Patogenesi delle infezioni
virali
LA PATOGENESI
(dal greco πάθος= dolore)
DELLE INFEZIONI
è
la risultante di una sorta di conflitti tra le
capacita’ invasive dell’agente infettante e le
difese dell’ospite
Patogenesi delle infezioni virali
• Il virione rappresenta la forma inerte dei virus, l’attività del
virus si esplica nel momento dell’interazione virus-cellula.
• La penetrazione del virus nella cellula genera una nuova
entità: la cellula infetta.
La patogenesi in genere è legata:
• all’attività patogena del virus stesso
• alla permissività o meno dell’ospite e dei suoi organi
Equilibrio: duplice risultato di assicurare la diffusione del
virus e la sopravvivenza dell’ospite.
La virulenza o la mancanza di essa per ciascun tipo di
virus può essere determinata da piccole mutazioni nel
genoma.
CARATTERISTICHE PATOGENE DEI VIRUS
• INFETTIVITA’: capacità di penetrare e
replicarsi in un certo tessuto (tropismo);
• PATOGENICITA’: capacità di arrecare danno
e malattia;
• VIRULENZA: forza e aggressività con cui
viene indotta la malattia;
• INVASIVITA’: efficacia con cui un certo
tessuto o organo bersaglio viene colpito.
LA VIRULENZA O LA MANCANZA DI ESSA PER
CIASCUN TIPO DI VIRUS PUÒ ESSERE DETERMINATA
DA PICCOLE MUTAZIONI NEL GENOMA
DIFESE DELL’ORGANISMO
CONTRO LE INFEZIONI VIRALI
1. Barriere naturali anatomiche;
2. Barriere chimiche dell’epidermide e delle mucose;
3. Variabilità recettoriale (CCR5 e AIDS);
4. Difese aspecifiche umorali (infiammazione, complemento,
Interferon);
5. Difese aspecifiche cellulari (Cellule natural killer e macrofagi);
6. Difese specifiche umorali (Anticorpi);
7. Difese specifiche cellulari (CTL e macrofagi).
Patogenesi delle infezioni virali
Importanti eventi nella patogenesi:
-l’ingresso del virus nell’ospite
-la replicazione nella sede di primo impianto che può
coincidere o meno con il sito di ingresso
-il superamento delle difese locali (ad. es. linfociti,
macrofagi, IFN)
-la diffusione dalla sede di impianto
-la disseminazione agli organi bersaglio
-l’eliminazione del virus dall’organismo
TAPPE COMUNI
A QUASI TUTTE LE INFEZIONI VIRALI
INGRESSO
REPLICAZIONE
PRIMARIA
INFEZIONE
LOCALIZZATA
Rinovirus, Virus influenzale A,
Virus enterici
VIREMIA PRIMARIA
ORGANI BERSAGLIO
Suscettibilità e Permissività
REPLICAZIONE
SECONDARIA
VIREMIA
SECONDARIA
ELIMINAZIONE
INFEZIONE
DISSEMINATA
Malattie esantematiche,
poliovirus
I TAPPA: INGRESSO DEL VIRUS
NELL’ORGANISMO OSPITE
I virus possono penetrare principalmente:
-per via respiratoria (rinovirus);
-per via gastrointestinale (HAV);
-per via genitale (HCV, HIV, HBV, etc);
-per via parenterale (attraverso insetti ematofagi, o per
inoculazione di sangue o emoderivati);
-per via cutanea (virus delle verruche e del mollusco contagioso)
-trapianti
d’organo,
soprattutto
(Citomegalovirus, Epstein-Barr virus)
midollo
osseo
e
rene
Ingresso del virus
La via d’ingresso condiziona le modalità di trasmissione e le
caratteristiche epidemiologiche dell’infezione
-trasmissione per via respiratoria (molto comune) (scarsamente influenzata
dalle condizioni economico sociali, può subire influenze ambientali e stagionali)
-trasmissione per via gastrointestinale (molto comune) (influenzata dalle
condizioni economico sociali: alimenti contaminati, scarsa bonifica ambientale)
-trasmissione per via genitale (meno comune, ma frequente) (grado di
promiscuità sessuale; interessa soggetti adulti)
-trasmissione attraverso lesioni della cute provocate da insetti e animali
(può subire influenze ambientali e stagionali)
-trasmissione attraverso strumenti medico-chirurgici, trasfusioni di sangue e
prodotti derivati da sangue, trapianti d’organo (soprattutto midollo osseo e rene)
(interessa particolarmente individui a rischio: operatori, politrasfusi,
tossicodipendenti)
•L’ingresso del virus nell’ ospite avviene quindi più frequentemente per
superamento delle barriere mucose delimitanti le vie aeree o il lume intestinale.
