa jest zaś ograniczona. Jego genom pozostaje na terenie jądra komórki w postaci kolistej (episomalnej) lub zintegrowanej z materiałem genetycznym komórki gospodarza. Brak jest wówczas jakichkolwiek objawów klinicznych, a stan taki trwać może w nieskończoność. Przykładem zakażeń latentnych są infekcje powodowane przez α-herpeswirusy: wirus opryszczki zwykłej (herpes simplex virus, HSV) i wirus ospy wietrznej i półpaśca (varicella-zoster virus, VZV), które po pierwotnym zakażeniu produktywnym ulegają latencji w komórkach nerwowych. W wyniku osłabienia funkcjonowania układu immunologicznego lub innych czynników zewnętrznych wirus może ulec reaktywacji i jest transportowany drogą nerwową do zakończeń czuciowych, dając endogenne zakażenie produktywne.

W niektórych sytuacjach możliwa jest transformacja onkogenna komórki spowodowana przez zakażenie wirusowe. Transformacja taka jest procesem „pojedynczego uderzenia”, bowiem do zmian we wrażliwej komórce wystarczy tylko jeden wirion, predysponują jednak do nich zakażenia z dużą liczbą powstających cząstek defektywnych. Indukcja onkogenezy jest najczęściej wynikiem deregulacji cyklu komórkowego i/lub zahamowaniem przez wirus mechanizmów apoptozy. Proces ten jest nieodwracalny i prowadzi do niekontrolowanego wzrostu komórek, zachodzi natomiast na wielu etapach. Transformowane komórki nie zawsze muszą powodować chorobę nowotworową – przy prawidłowo funkcjonującym układzie odpornościowym zmienione komórki są sprawnie niszczone przez komórki NK i cytotoksyczne limfocyty T.

PIŚMIENNICTWO

1. Carter J., Saunders V.: Virus structure. W: Virology: Principles and applications (red. J. Carter, V. Saunders). Wiley, Chichester 2013.

2. Dimmock N.J., Easton A.J., Leppard K.N.: The nature of viruses. W: Introduction to modern virology, wyd. 7 (red. N.J. Dimmock, A.J. Easton, K.N. Leppard). Wiley-Blackwell, Oxford 2016.

3. Louten J.: Virus structure and classification. W: Essential human virology, wyd. 1 (red. J. Louten). Elsevier – Academic Press, San Diego 2016.

4. Wróblewska M.: Wirusologia ogólna. W: Mikrobiologia lekarska (red. P.B. Heczko, M. Wróblewska, A. Pietrzyk). Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2014.

5. http://ictvonline.org/virusTaxonomy.asp (dostęp: 21.06.2017).

2
Mechanizmy odporności w zakażeniach wirusowych
Małgorzata Gieryńska

2.1. WSTĘP

Immunologia jest nauką zajmującą się mechanizmami odporności wrodzonej i nabytej organizmu, zaburzeniami tych procesów i sposobami ich modulacji. Ludzie (podobnie jak zwierzęta) mają w ciągu życia wielokrotnie kontakt z drobnoustrojami zdolnymi do wywołania chorób zakaźnych, jednak stosunkowo rzadko następuje rozwój choroby. Badanie mechanizmów odporności przeciwzakaźnej na poziomie molekularnym i komórkowym pozwala zrozumieć przebieg infekcji, patogenezę choroby zakaźnej i powstanie długotrwałej pamięci immunologicznej o charakterze obronnym. Układ odpornościowy skutecznie chroni gospodarza przed rozwojem choroby poprzez 4 podstawowe funkcje:

• dokonanie rozpoznania immunologicznego;

• włączenie mechanizmów efektorowych odpowiedzi immunologicznej;

• prawidłową regulację odpowiedzi immunologicznej;

• wytworzenie pamięci immunologicznej.

Układ odpornościowy swoje prawidłowe funkcjonowanie zawdzięcza ścisłej współpracy mechanizmów odporności nieswoistej (wrodzonej) i odporności swoistej (nabytej). Oba te mechanizmy współdziałają ze sobą w drodze bezpośredniego kontaktu między komórkami oraz przez interakcje, w których uczestniczą mediatory chemiczne – cytokiny, w tym chemokiny. Układ odpornościowy wykazuje tolerancję w stosunku do antygenów własnych (self-antigens) przy jednoczesnej zdolności rozpoznawania antygenów niewłasnych (non-self antigens) i wzbudzania przeciwko nim swoistej odpowiedzi immunologicznej.

2.2. PODSTAWY ODPORNOŚCI NIESWOISTEJ I SWOISTEJ

Organizmy ludzi i zwierząt są skutecznie chronione przed czynnikami zakaźnymi i uszkodzeniami, które mogą stać się przyczyną choroby, oraz przed szkodliwymi substancjami (np. toksyny bakteryjne) dzięki obecności układu odpornościowego. Jest to unikatowy system obejmujący komórki, tkanki i narządy oraz liczne substancje czynne biologicznie i sieci czynnościowe wzajemnego oddziaływania mechanizmów obronnych.

Mechanizmy odporności nieswoistej (wrodzonej) zapewniają natychmiastową obronę przed większością drobnoustrojów. Rozbudowana sieć cytokin (w tym chemokin) jest odpowiedzialna za swego rodzaju rozmowę między komórkami, która prowadzi do indukcji stanu zapalnego, rekrutacji i pobudzenia komórek migrujących do ogniska zapalenia, aktywacji dopełniacza i w rezultacie do eliminacji czynnika, który spowodował uszkodzenie. Brak stymulatora, jakim jest np. drobnoustrój, endocytoza lub złuszczanie cząsteczek adhezyjnych oraz obecność pewnych cytokin regulatorowych, takich jak np. interleukina 10 (interleukin 10, IL-10), transformujący czynnik wzrostu α (transforming growth factor α, TGF-α) oraz prostaglandyny, prowadzą do wyciszenia odpowiedzi nieswoistej. W wielu przypadkach mechanizmy odpowiedzi nieswoistej są zdolne do wyeliminowania czynnika zakaźnego, jednak zwykle do całkowitego usunięcia patogenów konieczne jest zaangażowanie także mechanizmów odporności swoistej (nabytej), w przebiegu której tworzy się pamięć immunologiczna. Aktywacja tych mechanizmów wymaga dłuższego czasu. Odpowiedź nieswoista, włączana natychmiast, nie tylko chroni organizm gospodarza i kontroluje rozwój zakażenia, lecz także pozwala na rozwój odpowiedzi swoistej i powstanie długożyjących komórek pamięci. Odpowiedź swoista, którą makroorganizm uzyskuje w ciągu całego życia, zwykle ulega zwiększeniu wskutek kolejnych kontaktów z danym antygenem. Jej głównymi składowymi jest odpowiedź humoralna i komórkowa. Mechanizmy odporności nieswoistej i swoistej przedstawiono w tabeli 2.1.

2.2.1. RECEPTORY KOMÓRKOWE

Podstawowym zadaniem układu odpornościowego jest wykrycie niebezpieczeństwa w postaci obcych antygenów – czynników zakaźnych lub własnych, lecz zmienionych komórek, które uległy zakażeniu lub transformacji nowotworowej. Do odróżnienia antygenów własnych od obcych organizm gospodarza angażuje komórki zarówno odpowiedzi nieswoistej, jak i swoistej, wykazujące obecność odpowiednich receptorów. Cząsteczki rozpoznawane przez receptory odporności nieswoistej (wrodzonej) różnią się od determinantów antygenowych rozpoznawanych przez receptory odporności swoistej (nabytej).

