Ludzki wirus niedoboru odporności (HIV, po angielsku HIV) jest przyczyną zakażenia wirusem HIV, które zawsze kończy się rozwojem AIDS - zespołu nabytego ludzkiego niedoboru odporności, w którym rozwijają się ciężkie choroby zakaźne i procesy nowotworowe.
Źródłem wirusów jest tylko chory człowiek. W jego krwi, nasieniu i wydzielinie z pochwy występuje stężenie materiału zakaźnego wystarczające do zakażenia. Głównymi drogami przenoszenia są droga płciowa, pozajelitowa i przezłożyskowa. Najbardziej zjadliwy jest ludzki wirus niedoboru odporności typu 1. To on powoduje epidemie w wielu krajach na całym świecie.
HIV wykryto po raz pierwszy w 1983 roku w dwóch niezależnych laboratoriach: laboratorium Luca Montagny'ego z Instytutu Pasteura (Francja) i Narodowego Instytutu Raka w laboratorium Roberta Gallo (USA).
Ryż. 1. Luc Montagnier (zdjęcie po lewej) i Robert Gallo (zdjęcie po prawej).
Ludzkie wirusy niedoboru odporności infekują komórki, które mają CD4 na swojej powierzchni+-receptory:
Limfocyty T (rozpoznają i niszczą komórki niosące obce antygeny),
makrofagi i monocyty tkankowe (wychwytują i trawią bakterie oraz ciała obce),
pęcherzykowe komórki dendrytyczne (stymulują limfocyty T),
komórki neuroglejowe,
komórki Langerhansa,
komórki nabłonkowe jelita i szyjki macicy.
Kiedy ich stężenie limfocytów T spadnie poniżej 200 w 1 μl, odporność komórkowa przestaje chronić organizm pacjenta. Zainfekowane komórki umierają. AIDS się rozwija.
Ryż. 2. HIV opuszcza komórkę docelową. Teraz nazywa się to wirionem.
Klasyfikacja HIV
Ludzki wirus niedoboru odporności należy do rodziny retrowirusy, rodzina lentiwirusy. Jest limfotropowy. Istnieją 2 główne typy wirusów niedoboru odporności – HIV-1 i HIV-2. Gatunki HIV-3 i HIV-4 są rzadkimi odmianami. Ich rola w rozprzestrzenianiu się infekcji jest subtelna.
Retrowirusy (z łac retro - odwrotnie) należą do rodziny wirusów RNA zakażających kręgowce. HIV, w przeciwieństwie do onkowirusów, prowadzi zakażone komórki do śmierci i nie powoduje ich proliferacyjnego wzrostu, jak onkowirusy. Retrowirusy powodują rozwój procesów złośliwych w postaci mięsaka i białaczki u wielu zwierząt, a tylko jeden gatunek powoduje mięsaka limfatycznego u ludzi.
Lentiwirusy (z łac soczewica - powolne) powodują choroby o długim okresie inkubacji i powolnym, ale stale postępującym przebiegu. Lentiwirusy dostarczają znaczną ilość materiału genetycznego do komórki gospodarza i mają zdolność replikacji (odnawiania) w komórkach niedzielących się.
Ryż. 3. Kiedy pojawia się nowy wirus, nazywa się go wirionem. Zdjęcie przedstawia niedojrzały wirion. Nukleokapsyd nie ma struktury. Zewnętrzna skorupa jest szeroka i luźna.
Ludzkie wirusy niedoboru odporności różnią się od siebie genetycznie i cechami antygenowymi. Współczesna klasyfikacja wyróżnia 2 główne typy wirusów: ludzki wirus niedoboru odporności 1 (HIV-1) i ludzki wirus niedoboru odporności 2 (HIV-2). Znane są jednak również HIV-3 i HIV-4 - rzadkie odmiany o subtelnej roli w rozprzestrzenianiu się epidemii. Uważa się, że HIV-1 powstał w wyniku przeniesienia wirusa niedoboru odporności na ludzi przez szympansy, a HIV-2 przez rudowłose mangi.
