Patenogenesi delle infezioni virali

PATOGENESI INFEZIONI VIRALI
Insieme dei meccanismi attraverso cui si instaura un processo
morboso dopo l’entrata di un virus patogeno nell’organismo ospite
La patogenesi delle infezioni è la risultante di una sorta di conflitto tra le
capacità invasive dell’agente infettante e le difese dell’ospite
DIFFUSIONE
Passaggio dell’agente
infettivo in un altro ospite
o nell’ambiente
MODALITA’ DI TRASMISSIONE
Le vie di trasmissione dei virus sono determinate dall’organo o tessuto
infettato, dalle vie di eliminazione del virus e dalla stabilità delle strutture
virali all’ambiente (variazioni di pH, temperatura, irraggiamento,
essiccamento)
DNA provirale di un retrovirus integrato nel DNA cellulare
CMV, virus rosolia
HSV, HBV, HIV
ADESIONE E PENETRAZIONE
2) ADESIONE
La maggior parte dei virus penetra attraverso le mucose
La penetrazione x via cutanea: presuppone la presenza di una soluzione di
continuo e interessa pochi virus (v. delle verruche e del mollusco contagioso)
La penetrazione x via parenterale: interessa un gran numero di infezioni, in
particolare quelle trasmesse da artropodi (togavirus e bunyavirus) o da
mammiferi (rabbia)
La replicazione nella sede mucosa di primo impianto può incontrare notevoli ostacoli
da parte delle difese dell’organismo, in particolar modo dalla produzione di
interferon-b, che liberato dalle cellule infette nello spazio intercellulare, vi raggiunge
concentrazioni sufficienti a stabilire un’efficace stato antivirale nelle cellule
circostanti non ancora infettate
DIFFUSIONE DEL VIRUS NELL’ORGANISMO OSPITE
Diffusione locale: trasmissione diretta del virus alle cellule contigue
Diffusione sistemica: presuppone il drenaggio per via linfatica dei virioni che si trovano
nel liquido extracellulare e la loro immissione in circolo (viremia)
DIFFUSIONE ATTRAVERSO LA VIA NERVOSA
La disseminazione lungo i
nervi periferici è meno
comune di quella ematica, ma
può verificarsi in alcune
infezioii, come quelle da virus
della rabbia, herpesvirus,
v. poliomelitici.
Diffusione per via centripeta
(replica lungo gli assoni e i
dendriti, protetto dagli anticorpi
grazie alla guaina del nervo)
all’encefalo attraverso le
terminazioni nervose
Effetto dell’infezione virale sulla cellula
Una malattia da virus risulta essere l’espressione di danni strutturali e/o funzionali che il
virus direttamente o indirettamente provoca ai tessuti interessati
Azioni dirette: EFFETTO CITOPATICO, CAPACITA’ ONCOGENE, etc.
Patogenesi delle infezioni da virus
Patogenicità: Greco pathos dolore –
capacità di causare dolore
• Il processo attraverso il quale un virus può essere la
causa di una malattia
• La malattia è di solito un evento poco comune nel
corso delle infezioni da virus
• La malattia può essere causata direttamente o
indirettamente dal virus
• Anche fattori dell’ ospite e dell’ambiente possono
giocare un ruolo importante
MECCANISMI DIRETTI:
1) Capacità moltiplicativa e citolitica di alcuni virus
(CPE)
• Definition: A change or abnormality in the microscopic
appearance of cells due to virus infectiona
• CPE is caused by interactions of the virus and the cell
and can be caused by any stage of virus infection
(including binding)
• CPE can be cell death, cell fusion and multinucleation
EFFETTO CITOPATICO
2) Capacità di indurre o inibire
l ‘ apoptosi
 Apoptosis
is programmed cell death
 Cells undergo apoptosis in response to stress (for
example viral infection) or developmental
regulation
 Some viruses induce strong apoptotic signals
 Other viruses have evolved methods to inhibit
apoptosis
POTENZIALE ONCOGENO
Meccanismi indiretti
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Fattori legati all’ ospite (età, sottofondo genetico, etc.)