TABELA 2.1
Mechanizmy odporności nieswoistej i swoistej

Typ odpowiedzi

Mechanizmy komórkowe i humoralne

Nieswoista

fagocytoza: komórki żerne – fagocyty (neutrofile, monocyty, makrofagi)

komórki prezentujące antygen (APC): komórki dendrytyczne, makrofagi, monocyty

komórki NK

aktywacja układu dopełniacza

cytokiny (w tym chemokiny)

Swoista

odpowiedź komórkowa: limfocyty T

odpowiedź humoralna: limfocyty B (funkcjonujące jako APC), komórki plazmatyczne, przeciwciała

Receptory odporności nieswoistej rozpoznają bardzo szeroki zakres struktur charakterystycznych dla czynników zakaźnych i niewytwarzanych w organizmach wyższych. Są to molekularne wzorce związane z patogenami – PAMP (pathogen-associated molecular patterns) lub ogólnie z drobnoustrojami – MAMP (microbe-associated molecular patterns). Wzorce molekularne wspólne dla spokrewnionych grup patogenów pełnią u nich zwykle ważne funkcje fizjologiczne, są niezbędne do przeżycia drobnoustrojów w danym środowisku, ich budowa jest konserwatywna w obrębie danej klasy i są prezentowane konstytutywnie. W odróżnieniu od tego, receptory odpowiedzi swoistej – receptory BCR (B cell receptor) limfocytów B i przeciwciała, oraz receptory TCR (T cell receptor) limfocytów T – wysoce swoiście rozpoznają określone fragmenty antygenu – pojedyncze determinanty/epitopy.

Mechanizmy odpornościowe są zdolne odróżnić patogeny od czynników niezakaźnych mimo tego, że często wykazują one takie same wzorce molekularne. Wyjaśnia to model „sygnału niebezpieczeństwa w indukcji odpowiedzi immunologicznej”, zgodnie z którym czynniki zakaźne i inne stresory molekularne uszkadzające komórki gospodarza pobudzają je do wytwarzania i uwalniania endogennych związków określanych jako wzorce molekularne związane z uszkodzeniem – DAMP (damage-associated molecular patterns) oraz alarmin. Rozpoznanie PAMP w połączeniu z identyfikacją DAMP przez receptory odporności wrodzonej prowadzi do rozwoju ostrej reakcji zapalnej, najczęściej koniecznej do indukcji odpowiedzi immunologicznej. Według modelu „własny – niewłasny antygen”, własne antygeny są tolerowane, a odpowiedź immunologiczna jest indukowana tylko wtedy, gdy antygen zostanie rozpoznany jako obcy.

Na drodze ewolucji organizmy wyższe wykształciły receptory rozpoznające wzorce molekularne (pattern recognition receptors, PRR), znajdujące się na powierzchni i wewnątrz komórki, odpowiedzialne za przesyłanie sygnału wewnątrzkomórkowego w następstwie związania odpowiednich ligandów – PAMP i DAMP, co prowadzi do syntezy chemokin i innych cytokin prozapalnych. PRR, dzięki swojemu rozmieszczeniu, są odpowiedzialne za kontrolę wszystkich przestrzeni komórki. Z błoną cytoplazmatyczną komórki związane są receptory Toll-podobne (Toll-like receptors, TLR) i receptory lektynowe typu C (C-type lectin receptors, CLR), natomiast z błoną pęcherzyków endocytarnych związane są tylko niektóre TLR. Cytoplazma kontrolowana jest przez receptory zdolne do rozpoznania wzorców molekularnych mikroorganizmów, które zdołały przedostać się do tej przestrzeni. Są to receptory NOD-podobne (nucleotide-binding domain leucine-rich repeat containing family [NOD]-like receptors, NLR), receptory RIG-podobne (retinoic acid-inducible gene [RIG]-like receptors, RLR), zależny od DNA aktywator czynnika regulatorowego interferonu – IFN (DNA-dependent activator of IFN-regulatory factors, DAI) oraz receptor AIM-2 (absent in melanoma 2). Receptory te są prezentowane nie tylko przez profesjonalne komórki prezentujące antygen (komórki dendrytyczne, makrofagi, limfocyty B), lecz także przez inne typy komórek, takie jak neutrofile, komórki tuczne, fibroblasty, keratynocyty, komórki nabłonkowe przewodu pokarmowego i układu moczowo-płciowego, zlokalizowane w potencjalnych wrotach zakażenia, dzięki czemu wykrycie i związanie przez nie liganda stymuluje miejscową syntezę chemokin i innych cytokin. Mediatory prozapalne wytwarzane przez komórki gospodarza, czyli interleukiny (IL-1β, IL-6, IL-12, IL-18), czynnik martwicy nowotworu α (tumour necrosis factor α, TNF-α), interferony i chemokiny (CCL2, CCL3, CCL4, CCL5, CCL11, CXCL8, CXCL10) o charakterze plejotropowym, regulują indukcję śmierci komórek w tkankach objętych stanem zapalnym, wywołują gorączkę, są odpowiedzialne za zwiększenie przepuszczalności ścian naczyń krwionośnych, stymulują zwiększenie ekspresji cząsteczek adhezyjnych na komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych i na leukocytach, co pozwala na migrację komórek z krążenia do tkanek objętych zakażeniem. W ognisku zapalenia gromadzi się wielka liczba komórek żernych, aktywowany jest układ dopełniacza, a zakażone i/lub uszkodzone komórki są eliminowane na drodze fagocytozy oraz przez cytotoksyczne komórki NK i limfocyty T.

2.2.2. KOMÓRKI BIORĄCE UDZIAŁ W ODPOWIEDZI NIESWOISTEJ

W odpowiedzi nieswoistej ważną rolę odgrywają fagocyty, komórki prezentujące obce antygeny oraz komórki NK.

KOMÓRKI ŻERNE – FAGOCYTY

Fagocytoza to proces polegający na pochłanianiu czynnika zakaźnego przez komórki żerne i wewnątrzkomórkowym zabijaniu go w fagolizosomach. Pełni podstawową rolę w rozpoznaniu i zniszczeniu patogenów oraz w eliminacji martwych, uszkodzonych lub zakażonych komórek organizmu. Głównymi komórkami żernymi (fagocytami) są granulocyty obojętnochłonne (neutrofile), monocyty i makrofagi. W przebiegu fagocytozy i pod wpływem stymulacji za pośrednictwem PRR komórki te wytwarzają i uwalniają cytokiny konieczne do regulacji czynności innych komórek. Makrofagi są także zdolne do przetwarzania i prezentacji antygenów pochłoniętych patogenów, co jest warunkiem indukcji swoistej odpowiedzi immunologicznej. Komórki żerne poprzez znajdujące się w ich błonie cytoplazmatycznej PRR rozpoznają określone PAMP drobnoustrojów, a za pośrednictwem receptorów dla fragmentu Fc przeciwciała i składowej C3 dopełniacza rozpoznają także czynniki zakaźne oraz własne zakażone komórki opłaszczone przeciwciałami i/lub dopełniaczem, co prowadzi do ich pochłonięcia.

Fagocytoza drobnoustrojów wywołuje w komórkach żernych pobudzenie procesów oddechowych i zwiększone zużycie glukozy i tlenu, określane jako wybuch tlenowy. Podczas tego procesu powstają reaktywne formy tlenu, niszczące sfagocytowane patogeny. Wiązanie się czynnika zakaźnego z komórkami żernymi za pośrednictwem TLR prowadzi do syntezy i wydzielania TNF-α, który w sposób autokrynny indukuje ekspresję indukowalnej syntazy tlenku azotu, co z kolei prowadzi do produkcji tlenku azotu, ważnego czynnika uszkadzającego drobnoustroje w przebiegu zapalenia. Czynniki zakaźne są też niszczone przez enzymy zawarte w ziarnistościach lizosomalnych i uwalniane z nich po utworzeniu fagolizosomu. Jest to zabijanie na drodze pozatlenowej, wysoce skuteczne i umożliwiające komórkom żernym zniszczenie tych mikroorganizmów, których fagocytoza nie wzbudza tworzenia reaktywnych form tlenu.

KOMÓRKI PREZENTUJĄCE ANTYGEN

Łącznikiem pomiędzy odpornością wrodzoną i nabytą są komórki prezentujące antygen (antigen-presenting cells, APC), ponieważ oddziaływanie komórka–komórka jest najważniejszym elementem w obronie przeciwzakaźnej. Jest to możliwe dzięki tworzeniu synapsy immunologicznej, w skład której wchodzą receptory TCR limfocytów T, cząsteczki głównego układu zgodności tkankowej (major histocompatibility complex, MHC), cząsteczki kostymulujące i ich ligandy, kinazy, białka adaptorowe oraz cząsteczki adhezyjne stabilizujące połączenie między komórkami i uczestniczące również w przekazywaniu sygnałów z błony komórkowej do jądra komórkowego. Bezpośrednie sąsiedztwo skupisk receptorów i cząsteczek kostymulujących pozwala na szybką i precyzyjną reakcję, nawet jeśli stężenie antygenu w środowisku jest niskie.

