Virus Ebola
zpracoval: Jiří Svršek Podrobný popis případu nákazy virem Ebola v roce 1989 v opičí farmě Reston vyděsil milióny čtenářů románu Richarda Prestona "Hot Zone" (v České republice vyšlo pod názvem "Zákeřná Ebola").
Virové hemorrhagické horečky (VHF) jsou četná onemocnění zvířat, z nichž některá vyvolávají hemorrhagický syndrom u lidí. Virové hemorrhagické horečky (horečky provázené mohutným krvácením ze všech tkání) jsou způsobeny filoviry, arenaviry, bunyaviry a flaviviry. Konkrétními původci jsou viry Ebola, Marburg, Lassa, Junin (argentická VHF), Machupo (bolivijská VHF), Sabia (brazilská VHF), Guanarito (venezuelská VHF), horečka Rift Valley a další.
Virus Ebola patří do rodiny tzv. filovirů [Filoviridae], které mají nitkovitý tvar. Dosud byly objeveny čtyři podtypy tohoto viru: Ebola Zaire (EBO-Z), Ebola Sudan (EBO-S), Ebola Reston (EBO-R) a Ebola Cote d'Ivoire (EBO-CI). Viru Ebola je příbuzný virus Marburg. Dosud nejničivějším kmenem viru Ebola Zaire je kmen Mayinga, izolovaný z krve mladé řádové sestry Mayingy N.
V roce 1967 se téměř současně objevily případy hemorrhagické horečky v Jugoslávii a v Německu u laboratorních pracovníků, kteří studovali ledviny afrických opic. Bylo postiženo 31 lidí, z toho 7 zemřelo. Virus byl poprvé popsán v Marburgu, odkud získal své jméno. Další jednotlivé případy byly zaznamenány v letech 1975, 1980, 1982 a 1987.
V roce 1976 byla zaznamenána vážná epidemie hemorrhagické horečky v Zaire a v Súdánu. V Zaire bylo zaznamenáno asi 300 nemocných s úmrtností 80 procent (virus Ebola Zaire). V Súdánu bylo zaznamenáno také asi 300 nemocných s úmrtností 50 procent (virus Ebola Sudan).
Virus Ebola byl poprvé izolován v Zaire (nyní Demokratická republika Kongo) a byl pojmenován podle malé řeky v severozápadní části země. Virus se svoji strukturou podobá viru Marburg, ale geneticky se odlišuje.
Epidemie viru Ebola Zaire byla zaznamenána v roce 1995 v oblasti Kikwit v Zaire (více než 315 případů s úmrtností 80 procent). Epidemie viru Ebola Sudan byla zaznamenána v roce 2000 v oblasti Gulu v Ugandě (více než 400 případů s úmrtností 50 procent). V roce 1996 v Gabonu bylo postiženo 20 lidí, kteří lovili šimpanze a zřejmě se od jednoho z nich nakazili. Virus Ebola byl zaznamenán u šimpanzů pojídajících maso a nikoliv u přísně vegetariánských šimpanzů stejné skupiny.
Virus Ebola Reston se poprvé objevil v opičí farmě v Restonu v roce 1989 a v Texasu v letech 1990 a 1996. Tyto infekce postihly všechna zvířata na farmách. Později se zjistilo, že jejich příčinou byl dovoz opic makaků od jediného filipínského dovozce.
Přestože virus Ebola sám své šíření omezuje, neexistence účinné vakcíny a léčby vyvolává oprávněnou pozornost odborníků a určité obavy veřejnosti. Podle některých odborníků se virus Ebola může přenášet nejen infikovanou krví, ale také vzduchem. Důkazem je šíření viru Ebola Zaire u laboratorních opic makaků, které nikdy nepřišly do vzájemného kontaktu.
Filoviry jsou považovány za velmi nebezpečené infekční viry zařazené do skupiny 4 (virus HIV patří do skupiny 2+). Mohou infikovat myši, guinejská prasata a primáty. Jejich původ však není dodnes znám.
Viry hemorrhagické horečky jsou považovány za potenciální biologickou
zbraň teroristů. Pokud by tyto viry byly rozšířeny ve velkém městě, velmi
rychle by způsobily závažné a rozsáhlé škody na zdraví a životech civilního
obyvatelstva.
Inkubační doba hemorrhagické horečky je od 1 do 21 dní, nejčastěji od 3 od 10 dní.
