Klíčová slova: "koronaviry, infekce"

Koronaviry a koronavirové infekce přitáhly pozornost vědecké komunity, veřejnosti a politické reprezentace v souvislosti s vypuknutím pandemie způsobené SARS-CoV-2, která se rozšířila zřejmě z Číny do celého světa. (1,2,3)

Skutečnost, že nový koronavirus je pravděpodobnou příčinou nově rozpoznaného závažného akutního respiračního syndromu SARS 4,5 poskytuje dramatický příklad nově se objevujícího onemocnění u lidí způsobeného koronaviry 6.

Ačkoli lidské koronaviry způsobují až 30 procent všech nachlazení, zřídka způsobují onemocnění dolních cest dýchacích s fatálními následky pro značnou část nemocných. Naproti tomu koronaviry způsobují devastující epizootii respiračních nebo střevních onemocnění u hospodářských zvířat a drůbeže7.  

 

Koronaviry – struktura a molekulární biologie

 

Většina koronavirů způsobuje onemocnění pouze u jednoho hostitelského druhu. Všechny známé koronaviry se nacházejí ve třech sérologicky nepříbuzných skupinách. Obrázek 1. ukazuje strukturu virionu. Genom koronaviru tvoří RNA spolu s virovým nukleokapsidovým fosfoproteinem, který se vážen na RNA a vytváří helikální nukleokapsid. Typické jsou pro koronaviry povrchové membránové proteiny ve tvaru špiček (spike protein S), které vytváří koronu a umožňují identifikaci koronavirů elektronovou mikroskopií. Těmito proteiny S se koronaviry vážou na receptory hostitelských buněk a iniciují fúzi virového obalu s membránami těchto buněk. Koronaviry ve skupině 2 mají také glykoprotein hemaglutinin-acetylesterázu (HE), který se váže na polysacharidy buněčných membránách. Je zajímavé, že gen pro HE byl zjevně zaveden do rodového koronavirového genomu rekombinací s messengerovou RNA kódující HE chřipky C. Unikátní RNA-polymeráza závislá na koronavirech často během replikace přepíná řetězce templátů, což způsobuje rekombinaci RNA v situaci, kdy je buňka infikována několika koronaviry. Tato polymeráza je náchylná k chybám a generuje bodové mutace a velké delece nebo inzerce cizí RNA do virového genomu. To je mechanismus, kterým je hnán vývoj koronavirů a umožňuje jejich adaptaci na nové hostitele. Příloha 1 ukazuje strukturu genomu a jednotlivé exprimované proteiny.

Výše popsaný mechanismus je také v souladu s názorem, že koronavirus spojený s infekcí SARS  mohl vzniknout několika způsoby: 1) jako mutant lidského koronaviru, který získal nové virulentní faktory; 2) jako mutant zvířecího koronaviru, který může infikovat lidské buňky; 3) jako rekombinace dvou lidských koronavirů nebo lidského koronaviru a zvířecího koronaviru při koinfekci. Protilátky proti koronaviru asociovanému se SARS byly nalezeny ve vzorcích séra získaných od pacientů se SARS během rekonvalescence, ale nikoli ve vzorcích lidského séra uložených před vypuknutím SARS, což naznačuje, že koronavirus spojený s SARS je pro lidskou populaci nový. Nukleotidová sekvence genomu koronaviru asociovaného s SARS se podstatně liší od sekvencí všech známých koronavirů. (http://www.bcgsc.ca/bioinfo/SARS)  (http://www.cdc.gov/ncidod/sars/sequence.htm).