APC stanowią heterogenną populację komórek odpowiedzialnych za aktywację limfocytów T (CD4⁺ i CD8⁺). Do tej populacji zaliczane są komórki dendrytyczne i makrofagi (komórki odporności nieswoistej) oraz limfocyty B (komórki odporności swoistej). Cechą wyróżniającą i charakterystyczną APC jest stała ekspresja cząsteczek MHC klasy II, które występują w ich błonie cytoplazmatycznej niezależnie od białek MHC klasy I, prezentowanych przez wszystkie komórki jądrzaste.

Główną funkcją APC jest rozpoznanie za pomocą receptorów odpowiedzi wrodzonej, pobranie i przetworzenie czynników, ogólnie określanych jako „niebezpieczne”. Konsekwencją procesu przetwarzania jest degradacja (proteoliza) antygenu(ów), umieszczenie powstałych w wyniku proteolizy peptydów w rowku do prezentacji cząsteczek MHC i prezentacja kompleksów peptyd–MHC na powierzchni komórki, gdzie są następnie swoiście rozpoznawane przez receptory TCR na limfocytach Tαβ.

Szlaki prezentacji antygenu w kontekście MHC klasy I i MHC klasy II są różne. Cząsteczki MHC klasy I prezentują antygeny syntetyzowane w cytoplazmie komórki jądrzastej (także APC) – antygeny endogenne, a więc własne białka, ale również antygeny wewnątrzkomórkowych czynników zakaźnych. W konsekwencji następuje rozpoznanie kompleksów peptyd–MHC klasy I i aktywacja limfocytów T CD8⁺. Natomiast cząsteczki MHC klasy II na powierzchni APC prezentują peptydy antygenów egzogennych, pobranych przez komórkę, umiejscowionych w przestrzeniach międzykomórkowych. Rozpoznanie kompleksów peptyd–MHC klasy II indukuje limfocyty T CD4⁺. W prezentacji z udziałem cząsteczek MHC klasy I mogą uczestniczyć wszystkie komórki jądrzaste. W tym przypadku komórka prezentująca antygen jest jednocześnie komórką docelową dla komórki efektorowej. Natomiast w prezentacji antygenów z udziałem MHC klasy II mogą brać udział tylko wyspecjalizowane APC.

Receptory TCR na limfocytach T, rozpoznające strukturę przestrzenną prezentowanego epitopu, nie wiążą wolnych (rozpuszczalnych) antygenów, lecz jedynie peptydy związane z cząsteczkami MHC (kompleksy peptyd–MHC) w błonie cytoplazmatycznej własnych komórek. To prawidłowe rozpoznanie antygenowe jest podstawowym warunkiem stymulacji odpowiedzi swoistej (nabytej). Jest ono wzmacniane przez znajdujące się na limfocytach T cząsteczki określane jako koreceptory: CD4 i CD8.

KOMÓRKI NK

Szczególnie ważną populację komórek odporności nieswoistej stanowią komórki NK (natural killer cells, NK). Są to duże limfocyty, zdolne do spontanicznej cytotoksyczności, jednak niewykazujące ekspresji receptorów charakterystycznych dla limfocytów T lub B. Na ich powierzchni znajduje się kilka typów receptorów, wśród których najważniejsze są receptory o charakterze Ig-podobnym oraz receptory lektynowe. W każdej z tych 2 grup można wyróżnić receptory hamujące i aktywujące komórki NK. Głównymi ligandami receptorów komórek NK są białka głównego układu zgodności tkankowej MHC klasy I – zarówno klasyczne, jak i nieklasyczne. Komórki NK wykazują też obecność innych receptorów aktywujących, jak integryna (CD11a/CD18), receptor typu III (CD16) wiążący fragment Fc IgG, co umożliwia cytotoksyczność zależną od przeciwciał (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity – ADCC), a także TLR.

Mechanizm ADCC jest związany z obecnością w cytoplazmie komórek NK ziaren azurofilnych zawierających perforyny, proteazy serynowe (granzymy, granulizyny) i białko TIA-1 (T cell intracellular antigen 1). Komórki NK są zdolne do rozpoznania i zniszczenia komórek zakażonych wirusem, znacznie uszkodzonych lub tych, które uległy transformacji nowotworowej. Mechanizm cytotoksyczności bezpośredniej komórek NK jest regulowany przesyłanymi z receptorów błonowych przeciwstawnymi sygnałami: hamującymi i aktywującymi. Receptory aktywujące prowadzą do wzbudzenia aktywności litycznej komórki NK i do śmierci komórki docelowej, natomiast receptory hamujące, oceniające prawidłowość ekspresji białek MHC klasy I na powierzchni komórki docelowej, blokują tę aktywność. Brak lub obniżenie na powierzchni komórki docelowej ekspresji kompleksu MHC klasy I–peptyd w przebiegu zakażenia wirusowego, w stresie molekularnym lub podczas transformacji nowotworowej, jest sygnałem aktywującym komórkę NK. Bez sygnału hamującego sygnał „zabić” pobudza komórkę NK w ciągu milisekund i następuje atak na komórkę docelową.

Aktywujący receptor NKG2D (natural killer group 2D) jest zaangażowany w rozpoznawanie i zabijanie komórek zakażonych wirusem, które uległy transformacji nowotworowej lub stresowi molekularnemu. Takie komórki pod wpływem bodźca zaczynają prezentować ligandy dla receptora NKG2D, którymi są: białko podobne do MHC klasy I – MICA lub MICB (MHC class I-chain-related protein A or B), oraz białko ULBP (UL16 binding protein 1).

Komórki NK określane są jako „strażnicy organizmu” i stanowią zasadniczy element nadzoru immunologicznego (ryc. 2.1).

RYCINA 2.1
Regulacja aktywności komórek NK przy udziale receptorów aktywujących/hamujących.

2.2.3. UKŁAD DOPEŁNIACZA

W ognisku zapalenia aktywowany jest układ dopełniacza, który jest ważnym mechanizmem efektorowym odpowiedzi immunologicznej. Układ dopełniacza to grupa około 35 białek osoczowych (określanych literą „C” i odpowiednią cyfrą) produkowanych przez różne typy komórek (makrofagi, hepatocyty, komórki nabłonka przewodu pokarmowego) i pełniących ważne funkcje w procesach odporności i powstawania stanu zapalnego. Białka te krążą we krwi i wszystkich płynach ustrojowych w postaci proenzymów (zymogenów), które w miejscu objętym stanem zapalnym są aktywowane kaskadowo. Wyróżnia się 3 drogi aktywacji dopełniacza:

• droga klasyczna, zależna od obecności immunokompleksów antygen–przeciwciało (IgM, IgG);

• droga alternatywna, w której głównymi aktywatorami są składowe ścian komórkowych bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych (głównie lipopolisacharyd), niektóre wirusy i zakażone przez nie komórki, grzyby, pierwotniaki, niektóre robaki pasożytnicze, a także niektóre komórki nowotworowe;

• droga lektynowa, która inicjowana jest przez białko wiążące mannozę, fukozę i N-acetyloglukozaminę ściany komórkowej wielu bakterii.

Niezależnie od tego, która ścieżka jest indukowana, każda z nich prowadzi do powstania konwertazy C3, a następnie konwertazy C5 zapoczątkowującej końcowy etap kaskady dopełniacza i powstanie kompleksu atakującego błonę. Obie konwertazy określane są też jako anafilatoksyny, bowiem powodują gwałtowną degranulację komórek tucznych, co przyczynia się do ciągłego napływu komórek do miejsca zapalenia. Bezpośrednim skutkiem aktywacji układu dopełniacza jest liza komórek, na powierzchni których został utworzony kompleks immunologiczny. Dopełniacz odpowiada za usuwanie kompleksów immunologicznych i jego składniki działają jako chemoatraktanty, uczestnicząc w rozwoju zapalenia, a poprzez opsonizację ułatwiają fagocytozę. Układ dopełniacza wraz z komórkami żernymi należy do najstarszych filogenetycznie mechanizmów nieswoistej, przede wszystkim przeciwbakteryjnej, obrony organizmu.

