Zespół oddechowy bliskiego wschodu (mers)
Patofizjologia i mechanizm
Zespół oddechowy Bliskiego Wschodu (MERS) wywoływany przez koronawirusa MERS-CoV charakteryzuje się wysoką śmiertelnością około 35%. Wirus ten, będący betakoronawirusem o genomie RNA dodatniej polarności (~30 tys. nukleotydów), wykorzystuje białko kolca (S) do wiązania z receptorem DPP4 (CD26) na powierzchni komórek gospodarza, co determinuje tropizm tkankowy, głównie do nieorzęsionych komórek nabłonka dolnych dróg oddechowych. MERS-CoV wykazuje unikalną zdolność do infekcji makrofagów, komórek dendrytycznych oraz limfocytów T, co prowadzi do modulacji odpowiedzi immunologicznej, indukcji apoptozy limfocytów T i opóźnionej odpowiedzi prozapalnej. Geny wirusa, takie jak ORF4a, ORF4b, ORF5 i ORF8b, pełnią funkcje antagonistów interferonu typu I, co osłabia odpowiedź przeciwwirusową i sprzyja ciężkiemu przebiegowi choroby, zwłaszcza u pacjentów z chorobami współistniejącymi (przewlekła choroba płuc, cukrzyca, niewydolność nerek). W modelach zwierzęcych, miano wirusa w płucach osiąga szczyt 2 dni po zakażeniu, a liczba neutrofili we krwi obwodowej koreluje z ciężkością choroby, co może mieć zastosowanie prognostyczne u ludzi.
- Patogeneza zespołu oddechowego Bliskiego Wschodu (MERS)
- Mechanizm infekcji i wnikania do komórek
- Mechanizmy patogenezy MERS-CoV
- Replikacja wirusa i uszkodzenie komórek
- Interakcje wirusa z układem odpornościowym
- Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej
- Czynniki gospodarza wpływające na patogenezę
- Powikłania kliniczne związane z patogenezą MERS
- Implikacje dla strategii terapeutycznych
Patogeneza zespołu oddechowego Bliskiego Wschodu (MERS)
Zespół oddechowy Bliskiego Wschodu (MERS) jest wysoce zakaźną chorobą wywoływaną przez koronawirusa MERS-CoV, który został po raz pierwszy zidentyfikowany w Arabii Saudyjskiej w 2012 roku. Ten betakoronawirus charakteryzuje się wysoką śmiertelnością, wynoszącą około 35%, co czyni go jednym z najbardziej niebezpiecznych koronawirusów dla człowieka.12 Zrozumienie patogenezy MERS-CoV jest kluczowe dla opracowania skutecznych strategii terapeutycznych i zapobiegawczych.
Pochodzenie i rezerwuar wirusa
MERS-CoV jest wirusem odzwierzęcym, którego pochodzenie prawdopodobnie związane jest z nietoperzami. Badania wykazały, że wirus jest blisko spokrewniony z koronawirusami nietoperzy Tylonycteris bat coronavirus HKU4 i Pipistrellus bat coronavirus HKU5.1 Jednakże obecnym głównym rezerwuarem wirusa są wielbłądy jednogarbne (dromadery), które stanowią kluczowe ogniwo w transmisji wirusa do ludzi.23
Wyniki badań filogenetycznych sugerują, że MERS-CoV pojawił się u wielbłądów w wyniku zdarzeń rekombinacyjnych w obrębie białka kolca (spike) wielbłądów afrykańskich, po czym rozprzestrzenił się na Półwysep Arabski.1 Badania seroepidemiologiczne wykazały, że wirus krąży wśród populacji wielbłądów od dziesięcioleci, co wskazuje na efektywną transmisję MERS-CoV w tym gatunku.2
Charakterystyka molekularna wirusa
MERS-CoV jest osłonkowym wirusem RNA o dodatniej polarności, którego genom liczy ponad 30 tysięcy nukleotydów. Genom zawiera siedem przewidywanych otwartych ramek odczytu (ORF1a, ORF1b, ORF3, ORF4a, ORF4b, ORF5 i ORF8b) oraz cztery geny strukturalne (S, E, M, N).1 Dwie ramki odczytu (ORF1a, ORF1b) kodują kompleks replikazy, natomiast pozostałe pięć ORF koduje pięć białek dodatkowych, które odgrywają kluczową rolę w infekcji i patogenezie.