 

,

 

Obrázek 1. Struktura koronaviru a snímek z kryo-elektronového mikroskopu

 

Koronavirus spojený se SARS není mutantem žádného známého koronaviru ani rekombinantem známých koronavirů. Je to dříve neznámý koronavirus, pravděpodobně pocházející od nehumánního hostitele, který nějakým způsobem získal schopnost infikovat lidskou populaci. Sérologické testy divokých a domácích zvířat a ptáků v oblasti, kde se ohnisko poprvé objevilo, mohou identifikovat obvyklého hostitele, kterým jsou zřejmě netopýři. Porovnání izolátů koronaviru asociovaného se SARS od infikovaných pacientů a od přirozeného hostitele může odhalit, jakým způsobem se virus adaptoval na člověka. Otázkou zůstává, zda tato adaptace na člověka vedla ke ztrátě schopnosti SARS infikovat svého původního hostitele. Pokud by neexistoval zvířecí rezervoár viru, je větší šance na odstranění viru z lidské populace kombinací hygienických opatření a vakcinace, podaří-li se vyvinout účinnou vakcínu. Nicméně, publikované recentní vědecké práce dokládají schopnost rychlé adaptace koronaviru SARS-Cov-2 a jeho přenos na zvířecího hostitele, jako je prase a pes 8. Ve světle těchto zjištění nelze vyloučit možnost vzniku viru v procesu adaptace viru na lidského hostitele kultivací v laboratoři na tkáňových kulturách. Možnost infekce domácích a hospodářských zvířat vnáší do celého problému další rozměr, který může zásadně ovlivnit zvládnutí pandemie vytvořením nových rezervoárů infekčního agens přímo v domácnostech, kde jsou domácí zvířata chována a ve velkochovech hospodářských zvířat, kde může infekce virem způsobit závažné ekonomické ztráty.

V období mezi únorem a březnem 2020, kdy došlo ke globálnímu šíření SARS-CoV-2, byly také zaznamenány přenosy infekce z člověka na domácí zvířata.  RNA SARS-CoV-2 byla detekována u dvou psů a kočky bez klinických příznaků. Tato zvířata žila v těsném kontaktu s lidmi infikovaným SARS-CoV-2 . Podobná zjištění byla zaznamenána během 2002–2003, kdy došlo k šíření SARS-CoV7.

 

Rozsah hostitelů, tkáňový tropismus a virulence zvířecích koronavirů lze změnit mutacemi v genu S. Tyto mutace mohou být důsledkem přirozeného vývoje viru, nebo mohou být výsledkem záměrné manipulace v laboratořích Objev, že virus lze snadno kultivovat a izolovat z buněčné linie opičích ledvin, byl klíčem k rychlé molekulární charakterizaci tohoto nového koronaviru a následně k rychlému vývoji diagnostických testů na SARS-Cov-2. Očkování opic koronavirem spojeným se SARS izolovaným z  buněčných kultur způsobilo onemocnění dolních cest dýchacích a splnilo Kochův postulát.

 

Strategie pro vývoj chemoterapeutik

 

V současnosti neexistují žádná schválená léčiva s prokázanou účinností proti koronavirům. Testují se známá léčiva a antivirotika pro použití při léčbě koronavirové infekce a vývoj je také zaměřen na nové látky, pro které existují potenciální cíle kódované virovou RNA, ať už to jsou strukturální, nebo nestrukturální virové proteiny.

Jsou hledány a testovány inhibitory virové proteázy, které by mohly zabránit štěpení polyproteinu RNA replikázy na funkční podjednotky včetně RNA polymerázy nebo hostitelské proteázy která štěpením aktivuje virový S glykoprotein. Inhibitory aktivity coronavirové acetylesterázy mohou omezit replikaci viru podobně, jako je tomu u viru chřipky A a B. Inhibitory membránové fúze mohou blokovat vstup viru, stejně jako několik nových léků proti viru lidské imunodeficience. Protilátky proti virovému S glykoproteinu nebo receptoru pro koronavirus asociovaný se SARS-Cov-2 mohou také blokovat vstup viru do buňky.

