Ріновіруси патогенні для людини. Етіологія та культуральні властивості

Разом із своїми колегами він вивчав інші цікаві території: каньйони. Вони визначили, як Россманн підозрював, що виступаючі рецептори клітини дійсно проникають на дно каньйону. І, вдивляючись в ріновірусну модель Россманна, виявили кластер з чотирьох амінокислот на дні каньйону, які здавалися вірогідними кандидатами на структуру ключів сайту прикріплення.

Щоб перевірити свою здогадку, лабораторія Колоно використала  генну інженерію, працюючи з цими амінокислотами. Вони встановили, що мутантні віруси зв'язані слабо. Тому зробили  припущення, що чотири амінокислоти формують структуру ріновірусу. Якщо б Колоно був більш успішним, він знайшов секрет того, як вірус застуди «пропонує» себе в наших клітинах і, можливо, спосіб як заблокувати його.

У той час як Россманн і Колоно вивчали структуру ріновірусів, інші намагалися визначити, як вони, в  першу чергу, пробиваються до нашого носу. Серед дослідників передачі були Гуолтні з Університету Вірджинії  та Елліот Дік з університету Вісконсіна. Дік стверджував, що в більшій  мірі ріновіруси рухаються від ніс  до носа, у вигляді краплин вологи та здійснюється цей процес через  повітря. Гуолтні показав, що вони також  можуть поширюватися з рук на руки, через нашу схильності торкатися  до свого обличчя, а звідти в носовій  хід.

Гуолтні вперше висунув свою гіпотезу в 1970 році, коли він зробив досліди, які показали, що люди, які  страждають на застуду можуть переносити ріновіруси на те, до чого вони торкаються: на дверні ручки, лічильники, телефони, журнали, книги і т.д. Вірус може жити протягом кількох годин на цих поверхнях. Коли здорові люди користуються такими речами, вони також можуть підібрати віруси застуди і мимоволі прищепити їх собі, торкаючись свого носа або потираючи очі. Також Гуолтні показав, що витирання рук розчином йоду, що вбивче діє на вірус, запобігає передачі та знижує частоту застудних захворювань на 40% [2, 4].

На сьогоднішній день вчені впритул наблизилися до розкриття таємниць, звичайних ріновірусів, що викликають так звану «застуду». Дослідникам вдалося повністю розшифрувати геноми всіх відомих ріновірусів. Отримані дані володіють могутнім потенціалом для розробки перших ефективних засобів від простуди. Дослідникам із медичного інституту при університеті Меріленда в Балтіморі та їх колегам з університету Вісконсін-Медісон вдалося повністю розшифрувати геноми всіх відомих штамів ріновірусів і скласти для них «генеологічне дерево», що ілюструє їх споріднені зв'язки [2, 4].

 

 

2. ТАКСОНОМІЯ ТА НОМЕНКЛАТУРА

 

2.1. Питання класифікації

 

 

Ріновіруси розділені на дві великі групи. Одна з них (Н-штами) репродукуються лише в культурах клітин ниркової тканини людини, інша (М-штами) – в культурах клітин нирок мавп. Виділені штами ріновірусів, які розмножуються в органних культурах миготливого епітелію носа і трахеї людини (О-штами). В даний час розрізняють понад 100 серотипів ріновірусів [5].

Міждисциплінарна співпраця  генетиків і медиків дозволила  змалювати широку картину різноманітності  збудників простуди – ріновірусів. Учені прочитали повні геноми 138 зразків ріновірусів і знайшли крім трьох відомих типів ще один. Філогенетичне дерево показало не тільки чітке розділення на окремі еволюційні гілки, але і можливість рекомбінації ріновірусів, що знаходяться в одній зараженій клітині. Це дослідження довело безперспективність пошуку загальних ліків від простуди – настільки різноманітні ці віруси. Більш осмисленим буде пошук ліків окремо для кожної з еволюційних гілок [6].

