משפעת ועד איידס- נגיפים, מחלות, ומה שביניהם... מרצה: איתי גלינרט המחלקה לבקרה ביולוגית חמד"ע 19.12.06

נגיפים נגיף (ווירוס) הנו מחולל מחלות (פתוגן ) תת-תאי Virus = ארס, רעל (ביוונית – Ios, בסנסקריט – Visa) נגיף הנו טפיל מוחלט, נטול יכולת רבייה עצמאית

מידות

היסטוריה בני אדם הכירו בקיום מחלות מידבקות, הקשורות לתברואה ירודה כבר לפני אלפי שנים מסוף המאה ה-18, שורת חוקרים גרמו למהפכה של ממש בתפישתנו את מחוללי המחלות (ג'נר, פסטר, קוך ועוד)

אבעבועות שחורות מחלת האבעבועות השחורות ("המגיפה השחורה") הייתה אחת המחלות הקשות בהיסטוריה האנושית המגיפה השתוללה באירופה (1340-1350) במשך שנים, קוטלת כ-40% מהנדבקים ומותירה את הניצולים מצולקים קשות:

אבעבועות שחורות נגיפי אבעבועות שחורות שימשו את הפולשים המונגולים כאמצעי לוחמה-ביולוגית להכנעת ערים נצורות...

אדוארד ג'נר חי ועבד בסוף המאה ה-18, ג'נר חקר את האמת מאחורי האמונה לפיה חולבות אינן לוקות במחלה ג'נר האמין שהחולבות נגועות בסוג אחר של אבעבועות (Cow Pox), שמגן עליהן מהמחלה

אבעבועות שחורות ג'נר ערך ניסוי: הוא הדביק ילד בן 8 ב-Cow pox, ולאחר חודשיים הוא דקר אותו במחט מרוחה במוגלה מנגע של חולה אבעבועות שחורות... הילד נותר בריא, והחיסון המודרני נולד

העקרונות של קוך: לאחר תגליותיהם של ג'נר לגבי החיסון ושל פסטר לגבי קיומם של חיידקים, קוך ניסח חוקים המגדירים זיהוי של פתוגנים: 1. בידוד גורם המחלה מחולה 2. גידולו בתרבית 3. הדבקת אדם/בע"ח נוסף מהתרבית – גוררת התפתחות אותם סימפטומים 4. בידוד אותו גורם מחלה מהחולה החדש

פתוגנים את הפתוגנים ניתן לחלק לקטגוריות: תולעים, פטריות וכו' טפילים רב תאיים – פלסמודיום (מלריה), פטריות, חיידקים וכו' טפילים חד תאיים – נגיפים ועוד... טפילים תת תאיים –

פתוגנים פתוגנים תאיים משתמשים בחולה כסביבה למחזור חייהם (תנאים, מזון, הגנה וכו') יצורים אלו ממלאים את כל הדרישות להגדרתם כיצורים חיים – נשימה, חילוף חומרים, רבייה וכו' בנגיפים, המצב שונה בתכלית...

מהו נגיף? נגיף הנו טפיל תוך-תאי מוחלט, החייב לחדור לתא חי על מנת להתרבות הנגיף הנו חלקיק (המכונה "Virion"), המכיל חומר גנטי, מעטפת חלבונית ולעיתים גם קרום (ממברנה) הויריון עצמו אינו מקיים חילוף חומרים כלשהו

מה מכיל נגיף? על מנת להתרבות נגיף חייב להכיל מידע תורשתי – לכן כל ויריון יכיל מטען גנטי: מטען זה יכול להיות עשוי DNA או RNA – תלוי באופן הרבייה ותא המטרה המטען הגנטי עטוף בחלבונים שתפקידם הגנה על חומר הגנטי וביצוע תהליך ההדבקה לעיתים הויריון יכיל אנזימים ייחודיים הנחוצים למחזור החיים הויראלי

מבנה הנגיף מבנה סיבי: נגיפים אלו עשויים מיחידה חלבונית החוזרת על עצמה אלפי פעמים ויוצרת קנה חלול בתוכו ארוז המטען הגנטי נפוץ בנגיפים צמחיים אך יש נגיפים של בעלי חיים הבנויים כך