 

 

Živočišné koronaviry z hlediska veterinárního lékařství

 

Před vznikem SARS-CoV, prvního vysoce patogenního humánního koronaviru, byly informace o humánních koronavirech velmi vzácné, zatímco ve veterinární medicíně existovaly rozsáhlé znalosti o zvířecích koronavirech, jejich evoluci a patobiologii. Infekční virus bronchitidy (IBV) drůbeže a virus kočičí infekční peritonitidy (FIPV) jsou známy již od počátku dvacátého století a představující příklady možného vývoje tropismu a virulence koronavirů u zvířat9.  Kromě toho jsou prasata infikovaná koronaviry paradigmatická v tom, jak mohou koronaviry překročit mezidruhové bariéry a infikovat nové hostitele. Například přenosný virus gastroenteritidy prasat (TGEV, alfacoronavirus), pravděpodobně vznikl z blízce příbuzného psího koronaviru (CCoV)10 a následně TGEV vedl k méně virulentní prasečí respirační koronavirové infekci (PRCoV). CCoV podobný TGEV byl také generován rekombinací na N terminálním konci genu S 11.

Nedávno se objevily dva další prasečí alfacoronaviry, tzv. virus prasečí epidemie způsobující průjmy (PEDV) a syndrom těžkého akutního průjmu (SADS-CoV), oba odvozené z koronavirů cirkulujících u netopýrů. Virus betacoronavirové prasečí hemaglutinační encefalomyelitidy (PHEV) byl derivátem hovězího koronaviru, o kterém se předpokládá, že se z netopýrů adaptoval na některé druhy hlodavců. Nedávno se objevil prasečí deltacoronavirus (PDCoV), původce závažných ohnisek průjmu v Severní Americe a Asii. Tento virus má původ u ptačích deltacorovirů 12. Pozorované opakující se případy mezidruhového přenosu zvířecích koronavirů poukazují na výjimečnou schopnost koronaviru adaptovat se na nové hostitele a šířit se do nových oblastí. Zároveň tak ukazuje na možnost umělé adaptace viru na nového hostitele v laboratoři s využitím kultivace na tkáňových liniích, včetně lidských. Umělé genetické úpravy tedy nejsou nutné.

 

Zvířecí koronaviry mohou také představovat vynikající hostitelské modely pro vývoj vakcín proti SARS-CoV-2, což ovšem může vyžadovat mnohem více času, než se původně očekávalo. Většina vakcín proti koronaviru, které jsou licencované pro veterinární trh, jsou zaměřeny proti koronavirům způsobujícím enterické infekce, jako jsou bovinní koronaviry a prasečí koronaviry TGEV a PEDV. Tyto vakcíny jsou určeny k parenterálnímu použití u březích krav a prasnic, nebo pro orální vakcinaci prasnic (TGEV, PEDV), kde po vakcinaci dochází k přenosu mateřské imunity na novorozená mláďata a jejich ochraně v prvních týdnech života, kdy jsou více náchylná k závažným onemocněním. Tyto vakcíny jsou na bázi celovirových inaktivovaných nebo živých modifikovaných vakcín (MLV). Pro profylaxi PEDV jsou také již komerčně dostupně, kromě inaktivovaných a MLV vakcín, vektorové vakcíny exprimující spike protein 13.

Bovinní koronavirus je zodpovědný za respirační onemocnění nejen u telat ve věku 2-3 měsíců, ale i starších zvířat. V současné době však nejsou k dispozici specifické vakcíny pro prevenci těchto respiračních onemocnění 14. Některé vakcíny (např. CCoV) byly uvedeny na trh a byly používány, avšak pro ekonomickou nákladnost bylo od jejich aplikace upuštěno.

Vakcíny proti CCoV (psí koronavirus) byly podávány parenterálně, což vyvolávalo dobrý systémový účinek, ale nedostatečná slizniční imunita nechránila štěňata před infekcí virulentním virem 15,16 .

Jediné licencované veterinární vakcíny proti koronavirům, jejichž cílem bylo zabránit respirační infekci, jsou vakcíny IBV pro kuřata. Tyto vakcíny jsou podávané parenterálně, nemusí chránit před infekcí, ale mohou snížit závažnost respiračních příznaků a zabránit postižení ledvin a reprodukčního traktu 13. Jedním z hlavních problémů parenterálního očkování zvířat proti respiračním koronavirům, které probíhalo v roce 2006, byla absence indukce dostatečně silné lokální mukózní imunity obvykle zastoupené imunoglobulinem třídy A (IgA). Slizniční imunita, i když nezabrání infekci, dokáže snížit šíření virů z nakaženého zvířete do prostředí. Z hlediska doby trvání infekce a intensity infekce tak snižuje infekční tlak ve stádě či hejnu. Také závažnost respiračního onemocnění je nižší při dostatečné slizniční imunitní odpovědi 17.

