Sprawozdanie z konferencji poświęconej współczesnej wirusologii

Wirusy i komórki – złożona gra molekularna

 Wirusy od dawna postrzegane są jako jedne z najprostszych biologicznych form życia. W szkolnych podręcznikach opisuje się je często jako niewielkie cząstki zbudowane z materiału genetycznego i białkowej otoczki. Współczesna wirusologia pokazuje jednak, że relacje między wirusem a zakażoną komórką są znacznie bardziej złożone. Infekcja wirusowa nie jest jedynie prostym procesem namnażania patogenu – to dynamiczna interakcja dwóch systemów biologicznych: wirusa i komórki gospodarza.

Podczas konferencji poświęconej interakcjom wirus-komórka zaprezentowano wiele nowych wyników badań pokazujących, jak subtelne i wielopoziomowe są mechanizmy tych oddziaływań. Wykłady obejmowały zarówno klasyczne zagadnienia wirusologii molekularnej, jak i nowe obszary badań, takie jak:

- wpływ metabolizmu komórki na przebieg infekcji,

- wpływ białek wirusa na metabolizm komórki,

- wpływ białek wirusa na wyhamowanie odporności przeciwwirusowej, zarówno na poziomie wewnątrz- jak i zewnątrzkomórkowym,

- wykorzystanie modeli organoidowych do badania chorób wirusowych

- badania warunków przechodzenia wirusów w stan infekcji przewlekłej

- modelowanie matematyczne przebiegu infekcji wirusowych

- badania nad nowymi strategiami i lekami przeciwwirusowymi

Z przedstawionych prezentacji wyłania się obraz wirusów jako niezwykle skutecznych „manipulatorów” komórkowej biologii. Potrafią one przejmować kontrolę nad procesami metabolicznymi, ingerować w sygnalizację komórkową, a nawet wykorzystywać struktury komórkowe do budowy własnych „fabryk replikacyjnych”. Wielość tych oddziaływań dla każdego z wirusów jest bardzo duża, a przemnażając przez liczbę różnych gatunków wirusa – przeogromna.

Poniżej przedstawiono najważniejsze wnioski i najbardziej interesujące tematy, które pojawiły się podczas konferencji.

Wirusy potrafią pozostawać w organizmie przez całe życie

 Przewlekłe infekcje wirusowe, uśpienie i niskopoziomowa replikacja

Jednym z tematów, który powracał w wielu wykładach i dyskusjach konferencyjnych, była rosnąca świadomość złożoności zjawiska utrzymywania się wirusów w organizmie gospodarza. Klasyczny podział infekcji na ostre i przewlekłe okazuje się coraz mniej adekwatny, ponieważ liczne wirusy mogą funkcjonować w organizmie w stanach pośrednich, obejmujących latencję (uśpienie), bardzo niskopoziomową replikację lub epizodyczne reaktywacje. W ostatnich latach coraz więcej badań wskazuje, że zjawiska te mogą dotyczyć znacznie szerszego spektrum wirusów, niż zakładano jeszcze kilkanaście lat temu.

Najlepiej poznanym przykładem są oczywiście herpeswirusy, które stanowią klasyczny model latencji i reaktywacji. Wirusy takie jak Herpes simplex virus 1, Herpes simplex virus 2, Epstein-Barr virus, Human cytomegalovirus czy Varicella-zoster virus mogą pozostawać w organizmie gospodarza przez całe życie. W przypadku tych wirusów dobrze opisano mechanizmy epigenetycznej kontroli genomu wirusa czyli utrzymywania wirusa w uśpieniu oraz czynniki wyzwalające reaktywację, takie jak np. różne formy stresu komórkowego, immunosupresja czy zmiany metaboliczne.