Le modalità di trasmissione (vie di eliminazione, etc.)
Il sito di ingresso
Il tipo di tropismo
Il tipo di infezione
Le modalità di disseminazione
La capacità di evadere la risposta dell’ospite
Meccanismi immunopatogenetici
1. Fattori legati all’ ospite :
Age
Metabolic state
Nutritional state
Impaired immune response
Nota: Nei topi la suscettibilità a certe infezioni virali è in parte
sotto l’influenza di specifici geni che possono agire a livello del
sistema immunitario, della produzione di interferone o dei
recettori virali.
2. Fattori legati alle modalità di trasmissione :
Trasmissione interumana
Horizontal: From host to host of the same generation
Direct - contact or aersols
Indirect - water, needles, vector mediated…...
Vertical: From host to progeny: congenital transmission
Trasmissione uomouomo-animali
Horizontal
Trasmissione Interumana diretta
Respiratory route
eg. Influenza A
Fecal-oral route
eg. Hepatitis A
Sexually transmitted
route, eg. papillomaviruses
Infezioni zoonotiche
Yellow Fever Virus
Rabies Virus
Flaviviruses
Infezioni virali a trasmissione verticale
Due vie di accesso:
1) Via ascendente
2) Via ematogena
3) Dall’ endometrio?
Potenzialmente tutti i virus che diffondono per via ematica possono
essere trasmessi al feto
In realtà in molti casi la placenta rappresenta una barriera
efficiente
Modalità di trasmissione
placentare dei virus
Viremia materna
Spazi intervillosi
Trofoblasti
Macrofagi placentari
(cellule di Hofbauer)
Vasi intravillosi
Circolazione fetale
Coinvolgimento fetale
CMV--positive placenta (in situ hybridisation)
CMV
Virus viremici
Virus della rosolia, Citomegalovirus, Parvovirus B19 danno viremia
e si replicano abbondantemente nella placenta
– si trasmettono nel periodo prenatale per via transplacentare
INFEZIONI PRENATALI
HIV, HCV, HBV danno viremia, ma non si replicano molto bene nella
placenta
– si trasmettono preferenzialmente al momento del parto
INFEZIONI CONNATALI o PERINATALI attraverso il contatto del
neonato con il sangue materno
Anche virus che non danno viremia possono
causare infezioni materno-fetali?
Causano principalmente INFEZIONI PERINATALI venendo trasmessi
durante il parto per contatto con le secrezioni infette:
– Es: Virus dell’ Herpes Simplex e Papillomavirus
3. Fattori legati al/ai siti di ingresso
1. Pelle: papillomaviruses (small lesions), rabies (bites)
2. Tratto respiratorio: rhinoviruses, measles, herpesviruses
2. Tratto gastrointestinale: poliovirus, hepatitis A, rotaviruses
4. Tratto genitale: (sexually transmitted) HIV, herpesviruses, papillomaviruses
4. Fattori legati al tropismo virale
La capacità di un virus di infettare un
particolare tipo di popolazione
cellulare in un organismo complesso
• Tropism is often determined by cellular receptor expression
• However, since all viruses need cellular factors to replicate
there can be intracellular determinants of tropism
ORGANI BERSAGLIO
Esistono virus prevalentemente:
PNEUMOTROPI
EPATOTROPI
NEUROTROPI
DERMOTROPI
Etc.
