1. Общие сведения о вирусах
Вирус (лат. virus – «яд») – неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри клеток. Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, способные реплицироваться только в присутствии других вирусов (вирусы-сателлиты).
Со времени публикации в 1892 году статьи Дмитрия Ивановского, описывающей небактериальный патоген растений табака, и открытия в 1898 году Мартином Бейринком вируса табачной мозаики были детально описаны более 6 тысяч видов вирусов, хотя предполагают, что их существует более ста миллионов. Вирусы обнаружены почти в каждой экосистемена Земле. Они являются самой многочисленной биологической формой. Изучением вирусов занимается наука вирусология, раздел микробиологии.
У животных вирусные инфекции вызывают иммуный ответ, который чаще всего приводит к уничтожению болезнетворного вируса. Иммунный ответ также можно вызвать вацинами, дающими активный приобретённый иммунитет против конкретной вирусной инфекции. Однако некоторым вирусам, в том числе вирусу иммунодефицита человека и возбудителям вирусных гепатитов, удаётся ускользнуть от иммунного ответа, вызывая хроническую болезнь. Антибиотики не действуют на вирусы, однако было разработано несколько проивовирусных препаратов.
Пока вирус находится во внеклеточной среде или в процессе заражения клетки, он существует в виде независимой частицы.
Вирусные частицы (вирионы) состоят из двух или трёх компонентов:
– генетического материала в виде ДНК и/или РНК;
– белковой оболочки (капсида), защищающей эти молекулы,
– в некоторых случаях, – дополнительных липидных оболочек.
Наличие капсида отличает вирусы от вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот – вироидов.
Форма вирусов варьирует от простой спиральной и икосаэдрической до более сложных структур. Размеры среднего вируса составляют около одной сотой размеров средней бактерии.
В зависимости от того, каким типом нуклеиновой кислоты представлен генетический материал, выделяют ДНК-содержащие вирусыи РНК-содержащие вирусы. На этом принципе основана классификация вирусов по Балтимору, которая предполагает разделение на 7 групп:
1 группа. Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК-стадии (например, герпесвирусы, поксвирусы, паповавирусы) аденовирусы, миммивирус).
2 группа. Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (например, парвовирусы). В этом случае ДНК всегда положительной полярности.
3 группа. Вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (например, ротавирусы, норовирус).
4 группа. Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности (например, пикорнавирусы, флавивирусы, коронавирусы).
5 группа. Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (например, ортомиксовирусы, филовирусы).
6 группа. Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (например, вирус иммунодефицита человека).
7 группа. Вирусы, содержащие частично двуцепочечную, частично одноцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B).
Вирусы являются облигатными паразитами, так как не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы не проявляют признаки живого и ведут себя как частицы биополимеров. От живых паразитарных организмов вирусы отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена и отсутствием сложнейшего элемента живых систем – аппарата трансляции (синтеза белка), степень сложности которого превышает таковую самих вирусов.
Вирусы похожи на живые организмы в том, что они имеют свой набор генов и эволюционируют путём естественного отбора, а также в том, что способны размножаться, создавая собственные копии путём самосборки. Вирусы имеют генетический материал, однако лишены клеточного строения. У вирусов нет собственного обмена веществ и для синтеза собственных молекул им необходима клетка-хозяин.
Условно жизненный цикл вируса можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов (обычно выделяют 6 этапов):
1 этап. Прикрепление.
Прикрепление представляет собой образование специфичной связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Это специфичное связывание определяет круг хозяев вируса. Например, ВИЧ поражает только определённый тип человеческих лейкоцитов. Это связано с тем, что оболочечный гликопротеин вируса gp120 специфично связывается с молекулой CD4 – хемокиновым рецептором, который обычно встречается на поверхности CD4+ T-лимфоцитов. Этот механизм обеспечивает инфицирование вирусом только тех клеток, которые способны осуществить его репликацию. Связывание с рецептором может вызвать конформационные изменения белка оболочки (или белка капсида в случае безоболочечного вируса), что в свою очередь служит сигналом к слиянию вирусной и клеточной мембран и проникновению вируса в клетку.
