Медицинская литература

Вирусы гриппа и грипп

Раздел: Медицина 

Э. Д. КИЛЬБУРН (Е. D. KILBOURNE)

I. ВВЕДЕНИЕ. ГРИПП—ЗАБОЛЕВАНИЕ С НЕИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ СИМПТОМАТИКОЙ,

ВЫЗЫВАЕМОЕ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ВИРУСОМ

Огромный интерес, привлекаемый в современной вирусологии к гриппу и вирусам, ответственным за его возникновение, требует объяснения, если учесть ординарный характер симптоматики этого, обычно очень умеренного, инфекционного заболевания дыхательных путей человека. Вирусы гриппа репродуцируются по законам продуктивной инфекции без заметной склонности к латентности, неоплазматической индукции или другим тонким взаимодействиям вируса с клеткой. Эти вирусы вызывают острый воспалительный процесс, в трахее, сопровождающийся сильной, но длящейся недолго, лихорадкой и прострацией. Симптоматика типичного заболевания была сходной за последние 400 лет, в течение которых оно то надоедливо тлело, то периодически наводило ужас, подобно последней чуме человечества (Kilbourne, 1963). По непонятным причинам заболевание гриппом также не поддавалось контролю при искусственной иммунизации, несмотря на доказанную иммуногенность специфических вакцин, полученных в последние 40 лет (Chenoweth et al., 1936). В 1947 г. после появления штаммов вируса гриппа с антигенной формулой H1N1 (см. табл. 2) впервые стало понятно, что степень антигенной вариабельности вируса гриппа типа А так 'велика, что он может преодолеть иммунный барьер против ранее циркулировавших штаммов. Таким образом, стало ясно, что грипп — заболевание с одинаковыми внешними проявлениями — вызывается разными вирусами, вернее вирусом, по своей антигенной изменчивости исключительным среди инфекционных агентов. В связи с возрастающими трудностями в эпидемиологии гриппа его возбудитель все более интенсивно начинают использовать как объект лабораторных исследований: на вирусе гриппа впервые продемонстрировали реакцию гемагглютинации (Hirst, 1941; McClelland, Hare, 1941), это был первый вирус животных, на котором показали возможность рекомбинации (Burnet, Lind, 1949). В отношении вируса гриппа впервые было доказано, что он содержит фермент в качестве структурного белка (Hirst, 1942; Rafelson et al., 1963; Kilbourne, Laver, 1966; Drzeniek et al., 1966) и что одним из этапов его репродукции является отпочкование от плазматических мембран клетки-хозяина (Murphy, Bang, 1952). Еще более необычным было то, что вирусы гриппа исследовали обычно параллельно изучению гриппа как заболевания. На раннем этапе исследователи «первого поколения», такие, как Shope, Andrews, Smith, Laidlaw, Stuart-Harris, Hoyle, Mulder, Burnet, Hirst, Francis, Horsfall и А. А. Смородпнцев, проводили как лабораторные, так и полевые исследования, получая информацию то из одного источника, то из другого. Эта традиция продолжается до настоящего времени, так что многие из авторов этой книги могли бы достаточно квалифицированно написать о многих проблемах изучения вирусов гриппа или гриппа как заболевания (помимо тех, в которых они считаются узкими специалистами) .

За последние 10 лет отмечаются большие успехи в области понимания структуры, репликации и иммунологии вируса гриппа, что объясняется частично внедрением методов, широко используемых в современной молекулярной биологии, а частично разработкой специальных систем и методов исследования именно вируса гриппа. К последним относятся разработка метода бляшек и методов клонирования, облегчивших генетические и антигенные исследования вируса (Simpson, Hirst, 1961; Sugiura, Kilbourne, 1965), методы изоляции и очистки вирусных полипептидов (Laver, 1963; Eckert, 1966; Compans et al., 1970; Haslam et al., 1970; Schul-Z'C, 1970; Skehel, Schild, 1971), разработка .моделей (с использованием животных) для изучения патогенеза и иммунитета (Shope, 1931; Loosli, 1949; Schulman, Kilbourne, 1963; Nayak et al., 1965; Webster et al., 1971; Potter et al., 1973), а также использование новых серологических методов для антигенного анализа вируса и полевых исследований (см. Schild и Dowdle, гл. 11). Результатам этих усилий явились значительный прогресс в познании природы вируса, улучшение эпидемиологического надзора и разработка новых подходов при производстве вакцин (см. гл. 15). Это, однако, до сих пор еще не привело к существенному прогрессу в борьбе с самим заболеванием.

