Choroba wirusowa ebola
Patofizjologia i mechanizm
Choroba wirusowa Ebola (EVD) jest wywoływana przez wirusy z rodzaju Ebolavirus (Filoviridae) i charakteryzuje się ostrą gorączką krwotoczną z wysoką śmiertelnością sięgającą do 90%. Wirus posiada jednoniciowy RNA o ujemnej polarności, kodujący 7 genów, w tym glikoproteinę (GP) kluczową dla wnikania do komórek gospodarza poprzez receptory takie jak NPC1, TIM1 czy integryny β1. Po endocytozie i proteolitycznym przetworzeniu GP przez katepsyny B i L następuje fuzja błon i rozpoczęcie replikacji wirusa w monocytach, makrofagach, komórkach dendrytycznych oraz innych tkankach, co prowadzi do masywnej wiremii i stanu zapalnego. Wirus skutecznie hamuje odpowiedź interferonową typu I poprzez białka VP35, VP24 i VP30, co sprzyja rozprzestrzenianiu się zakażenia i indukcji burzy cytokinowej. Uszkodzenie komórek śródbłonka i makrofagów, indukowane m.in. przez GP, prowadzi do zaburzeń krzepnięcia, rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego (DIC) oraz objawów krwotocznych, a także niewydolności wielonarządowej i wstrząsu hipowolemicznego.
- Patogeneza Choroba wirusowa ebola
- Genom wirusa Ebola i struktura
- Wnikanie wirusa do komórek gospodarza
- Replikacja wirusa i reakcja na infekcję
- Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej
- Efekty cytotoksyczne i uszkodzenie tkanek
- Zaburzenia krzepnięcia i odpowiedź zapalna
- Zmiany metaboliczne w zakażonych komórkach
- Rola czynników genetycznych w podatności na zakażenie
- Konsekwencje patogenezy choroby wirusowej ebola
- Przetrwanie wirusa Ebola w organizmie
- Implikacje dla leczenia i profilaktyki
Patogeneza Choroba wirusowa ebola
Choroba wirusowa ebola (EVD) to ciężka i często śmiertelna choroba powodowana przez wirusy z rodzaju Ebolavirus, należące do rodziny Filoviridae. Wirusy Ebola są wysoce zakaźnymi patogenami, które powodują ostrą gorączkę krwotoczną u ludzi i naczelnych innych niż człowiek, z wskaźnikami śmiertelności sięgającymi nawet 90% w przypadku niektórych szczepów. Zrozumienie patogenezy zakażenia wirusem Ebola ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych metod leczenia oraz strategii profilaktycznych.123
Genom wirusa Ebola i struktura
Wirus Ebola posiada niesegmentowany, jednoniciowy RNA o ujemnej polarności, kodujący 7 strukturalnych i regulatorowych genów. Genom koduje 4 białka strukturalne wirionu (VP30, VP35, nukleoproteinę i białko polimerazy [L]) oraz 3 białka związane z błoną (VP40, glikoproteinę [GP] i VP24). Gen GP jest umiejscowiony jako czwarty od końca 3′ spośród 7 liniowo ułożonych genów.12
Wirus ma kształt nitkowaty, który może zmieniać się na okrągły lub włóknisty. Podczas składania, wirusowy RNA tworzy kompleks rybonukleoproteiny (RNP) z NP, L, VP30, VP35 i VP24, co tworzy helikalny nukleokapsyd (NC). Nukleokapsyd chroni wirusowy RNA przed degradacją przez endonukleazy i przed odpowiedzią immunologiczną gospodarza.3
Wnikanie wirusa do komórek gospodarza
Wnikanie wirusa do komórek gospodarza stanowi początkowy etap cyklu życiowego wirusa i jest procesem złożonym. Wirus Ebola wnika do organizmu przez błony śluzowe, przerwania ciągłości skóry lub przez wprowadzenie parenteralne.12
Wirus wykorzystuje kilka mechanizmów wnikania do komórki, w tym makropinocytozę, tratwy lipidowe i endocytozę zależną od receptora. W procesie tym kluczową rolę odgrywa podjednostka glikoproteiny wirusowej GP1, która inicjuje wnikanie wirusa do komórek poprzez interakcję z czynnikami adhezyjnymi i receptorami na powierzchni komórek gospodarza.12
