Ospa prawdziwa
Patofizjologia i mechanizm
Ospa prawdziwa (variola) to ostra, zakaźna choroba wywoływana przez dwuniciowy wirus DNA z rodziny Poxviridae, replikujący się unikalnie w cytoplazmie komórek gospodarza. Występowały dwie formy: variola major z około 30% śmiertelnością oraz łagodniejsza variola minor z <1% śmiertelnością. Wirus przenosi się głównie drogą kropelkową, a po okresie inkubacji 12-14 dni dochodzi do wtórnej wiremii, manifestującej się gorączką ≥38,3°C i charakterystyczną wysypką. Patogeneza obejmuje replikację w układzie siateczkowo-śródbłonkowym, infekcję leukocytów i lokalizację wirusa w skórze oraz błonach śluzowych, co prowadzi do zmian skórnych i wysokiej zakaźności. Odpowiedź immunologiczna obejmuje produkcję przeciwciał neutralizujących i komórek pamięci T utrzymujących się do 50 lat. Śmierć wynika z toksjemii, hipotensji, koagulopatii i niewydolności wielonarządowej, często związanej z rozsianym wykrzepianiem wewnątrznaczyniowym.
- Charakterystyka ogólna ospa prawdziwa
- Struktura genomu wirusa ospy prawdziwej
- Mechanizm infekcji i rozprzestrzeniania się wirusa
- Patogeneza zmian skórnych
- Odpowiedź immunologiczna na zakażenie
- Modele zwierzęce w badaniach patogenezy
- Nowoczesne badania nad patogenezą ospy prawdziwej
- Znaczenie w bioterrorizmie
- Wnioski
Charakterystyka ogólna ospa prawdziwa
Ospa prawdziwa (łac. variola) jest ostrą, zakaźną chorobą wywoływaną przez wirusa ospy prawdziwej (variola virus), należącego do rodzaju Orthopoxvirus w rodzinie Poxviridae. Wirus ospy prawdziwej to duży, cegiełkowaty, dwuniciowy wirus DNA, który replikuje się w cytoplazmie zainfekowanych komórek gospodarza, co odróżnia go od większości wirusów DNA, które namnażają się w jądrze komórkowym.12 Genom wirusa składa się z liniowej, dwuniciowej cząsteczki DNA zawierającej około 186 102 par zasad, która koduje około 10 enzymów regulujących ekspresję genów oraz około 100 nukleobiałek zaangażowanych w transkrypcję DNA.3 Wirusy ospy prawdziwej krzyżowo reagują serologicznie z innymi członkami rodziny pokswirusów, takimi jak ectromeliosis, ospa krowia, ospa małpia, wirus krowianki i wirus ospy wielbłądziej.4
Historycznie występowały dwie formy wirusa ospy prawdziwej: variola major, która była postacią ciężką i najczęstszą, z bardziej rozległą wysypką i wyższą gorączką, prowadzącą do ospy zlewnej o wysokiej śmiertelności (około 30%) oraz variola minor, rzadsza postać, powodująca łagodniejszą chorobę, z historyczną śmiertelnością 1% lub mniej.56 Ospa prawdziwa została eradykowana w skali globalnej w 1980 roku dzięki bezprecedensowej kampanii szczepień, jednak wciąż istnieje potencjalne zagrożenie wykorzystania wirusa jako broni bioterrorystycznej.78
Struktura genomu wirusa ospy prawdziwej
Pokswirusy, w tym wirus ospy prawdziwej, posiadają liniowy, dwuniciowy genom DNA i są wyjątkowe wśród wirusów DNA, ponieważ replikują się w cytoplazmie zamiast w jądrze komórki.910 Genom wirusa ospy prawdziwej koduje wszystkie białka niezbędne do replikacji, co pozwala mu namnażać się w cytoplazmie komórki gospodarza bez konieczności korzystania z aparatu jądrowego.11 Białka kodowane przez wirusa są zlokalizowane głównie w terminalnych regionach DNA wirusa i są odpowiedzialne za patogenność wirusa, umożliwiając mu unikanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza.12
