Где возник вирус иммунодефицита человека, до сих пор окончательно не ясно, хотя история развития эпидемии изучена достаточно хорошо. Известно, что болезнь пришла откуда-то из африканских джунглей, но до последнего времени в дебрях Африки останавливались все исследования. На этом, начальном, этапе сконцентрировали усилия исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме, Беатрис Хан и Джордж Шоу.
Сначала были обезьяны, …и не только они
Общепринятым считается представление, что СПИД возник среди шимпанзе. Несколько десятилетий назад болезнь перекинулась на людей, вызвав всемирную эпидемию, после того, как несколько больных животных были убиты и съедены местными жителями.
Свидетельством в пользу этой точки зрения считаются три пойманных в Африке шимпанзе, зараженных вирусом, очень близким тому, что вызывает СПИД у людей. Также были обнаружены четыре шимпанзе, поражённые вирусом, генетически родственным, но не идентичным ВИЧ. Неизвестно, где жили эти животные прежде, чем они были пойманы, но Хан с соавторами считают, что эти животные родом не из западной части центральной Африки, потому что вирус, поразивший их, слишком отличен генетически от той разновидности, что поразила первых трёх шимпанзе.
Сейчас у нас есть четыре разных обезьяньих вируса, — говорит Хан, — три из них очень близки как между собой, так и человеческой разновидности. Но они очень сильно отличаются от четвёртого образца. Таким образом, мы приходим к выводу, что западная часть центральной Африки является наиболее вероятной родиной микроба, поразившего сегодня планету.
Возможность такого состояния была доказана более десяти лет назад, когда Марло Браун, жительница города Петалума, Калифорния, владелица приюта для кошек, была удивлена тем, что у нескольких её животных обнаружились симтомы, очень похожие на симптомы СПИДа. Мисс Браун отправилась вместе со своими кошками к ветеринару, который не смог сказать ничего определённого. В конце концов, Нильс Педерсен, специалист по вирусным заболеваниям животных в Калифорнийском университете, признал, что кошки страдают СПИДом.
Ожидали одно, а получили другое
Итак, с учётом этих фактов, исследователям предстояло разработать методику, позволяющую обнаружить ВИЧ-подобные вирусы у диких шимпанзе, которые внесены в Красную книгу и являются исчезающим видом. Запрещено не только ловить этих животных и содержать в неволе, но даже подвергать анестезии и брать анализы крови. Ученые нашли способ обнаружить следы вируса в фекалиях и моче обезьян.
Технология была опробована на людях, которые оказались более доступным материалом для исследования, чем животные. Хан рассказала, что её студенты отказывались работать с огромным количеством человеческого кала, который, согласно условиям эксперимента, можно было исследовать только спустя часы и даже дни после получения (ведь предстояло отыскивать испражнения обезьян в лесу, и они не могли оказаться свежими). Исследование оказалось под угрозой. Ситуацию спасло то, что фекалии обезьян, как оказалось, не имеют столь неприятного запаха даже в полуразложившемся состоянии.
В конце концов, группа исследователей отправилась в дикие джунгли. Там было налажено сотрудничество с приматологами, знавшими каждое животное колонии. Это позволило определять принадлежность каждого образца, проверяя достоверность исследования повторными анализами материала от одних и тех же животных. Удалось получить ряд образцов кала и мочи от 58 шимпанзе колонии в лесе Таэй, национальном парке Кот Д’Ивуара (Берега Слоновой Кости), национальном парке Кибале в Уганде и Гомбе в Танзании. Материал был сохранён и перевезён в США.
Возможна ли адаптация к вирусу?
Этот учёный предложил три возможных объяснения подобному невероятному исходу исследования. Он заявил, что, возможно, существуют поражённые популяции, но они так изолированны, что не обмениваются инфекциями с доступными исследователям животными. Или же популяции шимпанзе, поражённые вирусом, всё же вымерли. Возможно, причиной этого была охота местных жителей и изменение среды обитания, нарушившие их воспроизводство. И, наконец, наиболее загадочным будет предположение что, действительно, очень малое число шимпанзе инфицировано. Однако если заражённых шимпанзе так мало, как же вирус перешёл на людей?