2.2.4. KOMÓRKI BIORĄCE UDZIAŁ W ODPOWIEDZI SWOISTEJ

ODPOWIEDŹ KOMÓRKOWA (LIMFOCYTY T)

Pod wpływem aktywacji wynikającej z rozpoznania antygenu i środowiska cytokinowego, w jakim stymulowana komórka się znajduje, pobudzony limfocyt T CD4⁺ zaczyna proliferować i przekształca się w komórki efektorowe zdolne do ukierunkowania swoistej odpowiedzi immunologicznej. W obrębie populacji limfocytów T CD4⁺ można wyróżnić:

• funkcjonalne subpopulacje różniące się profilem wydzielanych cytokin, takie jak Th1, Th2, Th9, Th17, Th22, Tfh;

• komórki regulatorowe biorące udział w wyciszaniu odpowiedzi immunologicznej i utrzymywaniu tolerancji obwodowej: Treg (CD4⁺CD25⁺FoxP3⁺), Tr1 oraz Th3.

Ponieważ głównym zadaniem limfocytów T CD4⁺ jest aktywacja komórek układu odpornościowego, dzięki wydzielanym cytokinom komórki te uczestniczą praktycznie w każdym aspekcie humoralnej i komórkowej obrony swoistej. Limfocyty Th2 i ich cytokiny (IL-4, IL-5, IL-10) oraz limfocyty Tfh, wraz z IL-4 i IFN-γ, aktywują limfocyty B, umożliwiając ich proliferację i przekształcenie w komórki plazmatyczne wydzielające antygenowoswoiste przeciwciała. Limfocyty Th1 i ich cytokiny (IL-2 i IFN-γ) umożliwiają przekształcenie się dziewiczych limfocytów T CD8⁺ w komórki cytotoksyczne, aktywują makrofagi i komórki NK oraz zwiększają ich aktywność bójczą. Limfocyty Th17 wraz z IL-17 oraz komórki Th22 wraz z IL-22 wpływają na rozwój zapalenia poprzez aktywację komórek zrębu do wydzielania cytokin prozapalnych i nasilają odpowiedź nieswoistą w obrębie skóry i błon śluzowych, a Th9 wraz z IL-9 angażują się w mechanizmy obrony przeciwpasożytniczej.

Komórkowa odpowiedź immunologiczna nie angażuje przeciwciał, a jej głównym mechanizmem efektorowym są komórki cytotoksyczne oraz cytokiny uwalniane przez te komórki. Od niedawna wiadomo, że poza komórkami odporności swoistej (nabytej), czyli limfocytami T CD8⁺, również komórki odporności nieswoistej (wrodzonej) – makrofagi i komórki NK – eliminujące w sposób bezpośredni patogeny i zakażone komórki, są włączane do tego typu odpowiedzi.

Główną bronią organizmu przeciwko zakażeniom czynnikami wewnątrzkomórkowymi i nowotworom jest niszczenie własnych, zagrażających gospodarzowi komórek przez cytotoksyczne limfocyty T (cytotoxic T cells, CTL). Wywodzą się one z dziewiczych limfocytów T CD8⁺, które dzięki antygenowoswoistej aktywacji w kontakcie z białkami MHC klasy I i cytokinowej pomocy ze strony limfocytów Th1, przekształciły się w komórki efektorowe. Głównym zadaniem CTL jest zabicie komórki docelowej wykazującej ekspresję obcego (alogenicznego) MHC klasy I lub obecność kompleksów obcy peptyd–własny MHC klasy I. Po swoistym związaniu TCR z kompleksem peptyd–MHC klasy I, następuje gwałtowna liza komórki docelowej, zależna od uwalnianych przez CTL perforyn, granzymów i granulizyny lub indukcja apoptozy w komórce docelowej zależna od zaangażowania białek Fas (komórka docelowa) i FasL (CTL). Pobudzone CTL – poza eliminacją zakażonych/transformowanych własnych komórek – wydzielają cytokiny (głównie IFN-γ) wpływające na aktywność wielu komórek immunologicznie kompetentnych.

Szczególną, heterogenną populację stanowią limfocyty Tγδ, które nie tylko różnią się od limfocytów Tαβ budową receptora TCR, lecz także tym, że większość tych komórek nie podlega restrykcji MHC. Limfocyty Tγδ zlokalizowane są w błonach śluzowych i skórze, a także w niewielkiej liczbie krążą we krwi obwodowej. Odgrywają ważną rolę w odporności przeciwzakaźnej i przeciwnowotworowej poprzez bezpośrednią lizę komórek docelowych, udział w regulacji odpowiedzi immunologicznej (wydzielanie cytokin regulatorowych) i wspomaganie syntezy IgE przez limfocyty B.

Część limfocytów T CD4⁺ i T CD8⁺ z klonów powstałych w czasie pierwotnej odpowiedzi immunologicznej może przekształcić się w długożyjące komórki pamięci, których obecność zapewnia szybką restymulację przy ponownym spotkaniu gospodarza z tym samym antygenem i dostarcza długotrwałej, często trwającej całe życie, swoistej ochrony immunologicznej.

ODPOWIEDŹ HUMORALNA

W humoralnej odpowiedzi immunologicznej biorą udział wolne przeciwciała obecne we krwi, chłonce, we wszystkich płynach ustrojowych i w wydzielinach. Produkowane są przez limfocyty B, funkcjonujące początkowo jako APC, które dzięki współpracy z limfocytami Th2 przekształcają się w klony komórek plazmatycznych wytwarzających antygenowoswoiste przeciwciała. Podczas pierwotnej, humoralnej odpowiedzi immunologicznej, zawsze powstają przeciwciała IgM, a następnie dzięki przełączaniu klas i odpowiedniemu środowisku cytokinowemu wytwarzane są przeciwciała IgG, IgA i IgE. Część aktywowanych limfocytów B różnicuje się w długożyjące komórki pamięci, zdolne – po ponownym spotkaniu z tym samym antygenem – do szybkiej syntezy i wydzielania przeciwciał w o wiele większej ilości i przez dłuższy czas niż w trakcie pierwotnej odpowiedzi. Podczas odpowiedzi wtórnej, osiągającej szczyt produkcji przeciwciał około 1–3 dni po kontakcie z antygenem, syntetyzowane są już tylko IgG, IgA i IgE (przeciwciała klasy IgM mogą pojawić się podczas reaktywacji CMV). Przeciwciała nie niszczą czynników zakaźnych, jednak dzięki temu, że wiążą w sposób swoisty ich epitopy, są zdolne do zainicjowania mechanizmów efektorowych prowadzących do wyeliminowania patogenu z organizmu gospodarza. I tak, działają jako opsoniny, opłaszczając drobnoustroje i zakażone komórki, co prowadzi do ułatwionej fagocytozy, aktywują dopełniacz drogą klasyczną oraz włączają ADCC. Przeciwciała neutralizują wolne czynniki zakaźne tak, aby uniemożliwić ich wniknięcie do komórki gospodarza. W przypadku toksyn (cytotoksyny, neurotoksyny) przeciwciała neutralizujące blokują ich aktywność biologiczną i chronią wrażliwe komórki przed uszkodzeniem. U ludzi i naczelnych przeciwciała klasy IgG (jako jedyna klasa immunoglobulin) przechodzą przez barierę łożyskową, zapewniając rozwijającemu się płodowi, a później noworodkowi, naturalną odporność bierną.

