Патогенез на клітинному рівні

Позаклітинний віріон біологічно інертний. Ця інертність зберігається до того часу, поки віріон не проникає в клітину і вірусний геном не почне функціонувати як самостійна генетична структура. Лише з цього моменту проявляється своєрідність взаємовідносин вірусу і клітини. Отже, вірусна інфекція клітини - це сукупність процесів, які виникають при взаємодії клітини з вірусним геномом.

Зараження вірусом чутливих клітин не означає, що неминуче буде відбуватися його репродукція і формування інфекційного потомства. Розрізняють два основні типи вірусної інфекції клітин: автономна та інтеграційна.

Автономна інфекція характеризується реплікацією вірусного генома незалежно від клітинного. Поняття автономії відносне, обмежується лише відсутністю фізичного зв`язку між вірусним і клітинним геномами, хоч їх взаємодія постійно відбувається протягом інфекційного циклу. Автономний тип інфекцій характерний для всіх вірусів тварин, за винятком ретровірусів.

Інтеграційна інфекція виникає в результаті фізичного об`єднання вірусного генома (або його фрагмента) з клітинним. При цьому вірусний геном реплікується і функціонує як складова частина клітинного генома. Інтегрований в клітину ДНК вірусний геном або субгеномний фрагмент називається провірусом. На цьому цикл репродукцій вірусу може припинитися. Така ситуація спостерігається при інфекціях, спричинених онкогенними вірусами. Заражена клітина не продукує вірусне потомство, зберігає нормальні функції і при поділі передає дочірнім клітинам нуклеотидні послідовності вірусу. Інтеграційна інфекція може призвести до неопластичної трансформації клітин. Трансформовані клітини набувають здатності до необмеженого ділення внаслідок порушення регуляторних механізмів, в результаті чого виникають пухлини. Здатність вірусу стимулювати розмноження заражених клітин називається цитопроліферативним, або трансформуючим ефектом.

В процесі інтеграції вірусного генома з клітинним важливу роль відіграють клітинні фактори господаря, котрі ще мало досліджені.

Основні типи вірусної інфекції клітин - автономна та інтеграційна - поділяються на такі форми :

1) продуктивна та абортивна (в залежності від утворення інфекційного потомства)-

2) гостра і хронічна ( в залежності від динаміки взаємодії вірусу і клітини)-

3) літична і нелітична ( в залежності від наслідку інфекційного процесу для клітини).

Продуктивна інфекція характеризується повним циклом репродукції вірусу і завершується формуванням повноцінного інфекційного потомства. Дослідження саме цієї форми інфекції дозволяє відповісти на одне з головних питань вірусології: яким чином у зараженій клітині відбувається утворення віріонів і які фундаментальні закономірності лежать в основі цього процесу?

Абортивна інфекція не завершується формуванням інфекційних віріонів або вони утворюються в значно меншій кількості, ніж при продуктивній інфекції. Вивчення механізмів абортивної інфекції представляє великий інтерес для розуміння деталей репродукції вірусів, природи клітинної резистентності до вірусів, дефектності вірусів, хронічної вірусної інфекції клітин і вірусного канцерогенезу. Абортивна інфекція може виникнути за трьох обставин:

1) зараження чутливих клітин дефектним вірусом-

2) зараження чутливих клітин інфекційним вірусом в не дозволяючих умовах-

3) зараження нечутливих клітин інфекційним вірусом.

