Norowirus (zakażenie jelit)
Patofizjologia i mechanizm
Norowirusy, należące do rodziny Caliciviridae, to nieosłonkowe, jednoniciowe wirusy RNA o dodatniej polarności, będące główną przyczyną ostrego zapalenia żołądka i jelit. Objawy kliniczne pojawiają się 12-48 godzin po ekspozycji i trwają zwykle 24-72 godziny, obejmując nudności, wymioty, wodnistą biegunkę oraz bóle brzucha. Wirus wykazuje wysoki stopień zakaźności, z minimalną dawką zakaźną wynoszącą około 10 cząstek wirusowych. Replikacja zachodzi głównie w jelicie cienkim, zwłaszcza w jelicie czczym, gdzie wirus infekuje różne typy komórek, w tym enterocyty, komórki pęczelkowe (tuft cells) oraz komórki układu odpornościowego (makrofagi, komórki dendrytyczne, limfocyty B i T). Patogeneza obejmuje uszkodzenie mikrokosmków, prowadzące do dysfunkcji enzymatycznej na poziomie rąbka szczoteczkowego, co skutkuje biegunką, a także stymulację komórek enterochromaffinowych do uwalniania serotoniny, aktywującej ośrodek wymiotny w mózgu. Genetyczna ekspresja antygenów grup krwi (HBGA) determinuje podatność na zakażenie, gdyż norowirusy wiążą się z tymi oligosacharydami na powierzchni komórek jelitowych.
- Patogeneza norowirusów – wprowadzenie
- Wnikanie i replikacja wirusa w organizmie
- Zmiany histopatologiczne w przebiegu zakażenia norowirusem
- Mechanizmy objawów klinicznych w zakażeniu norowirusem
- Rola czynników genetycznych gospodarza w zakażeniu norowirusem
- Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej przez norowirusy
- Odpowiedź immunologiczna na zakażenie norowirusem
- Potencjalne następstwa zakażenia norowirusem
- Wydalanie wirusa i zakażenie przewlekłe
- Podsumowanie patogenezy norowirusów
Patogeneza norowirusów – wprowadzenie
Norowirusy to nieosłonkowe, jednoniciowe wirusy RNA o dodatniej polarności z rodziny Caliciviridae, stanowiące główną przyczynę ostrego zapalenia żołądka i jelit na całym świecie. Wywołują one chorobę, która cechuje się ostrymi objawami żołądkowo-jelitowymi, takimi jak nudności, wymioty, wodnista biegunka i bóle brzucha, rozwijającymi się 12-48 godzin po ekspozycji i trwającymi zwykle 24-72 godziny12. Pomimo znacznego obciążenia chorobą wywołaną przez norowirusy oraz potencjału do pojawiania się wysoce zjadliwych szczepów, patogeneza zakażenia nie jest dobrze poznana z powodu braku systemów hodowli komórkowych i historycznego braku modeli zwierzęcych3.
Norowirusy są stosunkowo prostymi patogenami – każda cząstka wirusowa niesie zaledwie dziewięć genów kodujących białka. Pomimo tej prostoty, wirus z łatwością omija ludzki układ odpornościowy i instruuje komórki jelitowe do replikacji cząstek wirusowych. W ciągu jednego dnia „przeprogramowuje” wyściółkę jelitową, powodując uwalnianie płynów i nowo zreplikowanego materiału wirusowego do środowiska4. Co istotne, norowirusy są wysoce zakaźne, a zakażenie może nastąpić już po ekspozycji na zaledwie 10 cząstek wirusowych5.
Wnikanie i replikacja wirusa w organizmie
Mechanizm zakażenia norowirusem nie jest w pełni poznany. Wirus dostaje się do organizmu najczęściej drogą pokarmową. Norowirusy są stabilne w środowisku kwaśnym, co umożliwia im przetrwanie przejścia przez żołądek67. Replikacja wirusa zachodzi głównie w jelicie cienkim, a dokładniej w jego części zwanej jelitem czczym (jejunum)8.
Cykl replikacyjny norowirusów
Cykl replikacyjny norowirusów rozpoczyna się od przyłączenia wirusa do węglowodanów na powierzchni komórki. Ludzkie norowirusy wiążą się z antygenami grup krwi (HBGA, histo-blood group antigens), podczas gdy mysie norowirusy wiążą się z innymi węglowodanami, w tym kwasami sialowymi9. Po przyłączeniu kapsydu wirusowego (VP1) do antygenów grup krwi obecnych na powierzchni komórki, wirus zostaje internalizowany, rozebrany i rozłożony10.
Następnie dochodzi do transkrypcji i translacji wirusowego RNA (+) w cytoplazmie komórki gospodarza. Proces ten umożliwiają czynniki translacji gospodarza rekrutowane przez niestrukturalne białko wirusowe VPg. Po translacji, poliproteina kodowana przez ORF1 jest cięta przez wirusową proteazę (Pro, znaną również jako NS6 lub podobną do 3C) na 6 indywidualnych białek niestrukturalnych11.