•In questo caso il virus deve possedere adeguati caratteri di resistenza
(virulenza) che gli consentano di sfuggire ad una inattivazione inevitabile ad opera
di diversi fattori aspecifici di difesa presenti in corrispondenza delle mucose (muco,
pH acido, sali biliari, enzimi proteolitici, ecc.).
•In alcuni virus è dimostrato che la resistenza all’inattivazione è legata alla
presenza, nel virione, di singoli polipeptidi adeguatamente configurati:
Esempio: Nel virus influenzale, la neuraminidasi è deputata a scindere l’acido
sialico presente nel muco delle vie aeree e quindi permettere la diffusione del virus.
Esempi di virus che entrano attraverso la pelle
capaci di replicarsi nelle cellule residenti negli strati
superficiali del derma
Esempi di virus che entrano attraverso le mucose
II TAPPA: DIFFUSIONE DEL VIRUS
NELL’ORGANISMO OSPITE
I virioni prodotti possono:
-continuare a diffondersi nella stessa sede di impianto
estendendo l’infezione nell’ambito del medesimo organo o
apparato (rinovirus, Influenza A);
-diffondere per via ematica attraverso i vasi linfatici (HIV, HCV,
HBV);
-diffondere per via nervosa, utilizzando i nervi periferici per
raggiungere il SNC (Rabdovirus, αHerpesvirus).
DIFFUSIONE DEL VIRUS IN UN’INFEZIONE
LOCALIZZATA
rallentata in
particolar modo
dall’INF-β
Infezioni localizzate
Sono le infezioni che rimangono circoscritte ai tessuti
del sito di ingresso o a quelli ad esso contigui.
Sono infezioni dell’epitelio superficiale : cute,
congiuntiva e mucose del tratto respiratorio,
gastrointestinale e genitale.
Es. Rinovirus, l’infezione non va oltre le cavità nasali
Sebbene la replicazione virale sia ristretta a certe
superfici gli effetti sull’organismo possono essere molto
più generalizzati (es. influenza).
Caratteristiche delle Infezioni localizzate
9Avvenuta la penetrazione, il virus va incontro ad una
replicazione primaria nelle cellule permissive dislocate in
corrispondenza o in prossimità del sito di ingresso.
9Nel corso di alcune infezioni (da virus influenzale, rotavirus e
altri agenti di enteriti acute) la replicazione primaria può
assumere estensione tale da divenire essa stessa causa di
malattia; in questi casi il processo infettivo può rimanere
localizzato sia per peculiari caratteristiche del virus, sia per una
pronta attivazione delle risposte immunitarie.
Esempi di virus che causano rash cutaneo
(esantema)
Esempi di virus che causano rash nelle mucose della
bocca (enantema)
Diffusione a distanza
Si verifica in tutte le infezioni sistemiche.
Presuppone il drenaggio per via linfatica dei virioni e la loro
immissione in circolo.
Per alcuni virus la disseminazione per via ematica può
proseguire anche e dopo la produzione di anticorpi
neutralizzanti, infatti i virioni possono essere veicolati
all’interno di cellule (monociti o linfociti attivati).