מבנה כדורי מבנה זה מכונה "איקוסוהדרון"- זהו כדור בעל 20 פאות, העשויות חלבונים מבניים שונים נגיפים אלו יכולים להיות עטופים בנוסף גם בממברנה כל פאה מורכבת מלפחות שלושה חלבונים

הנגיף המכונה ФХ174 עשוי 60 יחידות חלבוניות בלבד מבנה כדורי הנגיף המכונה ФХ174 עשוי 60 יחידות חלבוניות בלבד

מבנה מורכב מעין שילוב של המבנים הקודמים: 'כדור' המכיל את המטען הגנטי, הנישא על 'רגל' סיבית, ובסופה חלבונים האחראיים לקישור ולהדבקת תא המטרה נפוץ בנגיפים של חיידקים (בקטריופאג'ים)

מבנה מורכב

מבנה מורכב ישנם גם מבנים נוספים, כגון מבנה זה, של ווירוס ממשפחת ה- Poxviruses, הגורמים לאבעבועות ווירוסים אלו (הגדולים ביותר הידועים) מורכבים מעטפת מורכבת עטופה קרום ובתוכה מטען גנטי (רב יחסית)

מחזור חיים ויראלי על מנת להתרבות, על נגיף להחדיר את המטען הגנטי שלו לתא המטרה, לגרום לו לשכפל את המטען שלו ולגרום לו ליצור את החלבונים המבניים לרוב, ההרכבה של הויריון הנה עצמית - החלבונים והמטען הגנטי מסתדרים למבנה הסופי מתוך שיקולי יציבות אנרגטית השלבים הבסיסיים במחזור החיים הויראלי הם: קישור, חדירה, שחרור גנום, שכפול והרכבה ושחרור הנגיפים

מחזור חיים – נקודות חשובות 1. הווירוס אינו מסוגל לרבייה עצמית בשום תנאי – טפיל מוחלט! 2. תא המטרה משפיע רבות על תפקוד הנגיף (חלבוני מעטפת, החדירה והשחרור וכו') 3. סוג המטען הגנטי יקבע את אסטרטגיית הרבייה (DNA או RNA וכו')

מחזור חיים ויראלי פשוט בקטריופאג' – תא המטרה הנו חיידק, כלומר תא ללא גרעין המשמעות היא שברגע ש-DNA נוכח בתא, הוא משועתק ומתורגם באופן עצמאי ויעיל

מחזור חיים ויראלי פשוט קישור שחרור-נגיפים החדרת-גנום הרכבה שכפול

מחזור חיים ויראלי ווירוס השפעת – תא המטרה הנו תא בעל גרעין שלב III – שחרור - הויריון משתחרר ומתפרק, משחרר את המטען הגנטי, החודר לגרעין: שלב I – קישור לתא- חלבון בשם haemagglutinin (HA) קושר חלבוני מטרה על התאים: שלב V – הנצה/ליזיס- הויריון המוכנים מניצים מהתא, או גורמים לקריעתו שלב IV – שכפול - אנזימים משכפלים את הגנום הויראלי ומייצרים חלבונים מבניים: שלב II – חדירה לתא- בעקבות הקישור, התא "בולע" את הויריון, ומחדיר אותו לתא:

נגיפי – RNA נגיפי-RNA ניצבים בפני קושי ייחודי: תאים אינם משכפלים RNA

רטרו-ווירוסים נגיפים אלו יוזמים תהליך של "שיעתוק-הפוך" מ-RNA ל-DNA, ע"י שימוש באנזים ויראלי ייעודי שהם מכילים לאחר תהליך זה, ה-DNA החדש מוחדר לגנום התא, שם הוא עשוי להיוותר 'רדום' עד הפעלתו – ייצור המוני של ויריונים ושחרורם להדבקת תאים נוספים

מחזור חיים רטרו-ויראלי וירוסים ידועים מסוג זה הינם משפחת ההרפס (Herpes Simplex Virus) ו-HIV (איידס)

"הרכבה מחדש" הווירוס נארז ספונטנית בנוכחות כל מרכיביו – לכן תא הנגוע בשני נגיפים דומים עלול להרכיב ויריונים חדשים המכילים רכיבים של שני המינים הדבר נכון במיוחד בנגיפי השפעת, אצלם הגנום נחלק לשמונה חלקים נפרדים, שבקלות עלולים "להתבלבל" באריזה וירוסים חדשים אלו עלולים להיות בעלי יכולות חדשות ומשופרות, דבר שיכול להוביל לאלימות משופרת ולהתפרצות מגיפה (למשל, שפעת העופות)...