Oba typy wirusów powodują niedobór odporności po przedostaniu się do organizmu człowieka. Istnieją różnice w przebiegu klinicznym choroby.
Ryż. 4. Uważa się, że HIV-1 powstał w wyniku przeniesienia wirusa niedoboru odporności na ludzi przez szympansy, a HIV-2 przez rudowłose mangi.
Ludzki wirus niedoboru odporności 1 (HIV-1)
HIV-1 został po raz pierwszy opisany w 1983 roku. Jest najbardziej chorobotwórczym i rozpowszechnionym ze wszystkich wirusów HIV. Niewielkie zmiany w genomie tego typu wirusa prowadzą do pojawienia się dużej liczby nowych szczepów, co umożliwia patogenowi ominięcie układu odpornościowego pacjenta i nabycie lekooporności na leki przeciwwirusowe.
To HIV-1 stał się sprawcą globalnej epidemii.
Ludzkie wirusy niedoboru odporności - 1 dzielą się na kilka grup: M, N, O i P, z czego 90% to grupa M. Z kolei grupa M dzieli się na 11 podtypów, dominujących w niektórych częściach świata.
Podtyp A wirusa HIV-1 jest szeroko rozpowszechniony w Rosji i Afryce. Obecnie występuje mieszanina dominującego obecnie szczepu A oraz szczepu AG, sprowadzonego z Azji Środkowej. Tak pojawił się groźniejszy szczep wirusa HIV-1A63.
W przypadku zakażenia wirusem HIV-1 choroba często przechodzi do stadium AIDS.
Na etapie AIDS często rozwija się kandydoza jamy ustnej, mięsak Kaposiego i przewlekła gorączka.
W każdym przypadku, gdy nie ma wskazania typu wirusa, przyjmuje się, że jest to ludzki wirus niedoboru odporności-1.
Wirus niedoboru odporności-2 (HIV-2)
HIV-2 powstał w wyniku przeniesienia wirusa niedoboru odporności na ludzi przez rudowłose mangaby. Zidentyfikowany w 1986 roku. Opisano 8 grup wirusów, ale z punktu widzenia epidemicznego groźniejsze są tylko grupy A i B.
HIV-2 jest mniej zjadliwy niż HIV-1.
Kiedy wirusy HIV-1 i HIV-2 dostają się jednocześnie do organizmu ludzkiego, wirus HIV-2 zapewnia, choć w niewielkim stopniu, ochronę komórek przed zakażeniem wirusem HIV-1.
Choroba trwa dłużej i rzadko przechodzi do stadium AIDS.
W czasie choroby w 1 μl krwi znajduje się znacznie mniej wirusów niż podczas zakażenia HIV-1.
W przypadku wirusa HIV-2 częściej rozwijają się infekcje, takie jak przewlekła biegunka, zapalenie dróg żółciowych, zapalenie mózgu i ciężkie zakażenia wirusem cytomegalii.
Nazywa się wirus, który znajduje się na zewnątrz komórki wirion. Wiriony są końcową fazą rozwoju wirusa. To właśnie na tych przedstawicielach mikrokosmosu opiera się klasyfikacja i systematyzacja wirusów.
HIV-1 i HIV-2 mają rdzeń (nukleokapsyd w kształcie kuli) składający się z RNA i enzymów oraz otoczkę (błonę lub superkapsyd). Dojrzałe wiriony zawierają aż kilka tysięcy różnych typów cząsteczek białek i mają kulisty kształt o średnicy od 100 do 180 nm.
Struktura nukleokapsydu HIV
Wewnątrz HIV znajdują się 2 jednoniciowe wirusowe RNA i 3 enzymy: odwrotna transkryptaza (rewertaza), integraza i proteaza, ściśle związane (upakowane) z białkami kapsydu p24, p7 i p9.
Na zewnątrz kapsydu znajduje się 2000 cząsteczek białka matrix p17 o grubości 5 - 7 nm. Znajdują się pomiędzy kapsydem wirusa a otoczką zewnętrzną.