Białko kolca (S) MERS-CoV jest białkiem transmembranowym składającym się z dwóch podjednostek: S1 i S2. Podjednostka S1 zawiera domenę wiążącą receptor (RBD), która przyłącza się do receptora dipeptydylopeptydazy 4 (DPP4, znany również jako CD26) gospodarza.23 Białko kolca MERS-CoV odgrywa kluczową rolę w patogenezie wirusa, umożliwiając jego wniknięcie do komórek gospodarza.
Mechanizm infekcji i wnikania do komórek
Rola receptora DPP4
Kluczowym elementem w patogenezie MERS-CoV jest interakcja białka kolca wirusa z receptorem DPP4 gospodarza. DPP4 jest wielofunkcyjnym białkiem błonowym typu II z długą domeną zewnątrzkomórkową i krótkim, sześcioaminokwasowym ogonem cytoplazmatycznym.1 Podczas infekcji, MERS-CoV wiąże się z domeną zewnątrzkomórkową DPP4, aby uzyskać dostęp do komórki gospodarza.
Istotne jest rozmieszczenie receptorów DPP4 w organizmie, gdyż determinuje ono tropizm tkankowy wirusa. Receptory DPP4 znajdują się na powierzchni nabłonkowej różnych ludzkich narządów, takich jak płuca, nerki, wątroba, szpik kostny, grasica i jelita.23 Ta szeroka dystrybucja receptora może wyjaśniać różnorodność objawów klinicznych obserwowanych u pacjentów z MERS.
Co istotne, ekspresja DPP4 różni się między gatunkami, co wpływa na podatność na zakażenie MERS-CoV. Na przykład, jama nosowa i jelito cienkie wielbłądów wykazują wysoką ekspresję DPP4, co może zwiększać potencjał transmisji międzygatunkowej MERS-CoV.4 Natomiast myszy są odporne na zakażenie MERS-CoV, ponieważ mysi DPP4 (mDPP4) nie wspiera wnikania MERS-CoV z powodu dwóch różnic aminokwasowych w regionie wchodzącym w interakcję z białkiem kolca.5
Proces wnikania wirusa do komórki
Cykl infekcyjny koronawirusów rozpoczyna się od wiązania glikoproteiny kolca wirusa z receptorem na powierzchni komórki gospodarza, co uruchamia sygnalizację receptorową i umożliwia internalizację wirusa.1 W przypadku MERS-CoV, proces wnikania może odbywać się zarówno poprzez bezpośrednią fuzję błon, jak i endocytozę.
Wiązanie białka S MERS-CoV do receptorów komórkowych gospodarza prowadzi do przyczepiania się i rozpoczęcia infekcji. Następnie dochodzi do fuzji osłonki wirusowej z błoną komórkową gospodarza, wywołanej rozcięciem białek S, ułatwionego przez proteazy komórkowe.2
Badania wykazały, że białko S MERS-CoV jest rozcinane w dwóch krokach przez proteazę furynową – jeden podczas syntezy białka kolca, a drugi później, podczas wnikania do komórki gospodarza.3 Te miejsca cięcia przez furynę są obserwowane w białku S MERS-CoV wyizolowanym od wielbłądów, a nabywanie miejsc cięcia poprzez mutacje mogło umożliwić wirusowi zakażanie większej liczby typów komórek u wielbłądów i łatwiejsze rozprzestrzenianie się poprzez wydzieliny i płyny tych zwierząt.