הגנה מווירוסים ליצורים חיים יכולת התמודדות עם ווירוסים, בהסתמכם על מספר מנגנונים: 1. זיהוי והרס תוך תאי: ישנם אנזימים המחבלים בשלבים קריטיים בחיי הנגיף ללא סיכון לתא (הרס RNA דו-גדילי, קיצוץ DNA מחוץ לגרעין וכו') 2. איתות למערכת החיסון: כל תא ביונק מציג כל העת פיסות חלבון מתוכו לסביבה. הדבקה בווירוס תגרור הצגת חלבונים זרים, שמערכת החיסון תזהה ותגיב בהרג התא!

הגנה מווירוסים - המשך 2. איתות למערכת החיסון : תא חיסוני הורג תא נגוע בנגיף שפעת (זמן אמיתי של 30 דקות) – צולם ע"י מ.ט.אסר ו-ו.ל.בראסיאל, מאוניברסיטת ווירג'יניה

הגנה מווירוסים - המשך 3. תגובה מערכתית: שחרור הורמונים ייעודיים המקשים על רביית וירוסים דרך דיכוי תהליכים תאיים של ייצור חלבונים ושכפול מטען גנטי – אינטרפרונים (IFN) 4. "רגישות יתר": בצמחים, זיהוי פתוגן בתא מסוים יכול לגרור מוות מהיר של התאים השכנים לאתר ההדבקה ע"מ למנוע את התפשטות הזיהום

Hyper Sensitivity Reaction 4. רגישות יתר:

הגנה מווירוסים - המשך 5. ייצור נוגדנים: לאחר זיהוי נגיף וחיסולו ע"י תא חיסוני, מתחיל תהליך חיסוני שבסופו נוצרים נוגדנים ייעודיים כנגד הנגיף – נוגדנים אלו קושרים ויריונים חוץ תאיים ומונעים מהם להדביק תאים נוספים

ווירוסים ובני אדם נגיפים היוו מחוללי מחלות משמעותיים ביותר לאורך ההיסטוריה (אבעבועות שחורות, שפעת וכו') העידן המודרני הביא עימו הבנה של תהליכי ההדבקה והמחלה הויראליים (ג'נר, למשל), דבר שהביא לפיתוח החיסון

חיסון חיסון הינו ניסיון לחשוף את מערכת החיסון למחולל המחלה באופן מבוקר ובלתי מזיק ע"מ לפתח זיכרון חיסוני כנגדו:

צורות חיסון 1. ווירוסים חיים: צורת החיסון הראשונה שפותחה הייתה הדבקה מכוונת בנגיף מזן פחות אלים (לעיתים...) ע"מ לחסן בפני המחלה (ג'נר ו-cow pox למשל) יתרונות: תגובה חיסונית חזקה זיכרון חיסוני מתמשך חסרונות: מסוכן (מוטציות, מדוכאי-חיסון, נשים הרות, ייתכנו זיהומים מנגיפים אחרים וכו')

צורות חיסון 2. ווירוסים מנוטרלים: בצורת חיסון זו מטפלים בנגיפים בחומר שפוגע בפעילותם, ע"י הרס מבני של מרכיביהם יתרונות: בטוח יותר משימוש בנגיפים חיים יעיל יחסית חסרונות: לא ניתן לביצוע בכל המקרים (חצבת) פחות יעיל בחיסון זיכרון פחות מתמשך (בוסטרים)

צורות חיסון 3. חלקי-ווירוסים: חיסון ע"י חלבון מסוים (או מס' חלבונים) מהנגיף השלם יתרונות: בטוח (למעט מקרים נדירים) חסרונות: לא כ"כ יעיל זיכרון חיסוני קצר