Nástup hemorrhagické horečky je obvykle náhlý. Onemocnění trvá od několika dní až do několika týdnů. Pacient může mít nespecifické příznaky, jako je vysoká horečka, malátnost, celková slabost, závratě a zvracení. Jak se příznaky zesilují, dochází k poklesu krevního tlaku, k trvalé horečce, krvácení z tělních dutin, k zarudnutí očí. Příznaky se mohou rychle zhoršovat, objevují se krevní podlitiny a krvácení z kůže. Pacient upadá do šoku. Objevuje se encephalopatie, hepatitida, snížení počtu bílých krvinek, poruchy srážlivosti krve.
Virus Ebola Zaire napadá všechny orgány a tkáně kromě kosterních svalů a kostí. Proniká snadno membránami buněk, kde svoji ribonukleovou kyselinu zabuduje do ribosomů v jádrech napadených buňky a donutí je k rychlé produkci dalších virů.
V krevním oběhu postiženého se začnou usazovat krevní sraženiny a tok krve cévami se proto zpomaluje. Sraženiny se začnou lepit na stěny cév. Jednotlivé shluky vytvářejí mozaiky, které ucpávají jednotlivé cévy. Tyto mozaiky se postupně zvětšují a po určité době se rozpadají na drobné slepené shluky krevních tělísek, která pronikají do kapilár a rychle je ucpávají. Krevní sraženina se šíří do všech orgánů těla a způsobuje nekrózu tkání v mozku, játrech, ledvinách, plicích, střevech, varlatech, v prsních žlázách a všude v kožní tkáni. Někdy se začnou objevovat červené skvrny, nazývané petechie, které jsou způsobeny krvácením z krevních vlásečnic v kůži. Virus Ebola napadá také pojivové tkáně a množí se také v kolagenu, důležitém proteinu, který udržuje stavební strukturu tkání. Sedm proteinů viru Ebola rozkládá stavební proteiny tkání dosud neznámými enzymatickými mechanismy. Kolagen v tkáních postupně ztrácí pružnost a mění se v houbovitou hmotu. Podkožní vrstvy rychle odumírají a mění se v kašovitou hmotu. Kůže je pokryta bílými puchýřky a malými červenými skvrnami, tzv. makropapulární vyrážkou. Povrch kůže začíná praskat a z trhlin odkapává sražená krev. Červené skvrny postupně rostou a slévají se v rozsáhlé krevní podlitiny. Kůže se postupně mění v kašovitou hmotu.
Postižený krvácí z úst a z mezizubních prostorů. Ve slinných žlázách se objevují první krevní sraženiny. Každý tělní otvor bez ohledu na svoji velikost propouští červené a bílé krvinky. Povrch jazyka se mění v jasně rudou hmotu, která se začne odlupovat. Ztráta slizničního krytu jazyka způsobuje postiženému kruté bolesti. Pokožka jazyka se trhá při zvracení krevní sraženiny temně hnědé až černé barvy.
Podobně se odlupuje výstelka hrtanu a průdušnice. Mrtvá tkáň padá do plic nebo je vykašlávána s hleny. Srdeční sval ochabuje a na krevní stěně se objevují krevní sraženiny. Při každém stahu srdečního svalu uniká krev do hrudní dutiny.
Mozkové cévy se začínají ucpávat a nedostatek kyslíku způsobuje nekrózu mozkové podpůrné tkáně a neuronů. Mozek plave v mozkovém kalu odumřelé tkáně. Virus proniká do výstelky očních bulv a dovnitř oka proniká krev. Pacient může snadno oslepnout. Kapénky krve ulpívají na víčkách a krev volně vytéká z očí. Velice často dochází k mozkové mrtvici v některé polovině mozku a tím k ochrnutí poloviny těla.
Virus také napadá tkáně vnitřních orgánů. Játra hypertrofují, žloutnou, měknou a praskají. Trhliny narušující buňky procházejí hluboko do jaterní tkáně. Dochází k nekróze jater a k jejich rozpadu. Ledviny ztrácejí funkci, protože jejich tkáň se plní krevní sraženinou s mrtvými buňkami. Organismus je v důsledku selhání ledvin intoxikován močovinou. Slezina se působením viru mění ve velkou krevní sraženinu velikosti baseballového míčku. Střeva se patrně zcela zaplní sraženou krví. Odumírá jejich vnitřní výstelka a odlupuje se. Odchází konečníkem společně se sraženou krví.
Sperma postižených mužů je vysoce infekční. U žen dochází k silnému vaginálnímu krvácení. Pokud je žena těhotná, dochází ke spontánnímu potratu, kdy plod je sám virem infikován. Novorozenec se rodí z červenýma očima a z nosu mu odkapává krev.