Do receptorów komórkowych, które wirus wykorzystuje do wniknięcia, należą: receptor α kwasu foliowego, integryny β1, członkowie rodziny receptorów kinazy tyrozynowej TYRO3, domena immunoglobulinowa i mucynowa T-komórek 1 (TIM1) oraz transporter cholesterolu Niemann-Pick C1 (NPC1), który pełni funkcję obligatoryjnego receptora dla wirusa Ebola.123
Po endocytozie wiriony zawierające GP wirusa Ebola początkowo współlokalizują się z przedziałami pozytywnymi dla EEA1 (early endosomal antigen-1), a następnie są transportowane do wczesnych endosomów Rab5-pozytywnych. W późniejszym czasie obserwuje się współlokalizację wirusa z okołojądrowymi późnymi endosomami pozytywnymi dla Rab7/LAMP-1, a dostarczenie do tych przedziałów wydaje się być kluczowe dla wniknięcia.3
Po internalizacji wirusa do makropinosomu następuje jego przeniesienie do przedziału endosomalnego zawierającego proteazy cysteinowe, takie jak katepsyna B i katepsyna L. Te enzymy trawią glikoproteinę wirusową (GP), co inicjuje fuzję błony wirusowej i endosomalnej.12
Replikacja wirusa i reakcja na infekcję
Po fuzji błon wirusowej i komórkowej, cząsteczka wirusa rozkręca się, a jego antygenom jest transkrybowany na mRNA za pomocą białek wirusowych związanych z nukleokapsydem. Genom jest transkrybowany przez kompleks składający się z VP30, VP35 i wirusowej polimerazy L związanej z genomem pokrytym NP. Fosforylacja VP30 powoduje jego odłączenie od kompleksu VP35/L, sygnalizując przejście od transkrypcji do replikacji. NP, VP24, VP30 i VP35 replikują i pokrywają genomy wirusa po tym przełączeniu.1
Wirus Ebola replikuje się bardzo wydajnie w wielu komórkach, produkując duże ilości wirusa w monocytach, makrofagach, komórkach dendrytycznych i innych komórkach, w tym komórkach wątroby, fibroblastach i komórkach kory nadnerczy. Replikacja wirusowa wywołuje wysokie poziomy sygnałów chemicznych związanych ze stanem zapalnym i prowadzi do stanu septycznego.12
Makrofagi i komórki dendrytyczne są prawdopodobnie pierwszymi zainfekowanymi komórkami; filowirusy replikują się łatwo w tych wszechobecnych komórkach strażniczych, powodując ich martwicę i uwalniając duże ilości nowych cząstek wirusowych do płynu pozakomórkowego. Szybkie ogólnoustrojowe rozprzestrzenianie się jest wspomagane przez indukowaną przez wirusa supresję odpowiedzi interferonu typu I.1
Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej
Wysoka zjadliwość wirusa Ebola jest w dużej mierze przypisywana zdolności tego wirusa do zakłócania odpowiedzi immunologicznej gospodarza. Wirus Ebola może zapobiegać produkcji interferonów typu I i blokować odpowiedź interferonową w niezakażonych komórkach.12
Kilka białek wirusowych jest zaangażowanych w ten proces:
- VP35 zakłóca sygnalizację RIG-I/MDA-5 i indukcję interferonu. Dodatkowo, VP35 i VP30 blokują odpowiedź RNAi przeciwko ekspresji genów wirusowych.12
- VP24 działa hamująco na sygnalizację interferonu typu I i II (IFN). Hamuje to ekspresję genów indukowaną przez interferon, a w komórkach prezentujących antygen zapobiega wzmocnieniu prezentacji antygenu limfocytom T.34
- Sekrecja sGP działa jako przynęta dla przeciwciał przeciwko GP. sGP wiąże się do neutrofili CD16b, receptora Fc γ III specyficznego dla neutrofili, i hamuje wczesną aktywację neutrofili. sGP może być również odpowiedzialne za głęboką limfopenię charakteryzującą zakażenie Ebolą.12