2 этап. Проникновение в клетку.
На следующем этапе вирусу необходимо доставить внутрь клетки свой генетический материал. Некоторые вирусы также переносят внутрь клетки собственные белки, необходимые для её реализации (особенно это характерно для вирусов, содержащих негативные РНК). Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии: например, пикорнавирусы впрыскивают свою РНК через плазматическую мембрану, а вирионы ортомиксовирусов захватываются клеткой в ходе эндоцитоза и попадают в кислую среду лизосом, где происходит депротеинизация вирусной частицы, после чего РНК в комплексе с вирусными белками преодолевает лизосомальную мембрану и попадает в цитоплазму. Вирусы также различают по тому, где происходит их репликация: часть вирусов (например, те же пикорнавирусы) размножается в цитоплазме клетки, а часть (например, ортомиксовирусы) в её ядре. Процесс инфицирования вирусами клеток грибов и растений отличается от инфицирования клеток животных. Растения имеют прочную клеточную стенку, состоящую из целлюлозы, а грибы – из хитина, так что большинство вирусов могут проникнуть в них только после повреждения клеточной стенки. Однако почти все вирусы растений (включая вирус табачной мозаики) могут перемещаться из клетки в клетку в форме одноцепочечных нуклеопротеиновых комплексов через плазмодесмы. Бактерии, как и растения, имеют крепкую клеточную стенку, которую вирусу, чтобы попасть внутрь, приходится повредить. Но в связи с тем, что клеточная стенка бактерий намного тоньше таковой у растений, некоторые вирусы выработали механизм впрыскивания генома в бактериальную клетку через толщу клеточной стенки, при котором капсид остаётся снаружи.
3 этап. Лишение оболочек.
Данный этап представляет собой процесс потери капсида. Это достигается при помощи вирусных ферментов или ферментов клетки-хозяина, а может быть и результатом простой диссоциации. В конечном счёте вирусная геномная нуклеиновая кислота освобождается.
4 этап. Репликация вирусов.
Репликация вируса включает синтез мРНК ранних генов вируса (с исключениями для вирусов, содержащих положительную РНК), синтез вирусных белков, возможно, сборку сложных белков и репликацию вирусного генома, которая запускается после активации ранних или регуляторных генов. Вслед за этим может последовать (у комплексных вирусов с крупными геномами) ещё один или несколько кругов дополнительного синтеза мРНК: «поздняя» экспрессия генов приводит к синтезу структурных или вирионных белков.
5 этап. Сборка вирусных частиц.
Сразу за репликацией происходит сборка вирусных частиц, позже происходят некоторые модификации белков. У вирусов, таких как ВИЧ, такая модификация (иногда называемая созреванием) происходит после выхода вируса из клетки-хозяина.
6 этап. Выход из клетки.
Вирусы могут покинуть клетку после лизиса, процесса, в ходе которого клетка погибает из-за разрыва мембраны и клеточной стенки, если такая есть. Эта особенность есть у многих бактериальных и некоторых животных вирусов. Некоторые вирусы подвергаются лизогенному циклу, где вирусный геном включается путём генетической рекомбинации в специальное место хромосомы клетки-хозяйки. Тогда вирусный геном называется провирусом, или, в случае бактериофага, профагом. Когда клетка делится, вирусный геном также удваивается. В пределах клетки вирус в основном не проявляет себя; однако в некоторый момент провирус или профаг может вызвать активацию вируса, который может вызвать лизис клеток-хозяев.
Следует отметить, что активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. Оболочечные вирусы, в том числе ВИЧ, обычно отделяются от клетки путём отпочковывания. В ходе этого процесса вирус обзаводится своей оболочкой, которая представляет собой модифицированный фрагмент клеточной мембраны хозяина или другой внутренней мембраны. Таким образом, клетка может продолжать жить и продуцировать вирус.