2.3. ODPOWIEDŹ IMMUNOLOGICZNA W ZAKAŻENIU WIRUSOWYM

Wirusy są bezwzględnymi pasożytami wewnątrzkomórkowymi, zdolnymi do zakażenia wszystkich żywych organizmów występujących na kuli ziemskiej, poczynając od najprostszych komórek bakteryjnych, a kończąc na złożonych organizmach ssaków. To sprawiło, że w toku ewolucji konieczne było wykształcenie i rozwinięcie przez organizmy wyższe mechanizmów pozwalających na szybkie wykrycie zakażenia wirusowego, a także umożliwiających ochronę przed taką infekcją. Wirusy zakażają wiele typów komórek, a ich zdolność namnażania się i rozprzestrzeniania w organizmie gospodarza jest ściśle uzależniona od obecności permisywnych komórek docelowych, w których powielają swój materiał genetyczny i generują wiriony potomne. Jednak rozsiew wirusów może być nieskuteczny, gdy będą sukcesywnie eliminowane przez mechanizmy układu odpornościowego lub gdy ich namnażanie się będzie tak intensywne, że zniszczą swojego gospodarza.

To, w jakim stopniu antygeny wirusowe są prezentowane mechanizmom obronnym, jest zależne od replikacji wirusa i kontrolowane złożonymi relacjami wirus–komórka docelowa, czyli zjadliwością danego szczepu wirusa, jego dawką zakaźną, a także typem komórki docelowej. Namnożenie się wirusa w komórce zależy od jej permisywności (obecność receptora powierzchniowego umożliwiającego wnikanie wirusa, jego replikację i powstanie wirionów potomnych), odporności (brak receptora dla danego wirusa lub zmutowany, uniemożliwiający zakażenie komórki), czy też niepermisywności (obecność odpowiedniego receptora powierzchniowego, ale brak replikacji wirusa, chociaż niektóre jego geny mogą ulegać ekspresji).

2.3.1. INTERAKCJA WIRUS–KOMÓRKA

Wykrycie obecności wirionów przez układ odpornościowy gospodarza jest zależne od przebiegu infekcji wirusowej. Zakażenia produktywne o charakterze litycznym prowadzą do zniszczenia komórki, a układ odpornościowy rozpoznaje antygeny wirusowe dopiero wtedy, gdy następuje uwolnienie wirionów potomnych ze zlizowanej komórki. W przypadku wirusów osłonkowych (np. herpeswirusy, pokswirusy, paramyksowirusy) ich antygeny są wbudowane do błony cytoplazmatycznej zakażonej komórki i prezentowane na jej powierzchni, zanim jeszcze zostanie ukończone dojrzewanie wirionów potomnych, tak więc możliwe jest ich wcześniejsze (niż w przypadku wirusów litycznych) wykrycie przez układ immunologiczny gospodarza. Wirusy mogą też rozprzestrzeniać się bezpośrednio z komórki do komórki dzięki fuzji błon cytoplazmatycznych. Ten mechanizm w pewnym stopniu ogranicza rozpoznanie antygenów wirusowych przez układ odpornościowy i jest to jeden ze sposobów ucieczki wirusów przed mechanizmami obronnymi gospodarza.

W przebiegu zakażeń o charakterze przetrwałym (persystentnym) wirusy są odpowiedzialne za ustalenie równowagi między przebiegiem ich replikacji a stanem komórki gospodarza. W takich przypadkach procesy metaboliczne komórki są tylko nieznacznie upośledzone, mimo że wiriony potomne są przez cały czas produkowane i antygeny wirusowe są prezentowane na powierzchni zakażonej komórki. Integracja genomu wirusa z kwasem nukleinowym komórki docelowej jest również przykładem zakażenia o charakterze przetrwałym. W takim przypadku może się zdarzyć, że wiriony potomne nie będą składane i uwalniane z komórki, jednak nowo syntetyzowane antygeny wirusowe mogą być wykrywane w cytoplazmie lub na powierzchni zakażonej komórki.

Z kolei infekcje latentne mają miejsce wtedy, gdy wirus wniknie do komórki, ale jego namnażanie się zostanie zatrzymane na bardzo wczesnym etapie. Dzięki temu jest on utrzymywany w komórce przez długi czas, nie niszcząc jej, ale również nie tworząc wirionów potomnych (np. zakażenie komórek nerwowych HSV-1). Pod wpływem silnego bodźca (np. termicznego, zakaźnego, chemicznego) może nastąpić reaktywacja i rozwój zakażenia produktywnego z uwalnianiem wirionów potomnych.

2.3.2. MECHANIZMY OBRONNE W ZAKAŻENIACH WIRUSOWYCH

Aby wywołać kliniczne objawy choroby, wirus musi osiągnąć komórki/narządy docelowe. Wiąże się to z pokonaniem barier (namnożeniem się i uniknięciem miejscowej odpowiedzi ochronnej we wrotach zakażenia i w okolicznych węzłach chłonnych), a następnie (podczas wiremii) rozprzestrzenieniem się do narządów docelowych. Głównym zadaniem przeciwwirusowej odpowiedzi gospodarza jest zablokowanie cyklu replikacyjnego wirusa i zahamowanie dalszego jego rozprzestrzeniania się w organizmie, a następnie zniszczenie zakażonych komórek i wreszcie eliminacja wirusa. W tym celu konieczne jest zaangażowanie mechanizmów zarówno odpowiedzi nieswoistej, jak i swoistej.

Mechanizmy odporności nieswoistej – zarówno bariery anatomiczne (skóra, błony śluzowe, komórki śródbłonka naczyń krwionośnych, bariery chemiczne), jak i mechanizmy, które są włączane w trakcie zakażenia (gorączka, stan zapalny, fagocytoza) – są odpowiedzialne za powstrzymanie lub ograniczenie rozprzestrzeniania się wirusów w organizmie gospodarza. Komórki naskórka nieuszkodzonej skóry oraz komórki niewykazujące receptorów dla wirusów nie są wrażliwe na zakażenie i w takich komórkach replikacja nie może się odbywać. Natomiast bariera ta może zostać łatwo pokonana, gdy nastąpi uszkodzenie skóry (skaleczenia, zranienia, ukąszenia). Także komórki śródbłonka naczyniowego stanowią barierę fizyczną chroniącą przed rozprzestrzenianiem się wirusa w organizmie gospodarza, jednak niektóre wirusy mają zdolność penetracji tej bariery, gdyż mogą zakażać i namnażać się w komórkach śródbłonka. Należy podkreślić, że błony śluzowe – nawet ciągłe, nieuszkodzone – nie stanowią bariery dla wirusów.

Ważnym, nieswoistym mechanizmem obronnym jest gorączka, indukowana przez wiele czynników pirogennych – zarówno egzogennych (np. bakteryjny lipopolisacharyd – LPS), jak i endogennych (np. IL-1, IL-6, interferony, prostaglandyna E2, TNF-α w trakcie zakażenia wirusowego). Podwyższenie temperatury ciała z 37°C do 38°C znacząco osłabia tempo replikacji wirusów i znacznie obniża liczbę nowo powstających cząstek potomnych, jest więc ważnym, wrodzonym mechanizmem obrony przeciwwirusowej. Wynika z tego, że bezkrytyczne stosowanie leków przeciwgorączkowych, zwłaszcza we wczesnym okresie choroby wirusowej, nie jest zasadne. Dodatkowo gorączka jest jednym z ważnych czynników odpowiedzialnych za generowanie cytotoksycznych limfocytów T.

Rozprzestrzenianie się wirusów w organizmie gospodarza może być hamowane przez miejscową reakcję zapalną, powstałą w odpowiedzi na rosnącą liczbę komórek zniszczonych przez intensywnie replikujące się, a następnie uwalniane wirusy. Zmiany naczyniowe, miejscowy wzrost temperatury, naciek leukocytów, zmiany metaboliczne (niedotlenienie zaatakowanych tkanek) znacząco obniżają replikację wielu wirusów. Faza komórkowa zapalenia jest odpowiedzialna za migrację leukocytów do tkanek objętych zakażeniem, co skutkuje rekrutacją neutrofilów, monocytów, płytek krwi, komórek tucznych, komórek NK oraz limfocytów T i B. Konsekwencją nacieku tych komórek jest nasilenie fagocytozy, aktywacja dopełniacza oraz gwałtowny wzrost reakcji cytotoksycznych.