Хан сообщила, что её группа начала исследовать совершенно диких шимпанзе, живущих вне исследуемых популяций. Сейчас они занимаются сбором испражнений в самых диких уголках джунглей. Теперь им не удастся выяснить, какому конкретно животному принадлежат собранные образцы и здорово ли оно. Но, тем не менее, это исследование позволит определить, насколько редок вирус среди диких обезьян.
Сейчас исследователи СПИДа ищут следы инфекции в дикой природе и пытаются применить полученные данные для понимания будущего эпидемии среди людей. Почему шимпанзе и дикие кошки так устойчивы к вирусу и не болеют СПИДом, будучи заражёнными?
Марк Файнберг, профессор медицины, микробиологии и иммунологии в Университете Эмори, сфокусировался на одном виде западноафриканских обезьян, широко поражённых вирусом, идентичным ВИЧ-2, человеческому вирусу СПИДа, поражавшего людей в Западной Африке, но не вызвавшего всемирной эпидемии. Исследователям было достоверно известно, что обезьяны совершенно здоровы. Ожидалось, что обезьяны способны каким-то образом подавлять развитие вирусов. И в крови обезьян не обнаружится большого количества микробов, свойственного людям, инфицированным ВИЧ-2. Однако в результате анализа крови обезьян выяснилось, что в каждой капле крови миллионы вирусных частиц. Тогда от предположения о способности организма обезьян подавлять вирусы пришлось отказаться.
Для объяснения ситуации была предложена версия, что вирусы по какой-то причине, размножаясь, не убивают клетки обезьяны. Однако и это предположение оказалось не верно. Вирусы постоянно уничтожали значительное количество клеток. Обезьяны просто оказались способны эту потерю восполнять. Точно такая же ситуация обнаружилась и у львов с пумами, сообщил специалист по диким кошачьим О Брайен. У животных обнаружилось огромное количество вирусов, постоянно уничтожающих клетки крови и способность эту потерю восполнять без ущерба для здоровья.
О Брайен рассказал, что появление такой адаптации теоретически можно было предсказать. Он также добавил, что обнаруженные особенности кроветворения у инфицированных популяций имеют большое значение для борьбы с эпидемией СПИДа среди людей. Файнберг, как и О Брайен, думает, что неминуемым является то, что ВИЧ изменит человечество. Настолько много людей инфицировано в некоторых частях Африки, сообщил специалист по диким кошкам, что будущие поколения будут иметь непропорционально большое число людей с генетической предрасположенностью к жизни с вирусом.
— Наталья Матвеевна, известно, что у гриппа множество штаммов. А у вируса иммунодефицита тоже есть разновидности?
— Разновидностей ВИЧ множество: так же, как люди делятся на разные расы, национальности, так и разные вирусы иммунодефицита различаются по структуре генома — генетического кода, который содержит всю информацию о вирусе. Геном вируса — это как хромосомы у человека, в которых зашифрована вся генетическая информация (какие у вас глаза, губы, рост и т. д.). Молекулярные эпидемиологи расшифровывают генетические коды вирусов и с помощью компьютерных программ сравнивают их, объединяя вирусы по идентичности их генома. Близкие группы вирусов называют субтипами.
Генетическую классификацию ВИЧ ввели вскоре после его открытия. Сначала определили девять основных групп, субтипов — A, B, C, D и т.д, и думали, что на этом все закончится. Но уже в начале 2000-х годов стало очевидно, что ВИЧ меняется. Когда вирус попадает в клетку человека, каждый цикл своего воспроизведения он делает с ошибкой. Считается, что без терапии у одного человека в сутки воспроизводится 10 в десятой степени новых вирусов. И каждый раз вирус при копировании своего генома может делать ошибку — так накапливаются точечные мутации.
Но, кроме этого, оказалось, что вирусы могут и взаимодействовать друг с другом. Если в клетку человека попадает один вирус, а через какое-то время он заражается еще раз уже другим генетическим вариантом вируса (сначала был вирус, условно говоря, голубой, а потом попал красный), то такие вирусы могут частично обмениваться кусками своей информации (в результате может получиться уже вирус с мозаичной структурой генома, где чередуются красный и синий цвета). Это называется рекомбинантный вариант ВИЧ.
