В вирусологическом контексте эпидемиология - наука о причинах, распространенности и частоте вирусных болезней, а также о распространении и передаче вирусов, вызывающих заболевание. Вирусы невидимы даже в световой микроскоп. По этой причине они всегда казались таинственными, непонятными и до некоторой степени остались таковыми до сих пор.
Важнее всего то, что вирусы - внутриклеточные организмы; они зависят от живых клеток, снабжающих их основными ферментами и химическими строительными блоками, необходимыми для репликации. Таким образом, сферой обитания вирусов оказывается все растительное и животное царство. Разные семейства вирусов используют разные механизмы для распространения и выживания. Большая часть вирусов имеет в качестве хозяев как позвоночных, так и беспозвоночных, а некоторые заражают как животных, так и растения. В поисках механизмов распространения эпидемиологи концентрируют внимание на человеке, но становится все более и более очевидным, что экология вирусов человека значительно шире. Она охватывает птиц, млекопитающих, рептилий, комаров и клещей. На клеточном уровне она включает множество клеточных структур, в том числе мембраны и нуклеиновые кислоты.
Для вирусных болезней эпидемиологи используют вирусологические, серологические, молекулярные и экологические методы. Техника эксперимента становится все более изощренной. Первоначально вирусы различали по болезням, которые они вызывают, таким как желтая лихорадка, грипп, ветрянка или корь. В настоящее время стало очевидно, что вирусов намного больше, чем вирусных болезней. В отличие от бактерий, вирус нельзя увидеть с помощью светового микроскопа. В начале XX века единственным способом обнаружения вирусов и изучения механизма их передачи были опыты на добровольцах. Именно этим способом Комиссия по изучению желтой лихорадки, возглавляемая Уолтером Ридом, показала, что возбудителем болезни служит вирус. Этот вирус передается не контактным путем, а только с укусами комаров Aedes aegypti после инкубации в них. Подобные выводы были сделаны в результате опытов исключительно на людях. Более поздние вирусологические достижения основывались на опытах на лабораторных животных (например, на обезьянах и мышах для желтой лихорадки и мышах-сосунках для вируса Коксаки). Для большинства вирусных болезней человека и домашних животных было найдено по одному или более лабораторных хозяев. Некоторые вирусы, которые не удавалось вырастить на лабораторных хозяев. Некоторые вирусы, которых не удавалось вырастить на лабораторных животных, были культивированы in vitro. Размножение вирусов полиомиелита и кори в культуре клеток расширило эпидемиологические подходы. Вместе с тем и в настоящее время существует ряд вирусов человека, которые с трудом или вообще не удается размножить (такие как вирус гепатита B), однако эпидемиологические исследования возможны и с этими вирусами благодаря тому, что существуют методы определения антигена и электронной микроскопии.
Серология для эпидемиологов почти так же важна, как выявление вируса или антигена. В большинстве случаев сывороточные антитела появляются в течение недели после начала вирусной инфекции, и для их выявления применяют различные серологические тесты (например, нейтрализацию, связывание комплемента, задержку гемагглютинации, иммуноферментный тест). Нейтрализующие антитела, а иногда и антитела других типов обычно сохраняются в течение всей жизни. Существует множество примеров использования серологической эпидемиологии. В 1930 г. на карту было нанесено распространение в мире желтой лихорадки, установленное тестированием человеческих сывороток методом нейтрализации в культуре ткани было показано, что существует только 3 серотипа вируса полиомиелита. Благодаря этому открытию была создана тривалентная вакцина против полиомиелита. Это только один из многочисленных примеров, приведенный здесь для того, чтобы показать читателю особую важность применения серологических методов в эпидемиологии.
В течение последнего десятилетия молекулярные методы развились до такой степени, что теперь их можно применять для решения эпидемиологических проблем. Благодаря этим методам эпидемиологи расширили свои возможности в обнаружении вирусных антигенов и нуклеиновых кислот и смогли с большей специфичностью идентифицировать антитела, антигены или нуклеиновые кислоты.
