ADENOVIRUS – PARVOVIRUS - BOCAVIRUS Prof. O.E. Varnier – Dott.ssa Martini Isabella Università degli Studi di Genova Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia A.A. 2013-2014 Corso Integrato di Malattie Infettive e Microbiologia Clinica Generi: Erythrovirus, Dependevirus e Bocavirus. ADENOVIRUS - Morfologia Virus a DNA bicatenario Diametro di 70-100 nm Simmetria icosaedrica (20 facce triangolari) Non rivestito da involucro membranoso (pericapside assente). Capside di 252 capsomeri (240 esoni + 12 pentoni). Capsomeri ai vertici della struttura (pentoni) presentano 1 o 2 proiezioni filamentose rigide (fibre); esoni sono capsomeri non ai vertici. ADENOVIRUS - Morfologia Il nucleo formato da acidi nucleici e da diverse proteine basiche, adatte a interagire con il DNA (complessano, stabilizzano, ancorano il genoma al capside, coinvolte nella duplicazione del genoma) Fibre, esoni e pentoni hanno caratteristiche diverse e funzioni specifiche: le fibre sono emoagglutinine tipo-specifiche; svolgono funzione di legame al R e rappresentano bersaglio degli Ab neutralizzanti. i pentoni sono coinvolti nel meccanismo di adsorbimento e penetrazione alle cellule; hanno attività citopatica. gli esoni hanno un'antigenicità comune a tutti gli Adenovirus ADENOVIRUS - Classificazione Famiglia Adenoviridae ; 4 generi: Mastadenovirus (mammiferi), Aviadenovirus (aviari), Atadenovirus (mammiferi e aviari) e Siadenovirus (rana e aviari). Virus che infettano uomo (HAdV) appartengono al genere Mastadenovirus e sono suddivisi in: Specie (o gruppi); sulla base della distanza filogenetica (>10%) Sierotipo (55 sierotipi); definiti tradizionalmente in base alla neutralizzazione da parte di antisieri specifici, ma anche in base alle differenze genetiche nella regione della fibra. ADENOVIRUS - Replicazione Si replicano efficacemente solo in cellule epiteliali. I. Adesione e ingresso nella cellula bersaglio Il virus, attraverso la porzione distale delle fibre, si adsorbe alla “CAR protein” (recettore 1) della cellula bersaglio. Avvenuto il contatto, i pentoni interagiscono con integrine cellulari (recettore 2) promuovendo l’internalizzazione con una endocitosi recettoremediata (formazione endosoma). ADENOVIRUS - Replicazione Nel citoplasma: i pentoni, al pH basso citoplasmatico, si attivano e rompono l’endosoma e virus viene liberato (acidificazione e degradazione). Trasporto del virus verso il nucleo cellulare mediato da sistema microtubulare. Nei pressi del nucleo il capside virale subisce processo di disassemblaggio mediato da proteasi virale. Il DNA attraversa la membrana nucleare e si associa alla matrice nucleare tramite la sua proteina terminale (TP). ADENOVIRUS - Replicazione II. Fase precoce della replicazione. comprende i passaggi replicativi precedenti la sintesi del DNA virale. trascritti geni (E=early) che codificano per molecole coinvolte: nella replicazione virale nei meccanismi di protezione della cellula infetta dai processi difensivi dell’organismo ospite. E1A: transattivatore dei promotori di geni virali e cellulari; espressione necessaria per trascrizione dei successivi geni virali modula ciclo della cellula ospite: si lega a pRB, inibitrice del fattore trascrizionale E2F; questo, non più inibito, è responsabile della transizione da G1 a S della cellula infettata. E1B: blocca l’apoptosi della cellula ospite: trascritto di E1B si lega a fattore cellulare p53 inibendo le sue capacità transattivanti dei geni pro-apoptotici. E2: polimerasi N.B. I prodotti di E1 sono in grado di legare proteine citoplasmatiche coinvolte nel controllo del ciclo cellulare (pRB, p53) inattivandole: questo può spiegare l’oncogenicità degli Adenoviruses. ADENOVIRUS – Prodotti Genici Precoci (p.transattivatrice) pRB • Lega MHC I nel R.E. limitandone l’espressione ↓attacco T citotossici (Apoptosi TNF mediata) • Adenovirus Death Protein ADENOVIRUS - Replicazione Replicazione del