Un organo bersaglio particolare è il FETO costituito da tessuti
indifferenziati (specie nel I trimestre) particolarmente sensibili alla
replicazione di diversi virus
5. Fattori legati al tipo di Infezione
1. Infezioni acute - Locali (hit and run) (es:Rhino)
- Sistemiche (es: Orthomixo)
IL VIRUS VIENE ELIMINATO DALL’ OSPITE GRAZIE
ALL’EFFICACIA DELLA RISPOSTA IMMUNITARIA CONTRO GLI
ANTIGENI VIRALI
2. Infezioni persistenti
- No disease
- Periodic disease
- Progressive disease and tissue damage
- Malignant disease
IL VIRUS PERSISTE NELL’ OSPITE ANCHE PER TUTTA LA VITA
Infezioni persistenti
1. Latent Infections
- after acute infection virus becomes latent
- limited replication
- persists in non-dividing or rarely dividing cells
- eg. HSV I & II and VZV
2. Chronic Infections - persistence of virus with active replication
- may cause disease
- eg. HBV, HCV and JCV
3. Chronic Infections with neoplasia
- transformation of cells usually after years of
persistence
- eg. HBV, HTLV I & II and HPV
Siti di persistenza
Herpesviruses:
Herpes simplex
dorsal root ganglion
Epstein-Barr Virus
B-cells
Cytomegalovirus
monocytes/lymphocytes?
Lentiviruses:
HIV
macrophages/microglia
Hepadnaviruses:
HBV and HCV
liver and other?
Papovaviruses:
JCV
oligodendrocytes
BKV
kidney epithelial cells
La persistenza: meccanismi molecolari
La persistenza è dunque una caratteristica fondamentale di alcuni
importanti patogeni virali dell’uomo.
Tra i meccanismi di persistenza è possibile distinguere:
• quelli relativi al virus
• quelli sfruttati dal virus ma relativi all’ospite infettato.
Meccanismi virali:
VARIABILITA’ GENETICA, frequente in molti virus ad RNA
VARIABILITA’ GENETICA
Questa variabilità non
è infinita, ma per
ciascun virus esiste un
tasso ottimale
di mutazione
al di fuori del quale si
può avere una
mutagenesi letale
o la
clearance virale
Capacità di alcuni virus di mutare (HIV, HCV, etc.) conferita dall’assenza di attività di
proofreading della polimerasi; ma al tempo stesso questi virus sopportano le mutazioni
(entro predefiniti limiti), mantenendo una buona capacità replicativa.
La plasticità genetica consente a tali agenti di sfuggire alla risposta imunitaria
(escape mutants) e l’infezione persiste.
Modalità di eliminazione del virus all’ esterno
(assicura la permanenza del virus in una particolare sfera ecologica)
• Maggior parte: via respiratoria e apparato digerente
• Altre: urina, secrezioni genitali, lacrime, latte
• Talvolta da più vie
Meccanismi immunopatogenetici
In alcuni casi la patogenesi della malattia virale è in qualche modo
imputabile alla risposta immunitaria:
Meccanismi potenzialmente coinvolti:
Danno su base infiammatoria: risposta verso molecole rilasciate
dopo la lisi delle cellule infette
Danno da immunocomplessi circolanti: (CID)
Innesco di processi autoimmunitari: comparsa di Abs e linfociti T
sensibilizzati contro antigeni self
Come risponde l’ ospite?
Risposta dell’ospite all’infezione virale
• Meccanismi di difesa costitutivi aspecifici
- risposta infiammatoria: febbre
- interferone(induce uno stato di resistenza indiretta
nelle cellule con le quali viene a contatto -produzione
proteine effettrici) Azione specie-specifica e non virus-specifica
• Meccanismi di difesa specifica
- Immunità umorale
- Immunità cellulo-mediata
Non-Specific Responses
DIFESE
COSTITUTIVE
Difese innate, non
specifiche, pronte per
l’uso
Barriere meccaniche –
epitelio respiratorio, pelle
Fluidi corporali –
lacrime, acidi gastrici
Caratteristiche della difesa costitutiva
e della difesa immunitaria
Difesa costitutiva
Antigene independente
Immediatamente disponibile
Non specifica
Nessuna memoria
Difesa immunitaria
Antigene dipendente
Periodo di adattamento
Specifica
Sviluppo di memoria immunitaria
Attivazione dell’immunità innata da parte di patogeni virali
Fase 1: riconoscimento di molecole estranee da parte di cellule dell’immunità innata (Cellule
dendritiche)
Fase 2: secrezione di citochine con reclutamento e maturazione di altre cellule dell’immunità
innata e adattativa
Le CD presentano sulla loro superficie o al proprio interno dei recettori chiamati PRR,
in grado di riconoscere motivi molecolari conservati detti PAMP.