Моноклональные антитела обладают исключительной специфичностью. Их получают путем гибридизации секретирующих иммуноглобулины клеток миеломы с клетками селезенки, которые определяют специфичность иммуноглобулинов. Моноклональные антитела можно использовать для быстрого и четкого различения родственных вирусов, например HSV-1 и HSV-2. Изготавливая антитела к моноклональным антителам, получают чрезвычайно специфический антигеноподобный реагент, называемый "антиидиотипическими" антителами.
Эпидемиологи часто сталкиваются с необходимостью выявления среди множества вирусных штаммов одного, ответственного за конкретный случай инфекции или за вспышку. Например, как выяснить, произошло ли заражение младенца вирусом во время прохождения родовых путей матери или инфекцию распространили обслуживающие отделение для новорожденных врачи и медицинские сестры? Для нахождения ответа у ребенка, матери и обслуживающего персонала выделяют штаммы вирусов, нуклеиновые кислоты которых могут быть исследованы высокоспецифическими методами. Для ДНК-содержащих вирусов используют рестрикционные эндонуклеотидные последовательности. Анализ фрагментов ДНК позволяет распознавать различия в последовательностях ДНК, составляющие менее 0,2% азотистых оснований.
Аналогичным методом, называемым "олигонуклеотидные отпечатки пальцев", можно провести картирование РНК после ее расщепления рибонуклеазой T1 и двумерного электрофореза. Вирусы, содержащие двухцепочечную РНК, такие как ротавирусы, можно анализировать более простыми методами, так как их РНК представлена сегментами, являющимися индивидуальными генами. Эти гены мигрируют в геле с характерной подвижностью, зависящей от молекулярной массы и конфигурации. Гибридизация нуклеиновых кислот - еще более фундаментальный и потенциально очень чувствительный молекулярный метод обнаружения и идентификации тонких межштаммовых различий вирусов.
Молекулярная техника для тонкого распознавания отдельных штаммов вирусов существует практически для каждого семейства вирусов. Используя этот набор методов, удалось раскрыть ранее неизвестные способы распространения и жизненные циклы многих вирусов.
Передача вирусов зависит от взаимодействия вирусов и хозяина, на которое в свою очередь влияют поведение хозяина и окружающая среда. Часто мы начинаем разбираться в способах передачи вируса только после того, как проясняются некоторые аспекты экологии человека и животных.
Примеры:
1. В Азии мать жует пищу для своего ребенка и передает ему со слюной вирус гепатита В.
2. Владельцы домов в Боливии распыляет ДДТ для предотвращения малярии, ДДТ убивает домашних кошек и поэтому в дома проникают дикие крысы. Крысиная моча содержит вирус Мачупо, вдыхание которого вызывает у населения боливийскую геморрагическую лихорадку.
3. Отец сооружает для своего ребенка качели из резиновой покрышки, комары откладывают в покрышку яйца, содержащие вирус Ла Кросс, потомство комаров передает вирус ребенку и. он заболевает энцефалитом Ла Кросс.
Экологическое окружение каждого вируса различно и это почти безграничное разнообразие составляет главную особенность эпидемиологии. Даже когда мы думаем, что понимаем и. изменяем экологию, желая предотвратить распространение вируса, последний в свою очередь может измениться и адаптироваться, сводя на нет наши усилия. В некоторых случаях мы обнаруживаем, что передача происходит более сложно, чем мы предполагали. В этих явлениях нет ничего нового. В 1928 г., когда благодаря сдерживанию размножения комаров Aedes aegypti была остановлена передача желтой лихорадки в городах Америки, казалось, что болезнь побеждена. Однако после жестокой эпидемии в Рио-де-Жанейро, был обнаружен лесной цикл вируса желтой лихорадки, в котором участвуют обезьяны и комары Haemagogus. Этот случай научил искать альтернативные и более сложные циклы и у других вирусов.
Многие циклы передачи вирусов у людей подобны таким циклам у других позвоночных. Использование модельных инфекций на животных позволяет эпидемиологам ставить экологические опыты, которые обычно невозможно провести на людях. Вместе с тем у животных существует ряд инфекций, для которых у человека еще не обнаружено аналогов. Наглядным примером являются опухолеродные вирусы. Два десятилетия назад у птиц и млекопитающих было известно около 20 ассоциируемых с вирусами видов опухолей. Для большей части этих опухолей существуют аналоги у человека, но в настоящее время мы все еще не понимаем причин, вызывающих у него их появление.
