Lars-Ingvar Karlsson Rapport Åtvidaberg Utgåva 2. Grundläggande virologi, 5 p Ht 2006 Hälsouniversitetet Linköping

Transkript

1 Lars-Ingvar Karlsson Rapport Åtvidaberg Utgåva 2 Grundläggande virologi, 5 p Ht 2006 Hälsouniversitetet Linköping Examinationsuppgift: Skriftlig redovisning av Influensa A Sammanfattning: Influensa A är en luftburen och mycket smittsam virusinfektion som drabbar framför allt de övre delarna av luftvägarna hos däggdjur och fåglar. Influensavirus kan ge återkommande världsomspännande epidemier. Enligt WHO:s statistik (2005) dör 4 miljoner människor varje år i luftvägsinfektioner, de flesta i Influensa A. 2-15% av alla svenskar insjuknar i influensa varje år. Överdödlig-heten i Sverige, som beror på Influensa A och B, är c:a 4000 fall under en influensaepidemi. Dessa uppträder huvudsakligen säsongsvis, i Nordeuropa under december - februari. Särskilda riskgrupper är personer över 65 år och lung/hjärtsjuka patienter. Influensavirus A/B tillhör virusfamiljen ortomyxo. Varje virus har ett hölje med åtta helikala (skruvformade) kapsider inuti som var och en innehåller en bit enkelsträngat RNA. Det är höljets egenskaper som avgör om det kan binda till receptorer på cellytan i luftvägarna och om individens antikroppar kan känna igen viruset. Kan viruset binda till cellytan på det ciliebärande epitelet och antikroppar saknas för igenkänning blir individen sjuk. Inkubationstiden är 1-3 dagar för influensavirus A, beroende på hur stor dos av viruset personen fått i sig. Sjukdomen yttrar sig i frossa, hög feber, besvärande huvudvärk och muskelvärk. Andra symptom är torrhosta och snuva. Febern brukar nå ett maximum efter 12 timmar och varar ofta i tre dagar. Hosta och trötthet kan kvarstå någon vecka efter att övriga symptom försvunnit. Sjukdomen förstör delar av det respiratoriska epitelet; cellerna dör och därmed försvagas patientens förmåga att, med det cilieförsedda epitelet, transportera upp slem till svalget. Virusinfektionen kan då lättare sprida sig utmed slemhin-nan. Nya antikroppar mot viruset uppträder efter 3-7 dagar och först då kan kroppen på allvar börja bekämpa infektionen. Influensa är en akut självbegrän-sande infektion. En redan smittad person kan behandlas med antivirala läkemedel om detta sker före sjukdomsutbrottet. Exempel på sådana är Oseltamivir, Zanamivir och Amantadin. Effekten är dock begränsad. Bästa sättet att skydda sig är med hjälp av vaccinationer. Eftersom Influensavirus A ofta ändrar sin ytstruktur på höljet så måste nya vaccinationer ofta (årligen) ske med ett passande vaccin. Influensavirus A; uppbyggnad och egenskaper En typisk virion är sfärisk med en diameter på nm. Viruset har ett yttre hölje av ett dubbelt lager fosforlipider med inbundna integrerande glykoproteiner. Höljet är en del av membranet ifrån den cell i vilken viruset tillverkades.