Virus Ebola silně postihuje mozkovou tkáň a napadá nejen podpůrné gliové buňky ale také všechny neurony. V závěreční fázi postižený dostává těžké epileptické záchvaty. Celé tělo se svíjí a třese v křečích, paže a nohy se nekoordinovaně zmítají.
Virus Ebola se množí tak rychle, že napadané buňky se mění v jakési krystalické bloky naplněné virovými částicemi. Tyto bloky se nejprve vytvářejí kolem buněčných jader a poté se přemisťují k vnějším membránám buněk. Když dosáhnou membrány, rozpadají se na stovky virových částic, které snadno pronikají membránami buněk, aby mohly zaútočit na další buňky.
Smrt postiženého nastává v důsledku selhání všech životně důležitých
orgánů. Tělo mrtvého se začíná okamžitě rozkládat. Vnitřní orgány se rozkládají
do beztvaré kaše, pojivové tkáně začínají měknout. Tekutina z mrtvého těla
je vysoce infekční.
Výzkumný tým založený americkým Národním ústavem zdraví (National Institutes of Health) v Bethesdě v roce 2000 odhalil klíčový mechanismus, jímž virus Ebola ničí buňky v krevních cévách a v napadených tkáních a vyvolává tím mohutné krvácení (hemorrhagii). Vědci také zjistili, proč virus Ebola neusmrtil pracovníky opičí farmy v Restonu.
V roce 1998 Gary J. Nabel, Zhi-yong Yang a jejich kolegové z Národního ústavu zdraví oznámili své první výsledky studia glykoproteinu viru Ebola. Glykoproteidy jsou biologicky aktivní látky složené z jednoduchých proteinů a z glycidové složky. Rozpouštějí se ve vodě na viskózní tekutiny a teplem nekoagulují. Vyskytují se ve sliznicích, sekretech, ve šlachách a vazivu. Virus produkuje glykoprotein ve dvou formách. Větší forma je součástí povrchu nových kopií viru. Utajená forma potlačuje činnost imunitních buněk (lymfocitů) a povrchový glykoprotein se váže na tzv. endothelové buňky, které vytvářejí výstelku krevních cév.
Nabel a jeho kolegové zjistil, že povrchový glykoprotein viru Ebola neslouží pouze k průniku do endothelových buněk. Když vědci přidali gen, který kóduje tento protein, do laboratorně pěstovaných lidských buněk, pozorovali, že buňky během 24 hodin zaujaly kruhový tvar a vzájemně se začaly od sebe oddělovat. Během dvou až tří dnů všechny buňky uhynuly.
Tato pozorování dokazují, že nejen vazba viru Ebola na buňky, ale také samotná syntéza glykoproteinu napadenými buňkami vede k jejich smrti. Vědci tvrdí, že tento protein musí překonat jistý práh, než začne ničit napadené buňky. Virus totiž musí mít dostatek času na to, aby infikovaná buňka vytvořila nové kopie. Smrt buňky pak vede k rozšíření viru do okolní tkáně.
Nabelův tým provedl další experimenty s nedotčenými krevními cévami zvířat a lidí. Výzkumníci infikovali tyto buňky virem chřipky, do jehož ribonukleové kyseliny vložili genetický kód pro tvorbu glykoproteinu viru Ebola. Během 48 hodin značný počet endothelových buněk uhynul a cévy se začaly rozpadat. Tento mechanismus tedy způsobuje vnitřní a vnější krvácení organismu napadeného virem Ebola.
Mutacemi genu kódujícího glykoprotein viru Ebola výzkumníci vytvořili
varianty viru, které buňky nezabíjely. Tím odhalili část genu, která je
pro ničivé účinky viru podstatná. Předchozí výzkumy již ukázaly, že kmen
Ebola Reston má tuto část odlišnou od kmenu Ebola Zaire. Výzkumníci Národního
ústavu zdraví použili glykoprotein kmenu viru Ebola Reston a zjistili,
že účinkuje sice na buňky cév primátů ale nikoliv člověka.
Virus Ebola obsahuje sedm genů, které kódují osm proteinů. Dva z těchto proteinů, transmembránový glykoprotein (GP), který se nachází na povrchu viru, a rozpustitelná forma glykoproteinu (sGP), jsou kódovány jediným genem. Transmembránový glukoprotein vzniká jako jeden řetězec ze 676 aminokyselin. Tento řetězec se poté rozčlení do podjednotek GP1 a GP2, které jsou vzájemně vázány disulfidovými můstky dvou molekul aminokyseliny cystein. Podjednotka GP1 je zřejmě zodpovědná za vazbu na povrchové receptory buňky a podjednotka GP2 zprostředkovává prolnutí virové membrány s membránou napadené buňky.