Биттнеровский агент карцином молочных желез у определенных штаммов мышей передается с молоком и присутствует в других органах. Вскормленное потомство несет в себе потенциальную возможность развития рака молочных желез того же клеточного типа, что был у матери. Опухоль развивается не у каждой мыши, но способность к передаче опухоли своему потомству сохраняется в следующих поколениях. Рак молочных желез развивается в определенном возрасте при характерном гормональном статусе и, как правило, ведет к гибели животного.
Вирус лейкоза мышей Гросса передается от матери потомству через эмбрион, очевидно, генетическим путем. Для проявления канцерогенеза требуется от 4 до 12 месяцев. Если аналогичные опухоли человека имеют такой же механизм передачи, то для установления связи заболевания с вирусами опухолей человека могут потребоваться поколения. Однако в получении более быстрого ответа на эти вопросы может помочь изучение экологических взаимодействий.
Мы постоянно сталкиваемся с тем, что, для того чтобы выжить, распространиться и вызвать заболевание, вирусы используют удивительные механизмы, часто очень сложные и изощренные. Ниже рассмотрены некоторые из этих механизмов.
Функционирование одних вирусов можно смоделировать с помощью довольно простых эпидемиологических механизмов, других — с помощью более сложных, но вряд ли природа создала механизм, который бы использовался только в одном случае, поэтому иногда имеет смысл искать другие примеры, укладывающиеся в уже имеющуюся модель. В таблице приведены примеры нескольких моделей и вирусы, которые иллюстрируют каждую из них.
Эпидемиологические модели некоторых вирусных болезней
Механизм передачи
Болезнь или вирус
Человек – человек Воздушно-капельный Алиментарный
Водный Половой Через хирургические инструменты, иглы
Распространение вирусов между отдельными людьми может происходить воздушно-капельным путем, алиментарным, водным, половым, инъекционным, контактным, со слюной или слизью (рукой в рот, рукой в нос или рукой на конъюнктиву). По способности заражать хозяина вирусы сильно различаются. Например, корь высоко контагиозна, тогда как паротит значительно менее контагиозен.
Все более очевидной при передаче вирусов становится критическая роль рук, например в случае HSV-1, когда мытье рук может препятствовать его распространению, или риновирусов, которые могут распространяться при контакте рука—нос или рука — конъюнктива, и вероятность передачи при этом вируса очень велика.
В развитых странах передача вируса Эпштейна — Барр среди молодежи происходит главным образом при поцелуях. Вирус находится в слюне и слизи ротовой полости и при близком контакте легко передается. Вместе с тем лица, живущие водной комнате с больным мононуклеозом, активно выделяющим вирус, заражаются нечасто, что указывает на низкую способность этого вируса к передаче аэрозольным путем.
Большинство вирусных болезней, распространяющихся от человека к человеку — быстротекущие острые инфекции с пожизненным или по крайней мере многолетним иммунитетом. Однако последние данные о ротавирусах указывают на то, что повторное заражение тем же самым серотипом не только Обычно, но может сопровождаться рецидивом болезни. Такая эпидемиологическая особенность может быть серьезным препятствием для эффективной вакцинации.
Вирусные инфекции передаются также половым путем. В последние годы этот механизм либо становится все более распространенным, либо все лучше выявляется. HSV-2, например, стал эпидемическим среди молодежи. Высок риск передачи вируса гепатита B среди гомосексуалистов, так как их сексуальная практика сопровождается травмами, кровотечениями и открытыми ранами.
Большинство примеров передачи, использованных нами, — это передача от больных, активно выделяющих вирус, или от больных с виремией. Многие вирусные инфекции, однако, характеризуются тем, что после выздоровления или после инаппарантной первичной инфекции развивается персистенция вируса, иногда только у небольшого количества больных. Вирус может сохраняться месяцами или годами в латентной или персистирующей форме, не распространяясь и не вызывая никакого болезненного эффекта у своего носителя. Вирус ветряной оспы вызывает в детском возрасте ветрянку, заканчивающуюся обычно полным выздоровлением. Однако вирус остается в организме и иногда спустя годы вновь проявляется в форме опоясывающего лишая. Индуктором такого повторного проявления болезни может быть угнетение клеточной иммунной системы, иногда связанное с опухолями, особенно если они локализуются в иммунной системе. Вирус опоясывающего лишая идентичен вирусу ветряной оспы. Больные опоясывающим лишаем, заразны и могут передавать вирус неиммунным контактным лицам, у которых развивается ветряная оспа.