Unikalną cechą wirusa ospy prawdziwej, która czyni go tak śmiertelnym, jest to, że nie wymaga on pomocy komórki gospodarza do rozpoczęcia replikacji. Wynika to z faktu, że wirus ospy prawdziwej koduje wszystkie enzymy potrzebne do jego namnażania. Jeden enzym w szczególności, topoizomeraza IB (33 kDa), odpowiada za rozwijanie zapakowanego, superskręconego wirusowego DNA w celu zainicjowania replikacji wirusowej. Następuje to poprzez mechanizm nacięcia-łączenia, w którym nukleofilowa tyrozyna atakuje wiązanie fosfodiesterowe, tworząc wiązanie 3′-fosfotyrozynowe i uwalniając wolną grupę 5′-hydroksylową. Tworzy to nacięcie w DNA, które rozwija się, aby uwolnić superskręcenie. DNA jest następnie ponownie ligowane, tworząc rozluźnione DNA.13
Białko G1R wirusa ospy prawdziwej wiąże się do komórkowego czynnika jądrowego kappa-B (NF-kB), hamując jego funkcję w sygnalizacji komórkowej. Białko G1R jest wysoce konserwowane wśród patogennych ortopokswirusów i jest nieobecne w mniej patogennych szczepach krowianki, co sugeruje, że może ono służyć jako molekularny cel terapeutyczny.1415
Mechanizm infekcji i rozprzestrzeniania się wirusa
Wirus ospy prawdziwej przenosi się z człowieka na człowieka poprzez wdychanie kropel wydzieliny dróg oddechowych lub, mniej skutecznie, przez bezpośredni kontakt.1617 Zakażenie zwykle następuje poprzez wdychanie wirusa znajdującego się w wydzielinach jamy ustnej i gardła osoby zakażonej w pierwszym tygodniu pojawienia się charakterystycznej wysypki.18
Proces infekcji można podzielić na kilka etapów:
- Wniknięcie wirusa: Wirus wnika do organizmu przez błony śluzowe jamy ustnej, gardła lub dróg oddechowych. Inne możliwe drogi wniknięcia to skóra, spojówki oraz łożysko.19
- Lokalna replikacja: Po wniknięciu do organizmu wirus migruje do regionalnych węzłów chłonnych, gdzie rozpoczyna replikację.20
- Pierwotna wiremia: Początkowa wiremia występuje 3-4 dni po zakażeniu, a wirus dalej rozprzestrzenia się do szpiku kostnego, śledziony i dodatkowych łańcuchów węzłów chłonnych.21
- Amplifikacja wirusa: Wirus namnaża się w układzie siateczkowo-śródbłonkowym przez 4-14 dni.22
- Wtórna wiremia: Wtórna wiremia występuje między 8 a 12 dniem po zakażeniu i zbiega się z wystąpieniem gorączki i klinicznych objawów choroby. Na tym etapie wirus lokalizuje się w błonie śluzowej jamy ustnej i gardła oraz w małych naczyniach krwionośnych skóry, powodując pojawienie się wysypki i zakaźność kliniczną.2324
W trakcie wtórnej wiremii wirus infekuje komórki śluzowe gardła i jamy ustnej oraz śródbłonek naczyń włosowatych skóry właściwej, powodując zmiany skórne.25 Wirus ostatecznie dostaje się do krwi w leukocytach, powodując gorączkę i toksjemię, a następnie przechodzi z leukocytów do sąsiednich komórek w małych naczyniach krwionośnych skóry właściwej i pod błoną śluzową jamy ustno-gardłowej, prowadząc do początkowego pojawienia się enantemu i egzantemu, w którym to momencie (około 14 dnia) pacjent staje się zakaźny.26
Wnikanie wirusa do komórek gospodarza