2.Семейство коронавирусов
2.1.Общие сведения
Коронавирусы (лат. Coronaviridae) – семейство вирусов, включающее на май 2020 года 43 вида РНК-содержащих вирусов, объединённых в два подсемейства, которые поражают млекопитающих (включая человека), птиц и земноводных. Название связано со строением вируса, шповидные отростки которого напоминают солнечную корону.
Возможные механизмы передачи: воздушно-капельный, воздушно-пылевой, фекально-оральный, контактный. Заболеваемость растёт зимой и ранней весной. В структуре ОРВИ госпитализированных больных коронавирусная инфекция составляет в среднем 12 %. О широкой распространённости коронавирусов свидетельствуют специфичные антитела, выявленные у 80 % людей.
Геном представлен одноцепочечной (+) РНК. Нуклеокапсид окружён белковой мембраной и липосодержащей внешней оболочкой, от которой отходят булавовидные шиповидные отростки, напоминающие корону, за что семейство и получило своё название. Культивируют на культуре тканей эмбриона человека. 2019-nCoV использует S-белок на короне для прикрепления к своему рецептору – ангиотензинпревращающему ферменту 2 (АСЕ2), а также к сериновой протеазе TMPRSS2, как и вирус SARS-CoV (атипичной пневмонии). Клетка окутывает вирус своей мембраной, и образовавшийся мембранный пузырёк оказывается в цитоплазме клетки. Два упомянутых белка-рецептора клетки трансформируют S-белок вируса таким образом, что мембраны вируса и клетки сливаются.
После проникновения в клетку вирус с помощью внутриклеточных мембран создаёт мембранные пузырьки, к которым прикрепляются специальные белковые комплексы. В этих комплексах синтезируется копия геномной РНК вируса и короткие мРНК для синтеза белков вируса.
РНК вируса имеет 5'-метилированное начало и 3'– полиаденилированное окончание. Это позволяет вирусу инициировать на своих РНК сборки своих белков рибосомами клетки, которая не в состоянии определить, это РНК вируса или РНК для белков самой клетки.
Коронавирусы имеют РНК около 26–30 тысяч пар оснований, это означает, что коронавирусы обладают крупнейшей несегментированной РНК среди всех известных вирусов, то есть являются сложнейшими по структуре среди известных вирусов. Геном вируса состоит из более чем 20 000 нуклеотидов и кодирует два репликативных полипротеина pp1a и pp1ab, из которых в следующий проход репликации/трансляции формируется копия РНК вируса, а также 8 отдельных мРНК-шаблонов для белков вирусов, которые бесконечно их генерируют. Генерация белков M, S, HE и E, попадающих в мембранную липидную оболочку вируса, происходит на соответствующих мРНК в эндоплазматическом ретикулуме клетки; белок же N, который будет окружать геномную РНК вируса, синтезируется на мРНК, плавающих в цитоплазме клетки.
После получения геномной РНК вируса и необходимых его белков эта РНК, окутанная белком N, приближается к сидящим на эндоплазматическом ретикулуме белкам и взаимодействует с ними. В результате мембрана эндоплазматического ретикулума с находящимися в ней вирусными белками охватывает эту РНК, формируя вирион. Вирионы затем высвобождаются из инфицированной клетки через экзоцитоз. После выхода вирионов из клетки она погибает.
Следует отметить, что медикаментозная терапия при не осложненном течении коронавирусной инфекции в некоторых случаях обходится симптоматическим лечением и направлено на поддержание здоровья организма и купировании тяжелых клинических проявлений.
В целом же, схема лечения и подбор лекарственных препаратов проводится на основании диагностики и сильно зависит от рода и штамма коронавируса, наличия вторичных болезней, локализации воспалительного процесса и клинических проявлений.