Infezioni generalizzate
Schema generale
I virioni entrano attraverso un tessuto epiteliale/mucose dove
effettuano una limitata replicazione.
I virioni prodotti migrano ai linfonodi regionali: alcuni vengono distrutti
dai macrofagi, altri passano nel circolo sanguigno determinando una
viremia primaria (fase generalmente asintomatica o paucisintomatica)
che a volte dà origine ai prodromi della malattia e febbre.
Dal sangue il virus accede al sistema reticolo-endoteliale di organi
come fegato, milza, midollo osseo in cui esso può replicare.
In questo ciclo di amplificazione viene prodotta una grande quantità di
virus che si riversa nel circolo sanguigno causando una viremia
secondaria.
Dal circolo sanguigno il virus raggiunge il suo organo bersaglio
determinando l’insorgenza della malattia.
In questo tipo di infezioni possono essere coinvolti
bersaglio.
vari organi
I evento: ingresso
Diffusione dei
virioni
nell’organismo
umano in corso
di infezione.
Possibile replicazione
nella mucose di primo
impianto
Presuppone il
drenaggio per via
linfatica.
III evento:
Infezione organi
interni
Sono indicati i siti
di replicazione e le
principali vie di
diffusione dei vari
virus.
IV evento:
disseminazione
II evento:
disseminazione
Prima e fugace
viremia
Possibile massiva
replicazione
seconda fase viremica
più lunga
V evento:
Infezione organi
bersaglio
DIFFUSIONE DEL VIRUS IN UN’INFEZIONE
DISSEMINATA
LA DIFFUSIONE VIRALE PUÒ AVVENIRE PER VIE DIFFERENTI:
1) LINFATICA
2) EMATICA
3) NEURONALE
DIFFUSIONE VIRALE ATTRAVERSO LA VIA
NERVOSA
• rabdovirus
• a herpes virus
• virus poliomielitici
ORGANI BERSAGLIO
Il coinvolgimento d'organo, in corso di infezioni sia localizzate che disseminate,
può dipendere dalle modalità e capacità di penetrazione del virus.
certamente è condizionato dal TROPISMO VIRALE
VIRUS
RECETTORE
HIV
CD4
EBV
CR2
HSV I
Poliovirus
eparan solfato
della famiglia delle immunoglobuline
Influenza A
acido sialico
Rhinovirus
ICAM-1
CO-RECETTORE
CCR5 or CXCR4
tipo immunoglobulina
III TAPPA: ELIMINAZIONE DEL VIRUS
DALL’ORGANISMO OSPITE
Assicura al virus la sua permanenza nella sua particolare sfera
ecologica e ne determina le modalità di trasmissione.
Coinvolge:
-le vie respiratorie (Rinovirus, Influenza A);
-l’apparato digerente (HAV, Poliovirus);
-la via ematica (HCV, HIV, etc);
-le secrezioni genitali (Herpes simplex II, Papovavirus, HIV, etc);
-più vie in momenti diversi dell’infezione (Enterovirus);
-le cellule germinali (Retrovirus in topi portatori).
PRINCIPALI VIE DI TRASMISSIONE
VIE DI ENTRATA E DI USCITA DEL VIRUS
NELL’OSPITE
ALCUNI ESEMPI…
INFEZIONI DELLE VIE RESPIRATORIE
INFEZIONE DA VIRUS ENTERICI
UNA MALATTIA DA VIRUS
E’
l’espressione di danni strutturali e/o funzionali
che il virus direttamente o indirettamente
provoca ai tessuti interessati e agli organi
bersaglio
DANNI STRUTTURALI/FUNZIONALI DIRETTI
•EFFETTO CITOPATICO (Adenovirus, Paramixovirus, Herpes-simplex…);
•FORMAZIONE DI INCLUSIONI NUCLEARI E/O CITOPLASMATICHE
(Rabdovirus, Poxvirus, Herpes-simplex…);
•BLOCCO DEI PROCESSI CELLULARI;
•APOPTOSI o Morte cellulare programmata;
•PERDITA DEL CONTROLLO NELLA PROLIFERAZIONE CELLULARE.