2 Glykoproteinerna är förankrade i lipidlagret och sticker ut som utskott från virionens yta. Det finns två olika sådana proteiner, dels neuraminidas (NA) och dels hemagglutinin (HA) som är det dominerande yttre proteinet. Tre proteinenheter av det senare bygger upp en peplom som sedan kan binda till cellulära sialylerade (NANA) receptorer. Aminosyrasekvensen i proteinen härstammar från viruset RNA. Den receptorbindande delen på NA och HA kan ha lite olika utseende, därför har man indelat dem i olika klasser eller subtyper. NA har 9, numrerade från N1till N9, och HA har 16, numrerade från H1till H16. Beroende på vilka kombinationer en enskild virion innehåller identifieras den med t ex H3N2 (Hongkong-influensan). Innanför lipidlagret finns perifert matrixprotein (M1 och M2) och åtta helikat (skruvformade) ordnade nukleokapsider med -RNA inuti. En kapsid är uppbyggd av fyra proteiner; till största delen av nukleoprotein (NP) samt tre styck-en med polymerasaktivitet (P-proteiner, PA, PB1 och PB2). De senare är de största polypeptiderna i virionen. Kapsiden har en diameter på 8-9 nm. Det finns olika varianter av P-proteinerna, varav en del kan ge effektivare mrnaproduktion, vilket medför en snabbare virionökning. RNA består av åtta enkelsträngar av så kallat negativt RNA. Det senare innebär att virus-rna är komple-mentär till mrna dvs att motsatta baser i respektive kedja är varandras kom-plementärer (adenine(a) uracil(u) resp guanine(g) cytosine(c)). Två av strängarna innehåller två gener vardera. De uppdelas genom splitsning av -RNA vid bildning av mrna. Således finns det 10 gener i varje virion och information för att bygga tio proteiner. Åtta av dessa går åt som strukturproteiner i viri-onen, enligt vad som sagts ovan. Resterande två betraktas som icke struktur-proteiner; NS1 och NS2. NS2 finns i virionen medan NS1 bara kommer till uttryck vid virustillverkningen. Segmenten i influensavirus A innehåller -RNA enligt följande: Seg -RNA Antal mole- Antal nukleo- Funktion/protein nr bet kyler/virion tider/virion 1 PB RNA-transkriptas, 2 PB1 => RNA-transkriptas 3 PA 2233 RNA-transkriptas 4 HA Hemagglutinin; glykoprotein; förmedla virionens fastsättning på cellen; fusionsaktiv vid surt ph; 5 NP Associerad med RNA och polymeras proteiner; helikal struktur; nukleoprotein 6 NA Neuraminidas; enzym; glykoprotein 7 M Matrix protein; virionens huvudkom- => 1027 ponent på insidan av höljet M Integrerat menbranprotein; jonkanal från splitsad mrna 8 NS1 0 Icke strukturprotein; Undertrycker =>890 nuklear export av cell mrna NS Ledsagar vrna och kapsid ut ur cellkärnan till plasmamembranet Virusets inträde i värden (adsorption och penetration)

3 Viruset angriper epitelcellerna i första hand i de övre luftvägarna där det är svalare. Längre ner i lungorna är det 37 grader C och dit etableras det först när tillräckligt många virus har förökat sig i de övre luftvägarna och om inte immunförsvaret dessförinnan lyckats begränsa viruset utbredning. Luftvägarnas epitelceller har bl a receptorer av glykoforin, ett glykoprotein som är bärare av blodgruppsspecificiteterna M och N och som finns på många olika cellers plasmamembran. Bindningsförmågan är lokaliserad till den sialylerade sockerdelen på receptorn. Virusets peplomer binder till nämnd receptor. Virus utnyttjar således en naturlig ingång i cellen som är avsedd för andra molekyler. Effekten blir att en eller flera virus tas in i cellen via receptormedierad endocy-tos. Virus tas upp i cytoplasmatiska vesiklar. Flera vesiklar smälter samman och bildar en s.k. endosom som i sin tur smälter samman med en primär lyso-som. När virus kommer in i lysosomen kan virusmembranet smälta samman med lysosomens membran på grund av det låga ph:t i denna miljö. Nukleopro-teiner och virusnukleinsyra frigörs slutligen till cellens cytoplasma varifrån det slutligen vandrar in i cellens kärna. M- och N-egenskaperna uttrycks även av cellulära glykolipider, möjligen skulle även dessa kunna ha virusbindande förmåga. Primär virus replikation (RNA-virus nukleinsyrareplikering, transkription och translation; bildning av höljet hos RNA-virus) För att nytt virusprotein ska kunna bildas måste två olika saker ske, dels ska nya kopior av de åtta segmenten av RNA bildas dels måste olika virusproteiner bildas. För att tillverka tio olika proteiner behövs tio olika mrna skapas. Cellen har emellertid inget polymeras som kan åstadkomma något sådant från negativt RNA utan detta måste tillföras av viruset självt. Ovan nämnda P-proteiner utgör detta RNA-transkriptas. Viralt RNA (åtta segment) och RNA-transkriptas vandrar in i cellkärnan. mrna syntetiseras från vart och ett av de åtta segmenten s.k. primärtranskription med hjälp av RNA-transkriptas. I två av segmenten syntetiseras två virus-mrna i respektive med hjälp av splitsning. Syntes av cellulärt mrna erfordras för att förse virus-mrna med cap. Virus-mRNA vandrar ut ur cellkärnan. mrna binds till membranbundna polyribosomer varvid de translateras och nya virusproteiner bildas i stor mängd. HA- och NAproteinerna vandrar igenom endoplasmatisk reticulum och Golgi-apparaten för vidare förädling, bl. a ska sockerkedjor sättas på NA- och HA-proteinerna. HA klyvs till HA1 och HA2 som sedan sätts samman med en disulfid brygga. En förutsättning för att viruset ska bli virulent. NA och HA vandrar slutligen ut till cellmembranet och fastnar i detta på grund av en hydrofob ända hos NA och HA. Förmodligen vandrar även M2 direkt till plasma-membranet för att där bilda en jonkanal. Resten av proteinerna vandrar åter in i cellkärnan för hjälpa till med ny primärtranskription och för att bygga upp nya kapsider. De åtta vrna-segmenten transkriberas även till plussträngat RNA (komplemen-tär till vrna) som är lika långt som vrna. Detta +RNA tjänar sedan som mall för replikering av en stor mängd vrna.