Podczas replikacji, RNA (+) jest przepisywane na RNA o negatywnej polarności (RNA (-)). Te stanowią matryce do syntezy nowych genomowych i subgenomowych RNA (+). Subgenomowe RNA (+) zawierają tylko ORF2 i ORF3 i są wykorzystywane do produkcji białek VP1 i VP2. Nowo zsyntetyzowane wirusowe RNA są składane w nowe wiriony w procesie znanym jako enkapsydacja. Następnie nowo zsyntetyzowane wiriony są uwalniane z zainfekowanych komórek gospodarza poprzez mechanizm, który nie jest jeszcze w pełni poznany12.
Komórki docelowe norowirusów
Norowirusy wykazują podwójny tropizm, atakując i infekując zarówno komórki nabłonka jelitowego, jak i komórki układu odpornościowego w jelicie13. Przez długi czas uważano, że norowirusy infekują tylko enterocyty (komórki nabłonkowe wyścielające jelito), jednak nowsze badania sugerują, że zakażenie jest złożone i obejmuje wiele typów komórek w ludzkim jelicie14.
Badania potwierdziły, że norowirusy infekują i replikują się w komórkach układu odpornościowego, w tym makrofagach, komórkach dendrytycznych i limfocytach B15. W enterocytach ludzkich, jak pokazano w biopsjach jelitowych od pacjentów z niedoborami odporności, można wykryć białko VP1 w enterocytach, makrofagach, limfocytach T i komórkach dendrytycznych, co wskazuje na możliwą aktywną infekcję tych typów komórek16.
Niedawne badania wykazały, że norowirusy infekują rzadki typ komórek zwanych komórkami pęczelkowymi (tuft cells), które mają na powierzchni charakterystyczne kosmki przypominające włosy. Mimo że komórki te są nieliczne, odkrycia naukowców wskazują, że po zakażeniu wirusem, szybko namnażają one wirusa i inicjują ciężkie zakażenia1718. Badacze wykazali, że aby wniknąć do komórek, norowirusy potrzebują specyficznego białka, które występuje tylko na komórkach pęczelkowych w wyściółce jelita19.
Komórki pęczelkowe mogą być ważnym celem dla norowirusów, ponieważ mają one białko bramkujące niezbędne do wpuszczenia wirusa. Co ciekawe, zakażenia pasożytami jelitowymi i robakami powodują zwiększenie liczby komórek pęczelkowych od pięcio- do dziesięciokrotnie, co prowadzi do bardziej wydajnej replikacji norowirusów20.
Rola mikrobioty w patogenezie norowirusów
Bakterie w mikrobiocie gospodarza mogą wpływać na zakażenia ludzkim norowirusem poprzez dostarczanie cukrów podobnych do HBGA dla przyłączenia norowirusów i poprzez modulowanie odporności gospodarza21. Limfocyty B wspierają replikację norowirusów w obecności bakterii, które wykazują cukry podobne do antygenów grup krwi (HBGA)22.
Eksperymentalne modyfikacje mikrobioty drastycznie zmieniają zakażenie mysim norowirusem – wstępne traktowanie myszy koktajlem antybiotyków zapobiega zakażeniu jelita zarówno przez ostry szczep MNV-1, jak i przez uporczywe szczepy MNV-3 i CR623. Kwasy żółciowe okazały się również niezbędne dla efektywnej replikacji świńskiego kaliciwirusa jelitowego in vitro i służą jako kofaktory dla wiązania komórkowego i zakaźności mysich norowirusów2425.
Zmiany histopatologiczne w przebiegu zakażenia norowirusem
Analiza histologiczna próbek biopsji z proksymalnej części jelita od ochotników, którzy zachorowali po podaniu norowirusów z grupy GI (Norwalk; GI.1) lub GII (Hawaii; GII.1), wykazuje nienaruszoną błonę śluzową jelita ze specyficznymi zmianami histologicznymi, w tym26:
- Poszerzenie i stępienie kosmków jelitowych
- Skrócenie mikrokosmków
- Powiększone i blade mitochondria
- Zwiększona wakuolizacja cytoplazmatyczna
- Obrzęk międzykomórkowy
Zakażenie norowirusem powoduje następujące zmiany w błonie śluzowej jelita27:
- Częściowe spłaszczenie i poszerzenie kosmków, z dezorganizacją nabłonka błony śluzowej
- Nacieczenie blaszki właściwej przez komórki jednojądrowe i wakuolizacja nabłonka błony śluzowej
- Hiperplazja komórek krypt
- Gładka i szorstka siateczka śródplazmatyczna oraz zwiększenie liczby ciałek wielopęcherzykowych w komórkach nabłonka błony śluzowej
- Znaczne zmniejszenie liczby mikrokosmków i obecność amorficznej masy elektronowo-gęstej w poszerzonych przestrzeniach międzykomórkowych
Kilka badań sugeruje, że norowirusy powodują apoptozę enterocytów u ludzi, świń i myszy28. Nie jest jednak jasne, czy zakażenie wirusowe enterocytów bezpośrednio indukuje apoptozę, czy też składnik wirusowy wydzielany z innych komórek działa na enterocyty obserwatorskie, wywołując ich zaprogramowaną śmierć komórkową29.