Białka nukleokapsydowe p7 i p9 zapewniają komunikację z genomowym RNA.
Z kapsydem HIV-1 związanych jest 200 kopii cyklofiliny A, która bierze udział w tworzeniu wirionów.
Wewnątrz (czy na zewnątrz?) kapsydu wirionu znajduje się białko Vhr.
Objaśnienie niektórych symboli
Genom wirusa to zestaw genów zawierających informację biologiczną niezbędną do budowy i podtrzymywania życia mikroorganizmu. Sam genomowy kwas nukleinowy nie jest czynnikiem zakaźnym.
Odwrotna transkryptaza(rewertaza) jest enzymem biorącym udział w syntezie DNA na matrycy RNA. Nazwa „odwrotna” wzięła się stąd, że większość tych procesów przebiega w odwrotnym kierunku, kiedy RNA syntetyzowany jest z matrycy DNA.
Integracja jest enzymem, który przyspiesza (katalizuje) wbudowywanie (integrację) DNA wirusa HIV z chromosomem gospodarza. DNA wirusa zamyka się w pierścień przed integracją.
Proteaza jest enzymem rozkładającym wiązania peptydowe pomiędzy aminokwasami w białkach.
Ryż. 6. Mikrofotografia elektronowa wyraźnie pokazuje nukleokapsydy już dojrzałych wirionów (zdjęcie po lewej).Zdjęcie „D” przedstawia wirusy wychwytywane przez makrofagi.
Struktura otoczki wirusa HIV
Otoczki wirusa HIV (kapsyd i superkapsyd) chronią materiał genetyczny przed uszkodzeniami chemicznymi, fizycznymi i mechanicznymi. Zewnętrzna otoczka pomaga wirusowi oddziaływać z receptorami komórek docelowych.
Otoczka tworzy się w okresie pączkowania i składa się z warstwy fosfolipidów, przez którą przenikają kompleksy glikoproteinowe 72 i komórki błonowe żywiciela.
Dzięki glikoproteinom otoczkowym wirusy atakują tylko określone komórki gospodarza, które posiadają na swojej powierzchni specjalne receptory CD4+ — Limfocyty T, monocyty, makrofagi tkankowe, pęcherzykowe komórki dendrytyczne, neuroglej, komórki Langerhansa, komórki nabłonkowe jelita i szyjki macicy, co determinuje rozwój objawów zakażenia wirusem HIV.
Podczas napotykania komórek gospodarza do ich błon wprowadzane są glikoproteiny transbłonowe gp41 i glikoproteiny powierzchniowe gp120. Wirusy pozbawione tych białek nie są w stanie przeniknąć do komórek docelowych.
Ryż. 7. Zdjęcie przedstawia model 3D wirusa HIV.
Ryż. 8. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia przekrój wirusa HIV.
Genom wirusa HIV składa się z dwóch identycznych nici RNA. Długość każdej nici wynosi około 10 tysięcy nukleotydów. Genom obejmuje 3 główne geny strukturalne i 7 genów regulacyjnych i funkcjonalnych kodujących 15 różnych białek.
Białka strukturalne (kapsyd i superkapsyd) wirusa HIV są kodowane przez Gagowy genom.
Białka niestrukturalne są kodowane genom Pol.
Geny Tat, Nef, Vif, Rev, Vpu i Vpr kodują białka regulujące procesy rozmnażania i składania wirusów, tłumią aktywność komórkowych systemów przeciwwirusowych.
Ryż. 9. Normalny limfocyt (zdjęcie po lewej) zakażony wirusem HIV (zdjęcie po prawej).Na powierzchni zakażonej komórki tworzy się wiele pęcherzyków.
Gdy tylko wirion dostanie się do komórki gospodarza (obecnie zwanej wirusem), kopia DNA genomu jest syntetyzowana przy użyciu enzymu odwrotnej transkryptazy, która integruje się z genomem komórki gospodarza. W ten sposób powstaje prowirus.
