La terapia ”combinata” per l’HIV
D. Ho and coll.”Rapid turnover of plasma virions and CD4 lymphocytes in
HIV-1 infection” Nature(1995) 373, 123-126
David Ho (nato il 3.11. 1952) e’ un Taiwanese Americano, diventato
famoso per le sue ricerche sulla terapia dell’HIV.
Il suo contributo, contenuto in oltre 400 pubblicazioni, ha permesso di
comprendere a fondo i meccanismi di replicazione del virus e di ridurre di 6
volte la mortalita’ per AIDS. Attualmente il gruppo di ricerca di D. Ho
lavora presso la Rockfeller University di New York.
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Che cosa e’ l’HIV
L’HIV é un retrovirus con un genoma ad RNA a singolo filamento.Per
moltiplicarsi ha bisogno di una ”cellula ospite” nella quale produrre il suo
DNA. Le ”cellule bersaglio” del virus sono i linfociti T (globuli bianchi),
cellule del sistema immunitario sulla cui superficie è presente una
glicoproteina transmembrana la CD4, che fa parte della famiglia delle
immunoglobuline. In un individuo sano le cellule, dette per brevità CD4+
sono tra 450 cell/µl e 1600cell/µl.
cellula HIV e cellula T
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Il meccanismo riproduttivo dell’HIV
Al suo ingresso nel citoplasma delle cellule ospiti il genoma del virus viene
convertito in DNA da un enzima detto trascrittasi inversa virale. Dopo
aver raggiunto il nucleo della cellula ospite per azione dell’enzima integrasi,
il DNA a doppio filamento viene utilizzato per la produzione di mRNA,
vengono sintetizzate le proteine virali e lo stesso genoma virale. Un terzo
tipo di enzima, la proteasi, ha il compito di produrre nuove particelle virali.
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Il virus HIV (Human Immunodeficiency Virus), che é trasmesso, nella
maggior parte dei casi, per contatto sessuale o per condivisione di siringhe
infette, porta quasi inevitabilmente allo sviluppo della sindrome dell’AIDS
(Acquired ImmunoDeficiency Syndrome).
L’ infezione si manifesta con una prima fase ”acuta”, relativamente breve, in
cui i malati hanno i sintomi di una forte influenza.
Subentra un lungo periodo (piú di un decennio) privo di sintomi, in cui la
carica virale si mantiene quasi costante a livelli molto minori di quelli della
fase iniziale (fase di pseudolatenza).
Questa fase termina quando inizia una crescita vertiginosa delle cellule
virali (sviluppo dell’AIDS) e si osserva una drastica diminuzione delle cellule
immunitarie, che si riducono fino a 200cell/µ: l’organismo, privo di difese,
soccombe a causa di infezioni di vario tipo.
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Se si vuole intervenire sul virus, é evidente che bisogna farlo durante la fase
di pseudolatenza perché il numero delle cellule infette é minore e la fase é
lunga.
Per mettere a punto una ragionevole terapia bisogna studiare la dinamica
delle cellule infette e quella dei linfociti T .
Il lavoro di D. Ho e coll. ha fornito risposte alle domande e una strategia
per mettere a punto una terapia.
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STUDIO della DINAMICA delle cellule virali HIV
Per studiare questo problema è stato somministrato un trattamento con
l’antivirale ABT-538, inibitore della proteasi, a 20 pazienti infetti.
Prima del trattamento il numero dei linfociti T nei malati era, in media, di
263 cellxmm3 , mentre il numero delle cellule infette (virioni) era, in media,
di 285000 per ml.
L’effetto della terapia, nelle 2 settimane seguenti alla fine della cura, è
stato un vistoso calo (di tipo esponenziale) dei livelli virali in ogni paziente.
Come si possono descrivere quantitativamente queste osservazioni?
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V (t)= numero delle cellule virali al tempo t
La dinamica delle cellule virali avviene è una legge di duplicazione
(malthusiana)
V (t) = V0 2rt
dove V0 è la numerosità iniziale e r = n − m è il tasso netto di crescita.
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OSSERVAZIONE :
In una scala di tempi opportuna (T = (t ln 2)/r ,) la legge di duplicazione
V (t) = V (0)2Rt e’ equivalente alla crescita malthusiana V (t) = V (0)e rt ,
in una opportuna scala di tempo.
Infatti, se introduciamo la nuova unità di tempo T =
t = t(T ) = rT / ln 2.
Sostituendo nella legge V (t) = V0 2rt ha
t ln 2
r ,
si ha
V (t(T )) = V (0)2rT / ln 2 ⇒ ln V (T ) = ln V (0) + ln(2rT / ln 2 )
ln V (T ) = ln V (0) + (rT / ln 2) ln 2 = ln V (0) + (rT ) ⇒
visto che ln V (T ) − ln V (0) = ln[V (T )/V (0)] si ha ln[V (T )/V (0)] = rT .