II. ТАКСОНОМИЯ ВИРУСОВ ГРИППА

Вирусы гриппа являются относительно большими по размерам оболочечными вирусами, содержащими в качестве генома РНК в расщепленной или фрагментированной форме. Молекулы однонитчатой РНК имеют неинформационную полярность — «негативный» геном в терминологии Baltimore (1971) и в связи с этим в составе вириона содержат РНК-за-ипсимую РНК-транскриптазу. Транскрипты 5—7 фрагментов РНК кодируют (вероятно, как моноцистронные информационные РНК) синтез 5—7 .вирусных структурных белков и, по-видимому, одного неструктурного белка, обнаруживаемого в клетке во время 'вирусной репликации1.

Относясь к семейству ортомиксовириде, вирусы гриппа по своим свойствам близки большим по раз!мерам вирусам парагриппа, относящимся к семейству парамиксовириде (табл. 1), а именно: наличие у обоих вирусов негативного РНК-генома, вирионной транскриптазы н внешней оболочки, содержащей гликопротеидные «шипы», ответственные за гемагглютиниру-ющую и нейраминидазную активность, а также преимущественная локализация их в клетках дыхательных путей. Однако в отличие от парамиксовирусов вирусы гриппа содержат фрагментированный геном, что обусловливает наличие у них высокой частоты генетических рекомбинаций или пересортировок (см. гл. 7), имеют ядерную фазу репликации, чувствительную к действию актиномицина D; вирусы гриппа не обладают гемолитической активностью для клеток; вероятно, за их гемагглютинирующую и нейраминидазную активность отвечают разные белки и для них нет убедительных доказательств осуществления экспериментального или естественного персистентного существования в клетке.

Вирусы гриппа классифицируют по трем биологически сходным, но различным по антигенной структуре типам А, В и С (табл. 2). Вирусы, относящиеся к различным родам2, не обладают общими антигенами, имеют разную эпидемиологию и, вероятно, существует отличие в отношении остроты вызываемого ими заболевания. Генетическая рекомбинация или комплементация между вирусами, принадлежащими к разным типам, не наблюдалась. Таким образом, вирусы гриппа различных типов можно рассматривать как относящиеся к разным видам (см. сноски под табл. 1). Подтипы вируса гриппа А представлены большим числом антигенных вариантов вируса, которые при своем (возникновении вызывали пандемии гриппа. В любой момент в человеческой популяции существует только один подтип вируса гриппа — каждый подтип вытесняется из популяции последующим. У животных могут сосуществовать вирусы, относящиеся к различным в антигенном отношении серотипам (см. гл. 9 и 15).

В человеческой популяции в межэпидемические периоды каждые 2—3 года происходят значительные изменения в антигенах  вируса  гриппа — гемагглютинине  и  нейраминидазе.

Такие антигенные варианты, вероятно, можно расположить в виде непрерывного ряда точечных мутантов исходного про-тотипного штамма (см. гл. 10). Однако быстрый отбор штаммов, происходящий в природе, и неполнота сведений, обусловленная выделением лишь части циркулирующих штаммов, создают картину довольно ограниченной изменчивости, которой, однако, достаточно для выявления четких различий между штаммами. В любой период, когда преобладает тот или иной подтип вируса гриппа, возникают минорные, но тем не менее хорошо идентифицируемые варианты. В табл. 2 представлены шесть минорных вариантов, возникших во время существования вируса гриппа подтипа H3N2 (Гонконг),, который вызывал последние эпидемические вспышки гриппа. Эти варианты содержат несколько Общих антигенных детерминантов; по некоторым же они полностью различны (Laver et al., 1974).