Coraz więcej danych wskazuje, że mechanizmy częściowej latencji lub niskopoziomowej replikacji mogą występować także w innych rodzinach wirusów. W przypadku Human Immunodeficiency Virus 1 (HIV-1) utrzymywanie się wirusa w postaci zintegrowanego prowirusowego DNA w limfocytach  T pamięci immunologicznej stanowi podstawową przeszkodę w całkowitej eradykacji infekcji. Podobnie wirus Hepatitis B może utrzymywać się w hepatocytach w postaci stabilnego cccDNA, które stanowi rezerwuar wirusa nawet po wieloletniej terapii przeciwwirusowej. (Covalently closed circular DNA, czyli kowalencyjnie zamknięte koliste DNA. Specjalna forma DNA wirusa, która działa jak minichromosom w jądrze komórki). W przypadku wirusa EBV wiadomo, że 95% populacji jest nosicielem DNA wirusa, problemem nie jest więc, czy go mamy, ale jak często się wzbudza i czy wraca w stan uśpienia, czy też przechodzi w stan przewlekłego łagodnego wzbudzenia pomimo braku wirusowego DNA w osoczu.

W ostatnich latach pojawiają się również doniesienia wskazujące na możliwość utrzymywania się niskopoziomowej replikacji w infekcjach wirusów RNA, które tradycyjnie uznawano za wyłącznie ostre. Jednym z przykładów jest wirus Hepatitis E, w przypadku którego dobrze udokumentowano przewlekłe infekcje u pacjentów z immunosupresją. U takich osób wirus może utrzymywać się przez wiele miesięcy lub lat, prowadząc do postępującego uszkodzenia wątroby, jakkolwiek proces jest dużo łagodniejszy niż w przypadku klasycznych zapaleń wątroby typu B i C.

Podobne obserwacje pojawiają się także w odniesieniu do egzotycznych wirusów z rodziny Flaviviridae. W badaniach nad Zika virus oraz Japanese encephalitis virus sugeruje się możliwość utrzymywania się wirusa w tkankach układu nerwowego lub innych niszach immunologicznych. Choć zjawiska te nie są jeszcze w pełni poznane, wskazują na potencjalną zdolność niektórych flawiwirusów do długotrwałego przetrwania w organizmie.

Wśród wirusów, dla których coraz częściej dyskutuje się możliwość długotrwałego utrzymywania się w tkankach, pojawiają się także enterowirusy. W szczególności Coxsackie B oraz Enterovirus A71 wykazywały w niektórych badaniach zdolność do utrzymywania się w tkankach mięśniowych, sercu lub ośrodkowym układzie nerwowym w postaci infekcji o bardzo niskiej aktywności replikacyjnej.

Interesujące obserwacje dotyczą również wirusów powodujących infekcje układu oddechowego. Po pandemii COVID-19 zwrócono uwagę na możliwość długotrwałego utrzymywania się fragmentów RNA lub białek wirusa SARS-CoV-2 w różnych tkankach organizmu. Zjawisko to jest obecnie intensywnie badane w kontekście patogenezy zespołu long-COVID, choć nie jest jeszcze jasne, w jakim stopniu wiąże się ono z aktywną replikacją wirusa.

Tak więc konferencja pokazała, że coraz więcej badań koncentruje się na mechanizmach umożliwiających wirusom utrzymywanie się w organizmie w stanach niskiej długotrwałej aktywności replikacyjnej. Wśród potencjalnych mechanizmów prowadzących do przewlekłych infekcji wymieniano m.in. modulację odpowiedzi interferonowej, manipulację szlakami metabolicznymi komórki, zmiany epigenetyczne genomu wirusa, a także funkcjonalne wyczerpanie limfocytów T. Wskazuje to na rosnące zainteresowanie zjawiskiem viral persistence jako ważnym elementem patogenezy wielu chorób o dotychczas nieznanym pochodzeniu.

Podsumowując, współczesna wirusologia coraz częściej odchodzi od prostego podziału na infekcje ostre i przewlekłe. Coraz więcej danych wskazuje, że wiele wirusów może funkcjonować w organizmie gospodarza w formach pośrednich, obejmujących latencję, bardzo niskopoziomową replikację lub okresowe reaktywacje. Zrozumienie tych procesów może mieć istotne znaczenie zarówno dla diagnostyki, jak i dla opracowania nowych strategii terapeutycznych.

