Vorlesung Virologie WS 2014/15 PD Dr. M. Schmidtke Prof. Dr. A. Henke Prof. Dr. A. Sauerbrei Institut für Virologie und Antivirale Therapie 1 Wo befindet sich das Institut für Virologie und Antivirale Therapie? Beutenberg-Campus, Hans-Knöll-Str. 2, 07745 Jena http://www.med.uni-jena.de/virologiea Tel.: (9)395713 mail: [email protected] [email protected] Aufgaben und Stellenwert der medizinischen Virologie in Forschung und Krankenversorgung naturwissenschaftliche Grundlagenforschung (Zellbiologie, Molekularbiologie, Immunologie, Genetik, Ätiologie) Medizinische Virologie Diagnostik Prävention Therapie Epidemiologie Pathogenese 3 Aktuelle Influenzasituation in Deutschland Arbeitsgruppe Influenza am RKI: http://www.influenza.rki.de/Wochenberichte Beispiel: Ausbreitung der Influenza während der Saison 2014/2015 40/14 46/14 51/14 Kalenderwochen 1/15 Schmidtke/2015 Flu Gliederung der Vorlesung Allgemeine Virologie: • • • • • • Einführung Begriffe Systematik Aufbau und Struktur Replikation Diagnostik, Therapie, Prävention Georg Thieme Verlag 2. Auflage 2009 Spezielle Virologie: • • • • • • • • • Picornaviren Zoonotische Virusinfektionen Tropische Virusinfektionen Paramyxoviren Rötelnvirus Virus-induzierte Hepatitis Herpesviren Orthomyxoviren Retroviren Spektrum Verlag 3. Auflage 2010 John Wiley & Sons 5 3. Auflage 2009 Einführung: Hypothesen zum Ursprung viraler Infektionserreger: • Virus-first hypothesis: Viren waren schon in der „Ursuppe“ da. Einigen Molekülen gelang es, sich als replikationsfähige Partikel zu verpacken und Wirtszellen zu infizieren (Koevolution). • Regressive (degeneracy) hypothesis: Degeneration aus Bakterien und/oder ähnlichen Organismen. Diese haben sukzessiv ihr Genom verkleinert, bis sie nur noch fähig waren, sich innerhalb von Wirtszellen zu replizieren. • Cellular origin (escape) hypothesis: Entstehung aus wirtszelleigenen Nukleinsäuren (selbständig gewordene DNA/RNA). 6 Einführung: Entdeckung des Maul- und Klauenseuche-Virus Friedrich Loeffler 1852-1915 ab 1888 in Greifswald http://ihm.nlm.nih.gov/images/B17350 1897/8: Maul- und Klauenseuche Virus (F. Loeffler und P. Frosch) 7 Begriffe: Vir(ion)en • submikroskopische Partikel (Größe: 20 - 400 nm) • Genom: DNS oder RNS • einfacher Bau • obligat intrazelluläre Parasiten La Scola, Nature 2008 – Mimivirus mit Virophage(?) Lebewesen oder ???? Schmidtke 2014 Begriffe: Virophagen Lösung des Problems: außerhalb der Wirtszelle: Molekül (leblos) innerhalb der Wirtszelle: Mikrobe (lebend) Megavirus: - in Amöben - 1,26 Mill. bp DNA - 680 nm - bes. UV resistent 9 Mimivirus Megavirus Definitionsversuche Viren sind submikroskopisch kleine, durch charakteristische Partikelstruktur auffällige Nukleinsäure-Protein-Komplexe, die in lebenden Zellen vermehrt und/oder beherbergt werden. (R. Klöcking 2000) If the ability to replicate is an attribute of life, then poliovirus is a chemical [C332652H492388N98245O131196-P7501S2340] with a life cycle. (E. Wimmer, Science, 2002) Begriffe: unkonventionelle Erreger Viroide: • subvirale Infektionserreger: nackte, infektiöse, zirkuläre RNA, pflanzenpathogen • kein