Другие вирусы персистируют явно, т. е. они остаются и размножаются в организме в течение длительного периода. В любое время в крови 0,1—20% населения можно обнаружить антиген гепатита В. В отсталых странах наблюдается еще более высокий процент. Среди носителей преобладают лица, инфицированные в раннем периоде жизни. Кровь многих из них содержит вирус, который способен передаваться при уколах или хирургических операциях. Такое заражение может происходить также при хроническом гепатите.
Установлено по крайней мере три механизма передачи вирусов членистоногими. Первый — передача комар — человек — комар иллюстрируется на примере вируса денге, который сохраняется в Aedes aegypti. Эти тропические и субтропические комары размножаются в домах или около них и служат очень хорошим переносчиком вируса денге. Содержание вируса в крови зараженного человека достигает уровня lgИД50 = 7 в 1 мл и более; этого вполне достаточно для того, чтобы заразилась большая часть комаров, кормившихся на этом человеке. Вирус заражает клетки кишечника переносчика, и после внешней (по отношению к человеку) инкубации (обычно около недели) комар приобретает способность передавать вирус неиммунному лицу, вводя содержащую вирус слюну во время высасывания крови.
Второй, более распространенный механизм — это передача по схеме членистоногие — дикие животные — членистоногие. При этом зараженные членистоногие передают вирус человеку при контакте с ним, как случайному хозяину. В Северной Америке энцефалит Сан-Луи циркулирует между комарами Culex и птицами. Человек иногда заражается комарами, но развивающаяся у него виремия недостаточно высока для поддержания циркуляции вируса. Такого хозяина называют тупиковым. Птицы не заболевают, но у них развивается виремия, достаточная для того, чтобы инфицировать других комаров и таким образом расширить циркуляцию.
В третьем механизме членистоногие являются основным резервуаром, в нем не требуется позвоночный хозяин, содержащий вирус в крови. Вирус передается через яйца, т, е. трансовариально. Как и во втором механизме, человек заражается при проникновении в экологическую нишу, где его могут случайно укусить членистоногие. При этом человек оказывается тупиковым хозяином, несущественным для поддержания цикла. Энцефалит Ла Кросс интенсивно изучали в Висконсинском университете, департаменте здравоохранения шт. Висконсин и центре по контролю заболеваний. Вирус сохраняется в комарах Aedes triseriatus, живущих в дуплах деревьев лиственных лесов штатов Висконсин, Айова, Миннесота, Огайо, Индиана и Нью-Йорк. Инфицированные яйца откладывает только небольшой процент самок, но почти все их потомство заражено. Обнаружено также, что трансовариально зараженные комары-самцы могут передавать вирус самкам, увеличивая, таким образом способность вируса к выживанию.
Вирус Ла Кросс заражает также бурундуков и белок, у которых развивается виремия, достаточная для расширения циркуляции. Точная потребность в таком расширении для выживания вируса не определена.
Болезни животных иногда передаются непосредственно человеку аэрозольным путем, через загрязненную пищу, при укусе животного. В случае, когда животное является здоровым носителем, вирус попадает в его организм, как правило, в раннем периоде жизни и затем выделяется периодически или постоянно. В некоторых случаях животное не образует гуморальных антител, т. е. является иммунотолерантным. Примером описанной выше инфекции служат аренавирусы, такие как вирусы лимфоцитарного хориоменингита, Хунин и Мачупо. Они циркулируют у грызунов, которые заражаются in utero или при рождении. У животных, зараженных в позднем периоде жизни, формируются антитела, и вирус обычно не выделяется. Люди заражаются при вдыхании пыли, загрязненной мочой грызунов, или при употреблении аналогичным образом загрязненной пищи.
