Пять вопросов о H5N1
Теперь мы знаем, что смертельный вирус птичьего гриппа может вызвать пандемию среди людей. Поэтому тем более необходимо прояснить оставшиеся открытыми вопросы.
Биология вируса птичьего гриппа H5N1 полна противоречий. Вирус широко распространен, но его трудно обнаружить. Он убивает более половины инфицированных людей, но у тысяч людей, подвергшихся его воздействию, не проявляются симптомы. Кажется, что всего несколько мутационных шагов отделяет его от человека к человеку, но он еще не завершил эти шаги за более чем 16 лет быстрой эволюции.
В июне этого года ученые обнаружили мутации, которые позволяют H5N1 передаваться по воздуху от одного хорька к другому. Эта работа, одна из которых была выполнена группой под руководством Рона Фушье из Медицинского центра Эразма в Роттердаме [1], а другая - Ёсихиро Каваока из Университета Висконсин-Мэдисон и его коллег [2], вызвала горячие споры, поскольку некоторые видели в ней рецепт для доморощенная катастрофа: работа над вирусами увеличила риск случайного или преднамеренного высвобождения смертельно опасного для человека патогена.
Но то, что многие исследователи гриппа считают еще более тревожным, - это понимание, выраженное в этой работе, что вирус может также вызвать пандемию без каких-либо действий. Эта угроза делает еще более актуальными неразгаданные научные тайны, окружающие этот крошечный РНК-вирус, чей геном содержит всего 14 000 генов. Мы представляем пять самых больших загадок и то, что ученые делают для их решения.
Почему он такой успешный?
Название H5N1 происходит от комбинации двух белков на поверхности вируса, а именно гемагглютинина (HA) и нейраминидазы. Однако существует множество различных штаммов H5N1. Высокопатогенный штамм, который фигурирует в заголовках уже более десяти лет, был впервые идентифицирован в 1996 году. Названный Gs/Gd, потому что он был обнаружен у домашних гусей в китайской провинции Гуандун, он «полностью отличается от любого вируса птичьего гриппа, обнаруженного на сегодняшний день», по словам вирусолога Роберта Вебстера из Детской исследовательской больницы Св. Иуды в Мемфисе, штат Теннесси. Большинство вирусов птичьего гриппа безвредны, они используют в качестве хозяев диких птиц и лишь изредка приводят к смертельным, но кратковременным вспышкам среди домашней птицы. Однако штамм Gs/Gd перешел от домашней птицы к дикой. Он также заражает млекопитающих, таких как люди, тигры, пищухи, циветты и другие. Он распространился в 63 странах и является эндемичным для популяций птиц в шести из них.
«Что такого особенного в этом вирусе, что он может так эффективно распространяться в дикой природе?» - спрашивает Джереми Фаррар, специалист по тропической медицине из Оксфордского университета. Однозначного ответа нет.
"Что такого особенного в этом вирусе, что он может так эффективно распространяться в дикой природе?" (Джереми Фаррар)
Переполненные фермы и рынки Китая, которые предлагают пеструю смесь возможных хозяев, могут служить рассадниками вирусов, трансцендентных видам. Попытки искоренить его у домашней птицы не увенчались успехом. В результате вирус быстро изменился в 1999 и 2000 годах, и появилось множество новых направлений развития. За это время клада линии Gs/Gd, обозначенная как 2.2, приобрела мутацию в белке PB2, одном из трех генов полимеразы, которые позволяют вирусу копировать свой геном. Эта мутация считается адаптацией к хозяевам-млекопитающим.
2002, по причинам, которые до сих пор неясны, вирус вернулся к диким птицам и начал их убивать. Первоначально было несколько отдельных смертей, но в мае 2005 года вирусы клады 2.2 стали причиной гибели более 6000 гусей, чаек и уток на озере Цинхай, самом большом озере в Китае и важном месте размножения перелетных птиц. Эта вспышка ознаменовала начало глобального путешествия, в ходе которого вирус распространился на остальную часть Азии, Европы и Африки через торговлю птицами и перелетных птиц. Прививки позволили взять вирус под контроль в Гонконге и Вьетнаме, но там, где эти прививки были бессистемными, они только ускорили развитие вируса. Таким образом, Египет создал множество новых субкладов [3], и с 2009 года в стране зарегистрировано больше новых случаев заболевания людей, чем в любой другой стране.