Następnie za pomocą enzymów syntetyzuje się nowe cząsteczki wirusowego RNA na matrixie prowirusa, a także białka strukturalne i regulatorowe, które przeprowadzają składanie i pączkowanie wirusów. Wewnątrz wirusa, a także na jego powierzchni, oprócz białek kodowanych przez genom, znajdują się białka, które są wychwytywane przez cząstkę wirusa z komórek gospodarza.
Geny Gag, Pol i Env odpowiadają za syntezę głównych białek wirusa HIV.
Białka strukturalne wirusa HIV
Gen Gag jest odpowiedzialny za syntezę białek strukturalnych wirusa HIV. Białka strukturalne są częścią samej cząstki wirusa. Tworzą otoczkę kapsydową i wirusową.
Białka kapsydu wirusa HIV
Białka kapsydu tworzą pojemnik (obudowę) dla kwasu nukleinowego, są częścią białek genomowych i tworzą enzymy. Otoczka kapsydu składa się nie z pojedynczych białek, ale z podjednostek. Jego montaż jest zaprogramowany w RNA.
Białko p24 tworzy otoczkę nukleokapsydu.
Białko p17 tworzy substancję matrycową.
Białka p9 i p7 zapewniają komunikację z genomowym RNA.
Ryż. 10. Limfocyt dotknięty wirusem HIV. Wydłużone struktury na powierzchni komórki są spowodowane nadprodukcją białka Gag. (Zdjęcie NIBSC).
Białka superkapsydowe
Gen Env jest odpowiedzialny za syntezę białek otoczki wirusa HIV. Białka z tej grupy wchodzą w skład zewnętrznej błony wirionu, która składa się z warstwy fosfolipidów, przez którą przenikają 72 kompleksy glikoproteinowe. Wolna (zewnętrzna) część kompleksu glikoproteinowego zawiera grupę aminową na końcu DO.Koniec zanurzony w warstwie lipidowej zawiera grupę hydroksylową na C-końcu. Dzięki kompleksom glikoproteinowym wiriony przyłączają się do komórki gospodarza. Nazywa się je białkami przyłączającymi.
W trakcie ewolucji wirusy nabyły celową funkcję - wyszukiwanie niezbędnych komórek gospodarza wśród wielu innych komórek, dla czego na ich powierzchni pojawiły się specjalne białka, które rozpoznają wrażliwe komórki i ich receptory.
Zewnętrzna otoczka wirionu składa się z kompleksów białkowych (białka gp120 i gp41) i komórek otoczki gospodarza, które są wychwytywane przez wirusy podczas pączkowania.
Białko gp120 (najbardziej zewnętrzne) zapewnia wiązanie z komórkami docelowymi.
Białko gp41 zapewnia penetrację wirionów do komórki.
Białka niestrukturalne
Białka niestrukturalne są kodowane przez gen Pol. Służą procesom reprodukcji wirusa na różnych jego etapach. Gen Pol koduje enzymy biorące udział w procesie integracji genomu wirusa z genomem komórki gospodarza oraz enzymy biorące udział w procesie reprodukcji wirusa.
Obecnie najczęściej badane są następujące niestrukturalne białka wirusa HIV:
p66 - odwrotna transkryptaza (bierze udział w syntezie DNA na matrycy RNA);
p31 - integraza (katalizuje integrację wirusowego DNA z chromosomem gospodarza;
p10 jest proteazą (rozcina wiązania peptydowe pomiędzy aminokwasami w dużych cząsteczkach białka).
Inne geny HIV
Geny takie jak Tat, Nef, Vif, Rev, Vpu i Vpr kodują białka regulujące procesy rozmnażania i składania wirusów oraz tłumiące aktywność komórkowych systemów przeciwwirusowych.
Ryż. 11. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia proces pączkowania wirionów. Nukleokapsyd nie ma jeszcze struktury; zewnętrzna powłoka jest grubsza ze względu na obecność białek błonowych.Zdjęcie po prawej stronie przedstawia dojrzałe wiriony w przestrzeni zewnątrzkomórkowej (mikrografia elektronowa). Nukleokapsydy przybrały kształt ściętego stożka. Powłoka stała się cienka, ponieważ część białek otoczki zewnętrznej została utracona.