За імунологічними тестами виділяють 100 різних типів (серотипів) ріновірусів. Вони класифікуються в основному за будовою білків і ліпопротеїдів, які забезпечують зв'язок вірусу з поверхнею клітини. Їх класифікують на основі специфіки рецепторів: міжклітинної молекули адгезії-1 (ICAM-1), ліпопротеїнів низької щільності (ЛНП) рецепторів і рецепторів сіалопротеїнових клітини [7].

Для класифікації використовується також чутливість до різних ліків.

За цими ознаками до недавнього часу розрізняли два типи ріновірусів – HRV-A і HRV-B. В останні 3-4 роки був виділений ще один тип – HRV-C. Цей тип викликає стани схожі на грип з серйозними порушеннями дихальних функцій. Сумісними зусиллями вчених з різних американських установ – Інституту молекулярної вірусології Віськонсинського університету, Інституту Крейга Вентера (Роквілль), Медичної школи при Мерілендському університеті (Балтімор) – були прочитані геноми всіх 100 серотипів ріновірусів і 10 додаткових клінічних зразків [6, 7].

 

 

2.2. Ознаки роду Rhinovirus

 

 

Ріновіруси входять до складу сімейства Picornaviriadae.

Ріновіруси не мають загального групового антигена, кожний серотип володіє своїм віруснейтралізуючим і комплементзв'язуючим антигеном. У зовнішньому середовищі нестійкі, протягом 10 хв. інактивуються при температурі 50°С, добре витримують низькі температури, при висушуванні на повітрі велика частина інфекції втрачається через декілька хвилин.

Характерна особливість  – відсутність у складі віріона ріновірусів вуглеводів та ліпідів, що робить збудника нечутливим до дії ефіру [8].

Дослідження показали відносно стабільний загальний склад нуклеотидів всіх вірусів, при цьому аденіну та урацилу трохи більше, ніж гуаніну та цитозину. Як і інші віруси, ріновіруси мають стабільну та мінливу частини. Мінлива ділянка у кожної вірусної частинки особлива, і вона, як вважають дослідники в аналогії з іншими пікорнавірусами, визначає вірулентність вірусних частинок. У цілому мінливість вірусних РНК навіть в межах одного серотипу надзвичайно висока. Саме цим і пояснюється надзвичайно низька ефективність ліків проти застуди [4, 9].

Вченим довелося переглянути  старі погляди на походження ріновірусів. Передбачалося, що різні штами походять незалежно один від одного та рекомбінація цьому типу вірусів не властива. Але згідно з новими даними, принаймні 23 штами є результатом 12 незалежних рекомбінацій. Якщо при застуді в клітині опиняється відразу декілька типів ріновірусів, то тоді цілком можлива рекомбінація вірусної РНК. Рекомбінація між вірусами з різних груп (А, B і С) не відбувається, зате легко здійснюється між частинками з різними поверхневими рецепторами. Поки невідомо, що приводить до рекомбінації та появи нових штамів. Учені сподіваються, що це стане відомо при подальшому аналізі геномів цих вірусів. Тільки обмежена кількість штамів піддається рекомбінації, а один із штамів Нrv-54 є особливо активним – він дає початок цілим 7 новим серотипам [10].

Синтез білків ріновірусів відбувається за спрощеною схемою порівняно з білковим синтезом клітинних організмів, що, можливо, є причиною короткого періоду між інфікуванням і появою перших симптомів захворювання [9, 11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.МОРФОЛОГІЯ

 

3.1 Геном ріновірусів

 

 

Геном ріновірусів складається  з (+) одноланцюгової молекули РНК. Геномна РНК є інфекційною. Інфекційність збільшується за умови, що РНК вводять в клітини шляхом трансфекції. Нетрансльовані області РНК на 5'-кінці містять 600-1200 довгих основ і відіграють важливу роль в трансляції, вірулентності. Нетрансльована область на 3'-кінці коротша, 50-100 основ. Обидва кінці геному змінюються: VPg білку (від англ. viral protein genome linked, вірусний білок, з’єднаний з геномом) ковалентно прикріплені на 5'-кінці, а поліаденілування змінює 3'-кінець. Хоча поліаденілові послідовності кислоти генетично не закодовані, є сигнал поліаденілування вгору за течією 3'-кінця, так як і в еукаріотичних мРНК.