Effetti del virus sulle cellule
La penetrazione del virus nella cellula genera una nuova
entità: la cellula infetta.
La moltiplicazione virale altera lo stato fisiologico della cellula:
cambiamenti
della
morfologia
cellulare,
alterazioni
metaboliche, genetiche e regolatorie.
L’infezione cellulare può determinare 2 eventi distinti (che
dipendono dal tipo del virus e dal tipo della cellula):
• morte della cellula (infezioni citocide) per evento litico
• trasformazione
EFFETTO CITOPATICO (CPE)
Alterazioni morfologiche che avvengono sia nell’ospite sia in colture
cellulari in vitro; sono caratteristiche per i vari gruppi di virus e sono
utili nel laboratorio diagnostico.
L’effetto citopatico può essere rappresentato da :
-un arrotondamento delle cellule con successiva lisi
-formazione di cellule giganti multinucleate (sincizi) dovuti alla
presenza di proteine di fusione speciiche del virus (es.: paramixovirus,
herpesvirus, alcuni retrovirus)
-formazione di ammassi di costituenti virali e/o di strutture cellulari
alterate nel nucleo o nel citoplasma della cellula (inclusioni).
Molti virus hanno inoltre la capacità di inbire la sintesi delle
macromolecole cellulari (shut-off) e ciò impedisce alla cellula di
riparare i danni prodotti dal virus.
INCLUSIONI CELLULARI
Accumulo in determinate zone cellulari, di materiale
neoprodotto che spinge alla periferia, o sostituisce, il
materiale cellulare circostante
Inclusione citoplasmatica
ESEMPI:
9corpi del Negri -> virus della rabbia;
9corpi di Guarnieri -> Poxvirus del gruppo vaiolo-vaccino;
9corpi di Torres -> virus della febbre gialla.
SINCIZI
A syncytium formed by human immunodeficiency virus
(HIV) infection of T cells. Electron micrograph courtesy of J.
Sodroski.
ALCUNI DEI PIU’ COMUNI EFFETTI CITOPATICI
IN VIVO CI SONO IMMAGINI
CITOPLASMATICHE
NUCLEARI
degenerazione balloniforme
picnosi
vacuolizzazione
aggregazioni
poichilocitosi
marginazione cromatinica
degenerazione spongiforme
cellule giganti
A.
Effetto della replicazione
dell’Herpes Simplex in cellule di
rene di scimmia.
B.
Effetto della replicazione di
citomegalovirus in fibroblasi
embrionali umani.
C.
Effetto della replicazione del virus
respiratorio sinciziale in una linea
cllulare di carcinoma laringeo
umano.
D.E. F. Controlli
BLOCCO DEI PROCESSI CELLULARI
INIBIZIONE DELLA SINTESI DI MACROMOLECOLE CELLULARI
9 i poliovirus sono responsabili dell’inattivazione di una proteina cellulare (capbinding protein), necessaria per la traduzione dei messaggeri cellulari, deputata
all’inserimento della struttura mGpppN in corrispondenza del 5‘ degli mRNA
cellulari, ma non di quelli virali;
9 il virus influenzale possiede un enzima virus-specifico che determina il
trasferimento di residui guaninici metilati e di alcuni nucleotidi terminali
dall'estremità 5' degli mRNA cellulari all'estremità 5' degli mRNA virali, inibendo i
messaggeri cellulari ma non quelli virali.
MODIFICAZIONE DELLE MEMBRANA CITOPLASMATICA
9 l’ aumentato influsso di sodio può agire favorendo le traduzioni virali a scapito di
quelle cellulari nell’infezione da polio.