Зараження чутливих клітин дефектним вірусом. Дефектним називається такий вірус, який нездатний проявити всі генетичні функції, необхідні для утворення інфекційного потомства. Треба розрізняти дефектні віруси і дефектні віріони. Дефектні віруси - сателіти - існують як самостійні види, розмножуючись лише в присутності вірусу - помічника, від якого отримують білки, конче необхідні для відтворення інфекційного потомства(явище комплементації). Наприклад, репродукція вірусу гепатиту Дельта повністю залежить від наявності вірусу гепатиту В, а розмноження аденоасоційованих вірусів з родини парвовірусів - від присутності аденовірусу або вірусу простого герпесу. Якщо не буде вірусу - помічника, в клітині розвинеться абортивна інфекція. Дефектні віріони позбавлені частини генетичного матеріалу. Вони нагромаджуються в популяціях багатьох вірусів(зокрема, вірусів грипу, везикулярного стоматиту, аденовірусів), особливо при пасажуванні з високою множинністю зараження. Дефектні віріони інтерферують в процесі репродукції з інфекційними віріонами, тому їх називають дефектними інтерферуючими частками (ДІ - частками). Зрозуміло, що дефектні віріони можуть спричинити лише абортивну інфекцію. Конкретні механізми абортивної інфекції, що викликаються тими чи іншими дефектними вірусами або віріонами, різноманітні і залежать від природи генетичного дефекту збудника. Єдиною умовою перетворення абортивної інфекції в продуктивну являється комплементація з вірусом - помічником, генетична інформація якого може забезпечити синтез макромолекул, необхідних для формування віріонів потомства.

Абортивна інтеграційна інфекція, спричинена дефектними ДНК - і РНК - геномними онкогенними вірусами, відіграє важливу роль у вірусному канцерогенезі. Абортивну інтеграційну інфекцію може викликати і повний вірус. Клітини з такою формою інфекції можуть спонтанно або під впливом різних факторів (температура, УФ - опромінення) почати продукцію інфекційного вірусу. Це явище називається - вірогенією, а такі клітини - вірогенними ( за аналогією з лізогенією і лізогенними бактеріями в системі фаг - бактерія). Іншими словами, вірогенія - це інтеграційна абортивна інфекція, котра може перейти в продуктивну форму. Явище вірогенії відоме для деяких представників папова-, герпес - ретровірусів. Спонтанну індукцію синтезу інфекційного вірусу у вірогенних клітинах треба відрізняти від автономної хронічної інфекції.

Зараження чутливих клітин інфекційним вірусом у не дозволяючих умовах. Абортивну інфекцію може спричинити зміна умов, за яких відбувається інфекційний процес. Ці умови виникають в організмі, наприклад інфекція клітин, фізіологічно резистентних до віруса, або при підвищеній температурі чи зміненого рН у вогнищі запалення.

Фізіологічна резистентність клітин може бути зв`язана з клітинним циклом. Так, чутливість до віруса SV - 40 клітин нирки зеленої мавпи різко знижується під час мітозу. При цьому виникає абортивна інфекція, що характеризується утворенням Т - антигену і відсутністю синтезу структурних вірусних білків. Важливим фактором, що обумовлює фізіологічну резистентність клітин, є інтерферон - білок, який виробляється в організмі у відповідь на вірусну інфекцію та індукує в незаражених клітинах антивірусний стан.

Абортивну інфекцію можна легко змоделювати в експерименті при зміні температури інкубації заражених клітин, складу поживного середовища, рН та іонної сили живильного середовища, внесення інгібіторів та антиметаболітів. Абортивна інфекція перетворюється в продуктивну при усуненні не дозволяючих умов, а також з допомогою віруса - помічника.

Зараження нечутливих клітин інфекційним вірусом. Як відомо, чутливість клітин до вірусів визначають два основні фактори:

1) наявність на поверхні клітини специфічних рецепторів, необхідних для адсорбції та проникнення віруса-

2) присутність у клітинах протеолітичних ферментів, здатних забезпечити депротеїнізацію віруса.

Якщо якогось із цих чинників немає, клітини є генетично резистентні до конкретного збудника. Окрім того, інші клітинні фактори можуть призвести до переривання циклу репродукції вірусу на будь - якому етапі після початку синтезу вірусоспецифічних макромолекул. Так, клітинні ферменти (ДНК - і РНК - полімерази) беруть участь у транскрипції і реплікації вірусного генома- трансляція вірусних іРНК здійснюється білок - синтезуючим апаратом клітини- процессинг вірусних РНК і білків відбувається з допомогою специфічних клітинних нуклеаз і протеаз- стабільність вірусних компонентів у клітині залежить від можливості їх контакту з гідролітичними ферментами.

Механізм генетично обумовленої резистентності клітин до вірусів широко варіює, але в основі його лежить або відсутність клітинних факторів, необхідних для репродукції вірусу, або наявність чинників, які порушують цей процес, внаслідок чого виникає абортивна інфекція.