СРАВНЕНИЕ ВИРУСОВ ГРИППА А, В И С —СХОДСТВО И РАЗЛИЧИЕ

Вскоре после выделения вируса гриппа А при заболева-человека стало ясно, что не все случаи гриппа связаны именно с этим вирусом. В 1940 г. Francis (1940) и Magill ( 1940) независимо друг от друга выделили у человека, больного гриппом, вирус, в антигенном отношении отличный от ннруса гриппа А. Этот вирус, сходный с вирусом гриппа А но спектру хозяев и по биологическим свойствам, был назван нпрусом гриппа В. Позднее, в 1947 г., Taylor (1949) выделил к;: мягких тканей верхних дыхательных путей агент, оказавшийся гемагглютинирующим вирусам. «Штамм 1233» вначале был принят за спорадически выделяемый вирус, имеющий небольшое значение, однако позднее Francis и соавт. (1950) выделили антигенно идентичный вирус при эпидемическом респираторном заболевании детей. Впоследствии, после других случаев выделения этого вируса при неостром грштпопо-добном заболевании, его назвали вирусом гриппа С. Трудности в разработке адекватных клеточных систем для репликации вируса и в демонстрации связи его с заболеваниями человека препятствовали его изучению, и в настоящее время имеется меньше информации о свойствах этого вируса по сравнению с вирусами гриппа А и В. В литературе отсутствуют сведения о наличии в вирусе гриппа С нейраминидазы (Kendal, Kiley, 1974) или какой-либо другой гликозидазы, которая вслед за реакцией гемагглютинации разрушает клеточные рецепторы (табл. 4). Вполне вероятно, что наличие у вируса гриппа С нейраминидазной или другой гликозидаз-ной активности 'будет показано при подходящих условиях эксперимента.

Последовательность открытых вирусов гриппа А, В и С совпадает с положением этих вирусов в ряду их вирулентности для человека и животных, широты спектра хозяйских -клеточных культур, степени и частоты их антигенных изменений, оптимальных температур для репликации и их эпидемиологического значения (см. табл. 4). Вирусы гриппа А отличаются от вирусов гриппа В и С тем, что могут существовать и многократно передаваться в среде низших животных, а также своей связью с пандемией заболевания. Эти две особенности вируса гриппа А могут быть связаны друг с другом (см. гл. 10 и 15). Интересное, но еще не объясненное свойство вирусов гриппа А — их чувствительность к действию амантадина—также отличает вирусы этого типа от вирусов гриппа В и С, хотя было сообщено, что некоторые производные амантадина действуют и на вирусы гриппа В (In-dulen et al., 1974).

Только два вируса, содержащих вирускодируемую нейр-аминидазу, а именно вирусы парагриппа и вирусы эпидемического паротита имеют поразительное внешнее сходство с вирусами гриппа, обладая гемагглютинирующей активностью, сродством к некоторым рецепторам клетки и способностью к репликации до высоких титров в аллантоисной жидкости куриных эмбрионов, а также локализацией инфекционного процесса в клетках дыхательных путей. Но в механизме репликации, структуре генома и генетике между орто- и парамиксовирусами имеются существенные различия. Наиболее разительные из них заключаются в наличии ядерной фазы репликации вирусов гриппа, зависящей от ДНК клетки-хозяина, во -фрагментарности их генома и аномальной склонности к рекомбинации и генетическим пересортировкам.

Вирусы гриппа С отличаются от вирусов гриппа А и В тем, что репликация (по крайней мере при инфицировании куриных эмбрионов или при инфекции in vitro) этих вирусов более интенсивна при температурах ниже средней температуры человеческого тела (37 °С). Это свойство, вероятно, объясняет пониженную вирулентность вируса гриппа С, а также его преимущественную локализацию в тканях верхних дыхательных путей. Вероятно, этот вирус и, за 'некоторыми исключениями, вирус гриппа В «выключаются» из репликатив-ного процесса при более высокой температуре легких человека, так же 1как это делают температурочувствительные мутанты вируса гриппа A (Mills, Chanock, 1971), и в связи с этим снижают   свою   первичную   патогенность   для   человека.