Wirus Ebola wywołuje dysfunkcje komórek odpornościowych wrodzonych. Zakażenie komórek dendrytycznych (DC) wirusem Ebola zostało wykazane zarówno in vitro, jak i in vivo. Co ciekawe, zakażone DC wykazywały stosunkowo niewielką śmiertelność komórek przez 6 dni od zakażenia. Zakażone wirusem Ebola DC nie produkowały cytokin, w tym interferonów typu I, i nie były w stanie przeprowadzić prawidłowego procesu dojrzewania. Nieprawidłowe różnicowanie DC prowadzi do nieskutecznych synaps DC/komórek T, które nie są w stanie wywołać prawidłowej adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej.12
Ostatnio odkryto nowy mechanizm unikania przez wirusa Ebola odpowiedzi immunologicznej gospodarza. Badania wykazały, że wirusowe ciała inkluzyjne (IBs) w komórkach zakażonych cząstkami wirusopodobnymi zdolnymi do transkrypcji i replikacji wirusa Ebola (trVLPs) pełnią rolę w unikaniu odpowiedzi immunologicznej poprzez sekwestrację czynnika regulatorowego 3 interferonu (IRF3) w ciałach inkluzyjnych i zapobieganie interakcji IRF3 z kinazami TBK1 i IKKε. Ta sekwestracja IRF3 w ciałach inkluzyjnych blokuje fosforylację IRF3 i translokację jądrową w kaskadzie sygnałowej TBK1-IRF3, która jest kluczowa dla indukcji IFN.123
Efekty cytotoksyczne i uszkodzenie tkanek
Glikoproteina (GP) wirusa Ebola odgrywa kluczową rolę w manifestacjach zakażenia wirusem Ebola. GP pozwala wirusowi na wprowadzenie swoich składników do monocytów i/lub makrofagów, gdzie uszkodzenie komórek lub ekspozycja na cząstki wirusowe może powodować uwalnianie cytokin związanych ze stanem zapalnym i gorączką, oraz do komórek śródbłonka, co uszkadza integralność naczyń.1
Efekty cytotoksyczne GP na funkcje makrofagów i komórek śródbłonka zaburzają funkcję komórek zapalnych i integralność układu naczyniowego. Ponadto, zmieniając ekspresję powierzchniową białek adhezyjnych i cząsteczek rozpoznawania immunologicznego, wirus Ebola może zakłócać procesy krytyczne dla aktywacji immunologicznej i funkcji cytolitycznej limfocytów T.1
Uszkodzenie wątroby, w połączeniu z masywną wiremią, prowadzi do rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego. Wirus ostatecznie zakaża mikronaczyniowe komórki śródbłonka i narusza integralność naczyń.12
Drugi, nieco większy (120-150 kd) GP, glikoproteina transbłonowa, jest włączony do wirionu Ebola i wiąże się z komórkami śródbłonka, ale nie z neutrofilami. Wiadomo, że wirus Ebola wnika, replikuje się i niszczy komórki śródbłonka. Zniszczenie powierzchni śródbłonka jest związane z rozsianym wykrzepianiem wewnątrznaczyniowym, co może przyczyniać się do objawów krwotocznych, które charakteryzują wiele, choć nie wszystkie, zakażenia Ebolą.1
Glikoproteina wirusowa (GP) Ebola może być głównym czynnikiem determinującym uszkodzenie komórek naczyniowych, dlatego zakażenie komórek śródbłonka indukuje uszkodzenia strukturalne, które mogą przyczyniać się do skazy krwotocznej. GP wiąże się z neutrofilami i komórkami śródbłonka przez DCSIGN (dendritic-cell-specific ICAM3-grabbing non-integrin) i LSIGN (liver and lymph node SIGN), które zapewniają połączenia z komórką-GP poprzez determinanty węglowodanowe. Te wiązania utworzone z receptorem neutrofili CD16 powodują znaczne zmniejszenie sygnału CR3 i receptora Fc II B, unikając usuwania wirusa.1
GP jest odpowiedzialny za cytotoksyczność wobec komórek śródbłonka poprzez wydzielanie enzymów, proteolitycznych endosomów (takich jak katepsyna), które powodują zniszczenie śródbłonka naczyniowego i zwiększenie przepuszczalności naczyń oraz objawy krwotoczne.2