Капсид ріновірусів складається  з щільно упакованих ікосаедрично розташованих 60 протомерів, кожний з яких складається  з 4 поліпептидів, VP1, 2, 3 і 4 (рис. 3.1).

 

 

Рисунок 3.1 – Комп'ютерна модель структури капсида людського ріновірусу 16 [12]

Всі вони походять від розщеплення вихідного протомеру Vp0 (псевдо). Частинки в діаметрі 27-30нм, в залежності від типу та ступеня зневоднення, довжина геному становить близько 2500нм. Таким чином, геном щільно упакований в капсид з поліамінів, що протидіють негативним зарядам фосфатних груп.

VP1 білки утворюють невеликий циліндричний виступ на деякій вершині капсида. Навколо цього виступу є заглиблення, що є сайтом зв’язування з клітинним рецептором вірусу [13, 14].

Ріновірусний геном (рис. 3.2) складається з однієї нитки РНК (вона може бути трансльована безпосередньо на рибосомах), укладену в невеликий тетраедричний капсид. Одноланцюгова РНК транслюється в великий поліпротеїн, який згодом засвоюється в 10 білках.

 

 

Рисунок 3.2 – Геном ріновірусів [13]

 

Один великий запис  переводиться в єдиний поліпротеїн, який потім обробляється. VP1, VP2, VP3 і VP4 кодовані частини ікосаедричної  оболонки. Вони насправді зібрані  в капсид як один великий поліпептид. Шістдесят екземплярів з кожного  шару протеїнів містяться у кожному  вірусному капсиді.

 

 

 

3.2 Реплікація ріновірусів

 

 

Більшість ріновірусів знаходять  хазяїна шляхом приєднання до рецептора IСAM – 1 та ввівши ядерце. Зниження рН ендосом є причиною роздягання вірусу та руху одноланцюгової РНК в цитоплазму. Точні молекулярні основи взаємодії невідомі, але, ймовірно, нагадують, запропоновані для поліовірусу – краще вивченої моделі. Поліовірус проникає в клітину при наявності вірусного капсида пробиваючи отвір в клітинній мембрані. Зв'язування рецепторів викликає конформаційні зміни в VP1 білку – білку капсида, який знаходиться поблизу кожної вершини. Цей конформаційний зсув сприяє створенню пори в мембрані. Далі вірусна РНК рухається через цей канал з капсида у цитоплазму. Неушкоджена (+) одно ланцюгова РНК виглядає як мРНК, тим самим обдурюючи рибосоми в трансляції своєї частинки в попередник поліпротеїну. Він спочатку перетворюється на три частини P1, P2 і P3, деякі з яких потім піддаються подальшій обробці (рис. 3.3).

 

 

Рисунок .3. Схема реплікації ріновірусів [13]

P1 містить білки капсиду. P2 і P3 розщеплюються для отримання протеази та РНК-залежної РНК-полімерази [14, 15].

Більшість серотипів ріновірусів  зв'язуються з ICAM-1 рецепторами на поверхні клітин, а потім вводяться безпосередньо  в цитоплазму. Після прийому всередину (+) одноланцюгової РНК відбувається її трансляція в поліпротеїн, що в  кінцевому рахунку, обробляється в  різних його частинах. Білки капсиду, розташовані на N-кінці поліпротеїну, збираються для формування капсидних  мономерів, що складаються з VP1, VP2, VP3 і VP4. Полімерази створюють (-) ланцюги, а потім (+) ланцюги копій вірусної РНК. Зібравшись з білками капсиду, вони потім виходять з клітини в результаті її лізису [15, 16].