APOPTOSI: MORTE CELLULARE
PROGRAMMATA
E’ un fenomeno codificato da geni specifici spesso ricordato come una
forma di suicidio cellulare.
l’eliminazione delle cellule infette da virus ostacola in maniera molto
efficace la diffusione del virus all’interno dell’organismo ospite.
Apoptosi: morte cellulare programmata.
I virus si sono evoluti parallelamente all’ospite e in qualche
caso hanno sviluppato meccanismi atti a superare i processi
dell’ospite attivati per combattere in maniera specifica le
infezioni virali.
Es. i virus possono codificare proteine che ostacolano la
presentazione antigenica, l’azione di specifiche citochine,
l’attivazione del complemento, nonché inibire o favorire il
processo apoptotico.
Principali virus animali in grado di inibire l’espressione di proteine
direttamente coinvolte nel processo apoptotico e bersagli relativi
Virus
Adenovirus
CMV
EBV
HBV
HPV
Adenovirus
EBV
Poxvirus
Adenovirus
Bersaglio
p53
p53
p53
p53
p53
bcl-2
bcl-2
caspasi
TNF recettore
Principali virus animali in grado di favorire l’espressione di proteine
direttamente coinvolte nel processo apoptotico e bersagli relativi
Virus
HPV
HIV
HBV, HCV, HIV
Bersaglio
p53
bcl-2
TNF recettore, Fas Legando
L’apoptosi può rappresentare un processo facilitante il rilascio del
virus, soprattutto per i virus non dotati di involucro che prevedono la
lisi della cellula per la loro liberazione.
Roulston et al. Annu. Rev. Microbiol. 1999. 53:577–628
Roulston et al. Annu. Rev. Microbiol. 1999. 53:577–628
DANNI INDIRETTI:
Sono dipendenti dal coinvolgimento del sistema immunitario
dell’ospite e comprendono:
•INTERFERONE E LINFOCHINE (febbre, rinorrea, cefalea, malessere);
•IMMUNOCOMPLESSI, ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO, IPERSENSIBILITA’
RITARDATA (risposte infiammatorie locali e danno cellulare);
•INFIAMMAZIONE INDOTTA DALLA RISPOSTA CELLULO-MEDIATA (danni
tissutali);
•ACCUMULO DI IMMUNOCOMPLESSI NEL SANGUE E NEL RENE(glomerulonefrite).
IL VIRUS E’ IN GRADO, TUTTAVIA, DI
ELUDERE LE DIFESE DELL’OSPITE
TRAMITE:
9 ESCAPE MUTANTS favoriti dalla estesa variabilità genetica tipica di molti virus
ad RNA (HIV, HCV) ;
9 RIDUZIONE DEI LIVELLI DI HLA DI CLASSE I sulla superficie cellulare (HSV
I);
9 INIBIZIONE DEL PROCESSING ANIGENICO (ADENOVIRUS);
9 INIBIZIONE DELLE CITOCHINE PRO-INFIAMMATORIE, AD ES. IL-2;
9 PROMOSSA SINTESI DI CITOCHINE CHE STIMOLANO LA RISPOSTA TH2
(EBV);
9 SINTESI DI UN OMOLOGO DELLA IL-10, che stimola le risposte TH2.
PROGRESSIONE DELLA MALATTIA
• INFEZIONE: il virus penetra nell’ospite e inizia a replicarsi;
• INCUBAZIONE: il periodo di latenza che trascorre tra il
contagio di una malattia infettiva e il suo manifestarsi;
• FASE PRODROMICA: periodo di incubazione in cui possono
manifestarsi sintomi non specifici
• FASE ACUTA: picco della malattia e dei sintomi
• FASE DI DECLINO: diminuzione dei sintomi e risoluzione
dell’infezione
• CONVALESCENZA: recupero delle forze
PERIODO DI INCUBAZIONE
Esso può essere suddivisa in 4 gruppi:
9breve: in media meno di una settimana ed è caratteristico
delle infezioni localizzate o di quei virus che vengono iniettati
direttamente nel sangue (es. arbovirus).