Такие варианты стали регистрировать еще в начале 2000-х годов, и некоторые рекомбинантные варианты получили очень широкое распространение в международной эпидемии — пандемии. Например, вирус CRF01_АЕ (это значит, что его прародительские формы — субтипы вируса А и Е), CRF02_AG, CRF03_АВ и т. д.
— Какие варианты вирусов наиболее распространены?
— В России очень долго, примерно до 2008 года, почти на всех территориях распространялся вирус субтипа А. Он распространялся в обычной популяции (наркоманы и люди, получившие ВИЧ половым путем). Исключение составляли мужчины гомосексуальной ориентации, в группе которых циркулировал другой вирус — субтипа B: так сложилось исторически, потому что именно этот вирус в свое время попал в такую группу людей. Но сейчас ситуация очень сильно изменилась.
— Каким образом?
Мы не сразу поняли, что это новый вирус — технологии тогда еще не позволяли, секвенирование (расшифровка генома) было очень дорогим, малодоступным. Сначала мы думали, что мы увидели вирус, который, по данным научной литературы, выявлялся в странах Средней Азии — в Таджикистане, Узбекистане, Киргизии, Казахстане.
Обычно анализ генома ВИЧ проводится по 1/3-1/5 генома, а здесь мы полностью расшифровали вирус, от начала и до конца, сравнили расшифровки между собой и поняли, что восемь геномов ВИЧ-1 абсолютно идентичны.
Есть специальные компьютерные программы, которые позволяют анализировать вирус, сопоставляя кусочки его генома с геномами других вирусов. Такой анализ позволил доказать, что этот новый вирус частично такой же, как среднеазиатский CRF02_AG, а частично такой, как российский субтип А (теперь он называется А6). Таким образом, расшифровка структуры полного вирусного генома позволила понять, что эти два вируса скрестились и возник новый генетический вариант ВИЧ-1.
Первые образцы такого вируса были выделены нами от пациентов, инфицированных в 2003—2004 годах: видимо, он возник на рубеже 2000-х годов. В середине нулевых мы в Новосибирске стали выявлять его все больше и больше. Среди образцов крови, взятых у впервые выявленных людей с ВИЧ, в 2008 году мы находили такой вирус в 30% случаев, а после 2009-10 года количество людей, инфицированных этим типом ВИЧ, увеличилось до 80%.
— Как вы назвали новый вирус?
— Наименование было присвоено не нами, а международными экспертами, которые проверили корректность проведенных нами исследований. Выявленный в Сибири ВИЧ-1 был назван CFR63_02А1. Цифра 63 обозначает, каким по счету этот рекомбинантный вирус был открыт, а 02А1 — прародители этого вируса.
— Где еще обнаруживался новый ВИЧ?
— Мы вели исследования на территории Кемеровской, Томской областей, сейчас работаем в Красноярском крае, проводили анализ на Алтае.
В Томске мы успели зафиксировать ситуацию в самом начале — там до 2013 года были очень низкие темпы эпидемии: в год выявлялось порядка 200 человек, а с 2013 года выявляемость новых случаев увеличилась до 3000 случаев в год — темпы роста заболеваемости выросли почти в 10 раз! И в это же время мы стали выявлять там этот новый вирус.
— Такие темпы роста — это его заслуга?
— Скорее это совпадение всех условий: в это же время в Томске наркоманы перестроились на употребление дешевых синтетических наркотиков из Китая, и проникновение нового вируса совпало с резким увеличением количества людей, употребляющих эти наркотики. Во-первых, они не контролировали использование одноразовых шприцов (могли использовать шприцы совместно), во-вторых, эти наркотики действуют на психику — человек теряет контроль ситуации, у него резко повышаются сексуальные инстинкты и снижаются барьеры. В итоге люди заражались и через потребление наркотиков одной иглой, и через сексуальные контакты с разными партнерами.
В Новосибирске — схожая картина: до 2007 года у нас было всего официально зарегистрирована тысяча ВИЧ-инфицированных людей. С 2008 года пошли синтетические наркотики, и каждый год — по 2,5 тысячи новых случаев, потом больше. Сейчас в среднем мы имеем прирост в 3,5 тысяч новых случаев ВИЧ-инфекции в год, при этом основной вклад, более 80-85%, вносит этот новый вирус CRF63_02A1.
— В других регионах какие данные?
— В уральских регионах где-то проводите исследования?