I PRR sono recettori poco specifici, in quanto riconoscono PAMP comuni presenti in
patogeni molto diversi tra lorpo come virus e batteri.
Esempio di PRR riscontrabili nelle CD sono i TLR (toll-like receptors)
EFFETTO DELL’ATTIVAZIONE DEI PRR:
ATTIVAZIONE DEI GENI PER
CITOCHINE ED INTERFERONI (soprattutto di tipo I, a e b)
Citochine
Fase effettrice dei meccanismi aspecifici di difesa
Le citochine hanno un ruolo fondamentale nella risposta naturale mediante
meccanismi d'azione diretta contro l'agente invasore (evitando l'infezione delle
cellule da diversi virus) o mediante meccanismi d'attivazione cellulare (NK e
macrofagi) che a loro volta liberano più citochine.
IL SISTEMA INTERFERON
I
I
I
I
I
E
infected
cell
Induced interferon
genes
activated
factor
antiviral
effects
immune
modulation
Fc receptor
chemotaxis
Famiglia di proteine (IFN di tipo I , II e III)
I geni che codificano per gli interferoni sono situati sui cromosomi 9 (alfa e beta), 2 e 5
(beta), 12 e 19 (gamma)
INTERFERONI
I leucociti producono più di una dozzina di alfa-interferoni
Fibroblasti e cellule epiteliali producono beta-interferon
Alfa e bata interferoni sono acido-stabili e relativamente
resistenti al calore
L’interferon immunologico (gamma) è prodotto dai linfociti T
sensibilizzati e non, e da cellule NK ; ha differenti proprietà
fisico-chimiche, differenti induttori e differenti recettori
rispetto ad alfa e beta.
. L'IFN g, oltre a presentare una attività antivirale, interviene
in molte funzioni immunoregolatrici, come ad esempio:
(favorisce la citotossicità e favorisce la collaborazione
cellulare per la presentazione degli antigeni e la produzione
di anticorpi)
INTERFERONE
Principali caratteristiche dei tre tipi di Interferone (IFN)
Interferon
Caratteristiche
Alfa
Beta
Gamma
Derivazione
cellulare
Linfociti, monociti
Fibroblasti, cellule
epiteliali
Linfociti T, cellule
NK
Attività antivirale
rapida
rapida
lenta
Struttura e peso
molecolare
proteina19-26 KD
Glicoproteina 20KD
Glicoproteina
20KD
177
166
Numero aminoacidi 165
Induttori
Virus (RNA>DNA)
dsRNA
Virus(RNA>DNA)
dsRNA
Antigeni, Mitogeni
Stabilità a pH2
Stabile
Stabile
Labile
Produzione di interferoni
La produzione di interferoni è indotta da virus attivi ed
inattivati , da RNA a doppia elica e da numerose altre
sostanze.
La quantità è variabile in rapporto ai diversi virus che la
inducono.
Gli interferoni hanno una attività altamente specifica e sono più
attivi sulle cellule della specie da cui derivano (speciespecificità), in rapporto alla diversa natura dei recettori.
La produzione è da ricondurre ad una derepressione dei geni
cellulari indotta dalla presenza di acido nucleico virale nel
citoplasma.
STATO ANTIVIRALE
Attivazione dei geni che esprimono proteine
antivirali
Gli IFN a e b pare che attivino diversi geni che esprimono proteine antivirali.