Naturalne związki roślinne jako potencjalne czynniki przeciwwirusowe

Jednym z powracających motywów konferencji były badania nad naturalnymi metabolitami roślinnymi jako potencjalnymi inhibitorami infekcji wirusowych. Kilka zespołów badawczych prezentowało wyniki prac poszukujących związków bioaktywnych w roślinach tradycyjnie stosowanych w medycynie ludowej. Choć większość przedstawionych badań miała charakter wstępny i opierała się głównie na modelach komórkowych lub analizach bioinformatycznych, prace te dobrze ilustrowały rosnące zainteresowanie wykorzystaniem naturalnych produktów jako źródła nowych cząsteczek przeciwwirusowych.

Jedna z prezentacji dotyczyła ekstraktów z liści papai (Carica papaya) badanych pod kątem aktywności wobec wirusa Dengue. W badaniach in vitro wykazano, że niektóre frakcje ekstraktów, szczególnie uzyskane przy użyciu rozpuszczalników o niskiej polarności, mogą ograniczać replikację wirusa w hodowlach komórkowych. Analiza składu chemicznego wskazała na obecność różnych klas metabolitów wtórnych, w tym flawonoidów, alkaloidów i terpenoidów, które potencjalnie mogą oddziaływać z elementami cyklu replikacyjnego wirusa. Autorzy sugerowali, że związki te mogą zakłócać proces wnikania wirusa do komórki lub wpływać na funkcjonowanie enzymów wirusowych.

Podobny kierunek badań zaprezentowano w pracy analizującej metabolity roślin z rodzaju Opuntia. W tym przypadku badania koncentrowały się na możliwości hamowania aktywności neuraminidazy wirusa Influenza A virus. Wykorzystując połączenie modelowania molekularnego oraz testów in vitro wykazano, że niektóre związki obecne w ekstraktach opuncji mogą oddziaływać z miejscem aktywnym neuraminidazy. Wyniki sugerują możliwość blokowania etapu uwalniania nowych cząstek wirusowych z zakażonych komórek, co stanowi mechanizm działania podobny do stosowanych klinicznie inhibitorów neuraminidazy.

Inny poster dotyczył związków wyizolowanych z Phyllanthus brasiliensis, rośliny stosowanej w medycynie tradycyjnej Ameryki Południowej. Autorzy skupili się na glikozylowanym lignanie, który testowano w modelu infekcji wirusem Chikungunya. Eksperymenty typu “time-of-addition” wskazywały, że badany związek działa głównie na bardzo wczesnym etapie cyklu infekcyjnego. Najsilniejszy efekt obserwowano, gdy lignan dodawano w pierwszych godzinach po zakażeniu, co sugeruje wpływ na proces wnikania wirusa do komórki lub wczesną fazę inicjacji replikacji RNA.

W kontekście wirusów oddechowych przedstawiono również wyniki badań nad metabolitami czosnku (Allium sativum) jako potencjalnymi inhibitorami infekcji SARS-CoV-2. W tym przypadku analizowano zdolność różnych frakcji ekstraktów do blokowania interakcji pomiędzy domeną RBD białka kolca wirusa a receptorem ACE2. W testach immunoenzymatycznych wykazano częściową inhibicję tej interakcji, natomiast analizy dockingowe sugerowały możliwość bezpośredniego wiązania niektórych metabolitów roślinnych w obrębie interfejsu RBD-ACE2. Wyniki te wskazują na potencjalny mechanizm działania polegający na hamowaniu wczesnego etapu infekcji, czyli przyłączenia wirusa do komórki gospodarza.

Uzupełnieniem tych prac była prezentacja dotycząca sylimaryny – kompleksu flawonolignanów z ostropestu plamistego – badanej w modelu infekcji wirusami Chikungunya oraz Mayaro. W modelu myszy wykazano, że związek ten może ograniczać zapalenie mięśni i stawów wywołane infekcją wirusową oraz częściowo redukować poziom replikacji wirusa w tkankach. Wyniki sugerują, że w tym przypadku istotną rolę może odgrywać działanie przeciwzapalne oraz modulacja odpowiedzi immunologicznej gospodarza.