4 Kapsiden tillverkas i cellkärnan i första hand av NP med PB1, PB2, PA som något slags bihang. Ett vrna-segmenten placeras i en kapsid. Kapsiden med dess innehåll transporteras sedan ut till plasmamembranet där övriga strukturprote-iner redan finns. Transporten leds av matrixprotein M1 och protein NS2 (innehåller en nukleär exportsignal) ut genom kärnans membran och cytoplasman till plasmamembranet Det finns ingen kontrollapparat för att säkerställa att det blir de åtta rätta segmenten som hamnar i det blivande höljet till virionen. Här är det slumpen som avgör, därför kommer i bästa fall bara var tionde virion att vara funktionsduglig (infektiös). De färdigtillverkade virionerna kommer sedan genom kontinuerlig avknoppning att lämna den infekterade cellen. Innan avknoppningen sker har alla normala cellproteiner avlägsnats från höljet. NA:s reseptorförstörande förmåga gör att virionen slutligen lämnar cellen. När tillräckligt stor yta av cellens plasmamembran förbrukats av virusproduktionen, dör cellen. Det förekommer även att en kapsid kan tillverkas utanför kärnan och där innesluta RNA-segment. Hur detta går till är oklart. RNA-virus genomgår vid förökning genetiska förändringar i en frekvens av 1 på till 1 på nukleotider, vilket leder till att varje infekterad cell producerar ett avsevärt antal RNA-segment med förändrade egenskaper. Ännu större förändringar kan uppstå om flera olika virioner med olika genuppsätt-ning processas i cellen samtidigt. Influensavirus kräver timmar för att genomföra sin förökningscykel. Genom NS1 förmåga att hindra cell-mrna att lämna kärnan begränsas cellens förmåga att skydda sig och sin omgivning. Produktion av interferoner hindras och apoptosförmågan begränsas. Kan cellen inte tillverka MHC klass 1 mole-kyler och presentera antigen på ytan till Tc CD8-celler kan dessa inte döda cellen. Saknas MHC klass 1 helt på cellen tar å andra sidan NK-cellen död på den infekterade cellen. Spridning av virus (Akuta virusinfektionens patogenes) Influensavirus A är ett mycket smittsamt luftburet virus som smittar via andningsvägarna. En människa som bär smittan sprider den främst genom nysning-ar och hosta (aerosol, droppsmitta). Fåglar sprider den via sin avföring. Virus-utsöndringen är störst från 1 dygn före till 2 dygn efter insjuknandet. Viruset kan vara funktionsdugligt ett par timmar i luften. Inkubationstid: 1-3(5) dagar Smittsamhetstid: 3-5 dagar; mest i början Om man drabbats av influensa kan diagnosen ställas genom: -påvisning av antikroppar (IgM i akutfas och IgG i senare fas) -påvisning av viruspartikel eller del av den -direktpåvisad med immunfluorescens (svar samma dag) -genom odling (om positivt, svar inom 1-3 dagar) Prover tas på sekret ifrån den övre delen av svalget bakom mjuka gommen. Influensavirus rubriceras som ett humanpatogent virus som kan ge upphov till