В настоящее время известно 7 коронавирусов, поражающих человека:
– коронавирус человека 229E (HCoV-229E) – Alphacoronavirus;
– коронавирус человека NL63 (HCoV-NL63) – Alphacoronavirus;
– коронавирус человека OC43 (НСоV-OC43) – Betacoronavirus A;
– коронавирус человека HKU1 (HCoV-HKU1) – Betacoronavirus A;
– атипичная пневмония (SARS-CoV) – Betacoronavirus B;
– ближневосточный респираторный синдром (MERS-CoV) – Betacoronavirus C;
– коронавирус SARS-CoV-2 – Betacoronavirus B, выявленный во второй половине 2019 года, вызвавший пандемию пневмонии нового типа СЩМШВ-19.
Рассмотрим каждый из этих видов коронавирусов подробнее.
2.2. Коронавирус человека 229E
Коронавирус человека 229E (HCoV-229E) – Alphacoronavirus, впервые выявлен в середине 1960-х годов. HCoV-229E поражает летучих мышей и людей, передаётся воздушно-капельным и контакто-бытовым путями. Может протекать как в форме ОРВИ, так и в тяжёлых формах заболевания, включая пневмонию и бронхиолит. Вирус также входит в число коронавирусов, наиболее часто обнаруживаемых вместе с другими респираторными вирусами, особенно с респираторно-синцитиальным вирусом человека (HRSV), который является основной причиной инфекций нижних дыхательных путей. У большинства людей HRSV вызывает лишь слабые симптомы, часто неотличимые от других респираторных заболеваний. Тяжелые инфекции HRSV значительно чаще встречаются среди пожилых людей.
Лечение HRSV:
Многие доктора придерживаются мнения, что в лечении бронхиолита, вызванного респираторно-синцитиальным вирусом у новорожденных, не помогает ничего, кроме кислорода, а адреналин, бронходилататоры, стероиды и рибавирин не дают никакой реальной пользы. Лечение заключается в поддерживающей терапии, рекомендовано обильное питье и подача кислорода через маску. В случае спазмов бронхов назначают альбутерол. Для уменьшения усилий, необходимых для дыхания, через носовые канюли подают увеличенный поток увлажненного воздуха. Также показано, что гипертонический 3%-ный солевой раствор, подаваемый с ингаляциями, является недорогим и эффективным способом лечения новорожденных, госпитализированных с вирусным бронхиолитом средней тяжести, например, в случае вирусного бронхиолита.
2.3. Коронавирус человека NL63
Коронавирус человека NL63 (HCoV-NL63) – Alphacoronavirus, возбудитель был выявлен в Нидерландах в 2004 году у семимесячного ребенка с бронхиолитом. Вирус происходит от зараженных пальмовых цивет и летучих мышей. Среди людей вирус обнаруживается у детей младшего возраста, пожилых людей и пациентов с ослабленным иммунитетом с острыми респираторными заболеваниями. Считается, что путь распространения HCoV-NL63 лежит через прямую передачу от человека к человеку в густонаселенных районах. Вирус может выживать до недели вне организма в водных растворах при комнатной температуре и три часа на сухих поверхностях.
Вирус представляет собой (+) одноцепочечный РНК-вирус, который поступает в клетку-хозяина через рецептор ACE2.
Заражение вирусом было подтверждено во всем мире и имеет связь со многими общими симптомами и заболеваниями. Наиболее распространенными симптомами являются лихорадка, кашель, ринит, боль в горле, хрипота, бронхит, бронхиолит, пневмония и круп.
Трудно провести различие между симптомами, вызванными инфекцией вируса HCoV-NL63, и симптомами, вызванными другими распространенными вирусами человека, что затрудняет диагностику и обнаружение. Обратная транскрипционная полимеразная цепная реакция образцов, взятых через носоглоточный мазок, является наиболее часто используемым методом обнаружения вируса. Вирусная культура или анализ сыворотки крови на антитела также могут быть использованы для подтверждения инфекции.
Центры по контролю и профилактике заболеваний США рекомендуют несколько мер для предотвращения заражения HCoV-NL63, включая: часто мыть руки с мылом и водой, избегать тесного контакта с больными людьми и не касаться глаз, рта или нос.