Podobným způsobem může fungovat  SARS-CoV-2, který primárně ovlivňuje respirační trakt a následně kardiovaskulární systém se systémovým postižením včetně nervové tkáně. V menší míře pak je zasažen trávicí trakt. Také doba trvání imunity vyvolané přirozenou infekcí SARS-CoV-2 zatím není známa a krátké trvání imunitní odezvy může být příčinou opakování infekce.  U zvířecích koronavirů může mít imunita po infekci jen krátké trvání, jak je doloženo např. u kočičího enterického koronaviru (FECV), kde krátkodobá imunita neposkytuje ochranu před reinfekcemi.

FECV je avirulentní biotyp kočičího koronaviru (FCoV) a je předchůdcem hypervirulentního biotypu FIPV 18. FIP je sporadické, ale vysoce smrtelné onemocnění koček, které vzniká v důsledku přepnutí z FECV na FIPV kvůli specifickým mutacím v genu kódujícím spike protein19. Přes značné úsilí dosud nebyla vyvinuta účinná vakcína proti FIPV. Jedním z hlavních problémů je to, že většina experimentálních vakcín vyvolala indukci protilátek, které však usnadnily šíření viru v organismu mechanismem ADE (antibody-dependant enhancement), což způsobuje závažnější onemocnění u imunizovaných koček než u zvířat z kontrolní nevakcinované skupiny infikované virem 20. Protilátky navázané na virus usnadní vstup viru do makrofágů přes Ig Fc receptory (mechanismus ADE). Virus je tak snadněji rozšířen do ostatních tkání a symptomy infekce jsou silnější.  Mechanismus ADE tak může představovat závažnou překážku pro vývoj specifických vakcín SARS-CoV-2 21.

Nedávno byl popsán alternativní mechanismus pro ADE pro MERS-CoV, kdy se neutralizující protilátky vážou na spike protein a indukují konformační změnu, čímž se spustí konformační změna spikového proteinu a zprostředkuje se vstup viru do buněk exprimujících IgG Fc receptory prostřednictvím standardního mechanismu na bázi interakce virus-receptor 22.  Obdobně jako u koček postižených FIP, také u lidských pacientů s těžkým průběhem COVID-19, je pozorován syndrom cytokinové bouře, který vyžaduje léčbu hyperzánětu pro snížení úmrtnosti. Vakcíny FIP jsou zajímavé z hlediska vývoje vakcín proti lidským koronavirům, neboť naznačují obtíže na cestě k vývoji vakcíny proti lidským koronavirům.

 

Vývoj vakcín proti koronavirům

 

Vakcíny pro veterinární použití jsou k dispozici proti některým zvířecím koronavirům. Očkování živými atenuovanými virovými vakcínami je účinné proti viru epidemického průjmového onemocnění prasat. Rekombinace genomů vakcinačních kmenů s koronaviry divokého typu je však potenciálním rizikem spojeným s použitím živých atenuovaných vakcín proti koronavirům u lidí. Inaktivované nebo subjednotkové vakcíny obsahující jako antigen S glykoprotein, pravděpodobně v kombinaci s jinými virovými proteiny, mohou navodit imunitu chránící proti onemocněním dolních cest dýchacích u lidí. Některé vakcíny proti kočičím koronavirům však naopak zintenzivnily průběh onemocnění u vakcinovaných zvířat, která byla poté vystavena viru divokého typu. Zesílení infekce v důsledku přítomnosti protilátek je potenciálním rizikem vakcín SARS u lidí. Zásadním problémem je, zda jsou indukované protilátky neutralizační, nebo se jen vážou na virus a usnadňují jeho vstup do buněk imunitního systému, které následně infikují.  