Wirus ospy prawdziwej wnika do komórek gospodarza poprzez wiązanie się z określonymi receptorami na błonie komórkowej gospodarza. Wiąże się z receptorami komórek gospodarza za pomocą antygenów hemaglutyniny ekspresjonowanych na jego powierzchni zewnętrznej. Dokładny mechanizm wnikania nie jest jeszcze znany.27 Badacze odkryli, że interakcje między polianionowymi lub ujemnie naładowanymi cząsteczkami na powierzchni komórki a glikoproteinami na cząsteczce wirusa powodują niefizygenizacyjne przerwanie zewnętrznej osłonki wirusa, umożliwiając pokswirusowi wniknięcie do komórki.28
Po wniknięciu do komórki gospodarza wirus ospy prawdziwej replikuje się w cytoplazmie, a nie w jądrze, używając wielu własnych enzymów gospodarza do replikacji. Replikacja rozpoczyna się po dotarciu wirionu do cytoplazmy komórki gospodarza. Najpierw cząsteczka informacyjnego RNA jest transkrybowana przez polimerazę RNA i pokrewne enzymy przed odkapsydowaniem genomu. Pierwsze geny, które są transkrybowane, znane jako geny wczesne, kodują białka, które ułatwiają odkapsydowanie genomu wirusowego i inicjują drugą rundę transkrypcji genów pośrednich. Geny pośrednie wytwarzają mRNA, które są translowane na białka umożliwiające transkrypcję klasy genów późnych. Geny późne kodują białka, które tworzą strukturalne i enzymatyczne składniki nowego wirionu.29
Dalsza replikacja tego wirusa prowadzi do ostatecznego wyłączenia syntezy DNA, RNA i białek komórki gospodarza oraz powoduje zmiany w architekturze komórki, umożliwiając wirusowi wykorzystanie aparatu genetycznego komórki gospodarza do reprodukcji.30
Patogeneza zmian skórnych
Zmiany skórne w ospie prawdziwej powstają w wyniku migracji makrofagów do zakażonych obszarów skóry właściwej, prowadząc do obrzęku i martwicy.31 Pierwotnym zdarzeniem, które wyzwala powstawanie ogniskowych zmian w zakażeniach ortopokswirusami, jest lokalizacja cząstek wirusa w małych naczyniach krwionośnych skóry.32
Mechanizmy umożliwiające lokalizację wirusa ospy prawdziwej w skórze i charakterystyczne „odśrodkowe” rozmieszczenie wysypki nie są znane.33 Fakt, że wirus wydaje się podróżować w leukocytach, które specyficznie opuszczają naczynia krwionośne w skórze właściwej brodawkowatej, wskazuje, że wirus ospy prawdziwej preferencyjnie łączy się z leukocytami, które mogą migrować do skóry; alternatywnie, może być tak, że tylko tkanki skóry mogą wspierać kolejne etapy replikacji niezbędne do tworzenia zmian.34
Po dotarciu do skóry wirus rozprzestrzenia się w warstwach środkowej i podstawnej, powodując rozszerzające się strefy martwicy, które tworzą pęcherze.35 W nierogowaciejącym nabłonku płaskim jamy ustno-gardłowej ten sam proces odpowiada za tworzenie się owrzodzonych zmian.36 Brak rogowej, keratynizowanej warstwy komórkowej pozwala zmianom na błonach śluzowych na szybkie owrzodzenie po ich powstaniu, uwalniając duże ilości wysoce zakaźnego wirusa do śliny.37
Krosty z otaczającym obrzękiem i rumieniem powstają w wyniku zwiększonej przepuszczalności lokalnych naczyń krwionośnych i późniejszej infiltracji neutrofilów, limfocytów i makrofagów.38 Odpowiedź immunologiczna komórkowa jest warunkiem wstępnym dla ustąpienia zmian.39
Rozwój objawów klinicznych