Co ciekawe, badania wykazały, że ogon cytoplazmatyczny DPP4 nie jest kluczowy dla internalizacji MERS-CoV. Wskazuje to, że po związaniu się MERS-CoV z DPP4, inne białko gospodarza może wyzwalać proces internalizacji.4 MERS-CoV może wchodzić w interakcje z innymi czynnikami gospodarza, takimi jak kwas sialowy, tetraspanina, proteazy gospodarza TMPRSS2 lub inne nieznane czynniki, które przyczyniają się do internalizacji wirusa.
Mechanizmy patogenezy MERS-CoV
Replikacja wirusa i uszkodzenie komórek
MERS-CoV wykazuje silny tropizm do nieorzęsionych komórek nabłonkowych oskrzeli, co jest unikalne, ponieważ większość wirusów oddechowych atakuje komórki rzęskowe.1 Po wniknięciu do komórki gospodarza, MERS-CoV wykorzystuje maszynerię komórkową do replikacji swojego materiału genetycznego i produkcji nowych cząstek wirusa.
Nsp1 (niestrukturalne białko 1) MERS-CoV jest istotnym czynnikiem zjadliwości, który ułatwia biologiczne działania wirusa. Nsp1 hamuje ekspresję genów gospodarza w zakażonych komórkach i promuje montaż lub pączkowanie wirusa in vitro, co prowadzi do wydajnej replikacji wirusa.2
Zakażenie komórek nabłonkowych MERS-CoV prowadzi do indukcji wolnej, ale znaczącej odpowiedzi interferonów typu I i II.3 Jednakże MERS-CoV, w przeciwieństwie do innych wirusów, wywołuje opóźnioną odpowiedź prozapalną i osłabia odporność wrodzoną, co sugeruje, że MERS-CoV jest bardziej śmiertelny w porównaniu z SARS-CoV.45
Interakcje wirusa z układem odpornościowym
MERS-CoV wykazuje zdolność do modulowania odpowiedzi immunologicznej gospodarza, co przyczynia się do jego wysokiej patogenności. Infekcja MERS-CoV komórek nabłonka indukuje uwalnianie prozapalnych chemokin i cytokin z makrofagów pochodzących z monocytów. Uważa się, że te chemokiny/cytokiny powodują zmiany zapalne i uszkodzenia tkanek poprzez infiltrację komórek odpornościowych w dolnych drogach oddechowych.5
MERS-CoV może skutecznie infekować ludzkie komórki dendrytyczne i makrofagi, co pomaga wirusowi w dysregulacji układu odpornościowego.1 Te fagocyty działają jak rezerwuary i środki transportu dla tych wirusów, pomagając w replikacji i rozprzestrzenianiu się, podobnie jak wirus HIV.6
Co więcej, MERS-CoV ma zdolność do infekowania ludzkich limfocytów T poprzez wysoką ekspresję CD26, prowadząc do apoptozy limfocytów T, co potencjalnie zakłóca przeciwwirusową odpowiedź limfocytów T.23
Z obecnej wiedzy wynika, że replikacja wirusa w makrofagach powoduje ekstremalną cytotoksyczność i wyzwala indukcję prozapalnych czynników chemicznych, które mogą prowadzić do powikłań związanych z MERS.7
Mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej
MERS-CoV rozwinął liczne mechanizmy antagonistyczne, aby osłabić indukcję przeciwwirusowych i prozapalnych cytokin w zainfekowanych komórkach nabłonkowych.1 Białko M oraz białka dodatkowe MERS-CoV, w tym ORF4a, ORF4b i ORF5, zostały udowodnione jako antagoniści sygnalizacji interferonu typu I (IFN-I) i hamują produkcję genów stymulowanych interferonem (ISG).3
Białko ORF8b kodowane przez MERS-CoV jest silnym antagonistą szlaku sygnałowego receptorów podobnych do RIG-I (RLR). ORF8b znacząco obniża indukcję aktywności promotora IFN-β zależną od MDA5 i RIG-I. Co ciekawe, ORF8b wydaje się regulować MDA5 i RIG-I w odmienny sposób, gdyż poziomy białka MDA5 były znacznie obniżone, podczas gdy poziomy RIG-I pozostawały w dużej mierze niezmienione.23
