Патогенез циклических вирусных заболеваний
Патогенез – это механизм развития заболеваний или патологического процесса. В основе патогенеза вирусной инфекции лежит взаимодействие вирусного и клеточного генома, а также взаимодействие вирусов и иммунной системы макроорганизма. При острых циклических вирусных заболеваниях наступает полное клиническое выздоровление и освобождение организма от вирусов.
Патогенез вирусных заболеваний складывается из следующих специфических стадий: 1) проникновение вирусов в организм хозяина; 2) первичная репликация; 3) распространение вирусов внутри организма хозяина; 4) органная и тканевая диффузия вирусов; 5) повреждение клеток; 6) иммунный ответ хозяина; 7) полное освобождение организма от вирусов.
Проникновение вирусов в организм хозяина происходит через входные ворота – дыхательные пути, пищеварительный тракт, реже – через кожные покровы. Вирусы, проникшие через кожу или слизистую оболочку, попадают в кровь. Вирусы, реплицирующиеся в эпителии дыхательных путей и пищеварительного тракта, адсорбируются на чувствительных клетках и проникают в них. Вирусы, размножающиеся в тканях, отдаленных от входных ворот, проходят барьер слизистых оболочек посредством М-клеток, которые захватывают вирионы и транспортируют их в систему вакуолей в клетках лимфоидных фолликулов, расположенных в подслизистом слое кишечника или трахеобронхиального дерева.
Первичная репликация вирусов происходит в клетках тканей в месте проникновения вирусов в организм хозяина. Вирусы гриппа, например, размножаются в месте проникновения – эпителии трахеи и крупных бронхов; вирус полиомиелита – в лимфоидных фолликулах дыхательных путей и пищеварительного тракта.
Распространение вирусов внутри организма хозяина может происходить следующими путями: 1) гематогенным; 2) лимфогенным; 3) нейронным; 4) контактным и 5) митотическим. Гематогенным путем вирусы могут распространяться как в ассоциации с клеточными элементами крови - эритроцитами, лимфоцитами, нейтрофилами и моноцитами (вирусы краснухи, кори, ВГВ, цитомегаловирусы и др.), так и в свободном виде с плазмой (энтеровирусы). Лимфогенным путем распространяются рео-, энтеровирусы. Вирус бешенства проникает в периферические мотонейроны, связываясь с ацетилхолиновыми рецепторами моторных концевых пластинок, и затем путем ретроградного распространения внутри аксона – в клетки передних рогов спинного мозга, спинальные ганглии и головной мозг. Контактный путь распространения вирусов предусматривает проникновение вирионов из одной клетки в другую через боковые цитоплазматические мембраны. Вирусы могут распространяться в организме путем митотического деления инфицированных клеток – митотический путь распространения. Он характерен для ретро-, герпес- и других вирусов, встраивающих свой геном в ДНК клетки-хозяина.
Органная и тканевая диффузия вирусов. Тропизм вирусов к органам и тканям определяется 2 факторами: 1) наличием на клеточных мембранах специфических для вируса рецепторов; и 2) наличием на клеточных мембранах трипсиноподобного фермента, необходимого для расщепления вирусных белков слияния (F-белки). Рецепторы для вирусов могут иметь клетки разных органов и тканей, что объясняет полиорганный тропизм для многих вирусов. Отсутствие трипсиноподобного фермента ведет к развитию абортивной инфекции при инфицировании ортомиксо- и парамиксовирусами вследствие нерасщепления гемагглютининов.
Повреждение клеток при вирусных заболеваниях обусловлено: 1) цитолитическим действием вирусов; 2) пероксидацией липидов; 3) апоптозом и 4) иммунным ответом хозяина.
Цитолитическое действие вирусов проявляется разрушением клетки при выходе из нее популяции вновь образованных вирионов. Наиболее интенсивно гибель клеток происходит при выходе вирусов путем «взрыва», менее интенсивно – при выходе путем «почкования».
Пероксидация липидов. Цитолиз развивается также при нарушении метаболизма зараженных клеток вследствие уменьшения или прекращения синтеза ДНК, РНК и белка. Ингибиция трансляции РНК клетки-хозяина и, как следствие этого, прекращение синтеза клеточных белков, возникает в результате: 1) инактивации вирусами кэп-связывающего белка, ответственного за перенос кэп-структуры на мРНК клетки-хозяина (кэп-структура необходима для правильного взаимодействия рибосом с мРНК, в то время как в трансляции вирусной мРНК ее участие не требуется); 2) использования кэп-структуры мРНК клетки-хозяина в качестве затравок для репликации вирусоспецифических РНК. Дефицит клеточных белков, в том числе и ферментов, проявляется разрушением цитоскелета клетки и развитием клеточной гипоксии. Гипоксия активирует перекисное окисление липидов. Продуктами пероксидации липидов являются высокотоксичные свободные радикалы кислорода, жирных кислот, перекисные радикалы, гидроперекиси и токсические метаболиты – альдегиды, кетоны. Эти продукты вызывают набухание митохондрий, разобщение окислительного фосфорилирования, повреждение тиоловых ферментов, повреждение клеточных мембран. Мембраны становятся легко проницаемыми или полностью разрушаются. Пероксидации липидов способствует дефицит ферментов системы антиоксидантной защиты - каталазы, супероксиддисмутазы, пероксидазы, которые инактивируют гидроперекиси, радикалы и синглетный кислород, повреждающие клеточные мембраны.