Po okresie inkubacji trwającym 12-14 dni wirus wnika do krwi w leukocytach, które zasiewają skórę i wytwarzają charakterystyczne zmiany skórne (ospę), podczas gdy większość innych tkanek jest oszczędzona.40 Początkowe objawy podobne są do innych chorób wirusowych, które nadal występują, takich jak grypa i przeziębienie: gorączka co najmniej 38,3°C, bóle mięśni, złe samopoczucie, ból głowy i zmęczenie.41
Zdolność odpowiedzi gospodarza do ograniczenia replikacji wirusa w okresie inkubacji koreluje bezpośrednio z ciężkością choroby.42 Po rozprzestrzenieniu się wirusa objawy ciężkiej choroby, w tym hipotensja i koagulopatia, rozwijają się w wyniku odpowiedzi zapalnej gospodarza.43
Odpowiedź immunologiczna na zakażenie
Odpowiedź układu odpornościowego na wiremię obejmuje aktywację limfocytów T i B oraz jednoczesne wytwarzanie:44
- Przeciwciał neutralizujących – w pierwszym tygodniu choroby, utrzymujących się przez wiele lat
- Przeciwciał hamujących hemaglutynację – do 16 dnia zakażenia, zaczynających się zmniejszać po 1 roku
- Przeciwciał wiążących dopełniacz – do 18 dnia zakażenia, zaczynających się zmniejszać po 1 roku
- Komórek pamięci T – utrzymujących się przez 50 lat
Ludzka odpowiedź immunologiczna na wirusy jest złożonym procesem, o którym wciąż wiele pozostaje do odkrycia.46 Złożona seria reakcji między komórkami prezentującymi antygen a komórkami T służy do ogłoszenia układowi odpornościowemu obecności wewnątrzkomórkowych patogenów, takich jak wirusy.47 Podczas zakażenia wirusem tak złożonym jak ortopokswirusy generowane są przeciwciała specyficzne dla wielu różnych białek wirusowych.48
Najlepsze informacje na temat względnego znaczenia komórkowych i humoralnych odpowiedzi immunologicznych na zakażenia ortopokswirusem u ludzi pochodzą z badań osób w stanach niedoboru odporności, którym następnie podano szczepionkę z wirusem krowianki.4950
Specyficzna dla ortopokswirusów pamięć komórek T i B może być postrzegana jako obejmująca wcześniej indukowane limfocyty, które utrzymują się jako długo żyjące, ale nieaktywowane komórki sekwestrowane w tkance limfoidalnej i w recyrkulacji limfocytów.51 Skuteczność pamięciowych komórek T w zapewnianiu ochronnej odporności przeciwko ortopokswirusom zmniejsza się wraz ze zwiększaniem się odstępu między zakażeniem pierwotnym a wtórnym.52
Mechanizmy prowadzące do śmierci
Śmierć spowodowana ospą prawdziwą była zwykle wynikiem toksjemii, skutkującej:53
- Hipotensją
- Koagulopatią
- Niewydolnością wielonarządową
- Infekcjami bakteryjnymi
Śmierć jest zwykle wynikiem rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego, hipotensji i zapaści sercowo-naczyniowej; są one nasilone przez zaburzenia krzepnięcia w rzadkim krwotocznym typie ospy prawdziwej.55 Komórki śródbłonka wyściełające zatoki wątroby są często obrzęknięte, a czasami proliferujące lub martwicze.56
Dokładny sposób, w jaki zakażenie ospą prawdziwą prowadziło do śmierci pacjenta, pozostaje niejasny. Oxford Textbook of Medicine zauważa, że zakażone osoby mogą rozwinąć objawy prostracji (całkowitego wyczerpania), toksjemii (toksyn we krwi) i hipotensji (niskiego ciśnienia krwi), które wszystkie przyczyniają się do śmierci, ale mechanizmy, przez które ospa prawdziwa powoduje takie objawy, nie są jasne.57
Modele zwierzęce w badaniach patogenezy
Patogeneza ospy prawdziwej była badana na trzy sposoby:5859
- Przy użyciu materiału od pacjentów ludzkich