genoma virale. La polimerasi si associa alla TP legata alle estremità, con funzione di primer della catena nascente e avviene la sintesi del nuovo DNA virale. III. Fase tardiva della replicazione. Espressione dei geni tardivi (Major Late Promoter + fattore trascrizione cellulare MajorLateTrascriptionFactor e prodotto del gene precoce-tardivo IVa2 legato a valle) Singolo trascritto mRNA (29000 bp) → splicing alternativo → 18 differenti mRNA suddivisi in 5 gruppi (da L1a L5); da questi mRNA avranno origine: proteine del capside virale (polipepdidi: II-esone, III-pentone e IV-fibra) proteine strutturali associate al capside e al DNA. proteasi per l’assemblaggio del capside (L3) proteine con funzioni ancillari nell’assemblaggio (aggregazione degli esoni controllata da peptide L4) e nell’encapsidazione del DNA (L1). Capside ADENOVIRUS – Prodotti Genici Tardivi Ancoraggio proteine core e… Funzioni stabilizzatrice tra i capsomeri Nucleo interno TP: primer per la duplicazione genoma µ(pX): stabilizzatrice ADENOVIRUS - Replicazione IV. Assemblaggio e maturazione virale. L’assemblaggio e la maturazione dei capsidi (morfogenesi virale) avviene nel nucleo. Intervengono prodotti dei geni tardivi: Proteasi prodotta da unità trascrizionale L3: l’assemblaggio del capside Peptide prodotto da unità trascrizionale L4: aggregazione degli esoni Peptide prodotto da unità trascrizionale L1: encapsidazione del DNA Il risultato è un virione completo, stabile ed infettivo. V. La cellula muore e si sfalda per azione della massa dei virioni e per l’effetto citotossico di una proteina E3 (Adenovirus Death Protein), liberando i virioni (INFEZIONE LITICA). ADENOVIRUS - Meccanismi patogenetici Gli adenovirus instaurano infezioni litiche, latenti e trasformanti: Nelle cellule permissive la crescita facilita la trascrizione e la replica del genoma causando la morte cellulare attraverso la lisi. Nelle cellule non permissive il virus instaura un’infezione latente e può stimolare la crescita cellulare promuovendone la trasformazione. ADENOVIRUS - Meccanismi patogenetici Colture in vitro (cellule epiteliali): producono tipico effetto citopatico con arrotondamento, distacco della cellula dal substrato e aggregazione in grappoli. Microscopio: in vitro, vistose inclusioni nucleari per accumulo di particelle virali, sono state osservate anche in sezioni bioptiche di tessuto infetto. ADENOVIRUS Meccanismi patogenetici e manifestazioni cliniche La trasmissione dell'infezione da ADV si può verificare per inalazione del virus (aerosol), per inoculazione nel sacco congiuntivale (dita→occhi; congiuntiviti “da piscina”) e probabilmente anche per via orofecale. Nei soggetti normali (immunocompetenti) le infezioni da ADV provocano manifestazioni cliniche correlate con l’infezione acuta e la necrosi dei tessuti epiteliali, probabilmente per azione citopatica diretta del virus. La diffusione del virus è la conseguenza della propagazione nel tessuto dell’infezione per contiguità dal sito iniziale d’infezione. Alcune sedi d’infezione (vescica e l’intestino nei bambini, reni e fegato negli immunodepressi) sembrano essere provocate per via ematogena da altri focolai. Nell’uomo, a differenza che nel topo, non sono mai stati riscontrati casi di neoplasie verosimilmente provocate da adenovirus. ADENOVIRUS - Manifestazioni cliniche Bambini: sindrome più comune è infezione del tratto respiratorio superiore accompagnata da intensa rinite. Talvolta osservabili patologie a carico del tratto respiratorio inferiore, come bronchiolite e polmonite. Sierotipi 3 e 7, provocano la febbre faringocongiuntivale (malattia acuta febbrile caratteristica dei bambini; si presenta in forma di epidemie). Adulti: malattia più frequentemente segnalata è la cosiddetta "malattia respiratoria acuta", causata nelle reclute militari dagli adenovirus di tipo 4 e 7. ADV specie B-C: endemiche, colpiscono già in tenera età, spesso