— На Урале мы работаем в Тюмени: там очень неравнодушные люди, которых очень интересовало, какие вирусы вызывают распространение эпидемии на их территории. Мы провели такое исследование в 2015 году: взяли порядка 100 образцов крови от ВИЧ-инфицированных жителей Тюмени и области и, к своему удивлению, обнаружили, что там 95% зараженных инфицировано старым вирусом (субтипа А), всего в 2 случаях мы нашли мозаичные вирусы, геном которых частично относится к субтипу А, а частично — к 63-му ВИЧ. Есть еще среднеазиатский вирус CRF02_AG и 1 или 2 случая инфицирования ВИЧ субтипа В, во всех остальных случаях был выделен субтип А- вируса.
То есть в Тюмени сохраняется классическая российская ситуация, какая была в конце 90-х.
— В чем его опасность?
— Статистика показывает, что он распространяется очень быстро.
У нас сейчас выявляется все больше людей в острой стадии ВИЧ-инфекции, с очень высокой вирусной нагрузкой и выраженной лихорадкой. С одной стороны, такие люди более опасны для своих половых партнеров, так как вирус, присутствуя в большой концентрации, с большей вероятностью переходит к другому человеку.
С другой стороны, при таком начале заболевания люди чаще обращаются в медучреждения, где им могут быстро поставить правильный диагноз и назначить срочное лечение. Важно, что эти вирусы очень хорошо откликаются на антиретровирусную терапию: если пациенту своевременно назначить лечение, то вирусная нагрузка быстро снижается и человек начинает себя хорошо чувствовать.
— Кто бы могу подумать, что работа таких узких специалистов, как вы, будет столь важной!
— Раньше никто не думал, что вирусы могут так быстро меняться. Анализ последних лет работы показал, что наши затраты сил, времени и финансов были оправданы. К тому же знание особенностей генома вирусов очень важно не только для эпидемиологии, но и для разработки тест-систем. Многие клинические тест-системы основаны на ПЦР-диагностике, а она, в свою очередь, — на знании нуклеотидной последовательности вирусов (вирусного генома). Все свои расшифрованные последовательности мы помещаем в международную базу данных. Эти данные общедоступны, и разработчики тест-систем могут пользоваться ими, чтобы смотреть, соответствует их тест-система изменчивости вирусов или нет.
— В моем представлении, работа с вирусами — это как в кино: лаборатории с уровнями доступа, люди в специальных защитных костюмах а-ля сканфандры. У вас все так же?
— У нас в лабораториях есть боксы биологической безопасности (ламинары), которые, благодаря воздушным потокам, защищают работника и препятствуют выходу материала в окружающую среду. При их использовании расписаны все алгоритмы работы, чтобы она была максимально безопасной. ВИЧ по воздуху не летает, для него не нужны скафандры.
— Как выглядят вирус ВИЧ?
— В интернете есть множество фотографий вируса иммунодефицита человека. А у нас есть электронные фотографии ВИЧ, с которыми мы работаем. Но это малоинформативно: внешне вирионы всех генетических разновидностей ВИЧ выглядят одинаково. Для нас, вирусологов, важно, как выглядит его расшифрованная структура ДНК, так как именно в ней закодированы все различия в свойствах вируса.
— Что бы посоветовал вирусолог людям, живущим с ВИЧ?
— Раньше начинали лечить, только когда иммунитет у человека начинал падать…
Я иногда говорю пациентам с ВИЧ: у меня высокое давление, я каждый день пью таблетки — и вы точно также пейте каждый день, по времени и будете жить нормально. Ну и что, что химия?
Если терапия идет тяжело, можно менять схему лечения, заменив препараты. Если плохая переносимость лекарств, об этом просто нужно говорить врачу.
— Ваша оценка ситуации с ВИЧ в России?
Светила медицины трудятся над созданием лекарства против вируса иммунодефицита человека. Чтобы понять природу заболевания и особенности его распространения, ученым необходимо знать, как выглядит клетка вируса.
Строение вируса ВИЧ
Строение вируса подобно сфере, которая покрыта шипами. Ее размер значительно превышает параметры возбудителя гепатита B и других вирусов. Диаметр сферы составляет 100 — 150 нанометров. Она называется нуклеокапсидом, или вирионом.