- Poprzez przeprowadzanie eksperymentów z zakażeniem wirusem ospy prawdziwej u naczelnych innych niż ludzie
- Poprzez przeprowadzanie eksperymentów na modelach zakażeń u myszy, królików i małp z wykorzystaniem pokrewnych ortopokswirusów
W przełomowym badaniu naukowcy wykazali, że małpy cynomolgus eksponowane na wysokie dawki wirusa ospy prawdziwej (variola) umierały na krwotoczną postać ospy prawdziwej w ciągu kilku dni. Dożylne wstrzyknięcie wysokich dawek wirusa ospy prawdziwej wywołało przytłaczającą, krwotoczną postać choroby, kończącą się ostrymi zgonami, zwykle w ciągu 6 dni od inokulacji.60
Zastosowanie dożylnej inokulacji wirusa wyeliminowało etapy inkubacji i prodromalne naturalnej ospy prawdziwej, powodując „natychmiastową wiremię” i skutkując znacznie krótszym przebiegiem klinicznym niż typowy, gdy ospa prawdziwa nadal występowała u ludzi. „Jednak sekwencja zdarzeń u małp jest podobna do ludzkiej krwotocznej ospy prawdziwej, postaci, która była prawie zawsze śmiertelna.”61
Analiza tkanek zainfekowanych małp dostarczyła już pewnych informacji o tym, jak ospa prawdziwa zmienia aktywność genów w komórkach zaatakowanych przez wirusa, dostarczając wskazówek o tym, jak pokonuje ona mechanizmy obronne gospodarza.62
Nowoczesne badania nad patogenezą ospy prawdziwej
W ostatnich latach, ze względu na potencjalne zagrożenie bioterrorystyczne, wzrosło zainteresowanie patogenezą ospy prawdziwej.63 Badacze z Uniwersytetu Florydy odkryli więcej na temat sposobu, w jaki ospa prawdziwa prowadzi swój śmiertelny biznes – odkrycia, które mogą ujawnić tyle samo o ludzkim układzie odpornościowym, co o jednym z najbardziej obawianych patogenów na świecie.64
W wynikach opublikowanych w maju w Proceedings of the National Academy of Sciences, naukowcy opisali, jak przyjrzeli się wszystkim białkom wytwarzanym przez wirusa ospy prawdziwej w połączeniu z białkami ludzkimi i odkryli jedną szczególną interakcję, która wyłącza jeden z pierwszych reagentów organizmu na uraz – zapalenie.65
„Jedną ze strategii wirusa jest hamowanie szlaków zapalnych, a ta interakcja jest inhibitorem ludzkiego zapalenia, jakiego nigdy wcześniej nie widzieliśmy” – powiedział McFadden. „To pomaga wyjaśnić niektóre mechanizmy, które przyczyniają się do patogenezy ospy prawdziwej.”66
Białko G1R wirusa ospy prawdziwej wiąże się do komórkowego czynnika jądrowego kappa-B (NF-kB), hamując jego funkcję w sygnalizacji komórkowej. Białko G1R jest wysoce konserwowane wśród patogennych ortopokswirusów i jest nieobecne w mniej patogennych szczepach krowianki, co sugeruje, że może ono służyć jako molekularny cel terapeutyczny.6768
Badania nad lekami przeciwko ospie prawdziwej
W odpowiedzi na wykrycie wirusa ospy prawdziwej istnieją trzy możliwości kontrolowania każdego wynikającego z tego wybuchu choroby: izolacja i kwarantanna, szczepienia oraz podawanie leków przeciwwirusowych.69 Poczyniono postępy w opracowywaniu leków do leczenia i profilaktyki poekspozycyjnej ospy prawdziwej.70