Ludzkie wirusy niedoboru odporności - 1 dzielą się na kilka grup: M, N, O i P, z czego 90% to grupa M. Z kolei grupa M dzieli się na 11 podtypów, dominujących w niektórych częściach świata. Różnią się między sobą składem aminokwasowym białek.
Do głównych antygenów ludzkiego wirusa niedoboru odporności należą:
antygeny specyficzne dla grupy i gatunku: białka tworzące otoczkę nukleokapsydu - p24;
antygeny specyficzne dla typu: białka zapewniające komunikację z komórkami docelowymi - gp120 i białka zapewniające wnikanie wirionów do komórek - gp41.
HIV charakteryzuje się dużą aktywnością biologiczną i częstotliwością zmian genetycznych (duża zmienność), które zachodzą w procesie samoreprodukcji, co stwarza ogromne przeszkody w stworzeniu szczepionki i skutecznych leków.
Replikacja (reprodukcja) wirusa HIV zachodzi w komórce gospodarza etapami.
Spotkanie z klatką. Wiriony w organizmie człowieka występują we wszystkich płynach biologicznych, jednak z epidemiologicznego punktu widzenia największe zagrożenie stanowi krew, wydzielina z pochwy i nasienie, w których występuje stężenie materiału zakaźnego wystarczające do zakażenia.
Ryż. 12. HIV infekuje komórkę odpornościową (zaznaczoną na żółto).
Fuzja z komórką docelową. Po poszukiwaniu komórki docelowej wiriony łączą się z błoną komórkową poprzez receptory CD4 i wnikają w głąb komórki.
Transkrypcja odwrotna. Wewnątrz komórki wirusowy RNA jest uwalniany z kapsydu. Przy udziale odwrotnej transkryptazy synteza DNA opiera się na jednoniciowym RNA.
Integracja DNA z genomem komórki gospodarza. Zsyntetyzowany DNA przemieszcza się do jądra komórki docelowej, gdzie zostaje zintegrowany z chromosomem. Wirusowy DNA osadzony w chromosomie komórkowym nazywany jest prowirusem.
Synteza cząsteczek białek. Następnie za pomocą enzymów na macierzy prowirusa syntetyzowane są nowe cząsteczki wirusowego RNA, a także białka strukturalne i regulatorowe, które przeprowadzają składanie i pączkowanie wirionów.
Montaż i pączkowanie wirionu. Wiriony gromadzą się w cytoplazmie komórki i początkowo nie są zakaźne, ponieważ powstają z poliprotein prekursorowych. W miarę dojrzewania wirionu białka prekursorowe są rozszczepiane na składniki funkcjonalne pod wpływem proteaz wirusowych. Dojrzały wirion wyrasta z komórki, wychwytując część białek błony komórkowej w celu budowy jej zewnętrznej powłoki.
Ryż. 13. Wiriony gromadzą się pod zewnętrzną błoną komórki. Widoczne są niezwykłe wypukłości – miejsca wyłaniania się wirionów.
Ryż. 14. Zdjęcie przedstawia proces pączkowania wirusa HIV (tworzenie wirionów).
Opuszczając komórkę, wiriony wychwytują część zewnętrznej błony komórkowej („noga” wirionu jest widoczna). W niedojrzałych wirionach nukleokapsyd nie ma struktury (wygląda jak czarne półkole). Kapsyd dojrzałego wirionu ma kształt stożka.
Życie wirionu po opuszczeniu zakażonej komórki gospodarza. Wirion żyje w osoczu krwi nie dłużej niż 8 godzin. Połowa wszystkich wirionów umiera w ciągu 6 godzin. W innych płynach biologicznych żywotność wirionów jest znacznie krótsza. Wirusy infekują CD4+ limfocyty, monocyty, makrofagi, komórki Langerhansa (skóra), makrofagi pęcherzykowe (płuca), komórki nabłonka okrężnicy i nerek, komórki szyjki macicy, komórki oligodendrogleju i astrocyty (mózg). Limfocyty T są głównym rezerwuarem ludzkich wirusów niedoboru odporności.