Для більшості вірусів можна підібрати дві клітинні системи, в одній з яких буде розвиватися продуктивна інфекція, а в іншій - абортивна. В останньому випадку говорять про дефектність вірусу в конкретній системі. Так, вірус SV - 40 спричиняє продуктивну інфекцію в клітинах нирки зеленої мавпи та абортивну - в клітинах гризунів. Аденовіруси людини добре розмножуються в клітинах нирки людини і викликають абортивну інфекцію в клітинах нирки мавпи. Вірус грипу птиці і вірус Сендай спричиняють продуктивну інфекцію в клітинах курячого ембріона та абортивну - в клітинах асцитної карциноми.

Абортивна інфекція генетично резистентних клітин може перетворитися в продуктивну з допомогою віруса - помічника. Наприклад, аденовіруси мавп і вірус SV - 40 служать помічниками для аденовірусів людини в клітинах нирки мавпи.

Гостра і хронічна інфекції

В залежності від динаміки розвитку інфекційного процесу продуктивна та абортивна інфекції поділяються на гостру і хронічну. При гострій інфекції в зараженій клітині відбувається утворення вірусного потомства, після чого інфекційний процес припиняється і клітина або гине, або виживає і не містить вірусних компонентів. При хронічній інфекції заражена клітина продукує віріони або вірусні компоненти тривалий час аж до своєї природної загибелі (не від даної вірусної інфекції), і дочірні клітини зберігають інфекційний стан.

Частіше хронічну форму набуває абортивна інфекція, оскільки вірусний генетичний матеріал звичайно не входить до складу віріонів потомства, а нагромаджується в клітинах і передається в дочірні клітини. Так, при зараженні клітин гризунів вірусом SV - 40 виникає абортивна інфекція, що супроводжується утворенням Т - і трансплантаційного агентів, а структурні вірусні білки не синтезуються. Якщо такі клітини підтримувати в стаціонарному стані, абортивна інфекція зберігається протягом декількох тижнів до природної загибелі клітин, тобто має хронічний характер. При субкультивуванні заражених клітин відбувається швидка втрата Т - і трансплантаційного агентів, таким чином інфекційний процес набуває гострої форми. Переривання інфекції в даному випадку пов`язане, очевидно, з руйнуванням вірусного генетичного матеріалу і неможливістю передати вірус - специфічні антигени в обидві дочірні клітини.

Причиною хронічної інфекції можуть бути ДІ - частки, котрі, потрапляючи в чутливу клітину разом з інфекційними віріонами, конкурують з ними за фактори репродукції і перешкоджають утворенню інфекційного потомства. В результаті клітини не гинуть, а зберігають інфекційний стан. При появі в системі нових чутливих клітин знову виникає продуктивна інфекція з утворенням ДІ - часток, і такий інфекційний цикл повторюється багато разів.

Літична і нелітична інфекція

В залежності від долі зараженої клітини інфекція може бути літичною (цитолітичною) і нелітичною (нецитолітичною). Літична інфекція завершується загибеллю (лізисом) клітини. Нелітична інфекція безпосередньо не призводить до лізису клітини, яка може функціонувати певний час, продукуючи вірусне потомство.

Цитопатологія вірусних інфекцій

Деструкція клітини, що виникає при літичній інфекції, називається цитопатичним ефектом (ЦПЕ), або цитопатичною дією віруса (ЦПД). Звичайно, ці терміни застосовують для позначення морфологічних змін в інфікованих клітинах, хоч вірусна інфекція клітин супроводжується не лише пошкодженням клітинної структури, але й пригніченням синтетичних процесів і порушенням функціональної активності. В зараженій клітині відбувається зміна метаболізму, що зумовлено синтезом вірусоспецифічних макромолекул, активацією або гальмуванням ферментних систем клітини, пошкодження її хромосомного апарату та органел.

Вірус, який спричиняє цитопатичний ефект, називається цитопатогенним. Ця властивість характерна для більшості вірусів тварин, що лежить в основі патогенезу вірусних інфекцій і широко використовується в лабораторній діагностиці для індикації збудника в культурі клітин.