צורות חיסון 4. נגיפים מהונדסים: שימוש בנגיפים בלתי מזיקים לביטוי מרכיבים מנגיפים מסוכנים מדי להזרקה יתרונות: בטיחות ניתן, תיאורטית, ליישם לכל וירוס חסרונות: בעיות יעילות וזיכרון חיסוני תחום זה נמצא במחקר נרחב וייתכן שיהווה את דור העתיד של החיסונים

הצלחות החיסון מאז יישומם, החיסונים קצרו הצלחות דרמטיות בהתמודדות עם מחלות ויראליות: אדמת:

הצלחות החיסון מאז יישומם, החיסונים קצרו הצלחות דרמטיות בהתמודדות עם מחלות ויראליות: חצבת:

הצלחות החיסון מאז יישומם, החיסונים קצרו הצלחות דרמטיות בהתמודדות עם מחלות ויראליות: פוליו:

HIV HIV תוקף תאים של מערכת החיסון הקישור לתא המטרה נעשה ע"י זיהוי חלבונים יחודיים לסוג תא חיסוני מסוים: תאים מסוג T-helper, שהם תאים "מפקחים" של מערכת החיסון

HIV ואיידס תא נגוע מתחיל לייצר וירוסים נוספים עד שייצור זה מוביל להרס התא או שמערכת החיסון מזהה את התהליך ומשמידה אותו התהליך מביא לדלדול במס' תאים אלו בגוף ולפגיעה ביכולות החיסוניות של הגוף המשמעות: אבדן היכולת להילחם ביעילות בזיהומים, בתאים סרטניים ועוד AIDS = Acquired Immune Deficiency Syndrome HIV = Human Immunodeficiency Virus

תרופות אנטי-ויראליות חיידקים ניתנים להרג ע"י שיבוש המטבוליזם שלהם באופן כימי (אנטיביוטיקה) לעומתם, נגיפים נטולי חילוף חומרים, ולכן קשה לטפל בהם תרופתית הגישות לתרופות אנטי-ויראליות מכוונות כנגד שלבים קריטיים במחזור החיים הנגיפי

תרופות אנטי-ויראליות – דוגמאות 1. אינטרפרון/הורמונים חיסוניים: חיקוי ועידוד היכולות הטבעיות של מערכת החיסון כנגד נגיפים 2. פגיעה באנזימים ויראליים יחודיים (לשכפול RNA, או להפיכתו ל-DNA) – הטיפול העיקרי בהרפס וב-HIV, למשל 3. עיכוב הקישור בין הוירוס לתאי המטרה, למניעת הידבקות

תרופות אנטי-ויראליות – דוגמאות

נגיפים וביו-טכנולוגיה מעבר לתפקידם כמחוללי מחלות, הפכו הנגיפים למקור לטכנולוגיות ביולוגיות מרשימות הנרתמות לשימוש האדם שימושים אלו כוללים כלים מחקריים רבים, כלים לפיתוח תרופות וחיסונים, יישומים חקלאיים ועוד

נגיפים וצמחים תגליות מרובות בביולוגיה בכלל, ובווירולוגיה בפרט, התרחשו תוך כדי מחקר בצמחים נגיפים צמחיים רבים גורמים לנזקים קשים ביותר לחקלאות, בהיותם נישאים ע"ג חרקים ובאופנים אחרים: ZYMV:

נגיפים וצמחים TMV:

נגיפים וצמחים אולם, לעיתים ההשפעה של הנגיפים איננה מזיקה, ואף נחשבת לרצויה: דפוסי הצבע הם תוצאה של זיהום ויראלי...

נגיפים צמחיים בשימוש האדם הווירוס ZYMV, בעל מבנה סיבי, הנו פתוגן קשה של הדלועיים שנחקר לעומק ע"י הוצאת הגנים הנחוצים למעבר מצמח לצמח, והחלפתם בגנים אחרים, ניתן לנצל את יעילות ההדבקה לייצור חלבונים רצויים בפרי: GreenFeron Technology is a trademark of Molecular Targeting Technologies Inc.