Ryż. 15. Rycina „b” (zdjęcie po lewej) przedstawia niedojrzałe wiriony. Nukleokapsyd jest w fazie formowania (zaokrąglony), białka otoczki wystają na zewnątrz w postaci wypukłości. Rycina „a” (zdjęcie po prawej) przedstawia dojrzały wirion. Otoczka nukleokapsydu straciła większość swoich białek i stała się cieńsza i gęstsza, a nukleokapsyd nabrał kształtu ściętego stożka, co odróżnia go od wielu innych wirusów.
Ryż. 16. Na powierzchni zainfekowanej komórki widoczne są liczne pęcherzyki, pomiędzy którymi pojawiły się nowo powstałe wirusy. Pęcherze są znacznie większe i mniej gęste niż w przypadku wirusa HIV.
HIV jest najbardziej chorobotwórczym i rozpowszechnionym spośród wszystkich wirusów. Niewielkie zmiany w jego genomie prowadzą do pojawienia się dużej liczby nowych szczepów, co pozwala patogenowi ominąć układ odpornościowy pacjenta i nabrać lekooporności na leki przeciwwirusowe. Zmienność antygenowa wirusa HIV jest kilkakrotnie większa niż zmienność wirusów grypy i SARS, których częstotliwość mutacji wynosi 10-5 nukleotydów dziennie. Jego szybkość transkrypcji jest wyższa niż w przypadku innych wirusów i wynosi około 20 milionów cząstek wirusa dziennie. Wszystko to komplikuje zarówno diagnozę, jak i poszukiwanie metod specyficznej profilaktyki tej strasznej choroby.
W organizmie zakażonego pacjenta toczy się bezlitosna walka pomiędzy jego układem odpornościowym a wirusem HIV. Pod wpływem odporności wirus mutuje.Jednak, jak ustalili naukowcy, ciągłe mutacje prowadzą do osłabienia mikroorganizmu: zmniejsza się jego szkodliwość i wydłuża się okres rozwoju AIDS.
Ryż. 17. Zdjęcie „B” przedstawia normalne wiriony: 4 pączkujące (na łodydze) i 1 dojrzały. Zdjęcia „C” i „E” przedstawiają zmutowane wiriony. Zdjęcie „C” przedstawia niedojrzałe wiriony, które powstają w wyniku mutacji enzymu proteazy. Zdjęcie „E” przedstawia dojrzały wirion, ale nie może on złożyć normalnego kapsydu.
Wrażliwość ludzkiego wirusa niedoboru odporności na wpływy zewnętrzne
Ogrzanie do 56°C inaktywuje wirusa w ciągu 30 minut; gotowanie powoduje jego natychmiastową śmierć.
Patogen jest wrażliwy na wszystkie środki dezynfekcyjne: nadtlenek wodoru, lizol, eter, aceton, podchloryn sodu, alkohol etylowy, chloraminę, wybielacze itp. Inaktywacja następuje w ciągu 3 do 5 minut.
Śmierć wirusa następuje, gdy zmienia się pH środowiska - poniżej 0,1 i powyżej 13.
Promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące jest destrukcyjne.
Trwałość ludzkiego wirusa niedoboru odporności
HIV żyje we krwi i jej składnikach przeznaczonych do transfuzji przez lata.
W środowisku płynnym w temperaturze od 23 do 27°C - 25 dni.
W zamrożonym plemniku – przez kilka miesięcy, w surowicy krwi – do 10 lat.
HIV ginie po zamrożeniu w temperaturze poniżej 70°C;
Po wysuszeniu zachowują żywotność w surowicy krwi i nasieniu przez 24 godziny.
Ryż. 18. Wiele dojrzałych wirionów jest gotowych do infekowania innych komórek.