Helfervirus nötig Satellitenviren: • subvirale Infektionserreger: Nukleinsäure, ohne eigene Strukturproteine • benötigen Helfervirus (Proteine für eigene Replikation fehlen) - HDV oder Virophage Prionen (proteinaceous infectious particles): • PrPc versus PrPSc (infektiöses Protein) 11 Virus-Systematik Unterscheidungsmerkmale von Viren und Bakterien: Ende des 19. Jhd. - keine Sichtbarkeit im Mikroskop - keine Anzüchtung in einfachen Medien - Filtrierbarkeit Unterschiede zwischen Viren: - basierend auf Nachweis der Infektiösität pathogene Eigenschaften (Wirt, Erkrankung) Organtropismus („Hepatitis-Viren“ ökologische Charakteristika und Übertragungswege („Arboviren“) Elektronenmikroskopie: morphologische Untersuchungen 1966: Gründung des „International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)“ 2009 2012 7 Ordnungen 96 Familien 22 Unterfamilien 420 Gattungen 2618 Arten > als 30.000 Serotypen, Varianten 12 u. ä. Derzeitige Hauptkriterien für die Klassifizierung der Viren • Art der Nukleinsäure (DNA oder RNA) • Anzahl und Struktur der Nukleinsäure (einzel- oder doppelsträngig, linear, zirkulär, zirkulär mit Unterbrechungen, segmentiert) • Polarität der Nukleinsäure: positiv- (+) oder negativ-strängig (-) • Symmetrie des Nukleokapsids • Vorhandensein oder Fehlen einer Virushülle • Sequenzdaten (!) 13 Grundstruktur von Vir(ion)en Genom Kapsid (Hülle) ((Matrix; Tegument)) Kapsomere sind Untereinheiten des Kapsids. Der Komplex aus Nukleinsäure und Kapsid heißt Nukleokapsid. Vielfalt viraler Genome DNA-Viren einzelsträngig (Parvovirus) doppelsträngig (Herpesvirus) RNA-Viren einzelsträngig (Poliovirus) einzelsträngig segmentiert (Influenzavirus) doppelsträngig (Totivirus) zirkulär, einzelund doppelsträngig (HBV) doppelsträngig segmentiert (Rotavirus) 15 Klassifikation („Baltimore Classification“): Ursprung: David Baltimore 1971 Retroviren Hepadnaviren Myxoviren Paramyxoviren Rhabdoviren Bunyaviren http://img.getglue.com/topics/p/baltimore_classification/normal.jpg Pockenviren Herpesviren Adenoviren Papillomaviren Parvoviren http://images.the-scientist.com/ content/figures/images/ yr1999/apr/apr_art/baltimore.jpg Rotaviren Picornaviren Togaviren 16 Virusstruktur: Grundformen des Kapsids: kubisch Hülle: - + helikal komplex Vermehrungszyklus: nur in lebenden Zellen! Bindung an Wirtszelle (Adsorption) Eintritt (Penetration), abstreifen von Hülle u./o. Kapsis (Uncoating) Replikation, Transkription, Translation Zusammenbau (Assembly), Reifung (Maturation) Freisetzung inf. cell Lyse der infiz. Zellen Apoptose Persistenz Latenz Inaktivierung Folgen der Virusreplikation in der Zelle Zytopathogenität von Viren: = Fähigkeit, die morphologischen und physiologischen Eigenschaften von Zellen in irgendeiner Form zu verändern (Enders 1956) Zytopathischer Effekt (zpE): = lichtmikroskopisch sichtbare, morphologische Veränderungen von empfänglichen, virusinfizierten Zellen (Zellschäden) • Abrunden und Ankugeln • Einschlusskörperchen • Zelllyse • Riesenzellbildung • Apoptose • Trasnformation Schmidtke 2013 Ursachen: Virale Interferenz mit zellulären Prozessen