asintomatiche. ADV associati anche a malattie non respiratorie, quali gastroenterite in bambini piccoli e cheratocongiuntivite epidemica. (N.B. tropismo tissutale dei gruppi specifici e sierotipi del ceppo virale) ADENOVIRUS - Manifestazioni cliniche Sindromi cliniche nei soggetti immunodepressi: Infezioni disseminate tra cui: polmoniti epatiti/pancreatiti fulminanti coliti/gastroenteriti fulminanti cistiti emorragiche encefaliti (rare) Terapia Profilassi & Controllo Proponibile solo una terapia sintomatica e di supporto, non essendo disponibili farmaci antivirali clinicamente utili. Es. corticosteroidi topici alleviano i sintomi e abbreviano il decorso della cheratocongiuntivite epidemica e della congiuntivite da ADV. Importante il lavaggio per evitare le epidemie di congiuntivite da adenovirus che si diffondono per contatto con oggetti contaminati (p. es., asciugamani, strumenti, ecc.), con secrezioni o con dita infette (sterilizzazione degli strumenti, uso guanti e lavarsi le mani). Per impedire la diffusione del virus è fondamentale anche la clorazione delle piscine. Per reclute militari (no popolazione civile) sviluppati vaccini con virus vivi, contro gli ADV tipo 4 e 7 (ampiamente utilizzati per il controllo infezione, hanno provocato una notevole diminuzione delle Malattia Acuta Respiratoria – MAR, tra i militari) Vaccini di virus vivi, non attenuati, somministrati attraverso capsule enterosolubili: l'infezione del tratto gastroenterico con i sierotipi 4 e 7 non causa malattia, ma stimola la produzione di Ab locali e sistemici che proteggono da successive possibili affezioni respiratorie acute provocate da questi stessi sierotipi. In fase di sviluppo alcuni vaccini preparati con subunità purificate di ADV. ADENOVIRUS - Biotecnologie Adenovirus nella terapia genica: Terapia genica: introduzione di geni funzionanti nelle cellule di un paziente per esprimere funzioni desiderate o per correggere geni difettivi/non funzionanti La terapia genica trova applicazione in diversi tipi di patologie: le malattie ereditarie, dovute a deficienze genetiche di un singolo prodotto genico o all’errata espressione di un gene (ImmunoDeficienza Severa Combinata associata a deficienza di Adenosina Deaminasi - ADA-SCID) malattie cardiovascolari; malattie infettive, causate da singolo agente patogeno batterico o virale (AIDS); malattie del sistema immunitario (infiammazioni e malattie autoimmuni); malattie neurodegenerative (Morbo di Alzheimer e Morbo di Parkinson); i tumori, causati da un’alterazione della divisione e della proliferazione cellulare a seguito dell’attivazione di un oncogene o dell’inattivazione di un oncosopressore. ADENOVIRUS - Biotecnologie 81% delle sperimentazioni cliniche di terapia genica eseguite fino ad oggi hanno riguardato: cancro, malattie cardiovascolari, malattie ereditarie monogeniche. Terapia genica dei tumori consiste nel cercare di inserire nel genoma della cellula neoplastica , geni in grado di bloccarne la proliferazione o indurne la morte. Sistemi di somministrazione devono essere in grado di introdurre DNA in cellule-bersaglio appropriate. Vettori Adenovirali: ADV possono essere ingegnerizzati per aumentarne la specificità per minimizzarne gli effetti indesiderati (delezione E1 rende virus diffettivo per la replicazione). ADENOVIRUS - Biotecnologie Se l'integrazione nel genoma non è opportuna/richiesta (terapia genica dei tumori), una classe molto interessante di vettori è rappresentata da ADV. I vettori adenovirali hanno molte caratteristiche interessanti che li rendono appropriati per il trasferimento genico: Efficiente ingresso nel nucleo infetta vari tipi cellulari di mammifero, proliferanti e non, con alta efficienza consente transfezione transiente in quanto non si integra nel genoma ospite Possibili alti livelli di espressione Disponibili vettori specializzati Dimensioni dell’inserto fino a 8 Kpb Possono essere citotossici