Mechanizmy objawów klinicznych w zakażeniu norowirusem
Wirus powoduje uszkodzenie mikrokosmków jelita cienkiego, co prowadzi do dysfunkcji enzymatycznej na poziomie rąbka szczoteczkowego, powodując biegunkę30. Ponadto wirus powoduje opóźnione opróżnianie żołądka i zaburzenia motoryki, co skutkuje wymiotami31.
Zakażenie granicy przewodu pokarmowego utrudnia wchłanianie wody i składników odżywczych, co może powodować biegunkę z wodą32. Oprócz zmian fizjologicznych i strukturalnych w jelicie, zakażenie norowirusem jest również związane z infiltracją zapalną do blaszki właściwej u ludzi po zakażeniu wirusami Norwalk i Hawaii, co wskazuje, że cytokiny prozapalne mogą odgrywać rolę w objawach zakażenia norowirusem33.
Najnowsze badania zespołu naukowców kierowanego przez profesora Lennarta Svenssona z Uniwersytetu w Linköping wykazały po raz pierwszy, jak wirusy wywołują wymioty. Badacze odkryli, że zakażenie wirusowe i toksyna wydzielana z zakażonych komórek stymulują typ komórek czuciowych zwanych komórkami enterochromaffinowymi w ścianach przewodu pokarmowego. Komórki te mogą komunikować się z mózgiem za pośrednictwem nerwu błędnego34.
„Wykazaliśmy, że toksyna wirusowa stymuluje komórki do uwalniania serotoniny, substancji sygnałowej, która z kolei aktywuje ośrodek wymiotny w mózgu” – wyjaśnia Maria Hagbom, inżynier laboratoryjny w Zakładzie Wirusologii Molekularnej na Uniwersytecie w Linköping35. Wzorzec ten był badany zarówno w hodowlach komórkowych, gdzie naukowcy wykazali, że toksyna wirusowa powodowała uwalnianie serotoniny, jak i u myszy, gdzie zaobserwowano, że zakażenie rotawirusem w jelitach aktywowało obszary mózgu, w których znajduje się ośrodek wymiotny36.
Rola czynników genetycznych gospodarza w zakażeniu norowirusem
Znaczenie antygenów grup krwi (HBGA)
Po ekspozycji na norowirusy grupa krwi w dużej mierze determinuje, czy dana osoba zachoruje37. Te same oligosacharydy obecne na krwinkach czerwonych występują również na powierzchni komórek wyścielających jelito cienkie. Norowirusy wykorzystują te oligosacharydy do przyłączania się i zakażania komórek jelitowych. To specyficzna struktura tych oligosacharydów decyduje, czy dany szczep wirusa może się przyłączyć i wniknąć do komórki38.
Obecność jednego oligosacharydu, zwanego antygenem H1, jest wymagana do przyłączenia się wielu szczepów norowirusów39. Badania wykazały związek między ekspresją ludzkich antygenów grup krwi (HBGA) a podatnością na zakażenie norowirusem. Badania sugerują, że kapsyd norowirusów mógł ewoluować pod selektywną presją ludzkich HBGA40.
Warto zauważyć, że obecność podobnych do HBGA substancji zidentyfikowano w wielu różnych powierzchniach żywności, w tym w skrzelach skorupiaków oraz ścianach komórkowych, liściach i żyłkach sałaty. Może to wyjaśniać, dlaczego ogniska norowirusów są często związane z żywnością41.
Inne czynniki genetyczne
Białko MDA-5 może być głównym sensorem immunologicznym, który wykrywa obecność norowirusów w organizmie42. Niektóre osoby mają powszechne warianty genu MDA-5, które mogą czynić je bardziej podatnymi na zakażenie norowirusem43.
Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej przez norowirusy
Norowirusy mogą zakażać swoich gospodarzy przez tygodnie lub miesiące, nawet w obecności w pełni funkcjonalnego układu odpornościowego44. Mechanizmy, dzięki którym norowirusy utrzymują długotrwałe zakażenie, pozostają niekompletnie zrozumiane, ale mogą one odgrywać kluczową rolę w osłabianiu adaptacyjnych odpowiedzi immunologicznych, tak że nie chronią one przed wtórnym zakażeniem45.