נגיפים צמחיים בשימוש האדם טכנולוגיה זו הביאה לייצור IFN (תרופה אנטי-ויראלית), המכונה GreenFeron GreenFeron Technology is a trademark of Molecular Targeting Technologies Inc.

פיתוח חיסונים את המבנה הסיבי ניתן לנצל על מנת לייצר חיסונים:

Gene Therapy ריפוי גנטי מנצל את יכולות ההתמרה של נגיפים על מנת להחדיר גנים תקינים במקומם של גנים פגומים הגורמים לתסמונות גנטיות (CF), מחלות שונות ואף סרטן

Gene Therapy

טיפול בהמופיליה (ביטוי גורמי קרישה) Gene Therapy טיפול בהמופיליה (ביטוי גורמי קרישה)

תיקון תסמונות מולדות בתוך הרחם... Gene Therapy תיקון תסמונות מולדות בתוך הרחם...

נגיפים כאנטיביוטיקה יש וירוסים התוקפים חיידקים ולכן לחלוטין לא מזיקים לתאי-בע"ח – בקטריופאג'ים בשנות ה-30' של המאה הקודמת פיתחו הרוסים תרופות המבוססות הווירוסים הנ"ל – כדורים נגד טיפוס הבטן, טיפות אוזניים לדלקות, וכו' העלייה המדאיגה בעמידויות חיידקים לאנטיביוטיקה כימית גרמה להתעמקות מחודשת בתחום מחקר מרתק זה

נגיפים כאנטיביוטיקה הרעיון הבסיסי – להציב כנגד החיידקים גורם ביולוגי גמיש ומהיר-תגובה לא פחות – ווירוס: חיידק המותקף ע"י עשרות פאג'ים, וייצר עוד מאות עד אלפים בטרם ימות...

נגיפים כאנטיביוטיקה Biophage Pharma Inc. is a Canadian biopharmaceutical company developing new therapeutic and diagnostic products using phage-based technology

נגיפים לעומת אנטיביוטיקה בקטריופאג'ים יש תחום פעילות רחב יחסית גבוהה ביותר, לרוב ווירוס יתקוף זן מסוים בלבד ספציפיות: הפיזור בגוף (והפינוי) מושפעים מחילוף חומרים ללא תלות במיקום הזיהום מתרבים בחיידק אותו הם תוקפים – באתרי הזיהום פיזור בגוף: רבות ומזיקות: הפרעות עיכול, זיהומים משניים ועוד לא תועדו תופעות לוואי משמעותיות תופעות לוואי:

נגיפים לעומת אנטיביוטיקה בקטריופאג'ים לרוב למשפחות של תרופות, מתפתחת מהר יחסית מוגבלת לאותו הפאג', החיידק ישאר רגיש לווירוסים אחרים עמידות: פיתוח תרופות הוא תהליך ארוך, יקר ולא וודאי – ועשוי להביא לפיתוח עמידות עם השימוש... פיתוח ווירוס חדש לחיידק מסוים הוא תהליך מהיר (ימים עד מס' שבועות) ופשוט יחסית פיתוח:

נגיפים לעומת אנטיביוטיקה - סיכום בקטריופאג'ים טווח פעילות רחב יעילים אך ספציפיים מאוד יש פינוי מהגוף וחילוף חומרים מתרבים בחיידק המטרה – מינון נמוך עמידות מתפתחת מהר והיא, לרוב, למשפחה של תרופות עמידויות מתפתחות פחות, וגם הן רק לאותו הפאג' תרופות קבועות במבנה וביכולות יש מנגנון אבולוציוני כנגד זה של החיידקים

ווירוסים - סיכום נגיפים הם טפיל מוחלט, המכיל מטען גנטי ומעטפת המסייעת לזיהוי וחדירה לתא המטרה דרכי ההתמודדות העיקריות עם מחלות ויראליות היא מניעת הדבקה וחיסון מעבר להיותם פתוגנים, נגיפים נמצאים בשימוש ככלי מחקר ופיתוח ביו-טכנולוגיים (לתרופות, חיסונים, נשקים להשמדה המונית וכו'...)