IV. СТРУКТУРНОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ

РОДСТВО ВИРУСОВ ГРИППА С ДРУГИМИ

РНК-СОДЕРЖАЩИМИ ВИРУСАМИ

Ответы на загадки антигенной изменчивости и широкого распространения некоторых штаммов вируса гриппа, 'несомненно, должны быть заключены в особенностях структуры и функционирования вирионов. Другими словами, необычное биологическое поведение вируса может быть скоррелировано с особенностями его химического состава и структуры. Если вирусы гриппа сравнить с другими РНК-содержащими вирусами животных (табл. 5), станет ясно, что они очень сходны с парамиксовирусами и совершенно отличны от тогавирусов и рабдовирусов, которые, так же как и вирусы гриппа, строят свою внешнюю оболочку из плазматических мембран клетки-хозяина. Подобно другим оболочечным РНК-содер-жащим вирусам (см. табл. 5), вирусы гриппа отпочковываются от поверхности клетки во время заключительного этапа формирования и высвобождения зрелого вириона, включая в свой состав липиды клетки-хозяина. Гликозидирование полипептидов, образующих вирусные оболочечные «шипы», происходит в результате действия ферментов клетки непосредственно перед финальным актом вирусной репликации (см. гл. 2 и 8).

Относительную неспецифичность процесса отпочковыва-ния доказали после того, как обнаружили, что при двойном инфицировании клеток с помощью вирусов гриппа и парагриппа (Granoff, Hirst, 1954) и даже гриппа и рабдовирусов (Lavada, Rosenbergova, 1972) может возникнуть 1фенотипиче-ское смешивание или замещение вирусных оболочечных компонентов с возникновением вирусных псевдотипов.

Если антигенная изменчивость каким-то образом связана со склонностью вирусов гриппа ж генетическим перестройкам, это должно объяснять отсутствие подобной изменчивости у реовирусов. Как было показано ранее (Kilbourne, 1973), в неактивных или дефектных частицах реовируса не происходят антигенные перестройки (Fields, 1971), как это наблюдается в таких же частицах вируса гриппа, поэтому такой путь генетической амплификации для .них не осуществляется. Обнаруженная 'неспособность вирусов гриппа существовать в стабильном или персистентно-ассоциированном виде с клеткой-хозяином или ее геномам либо каким-либо внешним резервуаром может диктоваться его потребностью в .постоянных антигенных изменениях, являющихся механизмом его борьбы за существование.

V. АНТИГЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВИРУСА ГРИППА И ЕЕ ОТЛИЧИЕ ОТ АНТИГЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ДРУГИХ ИНФЕКЦИОННЫХ АГЕНТОВ

Для большого числа организмов антигенные свойства их белковых или углеводных компонентов настолько стабильны, что могут служить таксономическими 'признаками. Основные антигенные варианты вирусов могут быть отобраны для лабораторного изучения и идентифицированы с помощью таких тонких методов антигенного анализа, как кинетическая нейтрализация или уменьшение размера бляшек в присутствии антисыворотки (Wecker, 1960). Такие основные изменения внутри типа (например, полиовирусы) недостаточны, чтобы вызвать заметную перекрестную иммуногенность между различными штаммами, и наличие их скорее доказывает, что опровергает концепцию антигенной стабильности как почти универсальной характеристики инфекционных агентов.