Лечение HCoV-NL63:
Зависит от тяжести ассоциированной симптоматики. Большинство легких и умеренных инфекций исчезнет само по себе. Симптомы можно облегчить, принимая обезболивающее или жаропонижающее, горячий душ или увлажнитель. Противовирусное лечение может быть необходимо для инфицированных пациентов, которые попадают в отделение интенсивной терапии (ОИТ) из-за острой респираторной инфекции. Внутривенный иммуноглобулин является одобренным FDA ингибитором HCoV-NL63, который также используется для лечения первичного иммунодефицита, RSV и болезни Кавасаки. Последние данные предполагают связь инфекции HCoV-NL63 с болезнью Кавасаки, системным васкулитом в детстве, который может привести к аневризму коронарных артерий. В развитых странах болезнь Кавасаки является наиболее распространенной причиной приобретенных пороков сердца у детей. Вирус использует тот же клеточный рецептор, что и SARS-CoV (ACE2). HCoV-NL63 также был обнаружен в кишечном тракте инфицированных людей и связан с гастроэнтеритом. Этот тип инфекции является прямым результатом вирусной инвазии слизистой оболочки кишечника.
2.4.Коронавирус человека OC43
Коронавирус человека OC43 (HCoV-OC43) – Betacoronavirus A, возбудитель выявлен в 1967 году. Поражает людей и крупный рогатый скот. OC43 – один из семи известных коронавирусов, заражающих людей, ответственный за примерно 10-15 % случаев ОРВИ.
Оболочечный (+) одноцепочечный РНК-вирус, который проникает в клетку, связываясь с рецептором N-ацетил-9-О-ацетилнейраминовой кислоты. Имеет, как и другие коронавирусы из подрода Embecovirus, короткий белок-шип, так называемую гемагглютинин-эстеразу (НЕ).
Идентифицированы четыре генотипа HCoV-OC43 (от A до D) с генотипом D, скорее всего возникшим в результате генетическойрекомбинации. Полное севенирование генома двух штаммов генотипов C и D и бутскан-анализ показывают признаки рекомбинации между генотипами B и C при образовании генотипа D. Из 29 идентифицированных штаммов ни один не принадлежит к более древнему генотипу A. Метод молекулярных часов с использованием шипа и нуклеокапсида относит ближайшего общего предка всех генотипов к 1950-м годам, генотип B к 1990-м годам и генотип C к концу 1990-х – началу 2000-х годов. Рекомбинантные штаммы генотипа D были обнаружены уже в 2004 году.
Сравнение HCoV-OC43 с ближайшим к нему штаммом рода Betacoronavirus 1, коронавирусом КРС, показало, что у них был ближайший общий предок в конце XIX века, при этом несколько методов датируют разделение примерно 1890 годом, что заставило исследователей предположить, что попадание первого штамма в человеческое население вызвало пандемию гриппа 1889-1890 годов. HCoV-OC43, вероятно, зародился у грызунов.
Наряду с HCoV-229E, видом из рода Alphacoronavirus, HCoV-OC43 входит в число известных вирусов, вызывающих простуду. Оба вируса могут вызывать тяжелые инфекции нижних дыхательных путей, включая пневмонию у младенцев, пожилых людей и лиц с ослабленным иммунитетом, например, тех, кто проходит химиотерапию, и людей с ВИЧ/СПИДом.
Обыденность вируса в течение длительного времени не привлекала к нему внимания исследователей: подобно 229Е, он был «вирусом-сиротой», не имевшим в отличие от SARS и MERS даже «затейливого» названия. Однако, предположения о его связи с пандемией «русского гриппа» 1889-1890 годов – основанное на вышеописанном исследовании генома и сходству симптомов поражения нервной системы – возможно, свидетельствует о существенном и сравнительно быстром ослаблении патогенности коронавируса.
Вообще в настоящее время штаммами, круглогодично приводящим к заболеваниям по типу нетяжёлого ОРВИ являются коронавирусы HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63, HCoV-HKU1.