Апоптоз – это запрограммированная смерть клеток. Регуляцию апоптоза в клетке осуществляют гены апоптоза. Они активируются или ингибируются посредством воздействия на различные клеточные апоптозные рецепторы. Активирующее воздействие на рецепторы апоптоза ведет к образованию клеточных белков смерти – каспаз. Каспазы активируют эндонуклеазы, расщепляющие ДНК; разрушают цитоплазматические и ядерные белки, что, в целом, ведет к гибели клетки.
В процессе репродукции вирусы эффективно используют подавление и активацию клеточного апоптоза, посредством синтеза ранних и поздних вирусоспецифических белков. Ранние белки подавляют апоптоз клетки, что дает возможность вирусам размножаться. Поздние вирусные белки, напротив, активируют апоптоз, что способствует эффективному выходу образовавшихся вирионов из разрушающейся клетки. Среди ДНК-вирусов активацию клеточного апоптоза вызывают белки адено-, гепадна-, герпес-, папиллома-, полиома-, парвовирусов; среди РНК-вирусов – орто- и парамиксо-, флави-, бунья-, рео-, ретро-, рабдо- и тогавирусов.
Разрушение вирусинфицированных клеток гуморальными и клеточными факторами иммунитета рассмотрено ниже.
Иммунный ответ хозяина и полное освобождение организма от вирусов. На ранних этапах иммуногенеза в противовирусной защите участвуют неспецифические гуморальные и клеточные факторы иммунитета (макрофаги, натуральные киллеры, К-киллеры, комплемент, интерферон), составляющие первую линию обороны макроорганизма. Специфический гуморальный и клеточный иммунитет обеспечивается типоспецифическими нейтрализующими антителами и антигензависимыми Т-киллерами. Основной задачей иммунного ответа является освобождение организма от вирусов, что сопровождается разрушением вирусинфицированных клеток с последующей нейтрализацией вирусов антителами во внутренней среде организма (кровь, лимфа, межтканевая жидкость).
Система комплемента. В случае контакта компонентов комплемента с сиаловыми кислотами гликопротеиновых оболочек вирусов система комплемента активируется по альтернативному пути. Активация по классическому пути наступает под действием иммунных комплексов. Обработка комплементом ведет к более быстрому очищению крови от вирусов. Активация системы комплемента на поверхности вирусинфицированной клетки вызывает ее разрушение.
Система интерферонов. Клетки макроорганизма обладают уникальным механизмом распознавания чужеродных нуклеиновых кислот. На внедрение последних клетка реагирует образованием белков интерферонов, которые выходят из клетки, взаимодействуют с клеточными интерфероновыми рецепторами и запускают тем самым механизм образования рибонуклеазы и протеинкиназы. Рибонуклеаза разрушает вирусные РНК, необходимые для размножения как ДНК-, так и РНК-вирусов. Протеинкиназа разрушает вирусоспецифические белки. В целом, интерфероны блокируют вирусную репродукцию.
Макрофаги играют ключевую роль в противовирусном иммунитете. Во-первых, они уничтожают путем фагоцитоза как свободные и комплементобработанные вирусы, так и вирусы, находящиеся в составе циркулирующих иммунных комплексов. Во-вторых, антигенпредставляющая способность макрофагов запускает специфические клеточное и гуморальное звенья иммунитета. В-третьих, макрофаги способны распознавать вирусинфицированные клетки и вызывать их лизис.
Натуральные киллеры представляют собой большие гранулосодержащие лимфоциты, не имеющие маркеров Т- или В-лимфоцитов. Специфическим маркером натуральных киллеров является кластер дифференцировки СD19. Натуральные киллеры обладают интерферонзависимой клеточной цитотоксичностью (неспецифически разрушают инфицированные ДНК- и РНК-вирусами клетки, на поверхности которых присутствуют молекулы интерферона).
К-киллеры также являются большими гранулосодержащими лимфоцитами, не относящимися к Т- и В-клеткам. К-киллеры обладают неспецифической антителозависимой клеточной цитотоксичностью. На поверхности К-киллеров имеются рецепторы к Fс-фрагментам иммуноглобулинов. Посредством этих рецепторов К-киллеры фиксируются к антителам, блокировавшим антигенные детерминанты вирусов на поверхности клетки, и разрушают последние.
Т-киллеры являются специфической эффекторной субпопуляцией Т-лимфоцитов, несущей маркер СD8. Т-киллеры проявляют антигензависимую клеточную цитотоксичность. Они лизируют клетки, содержащие на своей поверхности антигены, по отношению к которым образовался клон данных Т-киллеров. Популяция антигензависимых Т-киллеров образуется через относительно продолжительное время после инфицирования макроорганизма вирусами.