Zestawienie tych prac pokazuje, że naturalne metabolity roślinne mogą oddziaływać na różne etapy cyklu infekcyjnego wirusów. Wśród sugerowanych mechanizmów działania pojawiały się m.in. hamowanie wnikania wirusa do komórki, blokowanie aktywności enzymów wirusowych, zakłócanie uwalniania wirionów z komórki oraz modulacja odpowiedzi zapalnej gospodarza. Choć większość prezentowanych wyników ma charakter wstępny i wymaga dalszej weryfikacji w bardziej zaawansowanych modelach eksperymentalnych, prace te wskazują na duży potencjał naturalnych produktów jako źródła nowych cząsteczek o aktywności przeciwwirusowej.

Modelowanie matematyczne rozwoju infekcji w komórce i w organizmie

 Jednym z ciekawych kierunków rozwoju wirusologii jest modelowanie matematyczne przebiegu infekcji wirusowej przy pomocy równań różniczkowych, które opisują tempo przechodzenia wirusa pomiędzy różnymi obszarami komórki, tempo zwalczania wirusa przez mechanizmy przeciwwirusowe oraz tempo przechodzenia między różnymi stanami wzbudzenia infekcji i tempo namnażania. Ten kierunek, jakkolwiek dopiero rozwijający się, wskazuje na rosnącą rolę zagadnień informatycznych, teorii sterowania i modelowania matematycznego przebiegu infekcji, co w przyszłości pozwoli lepiej przewidywać zachowanie się układów obciążonych wirusem, ale również innymi stanami chorobowymi. Na jednym z wykładów opisywano model składający się z aż około 60-ciu równań różniczkowych…

Epigenetyczna obrona komórki przed wirusem

 Jednym z ciekawych mechanizmów obronnych komórki jest zdolność do epigenetycznego wyciszania genomu wirusa. Komórka potrafi „opakować” DNA wirusa w strukturę chromatyny, która uniemożliwia odczytywanie jego genów. W tym procesie ważną rolę odgrywa białko PML, które tworzy w jądrze komórki specjalne struktury zwane PML nuclear bodies. Struktury te działają jak centra kontroli infekcji wirusowej, pomagając ograniczyć aktywność genów wirusa. Wirusy wykształciły jednak mechanizmy przeciwdziałające temu systemowi obronnemu – niektóre z nich produkują białka zdolne do rozbijania tych struktur.

Hamowanie odporności interferonowej

 Wiele wirusów, szczególnie tych dużych i mających zdolność do wchodzenia w stan przewlekły, aktywnie blokuje liczne ścieżki naturalnej wrodzonej odporności przeciwwirusowej. Najczęściej pojawiają się mechanizmy blokowania odporności zależnej od interferonów oraz odpowiedzi ze strony limfocytów NK i CD8+, które stanowią pierwszą linię ognia organizmu przeciw wirusom. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że wszystkie wirusy, które mają długi okres wylęgania, aktywnie hamują odporność przeciwwirusową, by móc się dobrze rozmnożyć zanim organizm rozpocznie zwalczanie infekcji. W tym czasie wirus się namnaża, jednak reakcja zapalna nie włącza się. Żeby taki stan osiągnąć, wirus musi dokonać swoimi białkami naprawdę dużej liczby zablokowań różnych szlaków sygnalizacyjnych, by odporność się nie włączała. 

Manipulacja szlakami sygnałowymi komórki

 Kolejnym ważnym tematem była zdolność wirusów do ingerowania w komórkowe szlaki sygnałowe. Jednym z najbardziej znanych przykładów jest ścieżka sygnałowa PI3K-AKT. Szlak ten odpowiada m.in. za przeżycie komórki, metabolizm oraz wzrost komórkowy. Wiele wirusów aktywuje ten system, aby zapobiec przedwczesnej śmierci zakażonej komórki i zapewnić sobie czas potrzebny do namnażania.