Zell-Zell-Interaktion Struktur Membranen Transformation (Onkogenese) Transkription Translation genetische Integrität Metabolismus Signaltransduktion Apoptose Autophagie IVAT, UKJ 20 Folgen der Virusreplikation im Wirt • Aktivierung der Immunantwort • Zerstörung von Geweben und Organen infolge der Virusreplikation (akut, chronisch-persitierend, latent) • Onkogenese • Immunpathologie: z. B. Aktivierung des angeborenen Immunsystems (NK-Zellen, Makrophagen, Granulozyten) Freisetzung pro-inflammatorische Zytokine und antiviraler Interferone Aktivierung der erworbenen Immunantwort (Antikörper, CTL) Entzündung 21 Zielorgane viraler Infektionen ZNS: Augen: Enzephalitis/Meningitis: HSV, VZV, Tollwutvirus, Polioviren, Masernvirus, Rötelnvirus Konjunktivitis: Enteroviren, Adenoviren, HSV Mundhöhle: Stomatitis: HSV Herpangina: Coxsackieviren Obere Atemwege: Rhinitis: Rhinoviren, Adenoviren, Coronaviren Pharyngitis: Adenoviren, HSV, EBV, Coxsackieviren Haut und Schleimhäute: HSV, VZV, Pockenviren, Rötelnvirus, Parvovirus B19, Coxsackieviren, Masernvirus Leber: Untere Atemwege: Pneumonie: Influenzaviren, RSV, Adenoviren Hepatitis: Hepatitisvirus A-E Gelbfiebervirus, CMV Verdauungstrakt: Herz: Urogenitaltrakt: Myokarditis: Coxsackieviren HSV, HPV Diarrhoe: Norovirus, Rotaviren 22 Eintrittswege viraler Erreger (Übertragung) Aerosole, respiratorische Route: Rhino-, Adeno-, Influenzaviren Lebensmittel, orale Route: Polioviren, HAV, Rotaviren Sexualkontakt: HIV, HPV, HBV Bisse: Tollwutvirus Transplazentarer Transfer: VZV, HIV, Rötelnvirus Iatrogene Route (Transplantation, Blut): HIV, HCV, HCMV Vektoren (Arthropoden): FSME-Virus, Gelbfieber-Virus 23 Führt jede Virusübertragung zu einer Infektion? Geht jede Infektion in eine Erkrankung über? Beispiele für den Infektionsverlauf Symptome Erholung Viruseliminierung Erholung Vironen persistieren; Ausscheidung Reaktivierung Erholung Latenz viraler DNA Zeit Akute, selbstlimitierte Infektion • Influenza • Rotavirus Chronische Infektion mit Ausscheidung • HCV • HBV Latente Infektion mit Reaktivierung • HSV • VZV Schmidtke 2013 Häufigkeit klinisch manifester Erkrankungen Infektion Ungefährer Prozentsatz mit klinisch manifester Erkrankung Poliomyelitis Epstein-Barr-Virus, HSV Röteln Influenza Ebola Masern Tollwut, (HIV?) 0,1 -1 1 50 30 - 60 90 99 100 Voraussetzung für Vermeidung und Behandlung: Schnelle, sichere Diagnostik + wirksame Prophylaxe + antivirale Therapie Schmidtke 2013 Virus-Diagnostik • Virusisolation (Anzucht) – • • Zellkulturen, Brutei, Versuchstier Virusnachweis (ohne Anzucht) – Mikroskopische Untersuchungen (Einschlusskörperchen) – Elektronenmikroskopie – antigenspezifischer Immunassay – Hämagglutinationsverhalten – Nachweis viraler Nukleinsäuren Analyse der Immunantwort auf Virusinfektionen – humorale Immunantwort (Serologie) – zelluläre Immunantwort – unspezifisch: z. B. Interferon oder durch Interferon induzierte Enzyme Nachweis einer Virusinfektion ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für eine Krankheitsdiagnose (subklinische Verläufe!). 