In questo meccanismo, le cellule infette sono capaci di liberare interferone
che protegge le cellule vicine, non-infette, dall'infezione.
Iinduzione nelle cellule a rischio di infezione dal virus uno stato di resistenza
transitoria contro l'infezione di una grande gamma di agenti virali.
Questo effetto, anti-virale, non ha bisogno di grandi quantità di interferone e
costituisce uno dei meccanismi principali nella risposta naturale.
Effetto degli interferoni
Effetti sull’immunità innata: reclutamento e maturazione di
CD, macrofagi, neutrofili, NK
Effetti sull’immunità adattativa: reclutamento di linfociti T
e successiva interazione col le APC
Effetti generali su cellule non appartenenti al sistema
immune: modulazione della sintesi proteica e della
replicazione in cellule sensibili all’infezione virale, nel
tentativo di limitarne l’estensione (induzione del cosiddetto
“stato antivirale”)
Proteine effettrici dell’attività antivirale dell’IFN
L’interazione tra l’IFN ed il suo recettore
specifico innesca una complessa sequenza
di eventi che si traducono nell’induzione di
proteine che promuovono l’effetto
antivirale.
Le principali sono:
1. 2’-5’-oligoadenilato sintetasi
(polimerasi)
2. PKR, protein-chinasi dsRNAdipendente
3. Proteine Mx (GTPasi che inibiscono la
produzione di mRNA virali)
4. ADAR-1 (adenosina deaminasi RNAspecifica)
5. P56 o IFIT1 (inattiva eIF3 bloccando
la traduzione degli RNA virali
6. Indoleamina 2,3-diossigenasi: provoca
deplezione di triptofano con perdita di
funzione di alcune proteine
Meccanismo d’azione dell’Interferon
Questa polimerasi
promuove anche
l’apoptosi
Iduzione
2’-5’ oligoadenilato-sintetasi
Produzione di oligoadenilati
in presenza di RNA bicatenario
capaci di attivare una
endoribonuclesasi (RNAse L)
DEGRADAZIONE mRNA virali
Meccanismo d’azione dell’Interferone
Sintesi proteinachinasi ds RNAdipendente (PKR)
Fosforilazione ed
inattivazione di eIF
(fattore d’inizio della
sintesi proteica)
INIBIZIONE
SINTESI
PROTEICA
VIRALE
PKR attiva il fattore di trascrizione NF-kB, che è essenziale per mediare l’induzione di
IFN-b e induce apoptosi delle cellule già infette
….Altre azioni antivirali dell’interferone
Inibizione di metiltransferasi con riduzione della metilazione
di mRNA ed interferenza con la sintesi proteica virale.
Mutamenti negli antigeni di superficie delle cellule bersaglio
che comportano aumentata espressione degli antigeni di
entrambe le classi I e II di istocompatibilità.
Incremento dell’attività delle cellule NK, CTL (linfociti T
citotossici), cellule ADCC (cellule ad attività citotossica
anticorpo-dipendente)
CARATTERISTICHE
DELL’IMMUNITA’ ADATTATIVA
1. SPECIFICITA’
2. MEMORIA
3. CAPACITA’ DI DISCRIMINARE TRA SELF E NON
SELF
NON IMMEDIATAMENTE
DISPONIBILE
Il ruolo dell’immunità adattativa è di conferire maggiore specificità alla risposta
immune.