Цитопатичні зміни інфікованих вірусом клітин представлені специфічними і неспецифічними або мало специфічними ушкодженнями. До неспецифічних уражень відноситься мутне набухання клітини внаслідок порушення проникливості плазмолеми, маргинація хроматину, хромосомні аберації, пікноз ядер. Вакуолізація цитоплазми являється досить частою мало специфічною ознакою вірусної інфекції, проте в деяких випадках вона набуває настільки виражений і своєрідний характер, що вважається специфічною. Наприклад, одна із назв віруса SV -40 - вакуолізуючий вірус. Специфічними цитопатичними змінами заражених клітин є утворення вірусних включень і симпластів. Специфічні і неспецифічні процеси, що відбуваються в інфікованій клітині, можуть призвести до її деструкції та загибелі.

Причини цитопатичного ефекту і подальшої загибелі клітин різноманітні:

1) блокування клітинного генома на ранніх стадіях інфекції та пошкодження його в процесі інфекції-

2) порушення метаболізму клітинних макромолекул-

3) інтенсивне виснаження білкових та енергетичних ресурсів клітини внаслідок переключення її систем на синтез вірусоспецифічних макромолекул-

4) нагромадження великої кількості структурних вірусних білків, які мають цитотоксичну дію-

5) пошкодження лізосом і звільнення лізосомальних ферментів, які спричиняють аутолізису клітини-

6) порушення структури плазматичної мембрани і лізис клітини в результаті інтенсивного виходу віріонів потомства.

Всі ці причини пошкодження клітин проявляються та поєднуються певним чином при різних вірусних інфекціях.

Існує принципове розходження між внутрішньоклітинним паразитизмом вірусів і інших патогенних організмів. При вивченні цитопатології вірусних інфекцій застосовують гістохімічні методи і фарбування вірусних включень (ДНК-вмістних — при фарбуванні по Фельгену, РНК-вмістних — по Браше). При люмінесцентній мікроскопії застосовують акридиновий жовтогарячий, котрий, взаємодіючи з нуклеїновими кислотами, викликає поліхроматичну флюоресценцію як у при життєво пофарбованих, так і у фіксованих препаратах, ДНК, оброблена акридиновим жовтогарячим, флюоресциює яскраво-зеленим світлом, а РНК — рубіново-червоним. Зелене світіння спостерігається у випадку присутності в ураженій клітині ДНК-вмістних вірусів чи реовірусів, що містять двоспіральну РНК.

Цитопатичний ефект (цитопатогенна дія, ЦПД) вірусу. ЦПД - специфічна морфологічна деструкція (руйнування) і функціональна патологія заражених вірусами клітин, які культивуються поза організмом. Вірус, що викликає цитопатичний ефект, називають цитопатогенним. Розрізняють три типи цитопатичного ефекту вірусів: цитолітичний, трансформуючий, індуктивний. Цитолітичний ефект характеризується загальною деструкцією чи розчиненням (лізисом) клітини, якому передують морфологічні зміни (перебудова базофільних структур ядер клітин, згущення цитоплазми, округлення і зморщування тіла клітин, втрата їх зв`язку з навколишніми клітинами і пікноз ядер). Деструкція кліток супроводжується руйнуванням мітохондрій. Клітини, що дегенерують, відшаровуються від скла, і через 20—26 годин заражена культура представляє мережу синцитіальних елементів, а через 40—48 годин на склі зберігаються одиничні веретеноподібні й клітини з відростками. Цитолітичний ефект спостерігається при зараженні первинних клітинних культур нирок теляти і поросяти вірусами ящуру чи хвороби Ауескі. Для інших вірусів (поліомієліту і західного енцефаломієліту коней) цитопатогенна дія виявляється зморщуванням клітин, злипанням ядерних структур і виходом цитоплазми з кліток. Повільний розвиток цитолітичного ефекту характерно для вірусів віспи, припинення мітозу і розриви деяких хромосом заражених клітин - для вірусів герпесу. У культурі клітин, зараженої вірусом чуми великої рогатої худоби, утворюються симпласти, що містять десятки і сотні ядер.