Вирус Хантаан, вызывающий геморрагическую лихорадку с почечным синдромом, также передается с мочой, легочным секретом или слюной грызунов. Как и в случае аренавирусов, грызуны не болеют, но выделяют вирус в течение всей жизни или, по крайней мере, в течение длительного периода. В отличие от аренавирусов Нового Света вирус Хантаан индуцирует у зараженных животных образование антител, но выделение вируса продолжается.
Еще одним примером непосредственной передачи зоонозного вируса от животного человеку является бешенство. В этом случае животное заражается обычно путем укуса другого животного и после длительного инкубационного периода заболевает. Болезнь может развиваться в форме паралича (немое бешенство), но чаще встречается буйное бешенство, при котором затронута лимбическая система мозга, и животное в припадке ярости, гонимое лимбическим возбуждением, кусает всех без разбора. В слюне животного вирус присутствует в высокой концентрации и легко передается с укусами. У людей обычно бывает паралитическая форма болезни, и они почти никогда не кусают окружающих (тупиковая инфекция).
В 1977 г. был обнаружен антиген, ассоциирующийся со скоротечными случаями гепатита B. Сначала он был назван дельта-антигеном, а впоследствии выяснилось, что этот белок входит в состав дефектного вируса, причем РНК-содержащий геном этого вируса нуждается для своей репликации в вирусе гепатита В. Геном указанного дефектного вируса (дельта-агента) покрыт поверхностным антигеном гепатита B и реплицируется только в присутствии вируса гепатита B (или близко родственного вируса гепатита сурков). Он может быть передан другому с кровью и другими тканевыми жидкостями вместе с вирусом гепатита B, а носителю гепатита B — сам по себе. Эволюционный источник этого необычного агента неизвестен.
Новые вирусы появляются постоянно. Большая часть их, вероятно, не представляет собой действительно новые вирусы, а только теперь выявляется. В случае ассоциации с новой болезнью появление новых вирусов можно объяснять одним из четырех механизмов: а) изменением экологии местности; обычно это связано с началом сельскохозяйственных работ или войной, когда люди вынуждены контактировать с переносчиками или временными хозяевами вирусов; б) попаданием неиммунных лиц в район, где местное население иммунизировано в детском возрасте; в) изменениями в вирусе, связанными с обменом генами с вирусами растений, насекомых или диких животных, и г) появлением новых стабильных мутантов предсуществующих вирусов.
Сейчас стало известно много новых болезней, которые появились в связи с изменением экологии. Крымская геморрагическая лихорадка была впервые описана в 1943 г., когда солдаты и переселенцы прибыли в Крым с целью освоения новых земель для земледелия. Вспаханные после долгого перерыва поля были подходящим местом для выведения переносчика, клеща Hyalomma, который в идеальных экологических условиях обильно размножился. Аргентинская геморрагическая лихорадка, вызываемая вирусом Хунин, впервые зарегистрирована в начале 1950-х гг., когда большие площади были засеяны кукурузой к северу от Буэнос-Айреса. Эти плантации благоприятствовали увеличению выплода и выживания грызунов Calomys — резервуара вируса Хунин. Данные болезни почти достоверно не являются новыми. Наиболее вероятно, что они были эндемичными в этом районе, но количество случаев было ниже порога регистрации.
Попадание неиммунных взрослых людей в эндемическую зону неизбежно ведет к появлению новых болезней. Когда войска союзников вступили в Неаполь и высадились на Сицилии во время второй мировой войны, москитная лихорадка внезапно разразилась в эпидемических масштабах. Эта новая для американских врачей болезнь была хорошо известна в Европе.
В течение десятилетий не был ясен источник новых серотипов вируса гриппа. Пандемия 1918 г. возникла внезапно из невыясненного источника, и каждые последующие 10—15 лет появлялись новые серотипы вируса гриппа. РНК вируса гриппа состоит из нескольких сегментов, которые в клетках, коинфицированных различными штаммами, подвергаются обмену (реассортации). В этом процессе гены одного вируса смешиваются с генами другого, в результате чего образующееся потомство получает генетический материал из обоих источников. Вследствие этого процесса возникают заметные изменения в антигенном составе преобладающего штамма вируса гриппа. Эти изменения называют антигенным сдвигом. Источник новых сегментов теоретически может быть прослежен путем сравнения подвижности вирусных генов из различных источников с помощью электрофореза в полиакриламидном геле. Одна из современных гипотез предполагает происхождение нового генетического материала из вирусов диких животных и особенно из вирусов птиц.