Известным исключением из этого правила (в дополнение к вирусам гриппа) могут считаться организмы рода Borrelia, подверженные значительным антигенным изменениям даже тогда, когда они инфицируют одного хозяина. Действительно, возвратный характер лихорадки во время заболевания, которое Borrelia вызывает у млекопитающих, был объяснен по-иторяющимся появлением во время болезни микроорганизмов с новыми антигенными свойствами (Felsenfeld, 1965). Такого рода возвратные явления, повторяющиеся спустя несколько недель после .начала болезни, если они связаны с антигенными изменениями спирохеты, должны свидетельствовать об аномально высокой скорости и степени мутационного процесса. С другой стороны, по крайней мере в одной работе было описано обнаружение нескольких вариантов Borrelia у 'крыс при заражении отдельного животного (Schuhardt, Wilkerson, 1951) и около девяти вариантов Borrelia найдено is клещах, переносящих эту спирохету (Cunningham, Frazier, 1935). Это, возможно, указывает на то, что предсущеетвую-щие антигенные варианты, размножающиеся с различной скоростью, ответственны за возвратный характер заболевания. Учитывая неадекватность существующих в настоящее время методов антигенного анализа Borrelia и то, что «мы еще не в состоянии характеризовать и дифференцировать шта>ммы по их антигенной реактогенности» (Turner, 1965), сравнение описанного явления с документированными исследованиями вирусов гриппа нельзя считать в настоящее время сколько-нибудь полезным.

Антигенные изменения во время инфекционного .процесса были описаны при естественном и экспериментальном трипаносомозе и малярия. Эти изменения были скоррелированы со случаями возвратных симптомов лихорадки, которыми характеризуются эти заболевания. В настоящее время считают, что в трипаносомах антигенные изменения возникают за счет фенотипичеекой (модификации поверхностных глико-протеидов паразита, в результате чего этот организм фактически имеет сменную оболочку (Vickerman, 1969; Vickerman, Luckins, 1969). Эти поверхностные антигены теряются при лабораторном культивировании простейших н после того, как метациклически измененная трипаносома пройдет цикл развития в переносчике происходит возвращение к исходному антигенному типу (Vickerman, 1969). Таким образом, антигенные генотипы, по-видимому, возникают не за счет мутации и селекции подобно вирусам гриппа. Таким же образом изменение поверхностных антигенов мерозоита при экспериментальной малярии у обезьян может иметь отношение к явлению, не связанному с иммуноселекцией. Скорее всего это изменение может отражать «фенотипическую регуляцию с помощью специфических иммуноглобулинов» (Brown, 1973). Кроме того, искусственная иммунизация мерозоитной вакциной вызывает иммунный ответ, более широкий и менее специфичный, чем ответ на само заболевание (Mitchell et al., 1974). Это указывает на то, что иммунологические варнанты обладают общими антигенными детерминантами

Имеются некоторые указания на то, что в неклассифицированном Р.НК-содержащем вирусе инфекционной анемии свиней постоянно могут происходить антигенные изменения, сопровождаемые явлениями возвратной лихорадки (Копо et al., 1973). Однако авторы, обнаружившие это явление, осторожно отмечают, что использованные ими 'методы клонирования были несовершенны. Таким образом, эту интересную систему необходимо изучить более подробно, прежде чем сравнивать ее изменчивость с изменчивостью вируса гриппа.

По всей вероятности, другие неперсистирующие организмы (особенно инфицирующие «летки дыхательных путей) встречают трудности в борьбе за существование в связи с тем, что в процессе дивергентной микроэволюции представлены несколькими, по-видимому стабильными в антигенном отношении, типами, существующими и циркулирующими одновременно (риновирусы, аденовирусы, пневмококки и стрептококки) . В случае риновирусов, например конкуренция между отдельными серотипами вируса за один и тот же хозяйский субстрат может происходить за счет интерференции достаточного числа чувствительных к данному серотипу вируса хозяев. Уникальность же вируса гриппа состоит в исчезновении вариантов и подтипов и превалировании одного се-ротипа вируса. Можно предположить, что вирусы гриппа существуют в сбалансированном с высокой точностью равновесии даже при очень разобщенном взаимодействии с человеком, когда имеется беспощадная конкуренция между отдельными вариантами этого вируса.

