O virusima općenito
Često definiramo viruse kao čestice na granici između živog i neživog. Primjerice, ne sastoje se od stanica, nemaju svoj vlastiti metabolizam i ne odgovaraju na podražaje iz okoline, ali ipak, mogu se razmnožavati. Doduše, ne samostalno, za to im je potrebna živa stanica nekog drugog organizma kojega virus tretira kao svog domaćina. Domaćini mogu biti bakterije, biljke, cjelokupni životinjski svijet i naravno ljudi. U razmnožavanju općenito, temeljna pojava je vjerni prijenos informacija, bez obzira na to radi li se o množenju stanica, razmnožavanju čitavih organizama i stvaranju potomstva, ili o množenju tako jednostavnih struktura kao što su virusi.
Ove informacije o građi i funkciji, upisane su u kôd nukleinskih kiselina i sadrže upute temeljem kojih se proizvode bjelančevine, osnovne građevne molekule biološkog svijeta. Sva živa bića ove informacije imaju upisane u kôd DNK, osim nekih virusa čija se replikacija događa i temeljem informacija upisanih u kôd RNK. Upravo temeljem ove činjenice viruse možemo široko podijeliti na DNK i RNK viruse.
Opis biologije virusa na primjeru influenca i koronavirusa
Virusi izvan stanice domaćina postoje u obliku čestica koje zovemo virioni. To nisu stanice, nego jednostavni molekularni sklopovi koji nose nukleinsku kiselinu zaštićenu bjelančevinskim omotačem, kapsidom. Pored toga, neki su virusi obavijeni membranom u kojoj plivaju bjelančevine važne za hvatanje virusa na stanicu domaćina. Virus bira i inficira one stanice koje na svojoj površini imaju odgovarajuće receptore na koje se ove virusne bjelančevine mogu vezati. Tako se, primjerice, koronavirusi svojom membranskom bjelančevinom, nazvanom S-antigen (od engl. Spikes=izdanci, šiljci), koja strši van ravnine membrane stvarajući strukturu poput krune (zbog čega su i dobili ime koronavirusi, lat. korona=kruna), hvataju na stanične receptore. S-antigen koronavirusa ima afinitet za receptore na stanicama dišnog epitela, točnije za molekule angiotenzin-II pretvorbenog enzima (ACE-2, angiotenzin-II converting enzyme).
Sama funkcija ovog enzima u vezanju virusa nije važna osim činjenice da ova molekula kao receptor služi za sidrenje virusa na membranu ciljne stanice i prodor virusa u stanicu. Kao dodatni primjer može se spomenuti virus gripe koji se svojom H-bjelančevinom (H od Hemaglutinin) veže na neuraminsku kiselinu, a koju kao oblik sijalične kiseline nalazimo izraženu na epitelu respiracijskog sustava. Nakon hvatanja na stanicu virus gripe koristi drugu, N-bjelančevinu (N od neuroaminidaza) svoje ovojnice za enzimatsko cijepanje neuraminske kiseline što mu omogućava prodor u stanicu. Samo za digresiju, poznati lijek oseltamivir (Tamiflu) blokira enzim neuroaminidazu, a time i ulazak virusa u stanicu.
Postoji 16 izoformi H-bjelančevina i 9 izoformi N-bjelančevina po kojima virusi dobivaju svoja serotipska imena, pa tako razlikujemo primjerice H1N1, H5N1, H7N9 itd. uzročnike epidemija i pandemija. Ne treba posebno spominjati da se različite izoforme ovih molekula različito prikazuju našem imunosnom sustavu, odnosno da svaka izoforma pokreće novi imunosni odgovor u čovjeku koji nije imun (nije prebolio bolest ili nije cijepljen). Kada tome pridodamo i mutacije koje se događaju unutar gena koji kodiraju navedene antigene virusa gripe dobivamo široku paletu, repertoar izoformi virusa u prirodi koji su nepoznati ili djelomično poznati našem imunosnom sustavu, pa je lako shvatiti zašto se svake godine trebamo cijepiti protiv gripe, često trovalentnim ili tetravalentnim cjepivima, tj. cjepivima koja pokrivaju više virusnih izoformi.