Однако есть вирусы, происхождение которых не укладывается ни в один из изложенных выше механизмов появления новых вирусов. Вирус Росио вызвал большой взрыв энцефалита в штате Сан-Паулу (Бразилия) в 1975—1976 гг. Вирус Росио относится к флавивирусам из семейства тогавирусов. Его появление было внезапным и, видимо, так же внезапно он уже исчез. Вирус Марбург был ответствен за вспышку геморрагической лихорадки в Марбурге (Германия) в 1967 г. в группе работников, готовящих вакцину против полиомиелита на почках африканских зеленых мартышек. Обезьяны происходили из Уганды, и вирус также мог быть занесен оттуда. Экология этого вируса остается загадкой. В качестве третьего примера рассмотрим вирус О'ньонг-ньонг — альфавирус, переносимый Anopheles. Этот вирус в 1959 г. вызвал в Восточной Африке внезапно начинающуюся острую болезнь суставов, которая сопровождается лихорадкой, а 3 года спустя снова исчез. Теоретически возможно, что эти примеры представляют собой истинные мутации с изменением патогенности для человека, но в настоящий момент это предположение остается чисто умозрительным.
Некоторые из вирусов появляются и исчезают, очевидно, будучи не в состоянии выжить; возможно, они все еще передаются, но на уровне, который невозможно зарегистрировать. Для того чтобы выжить, вирус должен найти долгосрочный резервуар. После пандемии 1918 г. у свиней появилось новое заболевание — грипп свиней. Существует достаточно доказательств, что человеческий вирус проник в популяцию свиней и что сегодняшний вирус свиного гриппа — это результат либо реассортации с участием пандемических штаммов человека, либо адаптации человеческого вируса к свиньям.
Вирус может не выживать на новой территории по ряду причин. Обычно это связано с отсутствием соответствующего резервуара в виде позвоночного или беспозвоночного хозяина. Однако в некоторых случаях резервуар имеется, а вируса нет. Примером может служить желтая лихорадка, отсутствующая в Юго-Восточной Азии. Предложены различные объяснения: вирус денге интерферирует с вирусом желтой лихорадки в организме комаров; переносчик, имеющийся в Юго-Восточной Азии, некомпетентен; иммунитет к другим флавивирусам предотвращает заражение человека желтой лихорадкой. Ни одно из этих объяснений не удовлетворяет полностью. Интерференция имеет место, но абсолютное количество зараженных вирусом денге комаров незначительно, и интерференция также должна быть незначительной. Иммунитет к вирусу денге снижает виремию, но не предотвращает заражения. В некоторых экспериментах компетентность переносчиков из Юго-Восточной Азии была меньше, чем у комаров латиноамериканских штаммов, но эти эксперименты также нельзя считать полностью удовлетворительными, так как часть популяции переносчиков из Юго-Восточной Азии все-таки чувствительна к лабораторному заражению вирусом желтой лихорадки.
Мы еще многого не знаем об экологии, механизмах передачи и выживания вирусов. Область экологии вирусов, как было отмечено 20 лет назад, представляет собой белое пятно нашего образования. Студенты, начинающие научную карьеру, становятся либо специалистами по общей биологии, либо вирусологами. Сегодня, как и прежде, нам нужны лица, обученные и сведущие в обеих областях. Особенно нужны исследователи, владеющие новейшими методами молекулярной биологии, которые могут применить эти методы для изучения вирусов в переносчиках и диких животных (позвоночных), являющихся их хозяевами. Наши знания по эпидемиологии вирусов все еще недостаточны, но возможности в этой области необъятны и крайне заманчивы.
Robert E. Shope, Department of Epidemiology and Public Health, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06510
Последнее обновление страницы: 1 декабря 2006 E-mail: vira-ss@narod.ru