9medio: il periodo è di circa 7-21 giorni; è caratteristico delle
infezioni generalizzate con schema classico.
9lungo: il periodo è di settimane o mesi. Per es. 2-6 settimane
per l’epatite A e 6-20 settimane per l’epatite B.
9molto lungo: viene misurato in anni; in queste malattie sono
coinvolti i virus “lenti”.
PERIODO DI INCUBAZIONE & TEMPO DI GENERAZIONE
IL PERIODO DI INCUBAZIONE è l’intervallo che intercorre tra
l’acquisizione di infezione e la comparsa di malattia
IL TEMPO DI GENERAZIONE è l’intervallo che intercorre tra
l’acquisizione di infezione e la trasmissione di infezione ad un altro
individuo
Spesso la possibilità di trasmettere l’infezione può precedere la comparsa
dello stato di malattia
ESITI POSSIBILI DELL’INFEZIONE (1)
• INFEZIONE INAPPARENTE: portatore sano, rilevabile
solo con indagini di laboratorio;
• INFEZIONE ABORTIVA: infezione non produttiva, in cui il
virus non completa il suo ciclo replicativo;
• INFEZIONE ACUTA NON PERSISTENTE: si estingue
con la guarigione;
La maggior parte delle infezioni virali si estingue con la
guarigione e la scomparsa del virus dall’organismo.
Il virus non è più rilevabile, se non in caso di reinfezione.
ESITI POSSIBILI DELL’INFEZIONE (2)
•INFEZIONE PERSISTENTE: risulta da un delicato
equilibrio tra virus e organismo ospite. Dopo la fase acuta, il
virus adatta il suo ciclo replicativo e la sua patogenicità così
da evitare la morte dell’ospite e persistere per tutta la sua
vita in forma di:
•INFEZIONE CRONICA
•INFEZIONE LATENTE
•INFEZIONI LENTE
INFEZIONI CRONICHE:
Sono caratterizzate dalla continua presenza del virus che
continua a essere prodotto, anche dopo la fase acuta, in
genere a livelli molto più bassi e per lungo tempo,
compatibili con la sopravvivenza dell’ospite.
Es classici: virus dell’epatite B e C, i retrovirus umani
HIV e HTLV e i papovavirus.
I danni per l’ospite sono tipicamente da accumulo
(immunodeplezione, autoimmunità, infiammazione cronica,
oncogenesi)
INFEZIONE LATENTE:
Il virus è rilevabile durante la fase acuta di replicazione, poi non
è più rilevabile come virus infettante negli intervalli tra
successive riattivazioni.
Il virus rimane sotto forma di acido nucleico integrato nel
genoma cellulare o presente nel nucleo in forma episomica.
In alcune situazioni il virus può “risvegliarsi” e iniziare un nuovo
ciclo di replicazione produttiva (recidiva), che si conclude a sua
volta con una fase di latenza.
Es: herpes virus, papovavirus, adenovirus, virus
dell’epatite B, e altri virus con intermedi di replicazione a
DNA.
Alcune forme di latenza sono sospettate per i virus a RNA:
Virus del morbillo e alcuni enterovirus.
INFEZIONI LENTE:
Sono caratterizzate da un lunghissimo periodo di
incubazione che può durare alcuni anni, seguito da
una malattia progressiva: non si ha mai una fase
acuta.
Vi appartengono le infezioni da “agenti non
convenzionali” detti prioni: con progressiva
degenerazione spongiforme del SNC, con esito
letale.
Neuropathological Features of Prion Diseases in Humans.
Sporadic
Creutzfeldt–Jakob disease
Gerstmann–Sträussler–
Scheinker disease
New variant
Creutzfeldt–Jakob disease
TIPICI MODELLI DI INFEZIONE
Tutte le forme di infezione, possono presentarsi
come
clinicamente manifeste o asintomatiche