Replikacijski ciklus COVID-19 virusa
Replikacijski ciklus COVID-19 virusa vrlo je sličan SARS-CoV korona virusu (SARS od engl. Severe Acute Respiratory Syndrome., teški akutni respiracijski sindrom) koji je 2002.-03. godine izazvao poznatu epidemiju i inficirao oko 8000 ljudi s prosječnom smrtnosti nešto manjom od 10%. S njim dijeli oko 80% genoma. Za ulazak u stanicu pored osnovnog receptora ACE-2 enzima SARS-CoV, a vjerojatno i COVID-19 virus koriste membranske serinske proteaze (proteaze su enzimi koji cijepaju bjelančevine). Postoji više vrsta tih proteaza no vjerojatno je za virus najznačajnija TMPRSS2 proteaza. Lijek “Camostat mesilat” blokira djelovanje serinskih proteaza čime smanjuje mogućnost ulaska virusa u stanicu. Problem i eventualna nedjelotvornost lijeka leži u činjenici da u slučaju blokade serinskih proteaza virus može koristiti i cisteinske proteaze, pa bi za potpuno onemogućavanje infekcije stanice bilo potrebno i njih blokirati.
Koliko znam u ovom trenutku u eksperimentalnim procedurama postoji nekoliko pripravaka koji se koriste kao blokatori cisteinskih proteaza ali ne i u kliničkoj primjeni. Ovi bi lijekovi mogli naći primjenu u infekciji i s drugim RNK virusima, poput MERS koronavirusa, Ebole ili Nipah virusa (uzročnik zoonoze epidemijskog encefalitisa) koji koriste enzime cisteinske proteaze (poput katepsina B i L) kao domaćinove stanične kofaktore za ulazak u stanicu. Ulaskom u stanicu SARS-CoV i COVID-19 virusi raspakiravaju kapsidu i oslobađaju svoju jednolančanu molekulu RNK u citoplazmu stanice. Nose pozitivno-smislenu RNK molekulu što znači da se ona može odmah kao glasnička RNK prepisivati na ribosomima domaćina u jedan veliki poliprotein i nekoliko virusnih proteaza koje ga mogu cijepati na dijelove koji funkcioniraju kao virusni regulacijski proteini.
Ovim regulacijskim proteinima virus preuzima, okupira i sebi prilagođava metabolizam stanice s jasnim ciljem korištenja staničnih resursa za proizvodnju novih virusa. Često takva prilagodba metabolizma stanice rezultira smrću zaražene stanice, pa takav učinak virusa nazivamo citopatogenim. Među tim regulacijskim proteinima ističe se nekoliko enzima čija bi blokada lijekovima mogla ograničiti replikaciju virusa. Kao ciljevi terapije mogli bi poslužiti virusna papainu-slična proteaza, kimotripsinu slična proteaza, virusna helikaza i RNK-ovisna RNK polimeraza. Polimeraza je enzim odgovoran za sintezu virusnih RNK molekula, a funkcijski ga onemogućava adenozinski analog lijek remdesivir.
Ovaj lijek se eksperimentalno koristio u liječenju Ebole, a pokrenuta je i studija liječenja infekcije sa COVID-19 virusom u Kini. U tijeku replikacijskog ciklusa stvaraju se subgenomski odsječci glasničke RNK koji se na ribosomima domaćina sada prepisuju u strukturne virusne proteine čime se omogućava sklapanje novih viriona i njihovo pupanje iz endoplazmatskog retikuluma zaražene stanice te izbacivanje egzocitozom u međustanični prostor. Time se omogućava infekcije nove stanice, odnosno nastavak životnog ciklusa virusa.
Stvaranje zoonotskih virusnih podvrsta u prirodnom okolišu i njihovo širenje na čovjeka
Korona virusi, a time i COVID-19 virus, kao i uzročnici MERS i SARS epidemija (MERS od engl. Middle East Respiratory Syndrome, srednjoistočni respiratorni sindrom, bolest slična SARS-u, od koje je od 2012.-2019. godine obolilo oko 2300 bolesnika s prosječnom smrtnošću od oko 36%) su virusi izrazito skloni mutacijama i stvaranju novih virusnih sojeva. Razloge za takvo biološko ponašanje ovih virusa možemo naći u temeljno dva mehanizma.