При трансформуючому ефекті, заражена вірусом клітка не гине, а здобуває здатність до необмеженого розмноження.

Індуктивний цитопатичний ефект характеризується здатністю інфікованих клітин продукувати інтерферон.

Цитопатичний ефект зараженої культури визначають візуально, гістохімічними методами, різними методами фарбування. Феномен цього ефекту використовують для діагностики, ідентифікації і титрування вірусів у культурі клітин.

Раннім проявом цитопатичної дії є пригнічення мітозів у культурі клітин. Віруси сімейства Herpesviridae здебільшого придушують мітоз відразу. При міксовірусній інфекції придушення мітозу менш виражене, якщо клітина пройшла профазу. Онкогенні віруси (наприклад, вірус саркоми Рауса), навпаки, підсилюють мітотичну активність клітин.

Який механізм амітозу (придушення мітозу) клітин під впливом вірусів? РНК-вмістимі віруси блокують транскрипцію ДНК клітини за допомогою вірусіндукованих ранніх білків, які припиняють синтез іРНК на ДНК-матриці і запобігає їх реплікацію. Під впливом ДНК-вмістимих вірусів амітоз настає внаслідок конкуренції між вірусними і клітинними ДНК-полімеразами.

Цитопатогенна дія залежить від виду вірусу і чутливості до нього культури клітин. Цитопатична дія вірусів постійно враховується при діагностиці вірусних хвороб, тому що її можна нейтралізувати специфічною сироваткою, тим самим ідентифікувати вірус, який викликає ЦПД.

При ряді вірусних інфекцій у клітинах з`являються характерні для даного захворювання клітинні включення. Виявлення їх має діагностичне значення (віспа, сказ, аденовіруси й ін.). По місці локалізації включення можуть бути цитоплазматичними (віспа) чи ядерними (адено-, герпесвіруси), по природі - представляти скупчення віріонів (віспа) чи продукт реакції клітини на вірусну інфекцію, по тінкторіальним властивостям - базофільні чи еозинофільні, по морфології - тільця типу А і В.

Біохімічні і цитохімічні зміни при вірусних інфекціях. Під впливом вірусів у клітині відбувається зміна метаболізму, яка обумовлена синтезом вірусних нуклеїнових кислот і білків (у тому числі ензимів) вірусу, чи активацією пригнічення існуючих ферментних систем клітини і вторинних процесів у виді ушкодження ядерного хромосомного апарата клітини, і клітинних органел.

Цитохімічні зміни в клітині, інфікованої вірусами, відносяться до всіх її компонентів: нуклеїновим кислотам, білкам, ліпідам, вуглеводам, ферментам, неорганічним з`єднанням. Відбувається перебудова окремих ланок метаболізму клітин. Дихання клітини порушується в більш пізній стадії розвитку вірусу, коли в клітині настають дегенеративні і цитопатичні процеси.

Дані про вплив вірусів на вуглеводний обмін інфікованої клітини суперечливі. Ліпідний обмін змінюється в залежності від того, чи містять віруси у своєму складі ліпіди.

Про мутагенну дію вірусів на клітини. Не тільки вірулентні, але і деякі аттенуйовані вакцинні штами вірусів здатні індукувати мутації в клітинах людини і тварин. Звичайно мутагенність вакцин оцінюється шляхом вивчення цитогенетичних порушень у культурах клітин людини чи тварин. Вакцини здатні індукувати як структурні аберації хромосом (розриви, обміни), так і зміни в числі хромосом. Багато вчених медичного напрямку піднімають питання про цитогенетичні наслідки комплексної вакцинопрофілактики, особливо дітей першого року життя. Цікаво, що введення імунних сироваток цілком придушує мутагенну дію вірусу, більшість інактивованих вакцин мутагенною дією не володіють.

Варто мати на увазі, що використання живих вакцин супроводжується введенням в організм чужорідного генетичного матеріалу. Прагнення звільнитися від нього привело до створення розщеплених (Split) вакцин, що містять лише протективний антиген вірусу, не здатний індукувати мутацію.

Вірусна інфекція клітинних популяцій.

