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Patenogenesi delle infezioni virali

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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 infection a

• 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. Fattori legati all’ ospite (età, sottofondo genetico, etc.)

2. Le modalità di trasmissione (vie di eliminazione, etc.)

3. Il sito di ingresso

4. Il tipo di tropismo

5. Il tipo di infezione

6. Le modalità di disseminazione

7. La capacità di evadere la risposta dell’ospite

8. 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 uomo uomo-animali animali

Horizontal


Respiratory route

eg. Influenza A

Trasmissione Interumana diretta

Fecal-oral route

eg. Hepatitis A

Infezioni zoonotiche

Sexually transmitted

route, eg. papillomaviruses

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


Trofoblasti

Modalità di trasmissione

placentare dei virus

Viremia materna

Vasi intravillosi

Circolazione fetale

Coinvolgimento fetale

Spazi intervillosi

Macrofagi placentari

(cellule di Hofbauer)


CMV CMV-positive positive placenta (in situ hybridisation)


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


Esistono virus prevalentemente:

PNEUMOTROPI

EPATOTROPI

NEUROTROPI

DERMOTROPI

Etc.

ORGANI BERSAGLIO

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 Difesa immunitaria

Antigene independente

Immediatamente disponibile

Non specifica

Nessuna memoria

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

infected

cell

I

I

I

I

Induced interferon

genes

I

E

activated

factor

antiviral

effects

Famiglia di proteine (IFN di tipo I , II e III)

immune

modulation

Fc receptor

chemotaxis

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)


Principali caratteristiche dei tre tipi di Interferone (IFN)

Interferon

Caratteristiche Alfa Beta Gamma

Derivazione

cellulare

Linfociti, monociti

Fibroblasti, cellule

epiteliali

Attività antivirale rapida rapida lenta

Struttura e peso

molecolare

Linfociti T, cellule

NK

proteina19-26 KD Glicoproteina 20KD Glicoproteina

20KD

Numero aminoacidi 165 177 166

Induttori

INTERFERONE

Virus (RNA>DNA)

dsRNA

Virus(RNA>DNA)

dsRNA

Stabilità a pH2 Stabile Stabile Labile

Antigeni, Mitogeni


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)


1. SPECIFICITA’

2. MEMORIA

CARATTERISTICHE

DELL’IMMUNITA’ ADATTATIVA

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 Immunità cellulo-mediata

LINFOCITI B Abs LINFOCITI T CITOTOSSICITA’


IMMUNITA’ CELLULO -MEDIATA

• Linfociti TH (CD4) • Linfociti Tc (CD8):

Linfociti citotossici

TH1:

ATTIVAZIONE DEI

MACROFAGI E

DELLE CELLULE

NATURAL KILLER

TH2:

ATTIVAZIONE

IMMUNITA’

UMORALE

• distruzione delle cellule

infette

• rigetto trapianti

• distruzione delle cellule

tumorali


Risposta

primaria

IMMUNITA’ UMORALE

Risposta

secondaria


Portano a:

Risposte immuni specifiche

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) Anticorpi

2) CTL

3) NK

4) 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

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 IL-

10 homolog, which stimulates Th2 responses.


Come i virus evadono le risposte dell’ospite??


………………...e alla fine?

Piramide morte dell’ospite

malattia grave

malattia non grave

infezioni paucisintomatiche

infezioni asintomatiche

contaminazione


Acute

Recurrent

Chronic

Slow

Patterns of disease

clinical signs virus shedding

difficult to detect virus


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…….)

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