Calcolando l’esponenziale si ha V (T )/V (0) = e rT cioe’ V (T ) = V (0)e rT .
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Il fenomeno puo’ essere descritto dalla legge
V (t) = V (0)e rt
(1)
Dopo il trattamento con l’antivirale, il numero delle cellule decade,
possiamo quindi assumere che in questa fase n ≈ 0, e quindi r ≈ −m
La (1) si riscrive
V (t) = V (0)e −mt
Il valore di m osservato era, in media, m = 0.34 ± 0.06.
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Usando la legge V (t) = V (0)e −mt si può calcolare in quanto tempo il
numero delle cellule virale si dimezza:
V (t ∗ ) =
1
V (0)
1
∗
= V (0)e −mt ⇒
= mt ∗
2
2
e
∗
2 = e mt ⇒ mt ∗ = ln 2 ⇒
ln 2
0.69
≈
≈ 2.1
m
0.34
In media, ogni due giorni circa, il numero delle cellule virali è dimezzato.
t∗ =
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Il farmaco antivirale ABT-538 inibisce la proteasi, ma non ha effetti sulla
mortalità dei virioni; si può pensare che m = 0.34 ± 0.06 sia il valore del
tasso di mortalità proprio delle cellule virali, cioè che anche PRIMA del
trattamento si abbia m = 0.34 ± 0.06.
Le osservazioni mostrano che prima del trattamento il numero delle cellule
virali è approssimativamente costante, quindi il virus deve replicarsi.
Con quale legge cresce la numerosità V (t) prima del trattamento?
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Il modello generale
Nella fase di pseudolatenza il numero di cellule prodotte non è troppo
elevato, si può quindi supporre che la natalità sia descritta da una funzione
costante: v cellule virali sono prodotte, ad ogni generazione (v =costante).
Il modello di evoluzione della numerosità può essere descritto da
un’equazione di tipo malthusiano con ”immigrazione costante”:
V 0 (t) = −mV (t) + v .
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Nella fase di pseudolatenza le cellule virali non variano sostanzialmente in
numero (si ha equilibrio), cioe’ si ha V (t) =costante.
(Ricordare che se V (t) =cost. allora V 0 (t) = 0).
Deve quindi essere V 0 (t) = −mV (t) + v = 0 ma se V (t) =cost per ogni
valore di t si ha anche V (t) = V (0). Quindi
V (0)m = v
Questa relazione ci permette di calcolare v .
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Se m = 0.34 ± 0.06 e V (0) =285000 cellule per ml, si ha v ≈ 969 · 102
cellule per ml, che rapportato all’intero corpo significa un numero medio di
virioni pari a 68 · 107 al giorno!!
”Il modello ci ha permesso di capire cosa accade nei malati, quando
sembrava che nulla accadesse”.
(D.Ho)
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Dinamica dei linfociti T
DOPO il trattamento si è osservato che il numero dei linfociti cresce molto
rapidamente in quasi tutti i pazienti, con un tasso di crescita giornaliero
n ≈ 0.05.
Se T (t) è la numerosità dei linfociti al tempo t la legge di crescita può
essere descritta da
T (t) = T (0)e nt
Come per il caso delle cellule virali si può calcolare il tempo di raddoppio
della popolazione.
T (t 00 ) = 2T (0) = T (0)e nt
00
⇒ ln 2 = nt 00
Se n ≈ 0.05, t 00 ≈ 15 giorni.
Tutta la popolazione dei linfociti si rinnova in circa 15 giorni.
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I risultati ottenuti permettono anche di affermare che nella malattia
la morte delle cellule T è conseguenza della ”distruzione” operata
dal virus NON della ridotta capacità riproduttiva delle cellule.
(Il virus non modifica il tasso di natalità proprio dei linfociti).
Infatti dopo il trattamento con l’antivirale le cellule virali diminuiscono e i
linfociti aumentano.
All’aumentare del numero dei linfociti si osserva una diminuzione del loro
tasso di natalità (a causa della competizione interspecifica), questo indica
proprio che non è il virus a modificare il tasso di natalità proprio dei
linfociti.
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Come si devono interpretare questi risultati?
Nella fase di pseudolatenza, l’ordine di grandezza delle cellule infette
presenti é di qualche centinaio di milioni di cellule. Per diminuire questo
numero, gli inibitori della proteasi svolgono un ruolo importante.
Per rafforzare l’azione inibitoria, in combinazione sono stati aggiunti
anche inibitori della trascrittasi inversa (TERAPIA COMBINATA).
Tale associazione terapeutica, che si dimostrata molto efficace se
somministrata in dosi mirate per ciascun caso, è nota come HAART:
Highly Active Antiretroviral Therapy.
(Il dosaggio dei farmaci avviene proprio utilizzando le numerosita’ previste
dal modello).
Purtroppo, spesso il virus va incontro a mutazioni che portano alla
farmaco-resistenza, e ciò spinge ad intensi sforzi per la ricerca di sempre
nuovi composti chimici.
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