Zaburzenia krzepnięcia i odpowiedź zapalna
Zaburzenia krzepnięcia i krwawienia powszechnie obserwowane w EVD zostały przypisane zwiększonej aktywacji zewnątrzpochodnej drogi kaskady krzepnięcia z powodu nadmiernej produkcji czynnika tkankowego przez makrofagi i monocyty.1
Zakażenie wirusem Ebola wywołuje ekspresję kilku mediatorów zapalnych, w tym interferonu, interleukin 2, 6, 8 i 10, białka 10 indukowanego przez interferon, białka chemotaktycznego monocytów 1, regulowanego po aktywacji, normalnie wyrażanego i wydzielanego (RANTES), TNF oraz reaktywnych form tlenu i azotu.1
Reaktywne formy tlenu i azotu przyczyniają się do uszkodzenia komórek i tkanek, a tym samym do uszkodzenia naczyń i narządów. Zakażenie Ebolą jest związane z krwotokiem u 50% pacjentów. Zmiany w układzie krzepnięcia są wywoływane przez wirusa Ebola i uważa się, że są zapośredniczone przez produkcję czynnika tkankowego.1
Wiele badań wskazuje na wzrost prokoagulacyjnego białka czynnika tkankowego, wolnych rodników tlenowych, cytokin i chemokin po zakażeniu wirusem Ebola, co może prowadzić do ciężkiej choroby i śmierci. Podwyższone poziomy kilku cytokin stwierdzono w makrofagach zakażonych wirusem Ebola jeszcze przed wykryciem ekspresji genów wirusowych, co wskazuje na rolę GP wirusa Ebola w wywoływaniu stanu zapalnego.1
Niedawno odkryto nowy mechanizm molekularny aktywacji zapalnej przez macierzowe białko wirusa Ebola VP40. Wykazano, że wysoce zjadliwy wirus Ebola wywoływał wysoką i trwałą odpowiedź prozapalną w porównaniu z mniej zjadliwymi ebolawirusami w komórkach nieimmunologicznych poprzez aktywację NF-κB niezależną od TLR4. Zidentyfikowano białko macierzowe wirusa Ebola VP40 jako silny aktywator NF-κB w komórkach nieimmunologicznych, którego wewnętrzna zdolność aktywacji zapalnej jest wyższa niż białek VP40 z mniej zjadliwych ebolawirusów. Sugeruje to, że VP40 jest nowym determinantem zjadliwości indukującym różne stopnie odpowiedzi prozapalnych wśród ebolawirusów. Mechanistycznie, VP40 aktywował szlak sygnałowy NF-κB, głównie za pośrednictwem TNFR1, wykorzystując mechanizm niezależny od ligandu.12
Zmiany metaboliczne w zakażonych komórkach
Wirus Ebola może wywoływać uwalnianie cytokin prozapalnych z następowym przeciekiem naczyniowym i upośledzeniem krzepnięcia, prowadzącym ostatecznie do niewydolności wielonarządowej i wstrząsu po wniknięciu i zakażeniu pacjentów. Wirus Ebola jest znany z bezpośredniego atakowania komórek śródbłonka i makrofagów, nawet bez zakażania ich, poprzez bezpośrednie interakcje z białkami wirusowymi. Te interakcje wpływają na mechanikę komórkową i procesy immunologiczne, które są ściśle powiązane z innymi kluczowymi funkcjami komórkowymi, takimi jak metabolizm.1
Badania metabolomiczne wykazały, że cząstki wirusopodobne Ebola (VLP) prowadzą do zmian metabolicznych w komórkach śródbłonka, makrofagach M1 i M2. Analiza różnicowej obfitości metabolitów i zaburzonych szlaków sygnałowych zidentyfikowała specyficzne cechy metaboliczne, głównie w szlakach metabolicznych związanych z kwasami tłuszczowymi, steroidami i aminokwasami dla wszystkich trzech typów komórek, w sposób specyficzny dla komórki gospodarza.12
Rola czynników genetycznych w podatności na zakażenie