Для Т-киллеров характерно двойное иммунное распознавание клетки-мишени. Вначале Т-киллер проверяет клетку на предмет наличия антигенов I класса главного комплекса гистосовместимости. При совпадении этих рецепторов с аналогичными антирецепторами на Т-киллере клетка признается «своей» и не подвергается разрушению, при отсутствии на ней других чужеродных антигенов, в том числе и вирусных. В противном случае клетка Т-киллером атакуется и разрушается.
Разрушение вирусинфицированных клеток макрофагами, натуральными киллерами, К- и Т-киллерами может осуществляться двумя механизмами: 1) секреторным; и 2) несекреторным (апоптическим).
Секреторный механизм включает тесный контакт между клеткой-мишенью и клеткой-киллером, при котором клетка-киллер вводит внутрь клетки-мишени комплекс ферментов – перфорины, гранзимы. Ферменты увеличивают проницаемость мембран клетки-мишени для осмотически активных ионов натрия и воды, что сопровождается отеком клетки и ее разрушением.
Несекреторный (апоптический) механизм разрушения клеток связан: 1) с активацией на клетке-мишени специфических рецепторов апоптоза – FAS (поверхностно-клеточный «рецептор смерти», синонимы - CD95, AРО-1) с помощью расположенного на мембране клетки-киллера антирецептора FASL; 2) с активацией на клетке-мишени неспецифических рецепторов апоптоза – рецепторов фактора некроза опухолей (ФНО), с помощью мембранного антирецептора ФНО клетки-киллера. В обоих случаях активируются ферменты каспазы, приводящие клетку к апоптозу.
Антитела, или иммуноглобулины, являются продуктами синтеза антигенспецифических В-лимфоцитов, обеспечивающих специфический гуморальный противовирусный иммунитет. Антитела нейтрализуют только внеклеточно расположенные вирусы и лишь блокируют вирусные антигены, встроенные в мембрану зараженных клеток. Против внутриклеточно расположенных вирусов антитела неэффективны. Как и Т-киллеры, антитела образуются на более поздней стадии вирусной инфекции.
На поверхности слизистых оболочек существенное противовирусное действие оказывают секреторные иммуноглобулины класса А; во внутренней среде организма (кровь, лимфа, межтканевая жидкость) антивирусный эффект проявляют Ig М, G, а также сывороточная фракция Ig А.
При взаимодействии вирусов и антител образуются иммунные комплексы. Они бывают: 1) фиксированными, если реакция антигена с антителом произошла на поверхности клетки; и 2) циркулирующими, если соединение антитела с антигеном (вирусом) состоялось во внутренней среде организма. При недостатке антител образуются мелкие и средние циркулирующие иммунные комплексы, в которых вирусы могут сохранять свою жизнеспособность и при разрушении комплекса вновь инфицировать клетки. Мелкие и средние циркулирующие иммунные комплексы длительно находятся в крови, плохо фагоцитируются макрофагами; способны активировать систему комплемента и фиксироваться к эндотелию сосудов посредством рецепторов к комплементу и иммуноглобулинам, вызывая разрушение эндотелия. Из разрушенных клеток выходят биологически активные вещества (простагландины, лейкотриены, гистамин, серотонин и др.), которые вызывают дилатацию кровеносных сосудов, что лежит в основе шокового синдрома.
При оптимальном содержании антител образуются крупные непатогенные циркулирующие иммунные комплексы. Вирусы в таких комплексах полностью инактивируются, а сами комплексы быстро выводятся из кровотока в результате их фагоцитоза макрофагами.
Вирусы способны как подавлять, так и стимулировать иммунную систему макроорганизма. Вирусная иммуносупрессия может развиться в результате: 1) непосредственного паразитизма вирусов внутри иммунных клеток (ВИЧ, ЦМВ и др.)., 2) стимуляции образования Т-лимфоцитов-супрессоров, подавляющих иммунный ответ (реовирусы); 3) активации апоптоза иммуноцитов (многие вирусы); 4) антительной атаки при локализации вирусов на клетках иммунной системы.
Вирусные белки являются мощными стимуляторами иммунной системы. Контакт макрофагов с вирусными белками сопровождается секрецией интерлейкинов-1 и -6, ФНО и других биологически активных веществ. Они участвуют в развитии иммунного ответа, местной и системной воспалительной реакции. Вирусные белки оказывают дозозависимое влияние на секреторную функцию макрофагов: малые дозы вызывают адекватную секрецию цитокинов, большие дозы – значительно ее повышают. Чрезмерная продукция интерлейкина-1 и ФНО вызывает интоксикацию макроорганизма, которая проявляется лихорадкой, слабостью, плохим самочувствием, головной болью, тошнотой, развитием инфекционно-токсического шока (значительного снижения артериального давления с потерей сознания).
Иммунный ответ макроорганизма в целом полезен, поскольку приводит к освобождению от возбудителя. Недостаточный иммунный ответ способствует развитию хронической (ациклической) вирусной инфекции. Однако в ряде случаев при чрезмерной активации иммунной системы возможно развитие инфекционно-токсического шока или аутоиммунных реакций, при которых происходит иммунное поражение здоровых невирусинфицированных органов и тканей.
Недостаточный иммунный ответ способствует развитию хронической вирусной инфекции.