27 Wirkungsweise von Schutzimpfungen • aktive Immunisierung: • Verabreichung abgetöteter bzw. stark abgeschwächter Erreger oder bestimmter Erregerkomponenten • Aktivierung des körpereigenen Immunsystems • längerfristiger bis lebenslanger Schutz • passive Immunisierung: • Verabreichung von virusspezifischen Antikörpern oder stimulierten Immunzellen • sofortiger, kurzfristiger Schutz (max. 3 Monate) Prävention viraler Infektionen Beispiele für Impfstoffe zur aktive Immunisierung: Lebendvakzine Poliomyelitis Masern Röteln Mumps Gelbfieber Varizellen/Zoster Diarrhoe (Rotavirus) Influenza (!) Totvakzine Poliomyelitis Hepatitis A Tollwut Japanische Enzephalitis FSME Spaltvakzine Influenza Rekombinante V. Hepatitis B Zervixkarzinom (HPV) 29 Postexpositionelle Simultanprophylaxe bei Virusinfektionen Tollwut Tollwutimpfstoff + spezielles AntitollwutvirusImmunglobulin Hepatitis B Hepatitis B-Impfstoff + spezielles Anti-Hepatitis-BVirus-Immunglobulin Hepatitis A Hepatitis A-Impfstoff + Normal-Immunglobulin mit deklariertem Anti-Hepatitis A-Gehalt Virus-Therapie: Virustatika Ziele: • Hemmung der Virusreplikation • Senkung der Schwere der Symptomatik • Senkung der Dauer der Erkrankung • Unterbrechung der Infektionsausbreitung • Aktivierung/Modifizierung der Immunreaktion Virustatika direkte Wirkung auf virale Proteine Wirkung auf Wirtszellproteine, die für Virusreplikation essentiell sind • wenig toxisch • hochspezifisch • schnelle Resistenzbildung • oftmals toxisch • breites Wirkspektrum • geringe Resistenzbildung 31 Virus-Therapie: Virostatika Virostatika haben unterschiedliche Angriffsstellen im Replikationszyklus Einteilung: Inhibitoren • der Adsorption (z.B. Mariviroc: HIV) • der Penetration/Fusion (z. B. Enfuvirtid: HIV) • des Uncoating (z. B. Amantadin: Influenzavirus) • der viralen Transkription und Translation (z. B. Ganciclovir: CMV; Aciclovir: HSV; Lamivudin: HIV, HBV) • der Proteinprozessierung (z. B. Telaprevir: HCV) • der Genomintegration (z. B. Raltegravir: HIV) • Inhibition der Freisetzung neuer Virionen (z. B. Oseltamivir: Influenzavirus) 32 Problem: Resistenzbildung Empfindliche Virusvarianten Wirkstoff stoppt Replikation empfindlicher Virusvarianten Resistente Variante vermehrt sich und wird zum vorherrschenden Subtyp Resistente Variante • Regelmäßige Virustatikaeinnahme wichtig! • Kombination von antiviralen Medikamenten hält Resistenzbildung auf Schmidtke/AV/Biologie/2006 Spezielle Virologie: Kriterien: Erkrankung, Erreger, Vorkommen, Übertragung, Inkubationszeit, Symptomatik, Diagnose, Therapie, Prävention Picornaviren Infektionen mit Picornaviren zählen zu den ältesten "bekannten" Viruserkrankungen • Loeffler und Frosch: 1898, MKS-Virus • Landsteiner und Popper: 1908, Poliovirus 34 Picornaviren: allgemeine Übersicht Systematik: Ordnung: Picornavirales, - Familie: Picornaviridae - ≥ 13 Gattungen, > 200 Serotypen Charakteristika: - 25 - 30 nm, unbehüllt, ss(+)RNA, kubisches Kapsid, - Replikation im Zytoplasma, Replikationszeit (meist): 5 - 8 h, ca. 104-105 Virionen/Zelle gebildet - hohe Mutationsrate Reservoir der humanpathogenen Viren: Mensch Durchseuchung: hoch, zu ca. 90 % inapparente Infektionen Übertragung: fäkal-oral, (respiratorisch) Verbreitung: weltweit 35 www.picornastudygroup.com Polioviren Picornaviren Erkrankung Virus Poliomyelitis Paralysen Meningitis, Enzephalitis Myokarditis neonatale Infektionen Bornholmer Erkranung (Pleurodynie) Herpangina Hand-Fuß-Mund-Krankheit akute hämorrhagische Konjunktivitis respiratorische Erkrankungen Rhinitis/Bronchitis Gastroenteritis akute Hepatitis Pankreatitis (Typ I Diabetes ?) Poliovirus 1, 2, 3 Coxsackievirus A7, Enterovirus 70, 71 viele Enteroviren Coxsackie-B-Viren Coxsackie-B-Viren, Echoviren Coxsackie-B-Viren Coxsackie-A-Viren Coxsackievirus A16, Enterovirus 71 Coxsackievirus A24, Enterovirus 70 viele Enteroviren, Parechoviren Rhinoviren Parechovirus 1, Aichi-Virus Hepatitis-A-Virus, A-2-Plaque-Virus Coxsackievirus B4 36 Poliomyelitis - Erreger: Poliovirus Typ 1 - 3 - Vorkommen: endemisch in Nigeria, Afghanistan, Pakistan - Übertragung: fäkal-oral, Nahrungsmittel, Wasser, (Tröpfcheninfektion) Nasen-Rachenraum, Darmschleimhaut - Inkubationszeit: 7 - 14 Tage - Symptomatik: „Minor-Krankheit“ bei 4 – 6 % aller Infizierten: unspezifische Symptome, hohes Fieber, Schmerzen, Krämpfe nichtparalytische aseptische Meningitis bei ca. 1% aller Infizierten: bei ZNS-Infektion „Major-Krankheit“ bei 01, - 1 % der Infizierten: Vorderhornzellen des Rückenmarks mit Lähmungsfolgen an Extremitäten und/oder Atmungsapparat Spätfolgen (ca. 70 % der Infizierten): PostpolioSyndrom (fortschreitende Muskelatrophie) 37 Poliomyelitis Atrophien der innervierten Skelettmuskeln, Paresen, Atemnot Infektionsverlauf: http://www.jameda.de/gesundheits-lexikon/bilder/big/506746.jpg Diagnostik: https://www.healthtap.com/#topics/treatment-for-post-polio-syndrome PCR und Virusisolation aus Stuhlproben und Liquor, Serologie bei positivem Befund: Prüfung Wildtyp- oder Impfvirus Therapie: symptomatisch, Physiotherapie, künstliche Beatmung Prophylaxe: Impfungen (Lebend- bzw. Totimpfstoff) 38 Poliovirusausrottung bis 2018? Eradikation ist ungewiss; jedoch sind erhebliche Fortschritte festzustellen! http://www.polioeradication.org/Dataandmonitoring/Polioeradicationtargets.aspx 39 Hand-Fuß-Mund-Krankheit - Erreger: Coxsackievirus A5, 9, 10, 16; Coxsackievirus B2, 5; Echovirus 6; Enterovirus 71 (EV71) - Vorkommen: weltweit, epidemisches Auftreten möglich - Übertragung: direkter Kontakt, fäkal-oral, Nahrungsmittel, kontaminierte Oberflächen, Nasen-Rachenraum, Darmschleimhaut - Inkubationszeit: ca. 3 - 6 Tage - Symptomatik: inappartent oder Fieber mit Hautläsionen Komplikationen: Meningitis, Myokarditis, Pneumonie http://www.dermis.net/bilder/CD018/550px/img0112.jpg - Diagnostik: klinisch oder PCR, Serologie, Virusisolation - Therapie: symptomatisch - Prävention: Hygiene, keine Impfstoffe 40 http://www.dermis.net/bilder/CD018/550px/img0116.jpg Akute hämorrhagische Konjunktivitis - Erreger: Coxsackievirus A24, Enterovirus 70 - Vorkommen: weltweit, ca. 1 Mill. Infektionen/Jahr, Epidemien möglich - Übertragung: direkter Kontakt (Tränenflüssigkeit), fäkal-oral (Fäzes) - Inkubationszeit: 12 - 30 h - Symptomatik: Brennen, Juckreiz im