Zaskakujące powiązania między układem nerwowym a odpornościowym

 Jednym z bardziej nieoczywistych tematów konferencji była komunikacja między układem nerwowym a odpornościowym. Okazuje się, że sygnały nerwowe mogą wpływać na przebieg infekcji wirusowych. W szczególności uwagę zwrócono na rolę nerwu błędnego. Nerw ten, o czym mało się mówi, przekazuje informacje o stanie zapalnym z trzewi do mózgu i może tam wpływać na regulację odpowiedzi immunologicznej przeciw wirusom lokalizującym się w układzie nerwowym. Badania na modelach zwierzęcych sugerują, że zaburzenia tej komunikacji mogą zmieniać przebieg infekcji wirusowych w układzie nerwowym.

Metabolizm komórki jako pole walki z wirusem

 Jednym z najczęściej powracających tematów konferencji była rola metabolizmu komórkowego w infekcjach wirusowych. Coraz więcej badań wskazuje, że wirusy aktywnie przebudowują metabolizm komórki. W wielu infekcjach obserwuje się zwiększone zużycie glukozy, nasilony metabolizm aminokwasów oraz wzmożoną syntezę lipidów potrzebnych do tworzenia błon komórkowych, na których powstają nowe cząstki wirusa. W niektórych modelach infekcji wykazano na przykład znaczący wzrost glutaminolizy, czyli procesu wykorzystywania glutaminy jako źródła energii i prekursorów biosyntetycznych, co pod pewnymi względami upodabnia metabolizm komórki zakażonej wirusem do metabolizmu komórki nowotworowej. Zmiany metaboliczne są więc nie tylko skutkiem infekcji – mogą być również jednym z warunków umożliwiających wirusowi efektywne namnażanie się.

Komary również bronią się przed wirusami

 Interesującym wątkiem była także biologia komarów – głównych wektorów wielu chorób wirusowych. Okazuje się, że komary dysponują własnymi mechanizmami przeciwwirusowymi. Jednym z najważniejszych jest system RNA interference, który pozwala owadowi rozpoznawać i niszczyć RNA wirusa. Dzięki temu komary mogą przenosić wirusy takie jak Chikungunya nie chorując przy tym same. Możemy się więc potencjalnie dużo nauczyć od komarów w tym temacie. 

Długotrwałe skutki infekcji wirusowych

Pandemia COVID-19 zwróciła uwagę na możliwość występowania długotrwałych powikłań po infekcji wirusowej. Zjawisko to określane jest jako Long COVID i może obejmować wiele układów narządowych, w tym układ nerwowy, sercowo-naczyniowy oraz oddechowy. Wykłady konferencyjne pokazały, że podobne długotrwałe efekty mogą pojawiać się także po innych infekcjach wirusowych.

Nowe modele badawcze – organoidy

 Coraz większą rolę w badaniach nad wirusami odgrywają organoidy, czyli miniaturowe struktury tkankowe hodowane w laboratorium z komórek macierzystych. Modele te przypominają prawdziwe narządy i pozwalają badać infekcje w warunkach znacznie bliższych fizjologii człowieka niż tradycyjne hodowle komórkowe.

Dzięki organoidom możliwe jest badanie infekcji w modelach mózgu, jelita czy płuc, co otwiera nowe perspektywy w badaniach nad patogenezą chorób wirusowych.

Wirusy jako niezwykle skuteczni „inżynierowie biologii”

 Podsumowując, konferencja pokazała, jak bardzo zmieniło się nasze rozumienie infekcji wirusowych. Wirusy nie są jedynie prostymi patogenami – są niezwykle wyspecjalizowanymi systemami biologicznymi, które potrafią manipulować metabolizmem komórki, ingerować w sygnalizację komórkową i wykorzystywać struktury komórkowe do własnych celów.

Jednocześnie organizm człowieka dysponuje wieloma mechanizmami obronnymi, które starają się ograniczyć infekcję. Zrozumienie tej skomplikowanej interakcji między wirusem a gospodarzem jest kluczowe dla opracowania nowych metod leczenia i zapobiegania chorobom wirusowym.

Badania nad wirusami pozostają jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów biologii i medycyny – a konferencja pokazała, że wciąż odkrywamy kolejne, często zaskakujące aspekty tej niezwykłej dziedziny nauki.

Do zobaczenia na następnej konferencji…

Prof. UAM dr hab. inż. Krzysztof Michalak