C.d.L. Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche Corso di Microbiologia e Biotecnologie dei Microrganismi AA 2007 2008 VIROLOGIA Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 2007 2008 1 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 2 1888-1892 Studi sull’afta epizootica e sul mosaico del tabacco (Ivanovsky e Beijerink) dimostrano che queste malattie erano causate da subunità microscopiche che non potevano essere osservate e coltivate come batteri e funghi. Risolutivo fu lo studio sul mosaico del tabacco, si dimostrò che esistevano subunità microscopiche che attraversavano i filtri per batteriologia è quindi presenti in una soluzione capace di infettare un’altra pianta di tabacco. 1911 ROUS SCOPRE IL VIRUS DEL TUMORE DEI POLLI. 1915 SCOPERTA DEI BATTERIOFAGI E RAPPORTI TRA CELLULA OSPITE E BATTERIOFAGO. 1920 COLTURE CELLULARI VIVENTI IMPIEGATE NELLO STUDIO DELLE INFEZIONI VIRALI DELL’UOMO. 1939 IMPIEGO DELLA MICROSCOPIA ELETTRONICA. 1952 AC. NUCLEICI E INFEZIONE VIRALE (HERSHEY E CHASE). 1970 DIMOSTRAZIONE DELL’ESISTENZA DI UN ENZIMA VIRALE CHE IMPIEGA STAMPI DI RNA PER SINTETIZZARE DNA, LA TRASCRITTASI INVERSA. NEGLI ULTIMI 30 ANNI MESSA A PUNTO DI VACCINI ANTIVIRALI E IMPIEGO DEI VIRUS NELLE BIOTECNOLOGIE E NELLA CURA DELLE MALATTIE. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche I virus sono specie specifici esistono virus animali, vegetali e dei batteri I virus sono agenti patogeni entità acellulari formati da una o più molecole di DNA o RNA racchiuse in un involucro proteico in grado di infettare cellule animali e vegetali e batteri. Le particelle virali complete sono contraddistinte da dimensioni molto modeste (da 10 a 300 nm). Si possono replicare all’interno di cellule viventi e quindi sono dei parassiti intracellulari obbligati La morfologia dei i virus può essere studiata attraverso l’uso del microscopio elettronico La replicazione dei virus avviene nell’organismo di animali suscettibili all’infezione, e sperimentalmente, per inoculazione in animali da laboratorio in uova embrionate di pollo o in colture cellulari I costituenti essenziali sono ac. nucleici e proteine. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 4 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 6 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 7 core : ac. nucleico + molecola di natura proteica che determina la stabilità dell’acido. capside : struttura proteica che racchiude l’ac. nucleico o il core. capsomero: unità proteica che ripetuta forma il capside non sono legati da legami covalenti. nucleocapside: ac. nucleico + capside. envelope: involucro lipoglicoproteico esterno (ortho- e paramyxo- virus) peplomeri: (neuroamminidasi ed emoagglutinina): proiezioni superficiali che protrudono dall’envelope. le emoagglutinine sono strutture a bastoncino con attività emoagglutinante mentre le neuroamminidasi hanno attività enzimatica. virione: particella virale completa come si può osservare fuori dalla cellula. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 8 In tutti i virus è presente un nucleocapside costituito da un ac. Nucleico avvolto da un capside proteico con struttura elicoidale, complessa, icosaedrica. La struttura virale è formata da subunità uguali che vengono ripetute (nei virus a forma icosaedrica) infatti è più efficiente costruire strutture complesse e più grandi a partire da subunità tutte uguali e più piccole. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 11 Batteriofago: virus in grado di parassitare i batteri Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 12 batteriofago I genomi virali sono più differenziati ed eterogenei di quelli procariotici ed eucariotici e possono consistere in uno o due filamenti di DNA o RNA, i filamenti di ac. nucleico sono lineari, circolari o tali da assumere entrambe le forme. I virus sono classificati in base alle caratteristiche degli ac. Nucleici alla simmetria del capside, all’eventuale presenza di un involucro, al tipo di ospite infettato, alle patologie provocate, in caso di virus animali e vegetali. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 15 Acidi nucleici e proteine sono i componenti principali della struttura virale. La tecnica che permette la purificazione dei virus è la ultracentrifugazione in gradiente di densità, questa tecnica permette la separazione di particelle fagiche che sono differenti anche per percentuali dell’ 1% di DNA. Le proteine virali possono essere suddivise in tre classi: a) proteine che permettono all’ acido nucleico di replicarsi. proteine strutturali, che sono costituenti del capside o sono emoagglutinine o neuroamminidasi. proteine che alterano alcune funzioni e strutture della cellula ospite, bloccano ad esempio la trascrizione del DNA cellulare e lasciando così i ribosomi a disposizione dell’ RNA virale.. b) c) Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 17 Il capside è formato da subunità proteiche che in alcuni virus si aggregano a formare i capsomeri, con peso molecolare tra 10 e 80 KDA (1 Dalton= 1/6 della massa atomica dell’ossigeno 1,66x10-24g ). Non sempre tutte le proteine che si trovano nel virus entrano nella formazione del capside a volte esse sono devolute a funzioni di stabilizzazione dell’acido nucleico si tratta delle cosiddette proteine interne in stretta relazione con l’acido nucleico. I virus posseggono una molecola di DNA il cui peso molecolare è 1,5 a 240 x 106 daltons (poxvirus), di solito si tratta di un doppio filamento in genere lineare. Per l’RNA virale quasi sempre si tratta di un filamento a catena singola con peso molecolare da 2,4 a 10-12 x 106 daltons. Non sempre è presente in un’ unica molecola ma viene spesso estratto in frammenti. Nei virioni sono presenti altri costituenti che contengono elevate quantità di lipidi. Questi lipidi sono identici a quelli della cellula dove il virus si è replicato. La quantità di materiale genetico presente è in diretta relazione con il grado di complessità della particella virale. In alcune specie sono presenti rame, biotina, Fad (ruolo funzionale sconosciuto). Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 18 La struttura virale è formata da subunità uguali che vengono ripetute (nei virus a forma icosaedrica) infatti è più efficiente costruire strutture complesse e più grandi a partire da subunità tutte uguali e più piccole. vengono codificati solo pochi peptidi o anche uno solo. non viene richiesta informazione supplementare per l’assemblaggio delle subunità virali. un meccanismo di rigetto è attivo per le subunità non funzionanti. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 19 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 21 Adsorbimento: interazione tra strutture superficiali del virione e le strutture della cellula. Penetrazione (periodo di eclissi) e svestimento. Replicazione (diversi tipi di replicazione). Maturazione (aggregazione spontanea del materiale genetico con le componenti). Liberazione (periodo di latenza) Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 22 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 23 GEMMAZIONE PROTEINE DELLA MATRICE E PEPLOMERI GEMMAZIONE ATTRAVERSO APPARATO DEL GOLGI E IL RER Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 24 Il meccanismo di adsorbimento è interamente devoluto al riconoscimento di siti specifici, da parte delle fibre che si distendono ed ancorano il fago al batterio, in un secondo momento gli aculei portano a contatto la piastra basale con la parete batterica, la guaina si contrae e forza la coda a penetrare, l’azione della coda è facilitata dalla presenza di un enzima (lisozima) infine il DNA fagico penetra attraverso il canale. (Batteriofago). Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 25 Rappresentazione schematica del ciclo replicativo di un virus a DNA doppio filamento. Virus animali RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEI CICLI REPLICATIVI (assenza di integrazione nel DNA della cellula ospite) Rappresentazione schematica del ciclo replicativo di un virus a RNA singolo filamento. (Il filamento viene replicato per intervento di un filamento complementare e dà così origine ai genomi della progenie virale e nel contempo funge anche da RNA messaggero per la sintesi del capside virale. Le proteine dell’envelope si localizzano sulla membrana citoplasmatica della cellula infetta nei siti da cui usciranno le particelle virali che utilizzeranno la membrana modificata come envelope). Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 28 Integrazione nel DNA della cellula ospite Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 29 È indispensabile separare i virus dalle cellule e dai loro costituenti per poterle studiare soprattutto se il loro ciclo non si conclude con la lisi Centrifugazione differenziale e in gradiente di densità (basata sull’impiego di un gradiente di saccarosio con raccolta delle particelle virali) Precipitazione dei virus con solfato d’ammonio concentrato e raccolta mediante centrifugazione. Denaturazione dei contaminanti con calore o pH. (tollerato dai virus). Digestione enzimatica delle componenti cellulari che non agiscono nei confronti delle particelle virali. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 31 Nel caso di preparazioni virali molto concentrate ultracentrifugazione in gradiente di densità Soluzioni di saccarosio o glicerolo a concentrazione decrescente., in modo che la densità sia distribuita in un gradiente continuo. Le particelle virali si raccolgono in una zona di densità corrispondente. ELETTROFORESI: Indicazione su volume forma dimensioni per mezzo delle caratteristiche superficiali del virus, in quanto i virus come l e proteine sono anfoteri hanno cioè carica elettrica che è funzione del pH del mezzo. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 32 I virus non possono essere coltivati all’esterno di cellule viventi, per molto tempo la loro coltivazione è stata fatta su uova embrionate di pollo o in animale. Attualmente i virus vengono coltivati su monostrati cellulari associati con antibiotici che ne evitano la contaminazione. Nelle colture su monostrato cellulare compaiono aree di lisi definite placche che possono essere anche colorate. A volte non si ottengono regioni di lisi ma zone dove compaiono effetti citopatici ( a volte non accompagnati da placche). I batteriofagi vengono coltivati impiegando i batteri come coltura. Una coltura batterica torbida a contatto con il fago diventa limpida in conseguenza dell’attività litica Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 33 Isolamento e crescita del virus Esame citologico valutazioni delle inclusioni citoplasmatiche Microscopia elettronica, ricerca delle particelle virali (osservazione al microscopio elettronico) Rivelazione di proteine virali Rivelazione di materiale genetico virale Ricerca di acidi nucleici virali Ibridazione in situ Dot blot, Southern blot, Northern blot PCR, rt - PCR, pcr quantitativa, Nasba, Branched Dna, PCR in situ) Sierologia Diagnosi sierologica consiste nella ricerca di anticorpi virali nel siero del paziente. Si avvale di diversi test mediante rivelazione di IgM specifiche, con aumento di quattro volte del titolo anticorpale tra i sieri della fase acuta e della convalescenza inoltre si ottengono profili di anticorpi specifici indicativi di recente infezione. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 34 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 35 Tecniche istopatologiche: si impiega solo il microscopio ottico e tecniche di fissazione o colorazione delle cellule dei tessuti in maniera simile a quelle usate per le osservazioni di patologia cellulare. Due esempi importanti la diagnosi della rabbia mettendo in evidenza i corpi del Negri nelle cellule dell’ ippocampo, e la valutazione dei corpi del Guarnieri per le infezioni da vaiolo. Ricerca di antigeni virali : si utilizzano sieri policlonali o anticorpi monoclonali specifici per proteine del virus. Possono essere condotti su liquidi biologici, siero o liquor cefalo rachidiano, ma anche su cellule o tessuti. Ricerca di proteine virali e acidi nucleici virali : diversi metodi possono essere impiegati, tra cui anche l’elettroforesi per separare componenti proteiche dei virus. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 36 Microscopia elettronica : è una tecnica molto utile nella individuazione di virus non ancora noti o per identificare particelle virali nei tessuti o in colture cellulari provenienti da materiale con sospetta infezione virale. È molto valida nella ricerca, ma meno nella pratica quotidiana dove morfologia e dimensione non svelano la vera identità di un virus, pertanto è un metodo poco specifico. A questa tecnica si può applicare l’ immuno microscopia elettronica ma i limiti pur migliorando il metodo rimangono e anche i costi che sono molto elevati. I limiti sono quelli della ricerca di antigeni virali. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 37 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 38 I virus non possono essere coltivati all’esterno di cellule viventi, per molto tempo la loro coltivazione è stata fatta su uova embrionate di pollo o in animale. Attualmente i virus vengono coltivati su monostrati cellulari associati con antibiotici che ne evitano la contaminazione. Nelle colture su monostrato cellulare compaiono aree di lisi definite placche che possono essere anche colorate. A volte non si ottengono regioni di lisi ma zone dove compaiono effetti citopatici ( a volte non accompagnati da placche). I batteriofagi vengono coltivati impiegando i batteri come coltura. Una coltura batterica torbida a contatto con il fago diventa limpida in conseguenza dell’attività litica Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 39 La coltivazione dei virus può avvenire mediante uso di: Animali da esperimento. Uova embrionate, soprattutto di pollo. Colture cellulari in vitro. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 40 L’uso degli animali per la coltivazione dei virus è condizionato dal fatto che gli animali considerati siano indenni da malattie infettive di varia natura e siano mantenuti con cura in isolamento prima delle prove. In genere un ruolo speciale è riservato all’utilizzo del topo per la facilità di riproduzione e la sensibilità nei confronti di virus animali e umani, in genere è l’ animale giovane così come per l’ embrione di pollo la maggiore sensibilità non avendo questo un sistema immunitario maturo. Si usano per la identificazione del virus della rabbia, che determina la comparsa di inclusioni cellulari, virus coxhsackie A herpes virus poliomavirus e reovirus, ognuna di queste specie è in grado di provocare una particolare forma di malattia. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 41 Le uova fertilizzate di pollo possono essere utilizzate (Rous e Murphy 1908) per la coltura dei virus, nel 1930 furono fatti esperimenti mediante inoculazione del virus del vaiolo sulla membrana corion allantoidea. Ha sempre rappresentato sino all’introduzione delle colture cellulari il mezzo più diffuso per la praticità e i costi contenuti. Attualmente è ancora utilizzato a scopo diagnostico (isolamento del virus da materiale patologico, titolazione del virus e dei sieri antivirus) sia per ottenere grandi quantitativi di virus. Le uova possono essere inoculate con diversi metodi in relazione ai virus che si vogliono studiare. Tecniche di inoculazione : le uova utilizzate devono essere SPF Specific Pathogen Free. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 42 Isolamento del virus in uova embrionate L’uso delle uova embrionate di pollo ha rappresentato un metodo adottato grandemente in passato per lo studio dei virus attualmente il mezzo fondamentale per l’isolamento e la propagazione e l’identificazione dei virus animali, è il monostrato cellulare . Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 43 Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 44 Rappresentano il mezzo più importante per isolamento propagazione e identificazione dei virus animali, hanno consentito di condurre indagini del ciclo replicativo e delle caratteristiche geniche, e di interpretare l’ oncogenesi virale. Su questo substrato vengono allestiti alcuni dei vaccini virali (polio, rabbia, rosolia, morbillo). Per colture di tessuto si intendono cellule, tessuti ed organi provenienti da animali e mantenuti o fatti sviluppare in vitro per oltre 24 ore. Le colture di tessuto o organo si riferiscono ad espianti di tessuto o a frammenti d’organo le cui cellule sono rimaste aggregate e hanno conservato i caratteri tipici che avevano in relazione alla loro morfologia e struttura. Le colture di cellule sono ottenute da sospensioni cellulari allestite disgregando meccanicamente e chimicamente i tessuti dopo la crescita tali cellule assumono un aspetto fibroblastico ed epitelioide e non presentano tracce della primitiva organizzazione. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 45 Nelle colture cellulari infette i segni della moltiplicazione virale possono essere svelati con le procedure più diverse. Per molti agenti virali, si procede all’esame microscopico diretto delle colture infette. La replicazione virale può indurre dei cambiamenti morfologici evidenti delle colture cellulari. Si parla di effetti citopatici, il tipo e la rapidità dello sviluppo sono di grande aiuto per identificare i virus. Le colture cellulari rappresentano attualmente il mezzo fondamentale per l’isolamento e la propagazione e l’identificazione dei virus animali, con l’uso di metodi appropriati hanno consentito di condurre indagini sul ciclo replicativo e sulle caratteristiche genetiche dei diversi virus. L’effetto citopatico più imponente è senza dubbio al lisi cellulare: un esempio è dato dagli enterovirus che producono dopo poche ore dall’infezione i cambiamenti morfologici della coltura. Dopo 12 24 ore le colture cellulari vengono distrutte completamente. Università degli Studi di Bari - Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche 46