ORF8b wydaje się hamować wszystkie formy RIG-I (pełnej długości, RIG-I-1-734 i RIG-I-1-228), co sugeruje, że może hamować interakcje CARD-CARD między RIG-I a MAVS bez wpływu na poziomy białka RIG-I, prowadząc do niższych poziomów fosforylacji IRF3.4
Zmniejszona ekspresja IFN, genów indukowanych kwasem retinowym (RIG)-1, melanoma differentiation associate (MDA5) i czynników regulatorowych interferonu IRF-3 i IRF-7 została zaobserwowana w popłuczynach oskrzelowo-pęcherzykowych (BAL) i surowicy pacjentów w zaawansowanych stadiach MERS.6
Czynniki gospodarza wpływające na patogenezę
Wpływ stanów współistniejących
Nasilenie infekcji MERS-CoV jest stosunkowo większe u pacjentów ze współistniejącymi schorzeniami, takimi jak przewlekła choroba płuc, niewydolność nerek, cukrzyca i inne stany z upośledzoną odpornością.8 Badania sugerują, że wcześniej istniejące schorzenia płuc mogą zwiększać szanse na zachorowanie na MERS, ponieważ przewlekłe choroby płuc prowadzą do zwiększonej ekspresji DPP4.9
Podwyższona ekspresja DPP4 w pneumocytach typu I i niewystarczająca odpowiedź interferonu typu I mogą być kluczowymi czynnikami determinującymi ciężkie zakażenie MERS-CoV.10 Ponadto, DPP4 jest raportowana jako czynnik chemorepelentny dla neutrofili; dlatego zmiany w uwalnianiu DPP4 podczas infekcji MERS-CoV mogą wpływać na skład infiltratu immunologicznego, a ostatecznie na wynik zakażenia.11
Badania na modelach zwierzęcych
Brak danych z autopsji pacjentów oraz dobrych modeli zwierzęcych utrudnia zrozumienie odporności i patogenezy zakażenia MERS-CoV.1 Jednakże, badania na modelach zwierzęcych dostarczyły pewnych informacji na temat patogenezy MERS.
W modelu mysim MERS-CoV, miano wirusa w płucach osiąga szczyt 2 dni po zakażeniu, jednocześnie z limfopenią i neutrofilią we krwi obwodowej, dwoma zjawiskami obserwowanymi również w zakażeniu MERS-CoV u ludzi.2 Co ważne, liczba neutrofili w 1 dniu po zakażeniu była predykcyjna dla ciężkości choroby przy śmiertelnej dawce MERS-CoV, podkreślając wartość predykcyjną hematologii w tym modelu.3
Jedyny dostępny raport z autopsji, pochodzący z przypadku z kwietnia 2014 roku w Zjednoczonych Emiratach Arabskich, identyfikuje pneumocyty pęcherzykowe typu 2 i wielojądrzaste komórki syncytialne układu oddechowego o niepewnym pochodzeniu jako główne cele MERS-CoV. Zgodnie z tropizmem do komórek dolnych dróg oddechowych, główną obserwowaną patologią było rozlane uszkodzenie pęcherzyków płucnych, a także zaobserwowano dowody na patologię immunologiczną w niezakażonych obszarach płuc.4
Różnice międzygatunkowe w patogenezie
Patogeneza MERS-CoV różni się znacznie między gatunkami. U wielbłądów, MERS-CoV powoduje przejściową, łagodną chorobę; jednak duże ilości MERS-CoV są wydzielane z górnych dróg oddechowych, zgodnie z przeważającą replikacją MERS-CoV w małżowinach nosowych i krtani u tych zwierząt, co wyjaśnia częstą transmisję odzwierzęcą.1
Chociaż objawy kliniczne, a także transmisja, znacznie różnią się u ludzi i wielbłądów zakażonych MERS-CoV, wirusy wyizolowane z tych dwóch gatunków są bardzo podobne, jeśli nie identyczne. Wskazuje to, że czynniki gospodarza odgrywają znaczącą rolę w patogenezie i transmisji MERS-CoV.2