In vivo та in vitro вірус звичайно взаємодіє не з поодинокими клітинами, а з клітинними популяціями. В результаті виникає досить складна гетерогенна система, в якій вірусна інфекція може протікати не так, як на клітинному рівні.

Які фактори визначають принципові відмінності між системами вірус - клітина і вірус - клітинна популяція? По - перше, гетерогенність клітинної популяції за чутливістю до вірусу в конкретний момент. Чутливість клітин до віруса в кожній клітинній популяції коливається в широких межах, що зумовлено генетичними або фізіологічними чинниками. З генетичних факторів велике значення має наявність на плазмолемі специфічних рецепторів, необхідних для адсорбції та проникнення віруса в клітину. Крім того, обов`язкова присутність у клітині відповідних протеолітичних ферментів, які беруть участь у депротеїнізації віруса. Фізіологічна резистентність клітини може бути зв`язана з клітинним циклом і виникає під час мітозу.

По - друге, гетерогенність вірусної популяції, що спричиняє інфекційний процес. В складі вірусної популяції поряд з інфекційними віріонами завжди знаходяться дефектні віріони ( зокрема ДІ - частки), котрі впливають на репродукцію віруса. Крім того, в популяції віруса можуть з`явитися мутанти, котрі відрізняються за цитопатичною активністю.

По - третє, здатність інфікованих клітин впливати на чутливість оточуючих клітин до вірусу. Заражена клітина утворює не тільки інфекційні віріони, але й інтерферон, який адсорбує контактуючими клітинами та індукує в них антивірусний стан.

По - четверте, поширення віруса в клітинній популяції. Якщо не всі клітини даної популяції заражені одночасно, великий вплив на перебіг інфекційного процесу має розповсюдження вірусного потомства, що здійснюється двома шляхами:

1) через позаклітинне середовище-

2) безпосередньо від клітини до клітини.

Поширення через екстрацелюлярний простір є універсальним для всіх вірусів. Якщо в позаклітинному середовищі містяться фактори, що нейтралізують вірус ( антитіла, інгібітори), розповсюдження збудника порушується, і це може суттєво змінити характер інфекційного процесу в клітинній популяції. Деякі віруси, зокрема, герпес віруси, здатні вражати сусідні клітини, обминаючи екстрацелюлярний простір, що дозволяє їм уникати дії віруснейтралізуючих чинників.

Безперечно, характер інфекційного процесу, що відбувається в клітинній популяції, багато в чому залежить від особливостей вірусної інфекції на рівні клітини. Проте, в клітинній популяції спостерігається асинхронність і гетерогенність інфекційного процесу.

Асинхронність - це неоднакова динаміка розвитку інфекції в окремих клітинах популяції, що виникає за рахунок як неоднорідності клітин і віріонів, так і випадкових процесів (неодночасність адсорбції, проникнення і депротеїнізації віруса в окремих клітинах). Наприклад, при тотальному зараженні клітин нирки зеленої мавпи (Vero) вірусом SV - 40 через 10 - 12 годин. В деяких клітинах з`являється Т - антиген, а 100% інфікування клітин досягається лише через 40 годин. Іншими словами, асинхронність в цій системі вимірюється десятками годин. В системі поліовірус - клітини Hela асинхронність утворення вірусного потомства становить декілька годин.

Гетерогенність - це якісна відмінність інфекційного процесу в різних клітинах популяції. Наприклад, в одних клітинах відбувається продуктивна літична інфекція, в інших - абортивна нелітична а в третіх - інфекційний процес взагалі не розвивається. Гетерогенність інфекційного процесу визначається неоднорідністю клітин і віріонів, дією інтерферону та інших інтерферуючих компонентів, що утворюються під час інфекції (інактивовані або дефектні віріони).

Підводячи підсумок патогенезу вірусних інфекцій на клітинному рівні, можна зробити висновок, що результатом взаємодії віруса з чутливою клітиною є: - загибель клітини- - трансформація клітини, що характеризується здатністю до необмеженого поділу- - формування хронічної інфекції - своєрідної рівноваги між вірусом і клітиною без прояву цитопатичних змін, що призводить до персистенції збудника в організмі господаря.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!