5 epidemier av varierande utbredning och svårighetsgrad. En epidemi kulminerar inom 2 3 veckor och pågår i 6 8 veckor. Upp till 50 % av befolkningen kan drabbas och influensan kan spridas över hela världen beroende på vilka NA- och HA-varianter virionerna bär och vilken immunitet befolkningen har. Influensavirus gynnas av låg temperatur, låg relativ fuktighet och ansamling av människor. Ett förhållande som inträffar vintertid i vår del av världen när vi dessutom vistas stor del inomhus. Barn är en viktig smittspridare, eftersom infektionsfrekvensen är högst i åldern 5 19 år. Influensavirus A kan replikeras av däggdjur och fåglar. Cellskada (Virusorsakade cellulära förändringar) Virus kan etablera en infektion i det ciliebärande epitelet. Detta degenereras ofta fläckvis och avstöts inte sällan ända ned till basalmembranet. Näs- och svalgrummet, luftstrupe, luftrören och dess finaste förgreningar engageras i växlande omfattning. I infekterade områden upphör slemsekretionen, vilket skulle kunna bero på att virus även infekterar slemproducerande celler. Regenerationen av epitelet ses efter c:a en vecka, men det kan dröja flera veckor innan man får en fullständig normalisering av luftvägar och lungfunktion. Vid primär akut inflammation av lunga orsakad av virus uppträder celldöd av alveolära celler, blodpropp i kapillärer, kapillärblödning och ödem samt alveoler innehållande blodblandad utsipprande vätska. I flertalet fall verkar influensainfektionen vara begränsad till luftvägar och lungor. Vid dödsfall på grund av bakteriell infektion är det vanligaste fyndet Staphylococcus aureus. Bland glykoproteinerna som byggs in i cytoplasmamembranet ingår virus hem-agglutinin (HA). Därmed får den infekterade cellen förmåga att på sin yta ad-sorbera röda blodkroppar, s.k. hemadsorption. Influensavirus har ingen celltransformerande förmåga. Immunsvar (Kroppens försvar mot virusinfektioner) När luftvägarna invaderas av influensavirus träder kroppens medfödda immun-försvar in. I första hand slemhinnor med cilier som försöker transportera upp alla ovidkommande partiklar. I ett tidigt skede av infektionen uppträder inter-feron i nässekret och serum. Samtidigt föreligger en aktivering av NK-celler och en förhöjd kroppstemperatur som förorsakas av cytokiner såsom TNF-a, IL-1 och IL-6. Ju mer virioner desto mer interferon och högre feber. Alfa-, beta- och gammainterferoner har en hämmande effekt på virusförökningen. Interferon-svaret vid en virusinfektion utvecklas mycket snabbt, innan de immunologiskt specifika försvarsmekanismerna börjar verka. Infektionen leder till en inflam-mation i luftvägarna; kärlutvidgning och tillströmning av fagocyter och NK-celler. Det humorala immunförsvaret består av B-celler och dess antikroppar och det dominerande immunglobelinet i sekret i luftvägarna är sekretions-iga, som består av två molekyler serum-iga. Om IgA-antikropparna har någon specifitet mot virusinfektionen, förmåga att binda till NA och HA på höljet, så kommer de att hämma virus infektionförmåga genom hämning av adsorption,

6 penetration eller avklädning samt genom virolys i vilken komplementfaktorer deltar. Ytterli-gare antikroppseffekter är opsonering av virus, lys av infekterad cell efter kom-plementaktivering (antikropp bundet till antigen på cellytan) samt samverkan med det cellförmedlade immunförsvaret vid lys av infekterad cell (antikropps-beroende cellulär cytotoxicitet). Dendritiska celler kommer att fånga upp antigen ifrån virus och förflytta sig till närmaste lymfkörtel och där presenterar sitt fynd i en HLA klass 2 molekyl. En Th-cell med passande Th-cellreceptor kommer att aktiveras som i sin tur kom-mer att aktivera en B-cell med förmåga att producera antikroppar mot aktuellt antigen. Som plasmacell kommer B-cellen sedan att tillverka antikroppar i stor mängd, i första hand som IgM- och senare IgG-antikroppar. Det cellulära immunförsvaret består dels av cytotoxiska Tc-celler (CD8) som kommer att döda virusinfekterade celler genom apoptos och dels Th-celler (CD4) som kan vara av typ Th klass 1 eller Th klass 2 beroende på cytokinutsöndringen. Tc-cellen känner igen antigen på cellens HLA klass 1 molekyl. Att få igång det specifika immunförsvaret och antikroppsproduktionen tar viss tid. Därför kommer den verkliga virusbekämpningen först igång efter några dagar. Har man sen tidigare ett immunskydd mot den influensatyp som sprids, anting-en därför att man tidigare haft denna influensa eller att man vaccinerats mot aktuell variant, så kommer symptomen vid ett nytt insjuknande att bli lindrigare om man över huvud taget blir sjuk. Eftersom influensavirus A från tid till annan både kan få mindre förändringar i höljets ytproteiner (antigendrift i NA och HA) och helt utbytta subtyper i NA och/eller HA (antigenskifte) så måste influensaläget och befolkningens immunskydd ständigt följas, speciellt gäller det riskgrupperna (personer över 65 år och lung-/hjärtsjuka). Enda effektiva förebyggande behandlingen är vaccination. Vaccinering sker vanligen en gång per år i oktober eller november. Vacciner mot influensa A erhålls efter ympning av ägg som ruvats 9-10 dagar med virus som adapterats till växt i allantoishålrummet. Vaccinet avdödas före vaccinationen. Det tar bortåt nio månader att odla fram tillräckligt med vaccin till en befolkning. Därför vet man inte säkert om rätt vaccin framställts. WHO ger årliga rekommendationer om vilka tre stammar av viruset som ska användas vid vaccintillverkningen. Litteratur Innehållet i rapporten grundar sig i huvudsak på innehållet i Medicinsk virologi Almqvist & Wiksell, Basic Virology Blackwell Publishing, Medical Microbiology Appleton & Lange och en del föreläsningsanteckningar.