Je možné, že současné ohnisko infekce může být kontrolováno a virus odstraněn pouze karanténou. Přesto je rozumné vyvinout bezpečné, účinné léky a vakcíny proti koronaviru asociovanému se SARS co nejrychleji pro případ, že ohnisko nemůže být potlačeno. Vývoj léčiv a vakcín proti SARS také poskytne nové strategie pro prevenci a léčbu jiných koronavirových chorob zvířat a lidí.

Opět je třeba se pozastavit nad skutečností, že Česká republika nemá vlastní Ústav sér a očkovacích látek (zrušen 1994) a masivní investice do vědy v řádu desítek miliard Kč z rozvojových fondů v rámci projektů OPVVV a OP VaVpI nejsou využity pro výzkum a vývoj vakcín, ačkoliv je k dispozici na různých institucích špičková infrastruktura pro takový výzkum. Přitom historie úspěchů Československa v oblasti vývoje vakcín a eradikace jak veterinárních, tak humánních infekčních onemocnění je obdivuhodná. Vědci jako Prof. MUDr. Milan Hašek, DrSc., Prof. MUDr. Jaroslav Šterzl, Dr.Sc., MUDr. Dimitrij Slonim, CSc.,                                                                                    

Prof. MUDr. Karel Raška, DrSc., doc. MUDr. Zdeněk Ježek, DrSc.,  Prof. MUDr. Vladimír Vonka, Dr.Sc. představují pojmy ve světové imunologii a vakcinologii.

 

 

 

 

Závěr

 

Postupné odlesňování a antropizace přírodního prostředí do značné míry narušily některé ekologické niky, ve kterých se omezeně vyskytovaly koronaviry a další potenciálně nebezpečné viry (např. Ebola) ve zvířecích hostitelích. Také konzumace živočišných produktů z ohrožených zvířecích druhů zřejmě hrála roli při vzniku COVID19 infekce způsobené přenosem SARS-CoV-2 na člověka (i když to nebylo jednoznačně prokázáno), a měla by být omezena nebo zakázána. Otřesné hygienické a etické podmínky převládající na trzích s živými zvířaty zejména v Africe a Asii zvyšují pravděpodobnost přenosu koronavirů na člověka a případně na další živočišné druhy, zejména na hospodářská a domácí zvířata.  V rozpětí dvou dekád jsme zaznamenali tři koronavirové infekce. Ohleduplnost k životnímu prostředí a ke zvířatům je klíčovým krokem k zabránění vzniku další budoucí koronavirové pandemie, případně k vzniku pandemie jiným virovým infekčním onemocněním. Za těchto okolností by měla veterinární medicína hrát zásadní roli při formování, přijímání a prosazování politických rozhodnutí vedoucích k ochraně životního prostředí a k zajištění udržitelného rozvoje zemědělství a lesnictví na celé planetě v rámci globálního hnutí „Jeden svět, jedno zdraví“.

V tomto smyslu lze zakončit tuto krátkou studii o koronavirech citátem „Nemůžeme se zabývat pouze zdravím volně žijících zvířat nebo lidským zdravím nebo zdravím zemědělských zvířat. Zdraví je jenom jedno – zdraví a vyváženost ekosystémů na celé planetě“ (Dr. William Karesh, Wildlife Conservation Society).

 

Zkratky

SARS-CoV – koronavirus způsobujícíc onemocnění SARS

SARS - Severe Acute Respiratory Syndrome, akutní respirační onemocnění lidí

SARS-CoV-2 – koronavirus způsobující současnou pandemii_

COVID-19 – onemocnění způsobené novým typem koronaviru (SARS-CoV-2)

 

 

 