Ha la funzione di prevenire l’infezione di nuove cellule da parte di virioni liberi e
parallelamente di eliminare selettivamente le cellule già infettate
IMMUNITA’ ADATTATIVA
Immunità umorale
LINFOCITI B
Abs
Immunità cellulo-mediata
LINFOCITI T
CITOTOSSICITA’
IMMUNITA’ CELLULO -MEDIATA
• Linfociti TH (CD4)
TH1:
ATTIVAZIONE DEI
MACROFAGI E
DELLE CELLULE
NATURAL KILLER
TH2:
ATTIVAZIONE
IMMUNITA’
UMORALE
• Linfociti Tc (CD8):
Linfociti citotossici
• distruzione delle cellule
infette
• rigetto trapianti
• distruzione delle cellule
tumorali
IMMUNITA’ UMORALE
Risposta
primaria
Risposta
secondaria
Risposte immuni specifiche
Portano a:
Distruzione del virus
Distruzione della cellula infettata
Protezione della cellula non infettata dalla infezione
Pathology in viral infections is often mediated by the
immune response - immunopathology
Risposte immuni specifiche
Distruzione del virus
Neutralizzazione dei virus
da parte degli anticorpi neutralizzanti
Gli immunocomplessi si depositano e vengono degradati
Distruzione da fagocitosi
IgG contro i pericapsidi ed anche C3b-C4b attivati legano il virus
ai recettori sui fagociti che li fagocitano e li distruggono
I virus possono attivare la via classica ed alternativa del complemento
anche in assenza di risposta anticorpale.
I componenti complementari attivati possono agire come opsonine
favorendo la fagocitosi del virus
Distruzione della cellula infettata
da parte di:
1)
2)
3)
4)
Anticorpi
CTL
NK
complemento
Anticorpi verso le glicoproteine virali espresse alla
superficie delle cellule infettate
Lisi della cellula infetta dipendente da anticorpi
(ADCC) e induzione di apoptosi
Citotossicità cellula-mediata anticorpo dipendente ADCC
Distruzione della cellula infettata da parte dei CTL
Lisi delle cellule infettate da parte delle
cellule NK
Lisi della cellula infetta da complemento
Protezione delle cellule non infettate
1. Anticorpi che neutralizzano il virus
2. Interferoni
Anticorpi neutralizzanti
Interferoni
Come i virus evadono le risposte dell’ospite???
Alcuni virus possono instaurare infezioni in siti non accessibili
da parte delle cellule del sistema immunitario
(Es: HSV, Papillomavirus)
Come i virus evadono le risposte dell’ospite???
Alcuni virus possono dar luogo ad infezioni con una ristretta
espressione genica virale /Latenza
Es: Herpes nei gangli dei nervi dorsali
Quindi l’ ospite non avverte la presenza del virus
Possono mutare
Es: HIV and influenza A
Come i virus evadono le risposte dell’ospite???
Possono inibire direttamente o indirettamente le difese dell’ ospite
Downregulation of surface molecules required for T cell recognition
(MHC I: Adeno,CMV, HSV, HIV;
MHC II: CMV, HIV, Measles;
ICAM 1: EBV)
Interference with endogenous antigen processing
(Adenovirus/retain MHC I in the ER;
HSV blocks transport of viral peptides into ER)
Come i virus evadono le risposte dell’ospite??
Possono interferire con le citochine dell’ ospite
-inhibit proinflammatory cytokines, eg. IL-2
- secrete cytokines that favor T helper 2 (Th2), eg. EBV expresses IL10 homolog, which stimulates Th2 responses.
Come i virus evadono le risposte dell’ospite??
………………...e
Piramide
alla fine?
morte dell’ospite
malattia grave
malattia non grave
infezioni paucisintomatiche
infezioni asintomatiche
contaminazione
Patterns of disease
clinical signs
virus shedding
Acute
difficult to detect virus
Recurrent
Chronic
Slow
Decessi
per
malattie
infettive
negli
USA
(Taken from Strauss
and Strauss “Viruses
and Human disease
On reserve)
• La patogenesi delle infezioni virali tende a giungere,
per vie diverse, a:
• assicurare la diffusione del virus
• assicurare la sopravvivenza dell’ospite
• Il tutto attraverso una evoluzione combinata che
spinge i virus verso l’ attenuazione e l’ ospite verso
uno stato di permissività controllata
(siamo tutti figli delle grandi epidemie…….)