Prvo je činjenica da prethodno spomenuti enzim RNK-ovisna RNK polimeraza koja je zadužena za sintezu virusnog genoma radi greške u nukleotidnom slijedu pri sintezi RNK koje se ne provjeravaju i ne popravljaju, što naravno nosi posljedice u smislu drugačije građe virusa koji napuštaju inficiranu stanicu. To je i jedan od temeljnih razloga zbog čega je učestalost mutacija u biologiji RNK virusa općenito daleko veća nego u DNK virusima, budući da DNK polimeraza pri sintezi virusne DNK čini daleko manje grešaka, odnosno eventualno nastale greške u nukleotidnom slijedu ova polimeraza popravlja. Drugi je razlog virusna rekombinacija.
Rekombinacija se događa u stanjima kada dva različita virusa pripadnika iste obitelji, primjerice koronavirusa ili virusa gripe, zaraze istu stanicu te temeljem mehanizama prije spomenutog replikacijskog ciklusa međusobno pomiješaju proizvode svojih genetskih uputa stvarajući novi virusni entitet koji predstavlja kombinaciju ova prethodna dva virusa. Time nastaju virusi novih karakteristika u smislu mogućnosti infekcije stanice, replikacije, mogućnosti širenja u populaciji, virulentnosti i patogenosti. Protiv takvih novih oblika virusa praktički nitko u populaciji nema stvorenu imunost pa se lako šire zbog čega mogu uzrokovati velike pandemije. Stvaranja novih rekombinantnih oblika virusa i posljedičnih pandemija bilo je veći broj u prošlosti, a vjerojatno najpoznatija je pandemija Španjolske gripe, uzrokovane influenca virusom serotipa H1N1, koji je u nekoliko godina nakon I. svjetskog rata ubio između 50 i 100 milijuna ljudi diljem svijeta.
Recentno pamtimo pandemiju tzv. svinjske gripe, a trenutno svjedočimo jednoj takvoj pandemiji s COVID-19 virusom. COVID-19 virus je po svemu sudeći nastao kombinacijom koronavirusa šišmiša koji je dobio oznaku Bat-Cov RaTG13 (s kojim dijeli oko 96% genskog slijeda) i koronavirusa pronađenog u ljuskavcima, s kojim dijeli i do 99% genskog slijeda, osobitu u građi S-antigena. Ljuskavci su u Kini zaštićena vrsta, no poznato je da je ilegalna trgovina za hranu izuzetno razvijena što onda otvara mogućnost da je zaraza čovjeka upravo krenula od ljuskavaca, kao što je unatrag 18 godina zaraza sa SARS-CoV virusom krenula od cibetki, životinja iz roda mačaka, također u Kini.
Koronavirusi u ljudskoj patologiji
Koronavirusi su u ljudskoj patologiji poznati godinama. Od četiri roda virusa, nazvanih alfa, beta, gama i delta, alfa koronavirusi uzrokuju oko 10-30% svih prehlada u ljudi, pored rinovirusa i adenovirusa. COVID-19 virus pripada skupini beta koronavirusa koji mogu uzrokovati infekcije u ljudi i u životinja. Ipak, po svemu sudeći ovaj je virus prvenstveno svojstven životinjama, odnosno njegov prirodni domaćin je šišmiš, a može inficirati i čovjeka pa je bolest koju izaziva u ljudima po toj logici zoonoza. Načelno gledajući virusu nije u interesu značajnije nauditi svom domaćinu. Smrt domaćina vodi u gubitak staništa za virus i ograničava mogućnost širenja na drugu jedinku, pa smrt domaćina u principu znači i smrt virusa.