Literatura

  1. Zhou P et a. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. (2020) 579:270–3. doi: 10.1038/s41586-020-2012-7.
  2. Munster VJ et al. A novel coronavirus emerging in China - key questions for impact assessment. N Engl J Med. (2020) 382:692–4. doi: 10.1056/NEJMp2000929.
  3. Coronavirus Disease 2019 (COVID-19): Situation Report, 155. 2020.(2020). Available online at: https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/situation-reports/20200623-covid-19-sitrep-155.pdf?sfvrsn=ca01ebe_2)
  4. (Ksiazek T et al. A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome N Engl J Med 2003,15, 1953-66
  5. Peiris J et al. Coronavirus as a possible cause of severe acute respiratory syndrome. The Lancet 2003, 361,1319-25
  6. Poutanen et al. Human Coronaviruses. Principles and Practice of Pediatric Infectious Diseases. 2018 : 1148–1152)
  7. Decaro et al. COVID-19 from veterinary medicine and one health perspectives: What animal coronaviruses have taught us. Research in Veterinary Science 2020, 131, 21–23
  8. Decaro, N et al. Recombinant canine coronaviruses related to transmissible gastroenteritis virus of swine are circulating in dogs. J. Virol. 2009, 83, 1532–1537
  9. Decaro and Alessio Lorusso Novel human coronavirus SARS-CoV-2: A lesson from animal coronaviruses.Veterinary Microbiology 2020,244, 108693
  10. Lorusso et al., Gain, preservation, and loss of a group 1a coronavirus accessory glycoprotein. J. Virol. 2008,82, 10312–10317
  11. Decaro et al., Recombinant canine coronaviruses related to transmissible gastroenteritis virus of swine are circulating in dogs. J. Virol. 2009, 83, 1532–1537).
  12. Wang et al. Emerging and re-emerging coronaviruses in pigs. Curr. Opin. Virol. 2019, 34, 39–49
  13. Saif, L.J., 2020. Vaccines for COVID-19: perspectives, prospects, and challenges based on candidate SARS, MERS, and animal coronavirus vaccines. Euro. Med. J. https://doi. org/10.33590/emj/200324
  14. Decaro et al. Respiratory disease associated with bovine coronavirus infection in cattle herds in southern Italy. J. Vet. Diagn. Investig. 2008. 20, 28–32
  15. Pratelli A et al. Efficacy of an inactivated canine coronavirus vaccine in pups.New Microbiol. 2003, 26, 151–155.
  16. Pratelli A et al. Safety and efficacy of a modified-live canine coronavirus vaccine in dogs. Vet. Microbiol. 2004, 99, 43–49
  17. Wong et al., Emerging and re-emerging coronaviruses in pigs. Curr. Opin. Virol. 2020, 34, 39–49
  18. Addie et al. Oral Mutian®X stopped faecal feline coronavirus shedding by naturally infected cats. Res. Vet. Sci. 2020, 130, 222–229
  19. Chang et al., Spike protein fusion peptide and feline coronavirus virulence. Emerg. Infect. Dis. 2012, 18, 1089–1095
  20. German et al. FIP: a novel approach to vaccination. In: Proceedings from the 2nd international FCoV/FIP Symposium, Glasgow, 4-7 august 2002. J. Feline Med. Surg, 2004, 2004 Apr;6. 119–124
  21. Rauch et al., New vaccine technologies to combat outbreak situations. Front. Immunol. 2018, 9, 1963
  22. Wan et al., Molecular mechanism for antibody-dependent enhancement of coronavirus entry. J. Virol. 2020, 94, 2015-19

 

 

 

Odkazy na internetové zdroje

https://www.vetkom.cz/rodokmen-viru-sars-cov-2/

 

https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(20)30920-X/fulltext

https://avecell.cz/koronaviry-a-zvirata/

 

https://nextstrain.org/ncov/global

 

 

Příloha 1 – struktura koronavirového genomu

https://viralzone.expasy.org/764?outline=all_by_species

 

 Proteiny genomu pandemického koronaviru, Kredit: Zhang Lab / University of Michigan.

https://www.cusabio.com/2019-novel-coronavirus.html

Zpracoval/a: Doc. RNDr. Jaroslav Turánek, DSc., Výzkumný ústav veterinárního lékařství, v.v.i., turanek@seznam.cz
Přílohy
turanek-koronavirove-infekce-ve-veterinarni-a-humanni-medicine.doc