Espressione transiente Può indurre una risposta infiammatoria grave (alta risposta immunitaria) Da alcuni trials è emersa preoccupazione per la sicurezza SVANTAGGI VANTAGGI ADENOVIRUS - Biotecnologie Terapia sperimentale Adenovirus-p53. del glioma umano tramite Terapia genica delle neoplasie gastriche mediante Adenovirus-p53. Soppressione tumorale per mezzo di Adenovirus-INF-. Induzione di una risposta immunitaria anti-tumorale attraverso Adenovirus- IL-12. ADENOVIRUS - Biotecnologie 2004: messa in commercio della prima terapia genica per i tumori: Gendicina. Approvato dalla China' s State Food and Drug Administration (Ente di autorizzazione sanitaria equivalente a quello statunitense) Virus ingegnerizzato per fare da vettore alla copia sana del gene p53, uno dei più importanti nel controllare all' interno della cellula una possibile deriva cancerosa (nel 50-70% dei tumori umani questo frammento di Dna è mutato o inefficiente) Conservato a 20° sotto zero Si inietta una volta alla settimana direttamente nell' area tumorale Costo: 270 euro a fiala PARVOVIRUS – Morfologia & Classificazione Virus a DNA lineare a singola elica. Presenti in molte specie animali (da insetti a primati). Parvovirus infettanti l’uomo sono pochi e distribuiti nei generi: Erythrovirus, Dependevirus e Bocavirus. Virus clinicamente più importante è il Parvovirus B19 (prototipo del genere Erythrovirus) Tra i più piccoli virus conosciuti: il Virus B19 ha un diametro di 22-24 nm Parvovirus B19 è privo di involucro lipidico. Ha una struttura compatta a simmetria icosaedrica. Capside è formato da 2 sole proteine (VP1 10% e VP2 90%) Virione estremamente semplice dal punto di vista Ag: esiste un solo sierotipo del virus. Canine Parvovirus Protein Type 2 Capsid PARVOVIRUS – Morfologia: genoma La regione codificante, di circa 4800 nucleotidi, comprende due geni non sovrapposti. Il gene in posizione 5’ codifica per la proteina non strutturale NS1, l’altro per le proteine strutturali del capside, VP1 e VP2. La proteina NS1 è fosforilata e svolge funzioni catalitiche multiple (ATPasi, elicasi, endonucleasi sito-specifica) e funzioni regolatorie, tra cui una pronunciata citotossicità. Si ipotizza l’esistenza di altre due piccole proteine la cui funzione è del tutto sconosciuta. PARVOVIRUS - Replicazione Penetra nella cellula tramite legame con uno specifico recettore di membrana e successiva endocitosi. Il recettore è un glicolipide (globoside o antigene P) espresso principalmente su eritrociti maturi e cellule immature della linea eritroide, ma anche megacariociti, cellule endoteliali, cellule della placenta, cellule del fegato e del miocardio fetale. Replicazione dipende dallo stato di attivazione della cellula ospite: B19 dà infezione produttiva soltanto in cellule in attiva moltiplicazione. A differenza di adenovirus e poliomavirus, non è in grado di modificare lo stato moltiplicativo cellulare. Racchiuso in vescicole citoplasmatiche, il virione raggiunge il nucleo della cellula e quindi libera il DNA genomico. PARVOVIRUS - Replicazione Nel nucleo la replicazione del DNA virale è piuttosto complessa e passa attraverso la formazione di un intermedio di DNA bicatenario, sintetizzato da enzimi virali. L’intermedio bicatenario subisce un taglio a una estremità a opera della proteina virale NS1, che determina un nuovo punto d’innesco per la replicazione e la sintesi di un altro intermedio. Gli mRNA sono trascritti da una RNA polimerasi cellulare e trasportati nel citoplasma dove vengono tradotti nelle varie proteine virali. Stadi tardivi della replicazione: le proteine del capside sono assemblate nel citoplasma a formare precursori vuoti che, arrivati al nucleo, inglobano il DNA virale e assumono la forma di particelle mature poi rilasciate per lisi. PARVOVIRUS - Replicazione Il R globoside è espresso principalmente su cellule eritroidi ma anche su altre cellule: Cellule eritroidi: l’infezione è seguita dalla produzione di tutti i messaggeri virali e la sintesi di tutte le relative proteine. Altri tipi di cellule: produzione preferenziale dell’mRNA di NS1, il cui accumulo porta a lisi citotossica della cellula senza produzione di progenie virale. 