Rodina virů Filoviridae, do níž náleží virus Ebola, se řadí do širší skupiny Mononegavirales, do níž náležejí také rodiny virů Paramyxoviriade, Rhabdoviridae a virus onemocnění Borna. Tyto viry zřejmě vznikly ze společného předchůdce zřejmě po posledním glaciálu (době ledové). Tato skupina virů často způsobuje ničivé a mezidruhové infekce, jako virus Marburg a virus Ebola.
Viry skupiny Mononegavirales mají negativní RNA genom, což znamená, že tento genom má opačnou polaritu než mediátorová RNA (mRNA, messanger ribonucleic acid). Mediátorová RNA vzniká transkripcí DNA v jádru buňky a pohybuje se z jádra do buněčné cytoplasmy, kde dochází k syntéze proteinů. Kvůli opačné polaritě virový genom nelze použít přímo pro tvorbu proteinů, dokud není nejprve přepsán do molekul mRNA. Čistý virion RNA tedy není infekční. Viry musí mít vlastní RNA polymerasu, která umožní přepis virové RNA do mRNA.
Další klíčovou vlastností těchto virů je skutečnost, že každá mRNA kóduje pouze jediný protein. Toho je dosaženo použitím transkripčních start a stop signálů, které jsou umístěny na hranicích každého virového genu. Tato vlastnost komplikuje replikaci virového genomu, protože jedinou možností, jak provést replikaci celého genomu je ignorovat transkripční signály.
Struktura genomu viru Marburg se skládá z genů NP, VP35, VP40, GP, VP30, VP24 a L, přičemž geny VP30 a VP24 se částečně překrývají.
Struktura genomu viru Ebola se skládá z genů NP, VP35, VP40, GP, VP30, VP24 a L, přičemž geny VP35 a VP40, geny GP a VP30, geny VP24 a L se částečně překrývají.
Gen NP kóduje nukleoprotein. Geny VP30, VP24, VP35 a VP40 kódují strukturální proteiny viru. Gen GP kóduje glykoprotein. Gen L kóduje RNA-dependentní RNA polymerasu.
Gen GP obsahuje specifické místo pro mRNA, díky němuž jsou tímto genem kódovány dva proteiny: GP a sGP.
Proteiny GP a sGP mají různé funkční vlastnosti, které jsou pro patogenní účinek viru Ebola podstatné.
Rozpustitelný protein sGP interaguje s endothelovými buňkami a interakce s neutrophily zřejmě vede k počátečnímu blokování jejich činnosti. Předpokládá se, že protein sGP může sloužit také jako "návnada" pro antivirové antigeny v organismu.
Transmembránový protein GP se působením buněčné proteasy furinu rozpadá na podjednotky GP1 a GP2. Podjednotka GP2 zůstává v membráně a je zodpovědná za průnik viru membránou. Podjednotka GP1 je vázána k podjednotce GP2 nekovalentní vazbou a zřejmě zajišťuje přichycení viru k napadené buňce.
Protein GP je cytotoxinem pro cévní endothelové buňky ve zkumavce a proto se předpokládá, že v organismu vyvolává rozpad cév (hemorrhagii).
Analýza vzdáleností nesynonymních míst genů umožnila stanovit fylogenetické
vztahy jednotlivých virů podtypů viru Ebola. Virus Marburg a virus Ebola
mají společného původce. Fylogenetická větev viru Ebola se rozštěpila na
dvě větve. V jedné se nacházejí podtypy Ebola Zaire a Ebola Cote d'Ivoire
(Ivory Coast). Ve druhé se nacházejí podtypy Ebola Sudan a Evola Reston.
Odhaduje se, že k substitucím bází v genu GP dochází rychlostí 3,6.10-5
na jednu bázi za rok.
Autoři článku [5] studovali matematický model účinků viru Ebola na malé společenství, například vesnici. Zjistili, že existuje několik faktorů, které ovlivňují rozšíření nemoci, jako jsou podíly přeživších a zemřelých, doba přenosu nemoci, průměrný počet lidí, které může nemocný potkat za den a pravděpodobnost přenosu infekce.