Есть и хорошие новости: уровень заражения среди диких птиц резко снизился с 2006 года. Но с исчезновением старых линий вновь возникают новые, как Clade 2.3.2.1, свирепствующей среди домашней птицы в Азии с начала 2011 года. «Это то, что беспокоит меня больше всего», - сказал Вебстер. «Похоже, он становится доминирующим и легко нападает на диких птиц». H5N1 развивается быстрее, чем мы можем его понять.
Где это сейчас?
H5N1 кажется везде и нигде одновременно. Из-за этого так сложно предсказать, когда, где и разразится ли человеческая пандемия.
Дикие птицы являются переносчиками H5N1, но этот вирус может быть трудно обнаружить, так как немногие заражаются им. Никто не знает, насколько широко это распространено среди людей. По состоянию на 10 августа 2012 г. ВОЗ зарегистрировала 608 случаев заболевания людей вирусом H5N1, из которых 359 закончились смертельным исходом (обновление редакции). Многие подозревают, что фактическое число намного больше, поэтому уровень смертности будет намного ниже 60 процентов. Вирусолог Питер Палезе из Медицинской школы Маунт-Синай в Нью-Йорке просмотрел ряд исследований, которые смогли доказать наличие инфекции H5N1 в крови здоровых людей. По его оценкам, от одного до двух процентов населения, подвергшегося воздействию вируса, заражается, но большинство из них не имеют симптомов или имеют только легкие симптомы [4].
Заявления Палезе противоречивы. Фаррар, который лечил пациентов в Азии, говорит, что видел в основном тяжелые случаи. «Если есть много доброкачественных инфекций, то, учитывая осведомленность населения и медиков, мы ожидаем, что в больницах будет больше пациентов с менее серьезными симптомами», - объясняет он.
Споры об уровне заражения основаны на недостатке знаний о том, как иммунная система реагирует на вирус. У инфицированных людей вырабатываются антитела и Т-клетки, которые распознают вирус, но никто не знает, как эти реакции усиливаются или ослабевают с течением времени или как они выглядят у людей, у которых нет симптомов. Сигналы также могут просто представлять собой ложную тревогу.«Если каждый день подметать в курятнике птичий помет, полный вирусных антигенов, реакция антител может возникнуть даже без инфекции», - объясняет Фушье. По его мнению, необходим более тщательный мониторинг подозрительных случаев, чтобы положить конец спорам о том, как заражаются простые люди. Фаррар добавляет, что такие исследования должны длиться несколько лет, чтобы понять, как со временем меняется иммунный ответ. Многие исследователи также призывают к улучшению наблюдения за домашними и дикими животными.
Для ветеринарного вирусолога Иларии Капуа из Института зоопрофилактики Венеции в Леньяро распространение H5N1 является самой важной и самой сложной проблемой. «Любой прогноз о том, станет ли этот вирус пандемией, зависит от того, где он сконцентрирован, насколько он сконцентрирован, а также от вероятности контакта человека с животными. Однако информация более чем отрывочна».
Как это убивает?
Ученые постепенно раскрывают генетические факторы, которые делают H5N1 таким смертельным. Вирус содержит различные мутации в своих трех генах полимеразы, которые позволяют ему агрессивно размножаться, и у пациентов, которые умирают от него, обнаруживаются самые высокие уровни вирусной РНК. Через определенные изменения HA, которые кодируют белок, который фиксируется в клетках-хозяевах, вирус может заражать ткани не только в легких и кишечнике, но и, например, в головном мозге. Этот свободный проход позволяет вирусу убивать хорьков, мышей и птиц, но, по-видимому, менее важен для приматов. «У людей это по-прежнему в подавляющем большинстве случаев похоже на пациентов, умирающих от респираторных заболеваний», - сказал Малик Пейрис, клинический вирусолог из Университета Гонконга. Вскрытие может дать больше информации, но редко разрешается в Азии, поскольку культура диктует полное захоронение.
При H5N1 иммунная система также выходит из строя. Иммунные клетки накапливаются в очагах инфекции и вырабатывают воспалительные вещества, так называемые цитокины, которые привлекают другие иммунные клетки. В результате возникает настоящая «цитокиновая буря», которая наполняет легкие жидкостью и непоправимо повреждает близлежащие ткани, что часто является причиной смерти. H5N1 вызывает большую атаку, чем вирусы гриппа H1N1 или H3N2, распространенные среди людей. Хотя эти факторы могут объяснить тяжесть зарегистрированных случаев, они не объясняют, почему инфекции настолько редки. «Почему мы получили только 600 случаев заражения от десятков тысяч детей, игравших с больными цыплятами за девять лет?» - спрашивает иммунолог Энтони Фаучи, директор Национального института аллергии и инфекционных заболеваний в Бетесде, штат Мэриленд.