Lek przeciwwirusowy tekowirymat został zatwierdzony przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) w 2018 roku, a w czerwcu 2021 roku FDA zatwierdziła cidofowir/” title=”brincidofowir” class=”to-tag” data-termid=”89396″>brincidofowir (CMX 001) do leczenia ospy prawdziwej. Oba zatwierdzenia opierały się na badaniach eksperymentalnych i, chociaż ich skuteczność przeciwko ospie prawdziwej u ludzi nie jest znana, w testach laboratoryjnych oba zatrzymały wzrost wirusa, który powoduje ospę prawdziwą i były skuteczne w leczeniu zwierząt, które miały choroby podobne do ospy prawdziwej. Dodatkowo cidofowir, który nie jest zatwierdzony przez FDA do leczenia ospy prawdziwej, mógłby być stosowany podczas wybuchu epidemii w ramach odpowiedniego mechanizmu regulacyjnego.71
Mechanizm działania tekowirymatu polega na hamowaniu białka VP37, zapobiegając prawidłowemu tworzeniu się otoczkowych wirionów.72 Ogólnie rzecz biorąc, tekowirymat łagodził typowe zmiany makroskopowe i histologiczne związane z chorobą wywołaną przez VARV u makaków, gdy zwierzęta były leczone już w 4 dniu po zakażeniu. Możliwość leczenia tak wcześnie, jak to możliwe, w tym przypadku przed rozwojem zmian, może mieć wpływ na przebieg choroby i pozostałą patologię.73
Leczenie ospy prawdziwej jest generalnie wspomagające, z antybiotykami w przypadku wtórnych zakażeń bakteryjnych.74 Chociaż niektóre leki przeciwwirusowe mogą pomóc w leczeniu choroby ospy prawdziwej, nie ma leczenia ospy prawdziwej, które zostało przetestowane u osób chorych na tę chorobę i udowodniono jego skuteczność.75
Znaczenie w bioterrorizmie
Chociaż ospa prawdziwa została eradykowana, istnieje możliwość, że wirus variola mógłby zostać użyty w ataku biologicznym.76 Wirus ospy prawdziwej może zainfekować ludzi poprzez wdychanie, połknięcie lub wstrzyknięcie. Atak ospą prawdziwą prawdopodobnie polegałby na tym, że ofiary wdychałyby Variola poprzez aerozol lub poprzez celowo zakażoną osobę zainfekowaną wirusem.77
Wystąpiły trzy niepokojące przypadki edycji genów pokswirusów w XXI wieku. W 2001 roku Jackson i in. stworzyli zmodyfikowany wirus ospy mysiej, który mógł zainfekować i zabić zaszczepione myszy. Ponieważ ospa mysia jest modelem badań nad ospą prawdziwą, badanie to dostarcza dowodów na to, że variola mogłaby potencjalnie zostać podobnie zmanipulowana, aby obejść szczepienie przeciwko ospie prawdziwej. Te badania pokazują potencjał do tworzenia nowych, bardziej śmiercionośnych wariantów ospy prawdziwej przy użyciu powszechnie dostępnych technik inżynierii genetycznej.78
Wnioski
Patogeneza ospy prawdziwej jest słabo zrozumianą serią zdarzeń, w której wirus najpierw rozprzestrzenia się lokalnie, następnie przez układ limfatyczny, a ostatecznie do skóry bez wpływu na narządy życiowe.7980 Wiele aspektów patogenezy ospy prawdziwej pozostaje nieznanych, w tym mechanizmy umożliwiające lokalizację wirusa ospy prawdziwej w skórze i charakterystyczny „odśrodkowy” rozkład wysypki.81
Lepsza znajomość mechanizmów patogenezy ospy prawdziwej może pomóc w opracowaniu skuteczniejszych metod leczenia i szczepionek, które mogą być wykorzystane w przypadku ponownego pojawienia się choroby, czy to naturalnie, czy jako wynik bioterroryzmu. Badania nad patogenezą ospy prawdziwej mogą również dostarczyć cennych informacji o tym, jak inne ortopokswirusy powodują choroby, co może mieć implikacje dla chorób takich jak ospa małpia, która ostatnio zyskała znaczenie jako choroba zakaźna o potencjale pandemicznym.82
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.