VI. НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ

Основная задача этой книги — суммировать и рассмотреть в критическом и перспективном аспектах современное состояние знаний о гриппе и вызывающих его вирусах. В последние годы появилась обширная информация о вирусе и его репликации. Меньшее внимание мы уделяли в это время исследованию самого заболевания и его эпидемиологии, хотя новейшие знания о природе вириона и были положены в основу некоторых вполне вероятных и интригующих гипотез о механизме возникновения новых вирусных штаммов (см. гл. 10 и 15). Однако до сих пор остается много белых пятен на карте наших знаний как о природе вируса и его репликации, так и о патогенезе самого заболевания. Необходимо уточнить детали репликативного процесса, особенно механизм транскрипции и трансляции. Требует доказательства (как это было уже сделано в случае реовирусов) положение о том, что каждый фрагмент вирусной РНК ответствен за моноцистронную репликацию. Неясна также точная структура генома внутри вириона, так же как локализация и роль внутримолекулярных перестроек в нем.

Требуют та.кже дальнейших исследований факты селективного ингибирования с помощью адамантана вирусов гриппа А и отсутствия яейраминидазы в вирусах гриппа С.

Загадки клинического течения ослабляющего организм лаболевания с системными симптомами и отсутствие в большинстве случаев заметной виремии, по-видимому, будут решены путем выяснения природы антигенемии и исследования токсичности очищенных полипептидов вириона.

Почему среди всех ортомиксовирусов только вирусы гриппа А персистируют и вызывают эпизоотии среди низших животных и какие экологические факторы позволяют существовать в этой среде в одно и то же время несколькими различными видами вируса гриппа? Позволят ли дальнейшие исследования впервые дать точные сведения об источнике следующей большой пандемии? Будет ли трипп со всей своей необычностью также необычно восприимчивым к нашим попыткам искоренить его с помощью соответствующей стратегии и тактики искусственной иммунизации?

ЛИТЕРАТУРА          .

Baltimore D. Bacteriol. Rev., 1971, v. 35, p. 235.

Brown K. N. Nature (London), 1973, v. 242, p. 49.

Burnet F. M., bind P. E. Aust. J. Sci., 1949, v. 12, p. 109.

Chenoweth A., Waltz A. D., Stokes J., Jr., Gladen R. G. Am. J. Dis. Child.,

1936, v. 52, p. 757. Compans R. W., Klenk H. D., Caliguiri L. A., Choppin P. W., Virology, 1970

Cunningham J., Frazier A. G. L. Indian. J. Med. Res., 1935, v. 22, p. 595. Drzeniek R., Seto J.  Т., Rott R.  Biochim.    biophys.    Acta,    1966

Eckert E. A. J. Bacteriol., 1966, v. 92, p. 1430. Felsenfeld O. Bacteriol. Rev., 1965, v. 29, p. 46. Fenner F., Pereira H. G., Porterfield J. D., Joklik W. K-, Downie A.  W. In-

tervirology, 1974, v. 3, p. 193. Fields B. Virology, 1971, v. 46, p. 142. Fields В., Joklik W. K. Virology, 1969, v. 37, p. 335. Francis Т., Jr. Science, 1940, v. 92, p. 405.

Francis Т., Jr., Quitligan J. J., Minuse E. Science, 1950, v. 112, p. 495. Granoff A., Hirst G. K. Proc. Soc. exp. Biol., 1954, v. 86, p. 84. Haslam E. A., Hampson A. W., Egan J. A., White D. O. Virology, 1970

Hirst G. K. Science, 1941, v. 94, p. 22. Hirst G. K. J. exp. Med., 1942, v. 76, p. 195. Indulen M. К., Kanele I. A., Dzeguze D. P., Ryasantseva   G.   M.,   Kalnlnya V. A. Proc. Symp. Antivir. Subst. Bratislava, 1974. Kendal A. P. Virology, 1975, v. 65, p. 87. Kilbourne E. D. In: Preventive Medicine and Public Health  (W. G. Sinillie, ed.), New York, Macmillan, 1963, p. 192. Kilbourne E. D.  J. infect. Dis., 1973, v. 128, p. 668.