Палезе подозревает, что тяжелые случаи были просто вдыханием особенно высоких концентраций вируса. Однако Пейрис не считает это единственным объяснением достаточным.«Инфекция и болезнь не прямо пропорциональны воздействию. Девяносто девять целых девять процентов людей, подвергшихся воздействию больших доз, не заболевают и не имеют антител в крови. Но у тех, кто это делает, вирус размножается, как псих. Поразительно, что эти случаи часто происходят в пределах одной семьи, прежде всего среди кровных родственников. Эти люди могут быть генетически особенно восприимчивы к H5N1, или другие могут иметь генетические варианты, которые их защищают. Найти эти варианты будет сложно, учитывая, что только 300 инфицированных во всем мире пережили инфекцию, но исследования начинают указывать на это.
Несколько месяцев назад группа из Wellcome Trust Sanger Institute в Хинкстоне, Великобритания, обнаружила, что ген IFITM3 играет решающую роль в ответе на некоторые гриппозные инфекции [6]. Вариант этого гена, кодирующий дефектный белок, оказался избыточным у людей, госпитализированных со штаммами вирусов пандемического или сезонного гриппа, и даже слабый вирус H3N2 мог буйствовать в легких мышей без этого гена. Фаррар только что завершил аналогичное исследование у 67 азиатских пациентов, госпитализированных с H5N1. Результаты, представленные для публикации, обнаруживают варианты в двух других генах, которые, по-видимому, вызывают восприимчивость к вирусу.
Будет ли он передаваться между людьми?
До сих пор H5N1, по-видимому, передается человеку только при тесном контакте с инфицированными птицами. Чтобы он передавался от человека к человеку, он должен передаваться воздушно-капельным путем. Две статьи, опубликованные летом, показывают, что такая возможность существует.
Fouchier стремился сконструировать HA таким образом, чтобы его белок распознавал рецепторы в верхних дыхательных путях млекопитающих, а не рецепторы на поверхности птичьих клеток [1]. Затем он позволил вирусу мигрировать между хорьками и развиваться до тех пор, пока он не сможет передаваться через кашель и насморк. Каваока сделал то же самое [2], но слил мутантный HA из H5N1 с другими генами из пандемического штамма H1N1 2009 года.«В принципе, H5N1 может передаваться по воздуху, - объясняет Фушье. «Критический вопрос заключается в том, будет ли это».
"В принципе, H5N1 может передаваться по воздуху. Критический вопрос заключается в том, будет ли это" (Рон Фушье)
Один из самых больших вопросов о H5N1 заключается в том, почему он не стал заразным после стольких лет обращения. Пока ни у кого нет хорошего ответа на этот вопрос. Многие из мутаций, выявленных Фушье и Каваокой, также были обнаружены в дикой природе. Проведя поиск в базах данных, биоинформатик из Кембриджского университета Дерек Смит обнаружил, что многие дикие клады всего в двух-четырех мутациях отличаются от наборов, найденных Фушье и Каваокой [7].
Смит не смог определить реальный риск, поскольку данные мониторинга скрывают генетическое разнообразие вируса. H5N1 воспроизводится с ошибками, поэтому каждый пациент является носителем множества вирусов с минимальными генетическими вариациями. База данных содержит только «компромиссную» последовательность, которая представляет собой смесь наиболее распространенных вариантов в каждой позиции генома. Только более точная последовательность, многократное чтение каждой позиции, может разблокировать все варианты.
Даже если та же самая комбинация мутаций HA, обнаруженная Фушье и Каваокой, возникнет в естественной среде, никто не может предсказать, будет ли получившийся вирус так же легко передаваться от человека к человеку, как это было в лаборатории среди хорьков.. Также неясно, как другие гены H5N1 способствуют трансмиссивности и будут ли различные комбинации мутаций иметь такой же эффект. «Они просто поцарапали поверхность», - говорит Вебстер.