W przypadku zakażeń wirusowych fagocytoza ma znacznie mniejsze znaczenie obronne niż w przypadku zakażeń bakteryjnych, jednak wolne wiriony oraz komórki zakażone wirusem mogą zostać sfagocytowane przez granulocyty obojętnochłonne lub makrofagi. Wirusy charakteryzują się różną wrażliwością na zabijanie wskutek działania mechanizmów tlenowych i pozatlenowych. Pobrane przez fagocyty wirusy mogą zostać unieszkodliwione i to może prowadzić do ograniczenia wiremii. Są jednak wirusy, jak np. ludzki wirus niedoboru odporności (human immunodeficiency virus, HIV), namnażające się w makrofagach, które następnie służą jako rezerwuar wirusa. Zakażone makrofagi mogą transportować wiriony po całym organizmie, także przez barierę krew–mózg. Makrofagi i granulocyty mogą więc zarówno redukować liczbę cząstek wirusa wywołującego zakażenie, jak i pomagać w rozprzestrzenianiu się infekcji, zwiększać lub obniżać skuteczność mechanizmów obronnych albo mieć niewielki wpływ na rozwój zakażenia. Jednak najważniejszą funkcją monocytów i makrofagów w trakcie infekcji wirusowej jest wydzielanie cytokin odpowiedzialnych za stymulację komórek biorących udział w sposób pośredni lub bezpośredni w eliminacji wirusów, jak również przetwarzanie antygenów wirusowych, co jest konieczne do zaindukowania swoistej odpowiedzi immunologicznej.

2.3.3. ROZPOZNANIE ZAKAŻENIA WIRUSOWEGO PRZEZ UKŁAD ODPORNOŚCIOWY

Rozpoznanie zakażenia wirusowego przez układ immunologiczny gospodarza jest kluczowe do wzbudzenia odpowiedzi przeciwwirusowej. Komórki zwierzęce wykształciły na drodze ewolucji mechanizmy pozwalające na jak najszybsze rozpoznanie komponentów wirusowych (osłonki, białek kapsydu, kwasów nukleinowych) dzięki receptorom rozpoznającym wzorce molekularne związane z patogenami (ryc. 2.2). Rozpoznanie PAMP przez określone PRR włącza przesyłanie sygnałów wewnątrzkomórkowych koordynujących transkrypcję setek genów, których produkty są odpowiedzialne za bezpośrednią kontrolę zakażenia, jak również rozwój zapalenia oraz rekrutację komórek odpowiedzi nieswoistej i swoistej.

RYCINA 2.2
Wykrywanie zakażenia wirusowego przy udziale receptorów rozpoznających wzorce molekularne i włączanie szlaku prowadzącego do syntezy cytokin, w tym chemokin i interferonu (a) oraz indukcja stanu ochrony przeciwwirusowej (b).

MECHANIZMY NIESWOISTE

Uwalnianie rozpuszczalnych mediatorów zapalenia (takich jak chemokiny prozapalne, interferony typu I, II i III oraz inne cytokiny, składowe dopełniacza oraz prostaglandyny) w odpowiedzi na identyfikację wirusowych molekularnych wzorców rozpoczyna nieswoistą odpowiedź immunologiczną. Te kluczowe mediatory są odpowiedzialne za rekrutację i rozmieszczenie komórek w miejscu zapalenia, ich adhezję i aktywację oraz za indukcję apoptozy. Apoptoza może być uważana za jeden z mechanizmów obronnych gospodarza, ograniczający rozprzestrzenianie się wirusów w organizmie, a niekiedy nawet jest indukowana przez wirusy, często jednak w przebiegu infekcji wirusy hamują apoptozę, aby jak najdłużej zakażone komórki były funkcjonalną maszynerią enzymatyczną, umożliwiającą replikację i składanie wirionów potomnych.

Rola interferonów w odpowiedzi przeciwwirusowej. Kluczowym etapem w rozpoczęciu przeciwwirusowej odpowiedzi immunologicznej jest wytwarzanie przez zakażone komórki interferonów. Są one odpowiedzialne za zjawisko interferencji wirusowej, polegające na braku możliwości namnożenia się danego wirusa w komórce, która jest już zakażona innym wirusem. Jednak najważniejszą rolą interferonu jest wzbudzenie stanu niewrażliwości na zakażenie w komórkach sąsiadujących z zakażoną komórką, co znacząco ogranicza rozprzestrzenianie się wirusa w organizmie. Interferony są syntetyzowane w komórce de novo w odpowiedzi na rozpoznanie zakażenia wirusowego (ale nie tylko wirusowego) i z niej uwalniane, tak aby mogły wzbudzić aktywność przeciwwirusową w komórkach niezakażonych.

Obecnie są zdefiniowane 3 główne typy interferonów. Do IFN typu I zaliczanych jest wiele białek określanych jako IFN-α, IFN-β, IFN-ε, IFN-κ, IFN-ω, IFN-ζ, IFN-τ. Do IFN typu II należy IFN-γ , natomiast do typu III – IFN-λ1, IFN-λ2, IFN-λ3. Wszystkie te białka pełnią ważne funkcje w indukcji odpowiedzi przeciwwirusowej oraz wykazują działanie immunomodulujące. Bezpośredni i pośredni wpływ interferonów wymaga związania ze swoistym receptorem na powierzchni komórki docelowej, co zapoczątkowuje kaskadę wydarzeń prowadzącą do transkrypcji genów stymulowanych przez IFN (IFN-stimulated genes, ISG), których produkty zapobiegają replikacji wirusowej. Interferony typu I są wydzielane przez wiele typów komórek – limfocyty T, B, NK, plazmocytoidalne komórki dendrytyczne, makrofagi, komórki śródbłonka, osteoblasty i inne. IFN typu II (IFN-γ) jest wydzielany przez limfocyty T i komórki NK, a interferony typu III są wytwarzane przez wiele typów komórek pochodzenia mieloidalnego i limfoidalnego, jak również przez inne komórki. Konsekwencją związania interferonów przez odpowiedni receptor jest wytworzenie wewnątrzkomórkowych białek przeciwwirusowych, które muszą być zsyntetyzowane, zanim będzie możliwe wyhamowanie replikacji wirusa.

Poza indukcją syntezy białek blokujących replikację wirusów w niezakażonych komórkach interferony w sposób pośredni regulują również przeciwwirusową odpowiedź immunologiczną. Przede wszystkim są zdolne do indukcji apoptozy zakażonej komórki, co znacząco ogranicza rozwój zakażenia w organizmie. Wszystkie typy interferonów wzmagają ekspresję białek MHC klasy I, a IFN-γ dodatkowo indukuje wzrost ekspresji cząsteczek MHC klasy II. Interferony typu I wpływają na dojrzewanie komórek dendrytycznych, zwiększają ekspresję błonowych receptorów dla cytokin (w tym chemokin) oraz cząsteczek kostymulujących na ich powierzchni, co przyczynia się do prawidłowego zasiedlania drugorzędowych tkanek i narządów limfatycznych, stymuluje limfocyty T CD4⁺ i CD8⁺ oraz prowadzi do indukcji swoistej odpowiedzi immunologicznej. Pod wpływem IFN-α i IFN-β następuje podwyższenie prezentacji krzyżowej antygenu (w której antygeny egzogenne włączane są do szlaku endogennego, czyli prezentowane są w kontekście MHC klasy I) przez komórki dendrytyczne i wydzielanie IFN-γ przez nie i przez limfocyty T. IFN-γ pobudza różnicowanie limfocytów T CD8⁺ w limfocyty cytotoksyczne, aktywuje makrofagi i wzmaga fagocytozę. Wspólnie z IFN typu I jest silnym aktywatorem komórek NK. We współpracy z innymi cytokinami uczestniczy też w różnicowaniu limfocytów B w plazmocyty wytwarzające przeciwciała oraz indukuje kaskadę wydzielania innych cytokin, co dodatkowo wzmaga odpowiedź przeciwwirusową.