Autoři sestavily následující diferenciální rovnice pro popis infekce virem Ebola:
S'(t) = - B S(t) I(t)
I'(t) = B S(t) I(t) - C I(t) - D I(t)
R'(t) = C I(t)
Funkce S(t) reprezentuje počet vnímavých jedinců v populaci. Funkce I(t) reprezentuje počet infikovaných jedinců. Funkce R(t) reprezentuje počet uzdravených jedinců. Konstanta B určuje podíl nakažených. Autoři pro odhad této konstanty použily součin dvou koeficientů. Jedním z nich je podíl počtu lidí, které může infikovaný člověk za den potkat (b), druhým je pravděpodobnost, že se člověk nakazí (p). Konstanta C určuje podíl přeživších, konstanta D určuje podíl zemřelých. Pro odhad těchto konstant autoři použily převrácenou hodnotu délky onemocnění (r).
Autoři svoji simulaci zahájili s populací 2000 lidí. Tuto populaci rozdělili na 20 infikovaných a 1980 vnímavých. Počáteční podmínky uvedených diferenciálních rovnic tedy byly:
S(0) = 1980, I(0) = 20, R(0) = 0
Protože délka onemocnění je individuální od 7 do 14 dní, hodnota parametru r je v intervalu 1/14 až 1/7. Podíl počtu lidí, které nemocný člověk může za den potkat, tedy konstanta b, je v rozsahu 1/40 až 1/20.
V prvním výpočtu autoři použili hodnoty konstant r = 1/14, b = 1/20, c = 0.15, d = 0.85, p - 0.01, Funkce závislosti počtu infikovaných osob na počtu dní nejprve exponenciálně stoupá, sedmého dne dosáhne svého maxima, pak téměř lineárně zvolna klesá.
Autoři učinili předpoklad, že pokud je podíl počtu lidí, které může infikovaný člověk za den potkat, nejvyšší, a délka onemocnění je nejdelší, pak počet vnímavých lidí vůči onemocnění je nejnižší. Čím více lidí onemocní, tím méně jich je k chorobě vnímavých.
Ve druhém výpočtu autoři použili hodnoty konstant r = 1/14, b = 1/20, c = 0.15, d = 0.85, p = 0.03. Funkce závislosti počtu vnímavých lidí na počtu dní první den pozvolna a od druhého dne exponenciálně klesá, až již čtvrtého dne je počet vnímavých lidí roven téměř nule.
Pravděpodobnost přenosu onemocnění je pro určení počtu infikovaných zcela klíčovým faktorem. Přestože například délka onemocnění je 14 dní, podíl počtu lidí, které může nemocný potkat, je nejmenší a pravděpodobnost přenosu je 0,03, počet infikovaných lidí poroste první tři dny exponenciálně a pak lineárně, takže během 4 dní bude infikováno asi 1400 lidí. Pokud však pravděpodobnost přenosu je 0.01, pak za stejné období bude infikováno jen asi 100 lidí.
Autoři dále sledovali počet uzdravených lidí od 10 dne onemocnění. Použili hodnoty konstant r = 1/14, b = 1/40, c = 0.15, d = 0.85, p = 0.01. Funkce závislosti počtu uzdravených na počtu dní začíná desátým dnem exponenciálně růst od nuly a od 20 dne roste logaritmicky z počtu 150 lidí. růst se neustále zpomaluje, až 60 dne dosáhne asi 300 lidí.
Pokud délka onemocnění je 7 dní, pravděpodobnost infekce je 0.03, tedy hodnoty konstant jsou r = 1/7, b = 1/20, c = 0.15, d = 0.85, p = 0.03, pak funkce závislosti počtu uzdravených na počtu dní prudce logaritmicky roste. Sedmého dne je počet uzdravených ještě roven nule, ale již 10 dne je počet uzdravených asi 200, 20 dne asi 280 a od 30 dne téměř 300. Pak už počet uzdravených nevzrůstá.
Autoři došli k závěru, že virus Ebola způsobuje největší škody v prvních
deseti dnech. Počet infikovaných lidí od 10. dne pozvolna klesá. Přestože
se počet infikovaných snižuje, počet vnímavých lidí téměř ve všech případech
klesne k nule.
Literatura:
[1] Richard Preston: Zákeřná Ebola. Knižní klub. Praha 1996. z angl. orig.: Hot Zone, Random House, 1994, přeložil Stanislav Charvát. ISBN: 80-7176-312-8.
[2] Ebola's Deadly Secrets. Howard Hughes Medical Institute. April 20, 2000.
[3] J. Travis: Ebola protein explains deadly mystery. Science News, August 5, 2000, Vol. 158 No. 6 p. 85
[4] Evaluation in Nonhuman Primates of Vaccines against Ebola Virus. Thomas W. Geisbert, Peter Pushko, Kevin Anderson, Jonathan Smith, Kelly J. Davis, and Peter B. Jahrling
[5] The Ebola Epidemic: Is it a Real Threat? Brooke E. Mote & Kristin R. Malin