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…….)