Zato mnogi virusi svojstveni čovjeku najčešće ne uzrokuju značajnija, barem ne akutna, oštećenja organizma. Razlog tome leži u činjenici da su se ljudski virusi koevoluirajući s čovjekom stotinama tisuća godina prilagodili ljudskoj biologiji, žive u njemu i ne uzrokuju veću štetu, dok s druge strane ljudski imunosni sustav ne čisti te viruse u potpunosti iz organizma, odnosno tolerira ga. Primjer za takve viruse svojstvene ljudskoj vrsti su herpes virusi koji nakon primarne infekcije ostaju u našem tijelu doživotno, najčešće pritajeni, u stanju latencije, a kad osjete da je imunost domaćina popustila započinju cikluse aktivne replikacije. Primjer za takve viruse su herpes simplex virus, zatim herpes zoster virus koji u primarnoj infekciji uzrokuje vodene kozice, a sekundarno bolest zoster (još se naziva šindra), zatim citomegalovirus i Epstein-Barr virus, koji uzrokuje u primarnoj infekciji infektivnu mononukleozu, a godinama kasnije može dovesti do nastanka malignih limfoma i drugih poremećaja. Mnogi od nas nose u svom tijelu sve ove navedene herpes viruse bez nekih većih poteškoća.
Sa zoonotskim virusima, poput novih oblika virusa gripe, virusa hemoragijskih groznica, Ebole ili koronavirusa, pa tako i COVID-19 virusa, priča je sasvim drugačija. Ti se virusi nisu imali vremena evolucijski prilagoditi biologiji čovjeka pa se ponekad ponašaju poput “slona u staklarni”, odnosno uspijevaju inficirati čovjeka, množiti se, često se i prenositi s čovjeka na čovjeka, ali pri tome akutno nanositi veliku štetu organizmu domaćina, koja može rezultirati i fatalnim posljedicama. Teoretski gledano na globalnoj razini zoonotski virusi mogu ugroziti veliki broj ljudi s drastičnim posljedicama na čovječanstvo. Da budemo jasni COVID-19 nije takav virus.
On je gotovo pa bezopasan gledajući na ljudsku populaciju općenito. Na ove trenutačne epidemiološke mjere, reakcije zdravstvenih službi i država, osobno više gledam kao na jedan globalni trening za slučaj da se pojavi širenje nekog puno opasnijeg zoonotskog virusa, nego na potrebu da se zaustavi ova epidemija. No, valja ipak naglasiti da se radi o koronavirusu koji je sklon mutacijama, stvaranju novih izoformi, pa bi ga trebalo suzbiti prije nego što se eventualno promijeni u oblik koji može ljudima globalno nanijeti daleko veću štetu. Da je takva mogućnost izgledna govore nam neke informacije o tome kako su kineski znanstvenici otkrili postojanje dva tipa COVID-19 virusa, “L” podtip koji je kao navodno agresivniji tip uzrokovao oko 70% infekcija i “S” podtip, koji je uzrokovao oko 30% blažih infekcija.
Imunost protiv COVID-19 virusa
U oko upada jedna informacija koju je iznijela i prof. Markotić da virus COVID-19 može biti prisutan u organizmu i više od 3 tjedna, a neki znanstveni radovi govore i o nalazu virusa u brisevima nosa i ždrijela čak i nakon 35 dana od infekcije. Budući da se ne radi o virusu adaptiranom na imunobiologiju čovjeka, imunosni sustav ga ne bi trebao toliko dugo tolerirati. Dalo bi se zaključiti da virus na neki način interferira s imunosnim sustavom domaćina, odnosno da izbjegava mehanizme imunosnog nadzora u pokušaju da stekne prednost u svom rastu i množenju. U prilog ovakvog razmišljanja govore i informacije o razvoju limfopenije (pada broja limfocita u krvi) u teškim oblicima bolesti. Doduše, limfopenija se u takvim stanjima može razviti i iz drugih razloga, no mehanizam izravnog virusnog utjecaja sigurno nije isključen.
Imunost na viruse obuhvaća nekoliko različitih mehanizama koje obično široko dijelimo na nespecifične (urođene) i specifične (adaptivne). Među nespecifičnim mehanizmima dominira obrana stanica od virusa pomoću interferona. Postoji nekoliko podvrsta interferona, no u nespecifičnoj imunosnoj obrani važni su interferoni tipa I (interferoni alfa i beta). Ove interferone proizvodi virusom zaražena stanica i luči ih u svoj okoliš. Time obavještava susjedne stanice o infekciji koje potom aktiviraju svoje antivirusne mehanizme u čemu dominira aktivacija enzima endoribonukleaze koji je sposoban cijepati virusne RNK odsječke i time smanjivati stvaranje novih virusa. To je razlog zašto se, primjerice u postojećoj epidemiji s COVID-19 virusom, koriste terapijske inhalacije s interferonom-alfa.