Rola komórek NK w zakażeniu wirusowym. Kolejna faza odpowiedzi przeciwwirusowej jest zależna od aktywacji komórek NK. Aby zwalczyć infekcję wirusową, komórki NK muszą dostać się do miejsca zakażenia i ujawnić swoje funkcje efektorowe, a więc wykryć i zabić zakażoną komórkę oraz uwolnić IFN-γ. Pod wpływem cytokin, a przede wszystkim dużych ilości IFN-α, IFN-β, IFN-γ oraz IL-12 wydzielanych w początkowej fazie odpowiedzi, a w późniejszym etapie IL-2, już kilkanaście godzin po zakażeniu można zaobserwować zwiększoną aktywność tych komórek, szczególnie w miejscu, w którym odbywa się pierwotne namnażanie wirusa. Za napływ komórek NK do miejsca zakażenia odpowiadają wydzielane lokalnie chemokiny (m.in. CCR7, CXCR4). W przypadku wielu zakażeń wirusowych miano wirusów obniża się w wyniku spontanicznej cytotoksyczności komórek NK, na długo przed rozwojem odpowiedzi swoistej zależnej od limfocytów T CD8⁺. Dzięki obecności hamujących/aktywujących receptorów komórki NK wykazują aktywność cytotoksyczną w stosunku do komórki z obniżoną ekspresją cząsteczek MHC klasy I, co jest stanem towarzyszącym replikacji wirusowej. Również rozpoznanie na powierzchni zakażonych komórek białek MICA/MICB i ULBP angażuje receptor aktywujący NKG2D, wzbudzając efekt cytotoksyczny.

Cytotoksyczność zależna od przeciwciał (ADCC) nie jest uważana za główny mechanizm przeciwwirusowego działania komórek NK, szczególnie w pierwszych dniach po zakażeniu, gdy jeszcze nie ma przeciwciał swoistych dla antygenów wirusowych lub miana ich są niskie. Bardzo duże znaczenie w obronie przeciwwirusowej ma natomiast IFN-γ i inne cytokiny wydzielane przez komórki NK i modulujące odpowiedź immunologiczną. IFN-γ pobudza w niezakażonych komórkach stan gotowości do obrony przed zakażeniem, indukuje makrofagi do zwiększonej fagocytozy i wytwarzania syntazy tlenku azotu, prowadząc do znacznego obniżenia tempa replikacji wirusów. Także inne cytokiny wydzielane przez komórki NK oddziałują na miejscowe komórki prezentujące antygen, co przyspiesza procesy prowadzące do indukcji swoistej odpowiedzi immunologicznej.

MECHANIZMY ODPOWIEDZI SWOISTEJ NA ZAKAŻENIE WIRUSOWE

Mechanizmy odporności nieswoistej nie są w stanie całkowicie zlikwidować zakażenia wirusowego, choć mogą wyraźnie ograniczyć jego rozwój. Eliminacja wirusa z organizmu wymaga udziału mechanizmów swoistej odporności humoralnej (za którą odpowiadają limfocyty B) i komórkowej (zależnej od limfocytów T).

Prezentacja antygenów. Rozpoznanie komórek zakażonych wirusem przez limfocyty T jest procesem złożonym i polega na bezpośrednim przekazaniu sygnału z APC do limfocytu T CD4⁺ za pośrednictwem synapsy immunologicznej. APC (zwykle komórki dendrytyczne) na drodze endocytozy pobierają antygeny z przestrzeni pozakomórkowej i migrują z miejsca zakażenia do regionalnego węzła chłonnego, gdzie prezentują pobrane antygeny i gdzie następuje aktywacja dziewiczych limfocytów T. Pocięte enzymatycznie na krótkie peptydy i umieszczone w rowku do prezentacji MHC, antygeny wirusowe są prezentowane w kontekście MHC II – limfocytom T CD4⁺, a w kontekście MHC I – limfocytom T CD8⁺. Jeżeli warunki prezentacji antygenu zostaną spełnione, wówczas nastąpi odpowiedź immunologiczna.

Odpowiedź komórkowa. Wypada przypomnieć, że ekspansja klonalna wysoce cytotoksycznych, antygenowoswoistych limfocytów T CD8⁺ (CTL) wymaga stosunkowo długiego czasu i nawet w przypadku ponownego zakażenia tym samym wirusem potrzeba co najmniej 2 dni do osiągnięcia odpowiedniej liczby kompetentnych komórek i skutecznej odpowiedzi komórkowej. W związku z tym zarówno obecność IFN-γ, jak i prezentacja krzyżowa antygenu są czynnikami skracającymi fazę indukcji odpowiedzi komórkowej w przebiegu wielu chorób wirusowych.

Odpowiedź immunologiczna rozpoczyna się na terenie węzłów chłonnych, gdzie – aktywowane przez APC – antygenowoswoiste limfocyty T proliferują i po kilku dniach przekształcają się w klon komórek efektorowych. Komórki efektorowe odpowiedzi powstają w dużej liczbie i charakteryzują się zmianą profilu receptorów dla chemokin i innych cytokin, zdolnością wydzielania cytokin, a w przypadku limfocytów T CD8⁺ – aktywnością cytotoksyczną. Tak przygotowane komórki efektorowe opuszczają węzły chłonne i migrują do tkanek objętych infekcją. W tkankach efektorowe limfocyty T CD8⁺ rozpoznają własne zakażone komórki na podstawie obecności kompleksów peptyd wirusowy–MHC klasy I, co prowadzi do śmierci takich komórek. Odpowiedź komórkowa zależna od cytotoksycznych limfocytów T CD8⁺ jest zhierarchizowana. Epitopy wirusowe rozpoznawane przez największą liczbę antygenowoswoistych limfocytów T określane są jako immunodominujące, natomiast epitopy rozpoznawane przez niewielką część antygenowoswoistych limfocytów CTL określane są jako subdominujące. W krótkim czasie po zakażeniu klony limfocytów T CD8⁺ rozpoznające immunodominujące epitopy zaczynają gwałtownie proliferować i to one zazwyczaj skutecznie kontrolują replikację wirusa i przebieg zakażenia.

Limfocyty T CD4⁺ również zaangażowane są w odpowiedź przeciwwirusową, uczestnicząc przede wszystkim w jej fazie induktorowej oraz w kontroli nasilenia odpowiedzi. Dzięki wydzielanym cytokinom pełnią głównie funkcje regulatorowe, wspomagając zarówno odpowiedź humoralną, jak i komórkową. Ocenia się, że w początkowej fazie odpowiedzi na zakażenie wirusowe proliferacja limfocytów T CD4⁺ jest niższa niż komórek T CD8⁺. Limfocyty T CD4⁺ są aktywowane peptydami prezentowanymi w kontekście MHC klasy II, a liczba komórek z ekspresją tych cząsteczek jest ograniczona do profesjonalnych APC. Dodatkowo limfocyty T CD4⁺ rozpoznają antygeny wirusowe prezentowane przez makrofagi i/lub niedojrzałe komórki dendrytyczne jako wynik usuwania już zakażonych komórek.

Odpowiedź humoralna. Przeciwciała wytwarzane przez komórki plazmatyczne wywodzące się z limfocytów B neutralizują aktywność biologiczną wirusów przez ich związanie i ograniczenie bądź uniemożliwienie zakażenia wrażliwych komórek, są więc kluczowym czynnikiem humoralnym kontrolującym zakażenie wirusowe w fazie wiremii pierwotnej i wtórnej. Gdy jednak wirus osiągnie komórki i/lub narządy docelowe i replikuje się w nich, zakażenie często szerzy się bezpośrednio z komórki do komórki, a wówczas kluczową rolę w eliminacji patogenu pełnią limfocyty T. Potwierdza to znany fakt ciężkiego przebiegu chorób wirusowych u osób z niedoborami odporności komórkowej.