Badania prowadzone na myszach współpracy krzyżowej (CC) wykazały, że naturalna zmienność genów gospodarza reguluje ciężkość choroby u ssaków. Zidentyfikowano dwa specyficzne regiony genetyczne u tych myszy, które są podatne na najbardziej śmiertelne efekty wirusa Ebola. Te podatności genetyczne, znalezione w chromosomach osiem i siedem, są powiązane z wysokimi ilościami wirusa we krwi i ciężkim stanem zapalnym, szczególnie w wątrobie. Podczas gdy wirus jest przenoszony przez kontakt z zakażonymi płynami ustrojowymi, wątroba staje się dominującym miejscem replikacji wirusa i stanu zapalnego.1
Zespół odkrył również drugą podatność gospodarza w chromosomie siedem, gdzie obecność funkcjonalnego regionu genetycznego (locus) zwanego TRIM5 była powiązana z ciężkim zapaleniem wątroby, utratą wagi i ostatecznie śmiercią. Jednakże badacze odkryli, że w przypadku zakażenia wirusem Ebola obecność funkcjonalnego locus TRIM5 faktycznie prowadziła do gorszych wyników i ostatecznej śmierci, ponieważ wirus wywoływał nadaktywną odpowiedź immunologiczną zwaną burzą cytokinową, powodującą masową śmierć komórek, stan zapalny i niewydolność wątroby.12
Konsekwencje patogenezy choroby wirusowej ebola
Zakażenie wirusem Ebola prowadzi do limfopenii, neutrofilii, zwiększonego poziomu cytokin prozapalnych w surowicy, rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego (DIC), martwicy wątroby i martwicy tkanki limfoidalnej. Zakażenie skutkuje aktywacją mechanizmów efektorowych typu I (cytotoksyczność i produkcja interferonu), a także silną aktywacją i różnicowaniem limfocytów T.1
Śmiertelne zakażenie charakteryzuje się wieloogniskową martwicą w tkankach, takich jak wątroba i śledziona. Podczas zakażenia wirusem Ebola dochodzi do deplecji i martwicy limfoidalnej u pacjentów z chorobą śmiertelną i u naczelnych innych niż człowiek zakażonych eksperymentalnie.12
Najcięższa martwica występuje w wątrobie i jest związana z tworzeniem ciałek podobnych do ciałek Councilmana, podobnych do tych obserwowanych w żółtej gorączce. W zakażeniach śmiertelnych tkanki i krew gospodarza zawierają dużą liczbę wirionów Ebola, a tkanki i płyny ustrojowe są wysoce zakaźne.1
Ponadto wirus Ebola atakuje śledzionę i nerki, gdzie zabija komórki, które pomagają organizmowi regulować równowagę płynów i chemiczną oraz które wytwarzają białka pomagające krwi krzepnąć.1
Pacjenci w końcowym stadium choroby umierają z powodu kombinacji niewydolności wielonarządowej i wstrząsu hipowolemicznego z powodu ciężkiej utraty płynów. Pacjenci z chorobą śmiertelną rozwijają objawy kliniczne wcześnie podczas zakażenia i umierają zazwyczaj między 6 a 16 dniem z powodu wstrząsu hipowolemicznego i niewydolności wielonarządowej.12
Przetrwanie wirusa Ebola w organizmie
Ortoebolowirusy są znane z utrzymywania się w miejscach uprzywilejowanych immunologicznie u niektórych osób, które wyzdrowiały. Miejsca te obejmują jądra, wnętrze oka i mózg. Nawrót – objawowa choroba przy braku ponownej infekcji u kogoś, kto wyzdrowiał z choroby Ebola – jest rzadki, ale został udokumentowany. Przyczyny tego zjawiska nie są jeszcze w pełni zrozumiane.1
Transmisja wirusa Ebola przez zakażone nasienie została udokumentowana do piętnastu miesięcy po wyzdrowieniu klinicznym. Postuluje się, że pojawienie się następstw choroby może wynikać z utrzymywania się zakaźnego wirusa Ebola, który pozostaje ukryty (np. niewykryty przez układ odpornościowy) w miejscach uprzywilejowanych immunologicznie.12
Wysunięto hipotezę, że mutacja w GP wirusa Ebola, w szczególności E545D, może być skorelowana z przetrwaniem wirusa, chociaż inne, obecnie nieznane mutacje mogą być również związane z przetrwaniem wirusa.1
Implikacje dla leczenia i profilaktyki