По словам Фушье и Каваока, ценность их работы заключается в определении физических характеристик, которые делают H5N1 трансмиссивным. Некоторые мутации позволяют НА распознавать рецепторы млекопитающих, другие стабилизируют белок. «Используя эти характеристики, можно ли передать любой вирус гриппа по воздуху?» - спрашивает Фушье. Вирулентность трансмиссивного штамма также неизвестна. Одна из гипотез состоит в том, что вирулентность ингибируется по мере увеличения трансмиссивности. Например, переносимый по воздуху H5N1 может распознавать рецепторы в верхних дыхательных путях. В то же время он менее склонен поражать легкие теми значительными повреждениями, которые наносят дикие штаммы. «Такой сценарий теоретически вполне возможен», - говорит Перейс. «Хотя я бы не стал ставить на это свою жизнь».
Мутантные вирусы Фушье и Каваока вызывают более легкое заболевание у хорьков, чем их дикие аналоги. Однако оба исследователя признают, что такое сравнение вводит в заблуждение, поскольку дикие штаммы H5N1 необходимо вводить непосредственно животным, что может привести к высокой концентрации вируса в легких. Кроме того, Каваока отмечает, что трансмиссивные штаммы не обязательно должны иметь 60-процентную смертность, чтобы убить миллионы: пандемия H1N1 1918 года имела уровень смертности всего 2,5 процента, по-прежнему убивая 50 миллионов человек.
Что еще может вызвать пандемию?
Штамм Gs/Gd известен как смешанный вирус. Он был создан гриппозной версией полового размножения, при которой разные вирусы заражают одну и ту же клетку, меняя при этом гены. Вероятно, он содержит гены вирусов H6N1 и H9N2 [8]. С тех пор потомки H5N1 в основном обменивались генами между собой. «H5N1 не очень разнообразен по половому признаку, - объясняет Капуа. «Он обменивается генами в основном внутри своей собственной линии». Но штамм H1N1, вызвавший пандемию 2009 года, может вывести H5N1 из изоляции. Этот штамм сам по себе представляет собой генный коктейль из штаммов H1N1 свиней и домашней птицы и штамма H3N2 человека. Он также содержит набор генов TRIG (для «тройных реассортантных внутренних генов»), который, по-видимому, делает вирусы гриппа более восприимчивыми к смешению генетической информации, известному как реассортация. «Этот вирус порождает предрасположенность», - сказал Вебстер.
Команда Каваока показала, что два вируса совместимы и спонтанно меняют гены при заражении одних и тех же клеток [9]. Поскольку заразиться могут обе свинки, для этого есть реальная возможность. Вирусолог Детской исследовательской больницы Св. Иуды Стейси Шульц-Черри также обнаружила, что повторно собранные вирусы, содержащие HA из H5N1 и другие гены из пандемического H1N1, лучше реплицируются в клетках легких человека, чем их соответствующие родительские штаммы, и что после нескольких повторений они становятся инфицированными. 10].
Однако вирусолог Имперского колледжа Лондона Венди Барклай предупреждает, что, хотя эти эксперименты показывают возможность реассортации, они ничего не говорят о вероятности того, что это может произойти.«Вы можете форсировать результат, но я не знаю никого, кто проводил эксперимент в более естественных условиях», - объясняет она. Это потребует совместного содержания здоровых свиней, домашней птицы, инфицированной пандемическим гриппом H1N1, и домашней птицы, инфицированной H5N1. «Они заражены обоими вирусами, и вирусы смешиваются?» - спрашивает Барклай. «Это пока неизвестно, но было бы очень важно знать».
Рекомбинация H5N1-H1N1 имела бы то преимущество, что многие люди уже были инфицированы H1N1 и, следовательно, имели бы определенный иммунитет. Однако немногие люди подвергались воздействию какого-либо из вирусов гриппа, которые передаются среди птиц. «Больше всего я думаю, что птичий вирус может каким-то образом попасть к нам», - говорит Фаррар. Из-за серьезности известных инфекций H5N1 занимает первое место в списке проблем, но другие подтипы могут стать пандемическими раньше.
«H9N2 был бы столь же вероятным кандидатом на пандемию», - объясняет Пейрис. Он остается в значительной степени незамеченным, но скрывается у азиатской домашней птицы, иногда вызывает заболевания у людей и может скрещиваться с сезонным гриппом. Некоторые штаммы уже имеют мутации, предназначенные для облегчения переноса на млекопитающих. H7N7 также широко распространен, и о нем также редко сообщают. Он вспыхнул в Нидерландах в 2003 году, заразив 89 человек и убив ветеринара. Вирусологи надеются, что, раскрыв секрет, который позволяет H5N1 распространяться со смертельными последствиями, они смогут лучше оценить риски, связанные с другими подтипами. «Грипп непредсказуем», - объясняет Капуя.