Auge, Konjunktivitis, Schwellung, Schmerzen, starker Tränenfluss Komplikation: Meningitis/Enzephalitis - Diagnostik: PCR, Serologie, Virusisolation - Therapie: symptomatisch - Prävention: Hygiene, keine Impfstoffe 41 EnterovirusMyokarditis/Perikarditis http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/54/Viral_myocarditis Erreger: Coxsackie-B-Viren Vorkommen: weltweit, meist epidemisch im Spätsommer bei Säuglingen und Kleinkindern Symptomatik: oft klinisch inapparent oder unspezifisch oder akute Myokarditis (50 % aller Fälle) und DCM (25 % aller Fälle) ca. 100.000 DCM in den USA/Jahr ca. 6.000 DCM in Dtl./Jahr für ca. 45 % aller Herztransplantationen verantwortlich! Akute Myokarditis: wie grippaler Infekte mit Fieber, Übelkeit, Durchfall, Hautausschläge an Händen, Füßen und im Mundbereich, aber auch schwere Myokarditis und/oder Perikarditis mit Multiorganbeteiligung (ZNS, Lunge, Pankreas) > virales Schocksyndrom > Tod Chronische Myokarditis/DCM: Atemnot, Brustschmerz, Müdigkeit, Tachykardie („Herzrasen“), Perikarderguss, Herzrhythmusstörungen (AVBlock), Herzinsuffizienz, eingeschränkte körperliche Belastung, Dilatation des Herzmuskels (Röntgenbild) 42 EnterovirusMyokarditis/Perikarditis - Virusübertragung: fäkal-oral, Nahrungsmittel, Trinkwasser - Inkubationszeit: wenige Tage (akute Myokarditis); Monate oder Jahre (DCM) - Diagnostik: Stuhluntersuchung auf Virusausscheidung, Serumdiagnostik (?): hohe Durchseuchung, 60 - 70 % der erwachsenen Bevölkerung haben IgG-AK PCR-Diagnostik (Virus) und histologische Untersuchungen aus Endomyokardbiopsie Dallas-Kriterien - entzündliche Zellinfiltrate - Degeneration und Nekrosen von Kardiomyozyten - Fakultative Fibrose WHO/ISFC-Kriterien 1995 (zusätzlich) - Charakterisierung der Zellinfiltrate - Nachweis der de novo Expression von MHC I und II bzw. Adhäsionsmolekülen - > bzw. = 14 Lymphozyten/mm³ als Hinweis auf chronische Myokarditis IVAT, UKJ 43 EnterovirusMyokarditis/Perikarditis - Therapie: keine virusspezifische Therapie möglich, keine immunsuppressive Behandlung bei viraler Myokarditis, Immunglobulintherapie (?), Interferontherapie (?), symptomatisch mit Angiotensin-Converting Enzyme (ACE)-Inhibitoren, Beta-Blocker, Digitalispräparate, Diuretika, neue Virostatika (?) Herztransplantation - Prävention: kein Impfstoff, Hygienemaßnahmen, sauberes Trinkwasser - Forschung: Mausmodelle 44 Rhinitis (Bronchitis, Pneumonie) Lancet 2003 Erregerspezies: humanes Rhinovirus A, B und C Rhinovirus Spektrum: 168 Virussequenzen Vorkommen: (Miller and Mackay, JCV, 2013) weltweit, ganzjährig, eine der häufigsten Viruserkrankungen Rhinitis - Übertragung: direkter Kontakt (Hände), aerogen (Tröpfchen), Schmierinfektion - Inkubationszeit: ca. 2 d - Symptomatik: „grippaler Infekt“, leichtes Fieber, Kopfschmerzen, Rhinitis, Bronchitis (Kinder), limitierte Immunreaktion - Komplikationen: ARE des unteren Respirationstrakts, Asthma-, COPD- und CF-Schübe - Diagnostik: klinisch, Ausnahme: PCR, Serologie, Virusisolation - Therapie: derzeit rein symptomatisch, Virostatika (Sprays) in Entwicklung - Prävention: Expositionsprophylaxe, Hygiene, keine Impfstoffe 46