Zrozumienie patogenezy zakażenia wirusem Ebola ma kluczowe znaczenie dla opracowania środków zapobiegawczych i terapeutycznych. Odkrycia dotyczące mechanizmów molekularnych leżących u podstaw patogenezy wirusa Ebola dostarczają racjonalnych podstaw do skupienia się na GP jako celu dla szczepionki zapobiegawczej i wskazówek do innych interwencji klinicznych.1
Dla choroby wirusowej Ebola, WHO wydała silne zalecenia dotyczące leczenia mAb114 (ansuvimabTM) lub REGN-EB3 (InmazebTM), które są przeciwciałami monoklonalnymi. Chociaż istnieją licencjonowane szczepionki i środki terapeutyczne na chorobę wirusową Ebola, nie ma zatwierdzonej szczepionki ani leczenia na inne choroby Ebola, takie jak SVD lub BVD. Produkty kandydujące są w fazie rozwoju.1
Wirus Ebola przeszedł szybką mutację podczas rozprzestrzeniania się wśród ludzi. Wirus Ebola jest wirusem RNA, którego replikacja jest bardzo podatna na błędy, przy czym niemal jedna mutacja wirusowa występuje podczas każdego cyklu replikacji. Ta niezwykle wysoka częstość mutacji prowadzi do znacznej różnorodności genetycznej i antygenowej, która pozwala populacji wirusa Ebola na rozwinięcie oporności na leki przeciwwirusowe i szczepionki.1
Aktualnie dostępne leki w proponowanym schemacie leczenia zawierają koktajl leków przeciwwirusowych skierowanych na różne etapy replikacji wirusa Ebola, aby osiągnąć maksymalne zahamowanie replikacji wirusowej i zapobiec szybkiemu rozwojowi oporności na fawipirawir, jedyny lek w schemacie, który jest skierowany przeciwko zmiennym celom wirusa Ebola. Wykazano, że zmniejsza on replikację wirusa Ebola.2
Badacze starają się opracować model zwierzęcy przetrwania wirusa Ebola, który pozwoliłby naukowcom badać następstwa, przetrwanie wirusa i nawroty, a także umożliwiłby opracowanie środków do przeciwdziałania tym stadiom choroby. Opracowanie takiego modelu umożliwiłoby badaczom studiowanie mechanizmów przetrwania, nawrotów i następstw, a ostatecznie opracowanie środków do leczenia następstw choroby lub hamowania ich pojawienia się.1
Identyfikacja biomarkerów i przyszłe kierunki badań
Kompleksowe badania metabolomiczne zidentyfikowały potencjalne biomarkery i ścieżki metaboliczne zaburzone przez zakażenie wirusem Ebola. Te odkrycia umożliwiają lepsze zrozumienie patogenezy choroby i mogą prowadzić do opracowania nowych strategii terapeutycznych.12
Wieloplatformowa analiza „omiczna” ludzkiej choroby wirusowej Ebola ujawniła, że sygnatury molekularne EVD pokrywają się z tymi w sepsie, sugerując, że enzymy trzustkowe przyczyniają się do uszkodzenia tkanek w śmiertelnej EVD, oraz sugerując, że zakażenie wirusem Ebola może indukować nieprawidłowe neutrofile, których aktywność mogłaby wyjaśnić cechy charakterystyczne śmiertelnej EVD.12
Badania te dostarczają wglądu w patogenezę EVD, sugerują skuteczne podejście do identyfikacji biomarkerów i stanowią ważne zasoby dla społeczności naukowej do dalszej analizy ciężkości ludzkiej EVD.1
Konieczne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć mechanizmy patogenetyczne leżące u podstaw ciężkiej choroby wirusowej Ebola i opracować bardziej ukierunkowane strategie terapeutyczne. Identyfikacja kluczowych determinantów zjadliwości, takich jak VP40, i ich roli w modulowaniu odpowiedzi zapalnej może prowadzić do opracowania nowych terapii mających na celu łagodzenie dysregulacji immunologicznej w ciężkich zakażeniach wirusem Ebola.1
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.