Клеточное строение ВИЧ характеризуется двухслойной структурой:
В основе вирусной клетки скрывается геном — РНК, состоящая из 2-х молекул. Каждая из них хранит 9 генов, несущих информацию о строении вируса, способах заражения и размножения вредоносных клеток.
Геном окружен конической оболочкой, которая состоит из протеинов:
Геномная РНК связана с оболочкой посредством нуклеокапсидных белков p7 и p9.
Известно несколько форм вируса иммунодефицита человека. Самая распространенная из них — ВИЧ-1. Она распространена в Евразии, Северной и Южной Америках. Другая форма ВИЧ-2 была выявлена у населения Африканского континента. ВИЧ-3 и ВИЧ-4 встречаются редко.
К какому семейству относится вирус ВИЧ
ВИЧ относится к семейству ретровирусов — их вирионы содержат РНК, атакующие организм позвоночных. Попадая в организм, вирионы вызывают гибель здоровых клеток. Ретровирусы поражают животных. Лишь один вид в этом семействе опасен для человека — это ВИЧ.
С середины 80-х годов XX века в генетике появились исследования, изучающие геном ВИЧ. Ученые пока не нашли способа полного разрушения клеток ВИЧ, но достигли больших успехов в диагностике и лечении заболевания. Использование антиретровирусных препаратов позволяет продлить латентную стадию болезни до 15 лет. Продолжительность жизни больных постоянно увеличивается. Сегодня она составляет в среднем 63 года.
Как выглядит ВИЧ под микроскопом
Снимки многократно увеличенного ВИЧ впервые были сделаны в 1983 г. Элементарная единица ВИЧ под микроскопом напоминает модель загадочной планеты, которая покрыта экзотическими растениями. Благодаря развитию фототехники и оптического оборудования позже были сделаны детальные фотографии опасной вирусной частицы.
Компьютерная графика позволяет воспроизвести ее жизненный цикл:
- На стадии выделения вириона из клетки на снимке видны выпуклые уплотнения, которые как бы распирают клетку изнутри.
- В первое время после отделения у вируса остается отросток, которые соединяет его с клеткой. Он постепенно исчезает.
- Когда стадия выделения вируса из клетки завершилась, он принимает форму шара. На макроснимке отображается как черное кольцо.
- Зрелый вирион на фото выглядит как черный прямоугольник, треугольник или круг, который обрамляет тонкое кольцо. Темная сердцевина – это капсид. Он имеет форму конуса. Какая геометрическая фигура будет видна на фотографии, зависит от того, с какого ракурса сделан снимок. Кольцо – оболочка вириона.
Какие клетки и в каком количестве поражает
Клеточные рецепторы, с которыми связывается вирусный белок, называются CD4. Элементарные единицы живого организма, имеющие такие рецепторы – потенциальные мишени для ВИЧ. Белковый рецептор CD4 входит в состав некоторых лейкоцитов, а именно – Т-лимфоцитов, моноцитов и макрофагов.
Т-лимфоциты (хелперы), защищая организм, первыми вступают в контакт с агрессивными вирионами и погибают. У здорового человека CD4 выявляется в количестве 5 – 12 единиц на пробу крови. При заражении ВИЧ и развитии инфекции норма падает до 0 – 3,5 ед.
Находясь под оболочкой лимфоцитов, макрофагов, нервных клеток, вирусы-захватчики укрываются от воздействия лекарственных препаратов и противодействия иммунной системы. Они нарушают иммунные реакции организма, который начинает реагировать на собственные клетки как на чужеродные антигены.
Внутри пораженных клеток происходит размножение вируса иммунодефицита с последующим выделением новых вирионов. Клетка-хозяин при этом разрушается.
Когда клетки поражает вирус иммунодефицита, запускается защитная реакция. Постепенно иммунная система формирует антитела к вирусу. Их число увеличивается и уже через 2 – 3 недели антитела будут заметны при иммуноферментном исследовании крови. Если в организм проникло незначительное числовирусных частиц, достаточное количество антител может сформироваться только через год. Такое случается в 0,5 % случаев.
Таким образом, сведения о строении и жизнедеятельности вируса иммунодефицита помогают ученым в разработке диагностических методик и способов лечения ВИЧ-инфекции.