Specifični imunosni mehanizmi razvijaju se sporije, tijekom 5-7 ili više dana i obuhvaćaju proizvodnju antivirusnih protutijela koja blokiraju i neutraliziraju viruse tijekom njihova boravka u međustaničnom prostoru, a to znači od izlaska iz jedne stanice prije infekcije iduće, te mehanizme ubijanja zaraženih stanica posredstvom tzv. citotoksičnih limfocita T i stanica prirodnih ubojica. Naime, ne postoje mehanizmi koji bi mogli jednom inficiranu stanicu u potpunosti očistiti od virusa ili njegovih dijelova, pa je imunosni sustav naprosto ubije i time uništi virusu stanište. No, ponekad takva pretjerana imunosna aktivnost može dovesti do većeg oštećenja tkiva i značajno pridonositi smrti stanica, pored izravnog citopatogenog učinka virusa. U načelu, specifična imunost vrlo je učinkovita i garantira čišćenje virusa iz organizma te rezultira stvaranjem virus-specifične imunosne memorije koja nas u potpunosti brani od ponovnog prodora istovjetnog patogena i ponovljene bolesti.
Ovu vrstu imunosne memorije možemo steći preboljenjem bolesti ili cijepljenjem, što vodi u povećanje broja imunih jedinki u populaciji a time i na ograničavanje broja onih koje virus može inficirati. Nameće se pitanje zašto specifična imunost ne očisti COVID-19 virus u roku 5-7 dana u nekih ljudi, što je normalna pojava u infekcijama s drugim respiracijskim virusima koji uzrokuju prehlade. Vjerojatno odgovor možemo tražiti u činjenici da je specifični imunosni odgovor u starijih ljudi, ili u ljudi s drugim pratećim bolestima, slabiji, pa virusi uspijevaju izbjeći nadzoru. Odgovor eventualno leži i u nekim imunosubverzivnim virusnim učincima, koje tek trebamo upoznati.
Razvoj bolesti COVID-19
U patogenezi COVID-19 bolesti (razvoju bolesti od infekcije do ishoda) dominira infekcija gornjeg dijela dišnog trakta, što obuhvaća sluznicu nosne šupljine, sinusa, ždrijela i grkljana, a ponekad i donjeg dijela respiracijskog sustava što znači sluznicu dušnika, bronhija i alveolarnog epitela. Koliko vidim iz prikaza slučajeva objavljenih u znanstvenoj literaturi u prvim danima bolesti dominiraju simptomi infekcije sluznice gornjeg dijela respiracijskog trakta, a nakon toga, ponekad, obično u drugom tjednu bolesti, biva zahvaćen i donji dio s mogućim razvojem uvijek obostrane, virusne intersticijske pneumonije.
Zbog izravnog citopatogenog virusnog oštećenja, uz dodatak imunosnog citotoksičnog djelovanja dolazi do razaranja dišnog epitela, cijeđenja tekućine u alveole i razvoj hijalinih membrana, stanja koje nazivamo akutni respiracijski distres sindrom (ARDS). Ovo stanje zahtijeva mehaničku ventilacijsku potporu, a može završiti fatalno.
Virus se može proširiti i na druge organe, poput srca i bubrega te dovesti do multiorganskog zatajenja i smrti. Ipak, dobra je vijest da daleko najveći broj, naročito mladih ljudi, preboli infekciju s COVID-19 virusom samo s lakšim simptomima, a teški oblici se javljaju u manje od 5% svih slučajeva. Rast znanja o biologiji ovog virusa kroz niz objavljenih znanstvenih radova vremenom će dovesti do proizvodnje cjepiva i drugih lijekova koji će osigurati zaštitu populacije kroz imunizaciju i efikasno liječenje oboljelih. Naime, i u ovom slučaju, kao i u svim drugim slučajevima u kojima je čovječanstvo bilo (ili će biti) suočeno s velikim izazovima, ostaje nam samo znanost za pronalaženje rješenja.