1 persona/200.000 circa è sprovvista geneticamente del R ed è naturalmente resistenti all’infezione. The image shows an enlarged, infected, early erythroid progenitor cell. The central clearing in the nucleus represents the viral inclusion. Tulane University, New Orleans, [email protected] PARVOVIRUS Meccanismi patogenetici e manifestazioni cliniche Non facilmente propagabile in vitro (replica a basso titolo, per poco tempo, solo in colture di cellule eritroidi: colture primarie da midollo osseo, colture cellule ematopoietiche da sangue cordonale o da fegato fetale, linee cellulari mieloblastoidi) o in animali sperimentali: ciclo biologico di B19 è stato studiato su volontari umani. Trasmissione: via naturale respiratoria, sangue e emoderivati, transplacentare, trapianto. A seguito dell’inoculazione intranasale, il virus si localizza nell’orofaringe e dopo una settimana, compare nel sangue. Sedi principali di replicazione del virus sono: negli adulti, il midollo osseo e nel feto, il fegato (durante la vita fetale deputato all’eritropoiesi). La fase viremica è breve e accompagnata da sintomatologia aspecifica simil-influenzale e coincide con la perdita quasi totale dei precursori eritroidi. Dopo 10-14 giorni dall’infezione, la viremia cessa con la comparsa della risposta Ab e appaiono i sintomi classici della malattia esantematica. Pazienti con infezione persistente da B19 non producono anticorpi neutralizzanti (in particolare Ab anti-VP1) e mostrano un deficit della risposta cellulomediata, che sembra quindi essere importante nel controllo dell’infezione. PARVOVIRUS Meccanismi patogenetici e manifestazioni cliniche Infezione diffusa in tutto il mondo e mostra cicli epidemici di 3-4 anni Maggiore incidenza nell’età scolare quando generalmente avviene la prima infezione. Circa 30-70% della popolazione adulta ha Ab anti Parvovirus B19; una volta contratta, l’infezione conferisce un’immunità che generalmente dura tutta la vita. Nel 70% dei soggetti infettati l’infezione è sintomatica e si manifesta con malattie che sono dovute agli effetti diretti del virus sulla cellula ospite (crisi aplastica transitoria) o alle conseguenze della successiva risposta immune dell’ospite (eritema infettivo e artropatia). Il 30% circa delle donne che contraggono un’infezione primaria in gravidanza trasmettono B19 al nascituro e hanno un rischio del 5-9% di perdere il feto. Tale rischio è maggiore nei primi 6 mesi gravidanza, quando il R di B19 è espresso a più alti livelli sulle cellule della placenta. PARVOVIRUS Meccanismi patogenetici e manifestazioni cliniche Ampio spettro di malattie associate al Parvovirus B19: Terapia, Profilassi & Controllo Non esiste terapia eziologica specifica; infezione da B19 generalmente non richiede trattamento. Nei casi di grave anemia si possono utilizzare Ig aspecifiche endovena a dosi variabili, per vari giorni, in rapporto alla sintomatologia presentata dal paziente. L’efficacia nelle infezioni persistenti con anemia è da tempo accertata in adulti e bambini. Nei casi più gravi (crisi aplastiche), sono necessarie trasfusioni di sangue, con eventuale ossigenoterapia. Per l’artropatia possono rendersi necessari antiflogistici, steroidei o no. In casi gravi di idrope fetale sono state effettuate trasfusioni intrauterine oppure infusioni di Ig alla madre, con benefici per il feto non ancora accertati. Terapia, Profilassi & Controllo Per specie animali (maiali, cani e gatti) in cui le infezioni da parvovirus possono essere gravi, sono stati sviluppati validi vaccini utilizzando virus uccisi/vivi attenuati. L’allestimento di un vaccino anti-B19 sarebbe giustificato non solo dalle crisi