Wirus MERS-CoV atakuje bezpośrednio dolne drogi oddechowe (pneumocyty) u wielbłądów dromedary i nadal replikuje się preferencyjnie w komórkach dróg oddechowych górnych dróg oddechowych. Efekty cytopatyczne wirusa wyraźnie pokazują wyraziste tworzenie się syncytium u ludzi, a także u naczelnych niebędących ludźmi.3
| Cecha | Ludzie | Wielbłądy |
|---|---|---|
| Główne miejsce replikacji wirusa | Dolne drogi oddechowe (pneumocyty) | Górne drogi oddechowe (małżowiny nosowe, krtań) |
| Nasilenie objawów | Od bezobjawowego do ciężkiego zapalenia płuc | Łagodna, przejściowa choroba |
| Wydzielanie wirusa | Wyższy ładunek wirusowy w dolnych drogach oddechowych | Duże ilości wirusa wydzielane z górnych dróg oddechowych |
| Ekspresja receptora DPP4 | Wyższa w dolnych drogach oddechowych | Wysoka w jamie nosowej i jelicie cienkim |
| Potencjał transmisji | Ograniczona transmisja między ludźmi | Efektywna transmisja w populacji wielbłądów |
Powikłania kliniczne związane z patogenezą MERS
Objawy układu oddechowego
MERS-CoV powoduje ostrą, wysoce śmiertelną postać zapalenia płuc i zaburzenia czynności nerek.1 Patogeneza wirusa prowadzi do szerokiego spektrum objawów klinicznych, od zakażenia bezobjawowego do ciężkiego zapalenia płuc. W ciężkich przypadkach może rozwinąć się niewydolność oddechowa, która wymaga wentylacji mechanicznej lub wsparcia na oddziale intensywnej terapii.2
Główną obserwowaną patologią jest rozlane uszkodzenie pęcherzyków płucnych, co jest zgodne z tropizmem wirusa do komórek dolnych dróg oddechowych.3 MERS-CoV wykazuje silny tropizm do nieorzęsionych komórek nabłonkowych oskrzeli, co jest unikalne, ponieważ większość wirusów oddechowych atakuje komórki rzęskowe.4
W porównaniu z innym członkiem tej rodziny wirusów, znanym jako koronawirus zespołu ostrej niewydolności oddechowej (SARS-CoV), MERS-CoV ma skłonność do ustanawiania produktywnej infekcji w makrofagach i komórkach dendrytycznych. Może to z kolei wywoływać uwalnianie prozapalnych cytokin, skutkując przedłużonym stanem zapalnym i uszkodzeniem tkanek, co klinicznie objawia się jako ciężka postać zapalenia płuc i niewydolności oddechowej.5
Powikłania pozapłucne
Główne powikłania zgłaszane w przypadkach śmiertelnych to hiperkaliemia związana z tachykardią komorową, rozsiane wykrzepianie wewnątrznaczyniowe, zapalenie osierdzia i niewydolność wielonarządowa.3 MERS-CoV może powodować dodatkowe powikłania, takie jak niewydolność nerek.4
Chociaż dane z badań klinicznych, in vitro i ex vivo sugerowały potencjał do rozprzestrzeniania się wirusa, zajęcie narządów pozapłucnych u pacjentów z MERS nie zostało potwierdzone z powodu braku badania autopsyjnego.6 MERS-CoV może być wykrywany z wyższym ładunkiem wirusowym i przez dłuższy czas w dolnych drogach oddechowych niż w górnych drogach oddechowych, a także został wykryty w kale, surowicy, moczu i próbkach krwi.7
Grupa ryzyka i czynniki prognostyczne
Współczynnik śmiertelności w przypadku MERS-CoV (około 35%) jest wyższy niż w przypadku SARS-CoV (9,6%).4 Ciężkość choroby jest większa u osób z istniejącymi wcześniej schorzeniami, takimi jak przewlekła choroba płuc, niewydolność nerek, cukrzyca i inne stany z upośledzoną odpornością.9
Neutrofilia we krwi obwodowej może służyć jako biomarker predykcyjny ciężkiej choroby MERS-CoV u myszy, podobnie jak podwyższony poziom neutrofili w momencie przyjęcia pacjentów z SARS przewidywał niekorzystne wyniki u ludzi.8 To podkreśla wartość badań hematologicznych w prognozowaniu przebiegu choroby.