Ріновіруси не можуть використовувати  для реплікації своєї РНК звичайні механізми клітини-хазяїна, тому вірус  повинен кодувати свої реплікази. Білки, що виконують реплікацію вірусної РНК  транспортуються на поверхню мембрани везикулами, де й відбувається процес. Реплікація починається з основного вірусного білка Vpg, що ковалентно прикріплений до кінця геному РНК. Білки реплікації копіюють (+) ланцюги для створення (-) ланцюга молекули РНК. Негативна частина реплікується для формування в подальшому (+) ланцюга. Деякі з них втрачають прикріплений Vpg і мігрують до рибосом у якості шаблонів для трансляції. Після декількох раундів збільшення, (+) одноланцюгова РНК, яка до цих пір зберігає свою Vpg, збирається з іншими структурними білками, створюючи вірусне потомство. Потім нащадки вірусу випускаються з клітини шляхом лізису [16, 17].

Вірус потребує більшої кількості  копій P1 білка, ніж P2 або P3, але всі три типи створюються в рівних кількостях. Такий вибір виникає для більшої ефективності, для більшого продукування потомства [15, 18].

 

 

 

4. ПАТОГЕНЕЗ РІНОВІРУСІВ

 

4.1. Шляхи проникнення ріновірусів в організм людини

 

 

Вхідним маршрутом для ріновірусів є верхні дихальні шляхи. Вірус зазвичай потрапляє в носові ходи при вдиханні частинок або при доторканні до носа забрудненими руками. Через найближчі 10-15 хвилин, він переноситься в задню частину горла. Опинившись там, вірус прикріплюється до поверхні клітини рецептора, що відома як молекула міжклітинної адгезії (ICAM-1), та інфекція починається. Ріновірус є надзвичайно ефективним у продукуванні інфекцій [19].

Інфекція залишається  локалізованою у верхніх дихальних  шляхах. Це відбувається з однієї дуже важливої причини: ріновіруси вкрай  неефективно реплікуються при температурі вище 33°C. Вірус також може потрапляти в кінцевому результаті в шлунок, де, як і підвищення температури так і зниження рН будуть направлені на запобігання інфекції. На відміну від поліовірусу, ріновірусний капсид (захисний шар білку) необоротно розбирається при низьких значеннях рН, ефективно інактивуючи вірус [20, 21].

 

 

4.2 Інфекції та імунна відповідь

 

 

Інкубаційний період ріновірусної інфекції складає всього 8 – 10 годин. Перші симптоми зазвичай з'являються  в час піку на 1-3 день. Протягом 2 - 3 днів після зараження, в район  запалення проникають імунні клітини. Часто з’являється місцевий набряк або набряк, викликаний підвищеною проникністю капілярів і кровоносних судин в області плазми. Слизові оболонки носових ходів починають секретувати великі об'єми рідини. В результаті симптоми застуди: біль у горлі, нежить, сльозоточивість, чхання, кашель, гіперемія і головний біль.

Причиною цих симптомів  є імунна відповідь. Клітини під  атакою ріновірусів випускають хімічні  сигнали, що називаються цитокінами для залучення імунних клітин і попередження сусідніх клітин. Ці цитокіни (інтерферон-γ і інтерлейкін-β) залучають імунні клітини та стимулюють каскад цитокінів, що ще більше підсилюють імунну відповідь [22].

Велика кількість хімічних сигналів направляється в райони, прилеглі до інфекції, що призводить до розширення кровоносних судин. Як результат збільшується їх нещільність та секреція залоз і стимулюються нервові волокна. Ця стимуляція нервів може викликати біль, чхання і кашель. Все це відбувається в організмі як спроба очистки від вірусної інфекції [21, 22].

Між тим, в інфікованих  клітинах, вірус піддається реплікації якомога швидше і постійно продовжує своє потомство. Ці нащадки вірусів здатні розповсюджувати інфекцію, втручаючись в сусідні клітини. Коли імунна реакція досягає свого піку вони вимиваються з носових ходів.