Chociaż skuteczne w hamowaniu i regulowaniu replikacji wirusa, endogenne odpowiedzi interferonowe są przeciwdziałane przez szereg mechanizmów unikania odpowiedzi przez wirusa46. Cząsteczka unikania odporności VF1 jest kodowana przez dodatkową ramkę odczytu (ORF4), która jest obecna w genomie mysiego norowirusów, ale nieobecna w ludzkich norowirusach47.
Interesujące jest to, że norowirusy ukryte w komórkach pęczelkowych są skutecznie schowane przed układem odpornościowym, co może wyjaśniać, dlaczego niektóre osoby nadal wydzielają wirusa długo po ustąpieniu objawów choroby48.
Odpowiedź immunologiczna na zakażenie norowirusem
Zakażenie norowirusem wywołuje silną odpowiedź immunologiczną, która eliminuje wirusa w ciągu kilku dni. Jednakże odpowiedź ta wydaje się krótkotrwała49. Większość badań wykazała, że odporność chroniąca przed ponownym zakażeniem tym samym szczepem norowirusów trwa mniej niż sześć miesięcy. Ponadto zakażenie jednym szczepem norowirusów daje niewielką ochronę przed zakażeniem innym5051.
Po zakażeniu norowirusem rozwijają się specyficzne przeciwciała IgG i IgA52. Immunologiczna rola różnorodności antygenowej norowirusów pozostaje niepewna, a sprzeczne dane dotyczące czasu trwania odporności zostały zgłoszone, wahając się od kilku tygodni do kilku lat53.
Trwałe zakażenie mysim norowirusem prowadzi do zróżnicowania specyficznych dla norowirusów rezydujących w tkankach limfocytów T CD8+ do stanu podobnego do tego zaangażowanego w odpowiedź przeciwko latentnym cytomegalowirusom54.
Potencjalne następstwa zakażenia norowirusem
Oprócz ostrych objawów zakażenia norowirusem, istnieją pewne dowody łączące zakażenia norowirusem z następstwami, w tym poinfekcyjnym zespołem jelita drażliwego (IBS) i nieswoistymi zapaleniami jelit (IBD)55.
Wykazano, że zakażenie myszy Atg16l1HM przetrwałym szczepem CR6 mysiego norowirusów prowadzi do zmienionego transkryptomu, unikalnej morfologii komórek Panetha i nieprawidłowego pakowania ziarnistości56. Zarówno mutacja gospodarza, specyficznie w nabłonku jelitowym, jak i zakażenie wirusowe są wymagane dla fenotypu podobnego do choroby Crohna, co rodzi możliwość, że zakażenia jelitowe mogą przyczyniać się do IBD u ludzi57.
Wydalanie wirusa i zakażenie przewlekłe
Średni okres od inokulacji wirusem do wystąpienia objawów klinicznych wynosi 1,2 dnia, a objawy norowirusów zwykle ustępują w ciągu 1-3 dni. Chociaż objawy mogą ustąpić, ludzie mogą nadal wydalać wirusa z kałem przez dłuższy czas, nawet do 60 dni w niektórych przypadkach58.
Pacjenci z niedoborami odporności mogą wydalać wirusa przez miesiące lub lata5960. Chociaż nie są znane zakażenia przewlekłe, to u pacjentów z obniżoną odpornością odnotowano wydalanie wirusa przez ponad 8 miesięcy61.
Podsumowanie patogenezy norowirusów
Patogeneza norowirusów jest złożonym procesem, który rozpoczyna się od wniknięcia wirusa do organizmu drogą pokarmową. Po przejściu przez żołądek, wirus infekuje jelito cienkie, gdzie atakuje różne typy komórek, w tym enterocyty, komórki pęczelkowe i komórki układu odpornościowego. Zakażenie prowadzi do uszkodzenia błony śluzowej jelita, zaburzeń wchłaniania wody i składników odżywczych oraz aktywacji ośrodka wymiotnego w mózgu poprzez uwalnianie serotoniny z komórek enterochromaffinowych.
Podatność na zakażenie norowirusem jest w dużej mierze determinowana przez czynniki genetyczne gospodarza, szczególnie przez ekspresję antygenów grup krwi. Norowirusy wykazują zdolność do unikania odpowiedzi immunologicznej, co umożliwia im długotrwałe utrzymywanie się w organizmie gospodarza. Odpowiedź immunologiczna na zakażenie, choć silna, jest krótkotrwała i nie zapewnia długoterminowej ochrony przed ponownym zakażeniem.
Zaawansowana wiedza na temat patogenezy norowirusów ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych strategii zapobiegania i leczenia zakażeń. Celowanie w komórki pęczelkowe za pomocą szczepionki lub leku może być skuteczną strategią zapobiegania lub leczenia zakażeń norowirusem62.
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.