Liczba neutrofili w pierwszym dniu po zakażeniu była predykcyjna dla ciężkości choroby przy śmiertelnej dawce MERS-CoV, co podkreśla wartość predykcyjną hematologii w modelu mysim.9 Te wyniki mogą mieć zastosowanie kliniczne w przewidywaniu przebiegu choroby u ludzi.
Implikacje dla strategii terapeutycznych
Potencjalne cele terapeutyczne
Zrozumienie patogenezy MERS-CoV otwiera drzwi do opracowania skutecznych strategii terapeutycznych. Replikacja MERS-CoV jest wysoce wrażliwa na leczenie interferonem typu I (IFN-I) w hodowli komórkowej, co sugeruje, że leczenie IFN-I może być możliwym podejściem terapeutycznym w praktyce klinicznej.4
Białko kolca MERS-CoV, które odpowiada za wniknięcie MERS-CoV, jest uważane za kluczowy cel rozwoju szczepionki przeciwko zakażeniu MERS-CoV.12 Neutralizujące przeciwciała monoklonalne wiążą się z białkiem kolca MERS-CoV i zapobiegają wnikaniu wirusa i następnej fuzji błon, tym samym hamując replikację wirusa i zmniejszając objawy kliniczne u modeli zwierzęcych i ludzi.
Badacze z Texas Children’s CVD i ich współpracownicy oparli rozwój szczepionki na segmencie białka kolca SARS-CoV lub MERS-CoV, znanym jako domena wiążąca receptor (RBD). Idea polega na tym, że szczepionki stymulowałyby przeciwciała neutralizujące, które blokowałyby przyłączanie się wirusa do jego receptora na komórce gospodarza, zapobiegając w ten sposób zakażeniu koronawirusami. Badacze wykazali, że kandydat na szczepionkę RBD wywołuje silną odpowiedź przeciwciał neutralizujących i chroni zaszczepione zwierzęta przed infekcją wirusem wyzwania.3
Strategie zapobiegania i kontroli
Z powodu braku specyficznego leczenia i szczepionki, kluczowe znaczenie mają środki zapobiegania i kontroli zakażeń. Transmisja MERS-CoV odbywa się poprzez bliski kontakt z zakażonymi osobami lub zwierzętami, głównie poprzez zakażenie kropelkowe.3
WHO zaleca, aby wszystkie osoby mające kontakt z osobami podejrzanymi o MERS (oprócz standardowych środków ostrożności): nosiły maskę medyczną, nosiły ochronę oczu (tj. gogle lub przyłbicę), nosiły czystą, niesterylną, długą zapinaną na rękawy odzież; oraz rękawiczki (niektóre procedury mogą wymagać sterylnych rękawiczek).4
MERS-CoV przetrwał lepiej niż wirusy A(H1N1) na powierzchniach nieożywionych i ma zdolność do pozostawania żywym w aerozolu.8 Dlatego środki zapobiegania i kontroli zakażeń mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania możliwemu rozprzestrzenianiu się MERS-CoV w placówkach opieki zdrowotnej.5
WHO nadal współpracuje ze specjalistami ds. zdrowia publicznego i zdrowia zwierząt, klinicystami i naukowcami w dotkniętych i zagrożonych państwach członkowskich w celu gromadzenia i udostępniania dowodów naukowych, aby lepiej zrozumieć wirusa i chorobę, którą powoduje.6
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.