aplastiche o anemie croniche che il virus causa nei soggetti predisposti, ma anche dalle conseguenze dell’infezione in gravidanza sia immediate che tardive. La prevenzione dell’infezione per i soggetti a rischio, come le gestanti, è essenzialmente basata sull’adozione di misure igieniche (lavaggio mani, evitare di dividere cibo e bevande). In assenza di un efficiente sistema colturale in cui si possa far sviluppare il B19, si utilizzano diversi sistemi di espressione per produrre capsidi virali ricombinanti. A partire dal 2006, sperimentazione (studi di fase I e II) vaccino costituito da capsidi virali vuoti, ottenuti da entrambe le proteine strutturali (VP1 e VP2): studio terminato nel 2011 - National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID). BOCAVIRUS – Morfologia & Classificazione Famiglia Parvoviridae Sottofamiglia Parvovirinae (Parvovirus infettanti i vertebrati) Generi: Erythrovirus (Parvovirus B19), Dependevirus e Bocavirus. Bocavirus Umano (BoV): nuovo membro della famiglia Parvoviridae, elevata omologia di sequenza con 2 Bocavirus animali: il Canine minute virus e il Bovine parvovirus. Identificato nel 2005 in aspirati nasofaringei di bambini con malattie respiratorie acute. Virus a DNA lineare a singola elica. Capside a simmetria icosaedrica formato da proteine VP1 e VP2 Privo di involucro lipidico. Canine Parvovirus Protein Type 2 Capsid Bocavirus – Morfologia: genoma La regione codificante comprende tre geni principali. Due geni codificano per la proteina NS1 e per le proteine del capside, VP1 e VP2. Il terzo gene produce una proteina non strutturale, ad alto grado omologia con NP1 dei bocavirus animali, a funzione sconosciuta. Conosciuti almeno 4 genotipi, probabilmente dotati di differente tropismo tissutale. BOCAVIRUS Meccanismi patogenetici e manifestazioni cliniche Diffuso in tutto il mondo e altamente conservato (Australia, America, Asia ed Europa; campioni hanno mostrato una elevata identità di sequenza). Non sembra avere una prevalenza stagionale, distinguendosi così sia dai virus respiratori, che hanno un picco in inverno, sia dal Parvovirus B19 che ha picchi incidenza in primavera-estate. Infezione contratta per lo più nella prima infanzia: presenza di Ab in circa il 50% dei bambini al di sotto dei 2 anni dimostra che il virus è ubiquitario e molto diffuso. Studi hanno dimostrato che rappresenta un importante fattore eziologico per patologie del tratto respiratorio superiore ed inferiore. BoV è presente nelle secrezioni respiratorie del 2-19% dei bambini (IRR- Infezioni Respiratorie Ricorrenti in pediatria) e del 1-6% adulti, con malattie acute delle vie aeree, spesso in associazione ad altri patogeni (RSV, ADV, HSV, Virus parainfluenzale, Enterovirus) ma anche da solo. BOCAVIRUS - Terapia, Profilassi & Controllo Non esiste alcun trattamento, medico o antivirale, specifico anti-bocavirus. Attualmente, gli unici trattamenti disponibili (per esempio, ossigeno, supporto respiratorio, aspirazione delle secrezioni e idratazione) sono per il sollievo dei sintomi (terapia di supporto). Impiego degli immunomodulanti nelle IRR pediatriche sembrano ridurre numero, durata e severità delle infezioni respiratorie (studi pubblicati su riviste nazionali, sperimentazioni ancora in corso). BOCAVIRUS - Terapia, Profilassi & Controllo FARMACI IMMUNOMODULANTI BOCAVIRUS - Attualità Lavoro coinvolge Ospedale tedesco e Università Finlandese. Bambina di otto mesi con alterazioni respiratorie: infezione grave delle basse vie respiratorie con pericolo di vita. Nel lavoro si conferma il coinvolgimento del BoV nell’infezione: identificato con tecniche molecolari di Real Time PCR e sequenziamento. ADENOVIRUS – PARVOVIRUS - BOCAVIRUS Prof. O.E. Varnier – Dott.ssa Martini Isabella Università degli Studi di Genova Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia A.A. 2013-2014 Corso Integrato di Malattie Infettive e Microbiologia Clinica