W przebiegu ogólnej i miejscowej humoralnej odpowiedzi immunologicznej przeciwciała neutralizują wirusy, a powstałe kompleksy immunologiczne mogą być usuwane z udziałem dopełniacza lub komórek posiadających receptor dla Fc przeciwciała. W ten sposób przeciwciała kontrolują przebieg replikacji wirusa we wrotach zakażenia i podczas choroby. Neutralizacja wolnego wirusa i zabijanie komórek zakażonych będących jego źródłem odbywają się przy udziale przeciwciał IgM, IgG i IgA. W mniejszym stopniu aktywność przeciwwirusową wykazują przeciwciała IgE, które biorą udział w eliminacji przede wszystkim wirusów pneumotropowych. Mechanizmy efektorowe, indukowane przez kompleksy immunologiczne, prowadzą do eliminacji zakażonych komórek, wykazujących obecność antygenów wirusowych w błonie cytoplazmatycznej. W trakcie pierwotnej odpowiedzi humoralnej główną rolę odgrywają przeciwciała IgM, natomiast w odpowiedzi wtórnej do eliminacji zakażenia angażowane są przeciwciała klasy IgG i IgA. Lokalizacja i przebieg zakażenia wirusowego determinują znaczenie odpowiedzi humoralnej. W zakażeniach w obrębie przewodu pokarmowego (enterowirusy, rotawirusy), dróg oddechowych (rinowirusy, wirusy grypy) i układu moczowo-płciowego najważniejszą rolę odgrywają przeciwciała wydzielnicze IgA i w niewielkim stopniu IgM. Większość wirusów namnaża się w komórkach nabłonka błon śluzowych we wrotach zakażenia, co w następnym etapie może prowadzić do wiremii pierwotnej, w wyniku której wirus trafia do narządów wewnętrznych. Wówczas początkowo zaangażowane są miejscowe, wydzielnicze IgA, a następnie przeciwciała klasy IgG obecne we krwi (odra, różyczka, poliomyelitis).

2.4. MECHANIZMY UNIKANIA ODPOWIEDZI IMMUNOLOGICZNEJ PRZEZ WIRUSY

Relacje komórka gospodarza–wirus mogą być postrzegane jako wyścig pomiędzy zakażającym, a następnie replikującym się wirusem (powodującym śmierć komórki, co umożliwia rozsiew wirusa do tkanek i narządów) a mechanizmami odpornościowymi ukierunkowanymi na eliminację zakażenia. Ucieczka wirusów przed układem immunologicznym jest na ogół związana z modulacją odpowiedzi immunologicznej, a nie z całkowitym jej wyłączeniem.

Odpowiedź przeciwwirusowa jest ograniczona czasowo. W stosunkowo krótkim czasie 95% komórek T efektorowych jest eliminowanych w procesie określanym jako śmierć komórki indukowana przez aktywację (activation-induced cell death, AICD). Pewna liczba komórek efektorowych T i B przekształca się w komórki pamięci, obecne zapewne do końca życia gospodarza (ospa prawdziwa, odra, różyczka). Stanowią one stabilną populację prekursorów limfocytów, które są błyskawicznie aktywowane podczas ponownego zakażenia. Komórki pamięci odznaczają się charakterystycznym fenotypem i oprócz dużej liczby TCR mają stale obecne w błonie cytoplazmatycznej koreceptory regulatorowe i cząsteczki adhezyjne. Dodatkowo posiadają liczne receptory zasiedlania, co pozwala na rozmieszczenie ich w różnych przestrzeniach organizmu, odmiennie od dziewiczych limfocytów T obecnych wyłącznie w tkankach limfatycznych. Komórki pamięci są odnajdowane w tych miejscach, gdzie z dużym prawdopodobieństwem może nastąpić zakażenie. Jednak w przypadku gwałtownie replikujących się wirusów nawet taka odpowiedź może być nie dość szybka, aby zahamować rozwój infekcji. Ponadto, w zależności od przestrzeni makroorganizmu, skuteczność komórek pamięci immunologicznej jest różna. Wybrane mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej przez wirusy przedstawione są w tabeli 2.2.

TABELA 2.2
Wybrane mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej przez wirusy

Zaburzenie sieci cytokinowej i chemokinowej gospodarza

Zaburzenie procesu rozpoznawania przez komórki NK

Zaburzenie procesu prezentacji antygenu

Hamowanie kaskady układu dopełniacza i cytotoksyczności zależnej od przeciwciał

Unikanie przez wirusy odpowiedzi humoralnej i komórkowej

2.4.1. ZABURZENIE SIECI CYTOKINOWEJ I CHEMOKINOWEJ GOSPODARZA

W przebiegu chorób wirusowych często obserwuje się niedostateczną skuteczność odpowiedzi immunologicznej. Wirusy są bowiem zdolne do ucieczki przed układem odpornościowym między innymi przez zablokowanie funkcji interferonów wskutek hamowania syntezy indukowanych przez IFN białek przeciwwirusowych.

Zaburzenie szlaków zależnych od interferonów prowadzi do upośledzenia indukcji odpowiedzi przeciwwirusowej – zarówno nieswoistej, jak i swoistej, co umożliwia namnażanie się wirusów. Duże wirusy dsDNA, takie jak pokswirusy i herpeswirusy, mają geny kodujące białka podobne do cytokin, w tym chemokin (wirokiny), ich receptorów (wiroceptory) oraz białek wiążących cytokiny (binding proteins). Taka strategia umożliwia zaburzanie ścieżek przesyłania sygnałów wewnątrzkomórkowych indukowanych mediatorami gospodarza. Przykładem może być: homolog czynnika wzrostu naskórka kodowany przez wirus krowianki, odpowiedzialny za wzrost komórek naskórka i ułatwienie namnażania wirusa, a także homolog IL-10 kodowany przez wirus Epsteina-Barr, działający supresorowo na odpowiedź immunologiczną poprzez hamowanie syntezy IFN-γ. Kodowane przez wirusy homologi chemokin są wydzielane przez zakażone komórki i funkcjonują jako antagoniści lub agoniści. Wirusowe chemokiny działające jako antagoniści po związaniu z komórkowymi receptorami powodują zablokowanie specyficznych szlaków i hamują migrację komórek do miejsca zapalenia, co prowadzi do wygaszania odpowiedzi immunologicznej. Natomiast wirusowe homologi chemokin funkcjonujące jako agoniści indukują migrację komórek układu immunologicznego do miejsca zakażenia. Wysoce prawdopodobnym wyjaśnieniem tego zjawiska jest to, że pewne wirusy poprzez homologi chemokin przyciągają do miejsca zakażenia docelowe komórki, w których mogą się replikować, a które są trudne dla nich do osiągnięcia. Taka manipulacja umożliwia szybkie namnożenie się i wzmożony rozsiew wirusów w organizmie gospodarza.

Przykładem wiroceptora jest homolog ludzkiego receptora typu II dla IL-1β kodowany przez wirus krowianki, działający jak receptor-przynęta, przez co następuje zmniejszenie nasilenia stanu zapalnego i ułatwienie replikacji wirusa.

2.4.2. ZABURZENIE PROCESU ROZPOZNANIA PRZEZ KOMÓRKI NK

Ucieczka wirusów przed cytotoksycznością komórek NK polega na zaburzaniu zdolności rozpoznania przez nie zakażonych komórek. Jeśli zakażona komórka będzie prezentować antygeny wirusowe w kontekście MHC klasy I, zostanie narażona na atak ze strony cytotoksycznych limfocytów T CD8⁺. Obniżenie ekspresji MHC klasy I spowoduje atak ze strony komórek NK. Aby tego uniknąć, wirusy kodują homologi łańcucha α MHC lub łańcucha β2-mikroglobuliny zdolne do utworzenia funkcjonalnego kompleksu prezentowanego na powierzchni komórki. Takie zjawisko dotyczy ludzkiego wirusa cytomegalii, u którego w warunkach in vitro stwierdzono syntezę białka UL10, homologa MHC klasy I łączącego się z β2-mikroglobuliną. Białko o podobnej funkcji jest kodowane także przez wirus mięczaka zakaźnego, zdolny do ustalenia zakażenia przetrwałego, co jest niespotykane w przypadku innych pokswirusów. Innym mechanizmem ucieczki wirusów jest zatrzymanie w cytoplazmie zakażonej komórki białek MICA/MICB i ULBP, w związku z tym nie jest angażowany receptor aktywujący NKG2D i komórka nie jest zabijana.