Biologija vektora i patogeneza arbovirusa Prof Dr Miroslav

Biologija vektora i patogeneza arbovirusa Prof. Dr. Miroslav Valčić Fakultet veterinarske medicine Univerzitet u Beogradu

Arbovirusi n Velika grupa virusa različitih bioloških karakteristika n Zajednička osobina – prenošenje vektorima n n Artropodama Nekada se i umnožavaju u vektorima n n Virusi koji su paraziti artropoda? Arthropod-borne viruses

Arbovirusi- vektori n Klasa Insecta – red Diptera n Culicoidae

Arbovirusi - vektori Phlebotominae (peščane mušice) Žive blizu vode i u polusuvim mestima

Arbovirusi - vektori n Ceratopogonidae

Arbovirusi - vektori n n n Krpelji potkase Acari (klasa Arachnida) Argasidae – meki krpelji Rhipicephalus

Arbovirusi - vektori n Meki krpelji - Argasidae

Arbovirusi - vektori n n Tvrdi krpelji – Ixodidae Dermacentor

Arbovirusi n n Za razliku od ostalih virusa, arbovirusi se šire horizontalno preko vektora Ostali virusi se prenose direktnim ili indirektnom kontaktom među kičmenjacima Razlika ima posledice po epizootiologiju, evoluciju i kontrolu arbovirusnih infekcija Preko 500 virusa n Togavirusi, flavivirusi, bunyavirusi, reovirusi i rabdovirusi (svi su RNK virusi) n n n Velika sposobnost RNK molekula da se adaptira Alternativni mehanizmi replikacije i maturacije DNK - Asfavirusi

Arbovirusi n Arbovirusi ljudi n n Febrilna oboljenja Encefalitisi Hemoragična oboljenja Veterinarska medicina n n Veća lepeza simptoma Uopšteno – encefalitisi, hemoragični sindrom

Arbovirusi n Virusi koji izazivaju najteže simptome n n n Krpelji n n n Toga, alfavirusi, flavivirusi, bunyavirusi Prvi je opisan virus izazivač žute groznice ljudi Još uvek u Africi i Južnoj Americi Denga, Ross River, Venecuelanski encefalitis, Rift Najčešće encefalitisi Povremene epizootije i epidemije Stalni oprez i istraživaje mera kontrole i suzbijanja

Transmisija arbovirusa vektorima n Neki virusi inficiraju samo primate n n Žuta groznica, denga Primati (i ljudi) Dva ciklusa: primati i vektori (Aedes) Kompleksniji ciklus n n Alfavirusi Različiti epidemijski i epizootijski ciklusi Enzootijski Mutacije virusa – epizootije i epdemije n Visoke koncentracije mutiranog virusa u velikim životinjama (konji)

Transmisija arbovirusa vektorima n Transmisija krpeljima je složenija n n n Sezonski životni ciklus Različiti domaćini za različite razvojne forme krpelja Flavivirus n n n Haemaphysalis krpelj-sisari Trans-stadijumski prenos u krpeljima (amplifikacija) Majmuni uvećaju koncentraciju virusa u prirodi i inficiraju vektore Goveda se zaraze na paši Na povratku u selo – epidemija ljudi preko inficiranih nimfi krpelja

Životni ciklus vektora n n Komarci su najznačajniji Kompleksni životni ciklus n n Posle embrionalnog razvoja polažu se jaja Četiri larvena stadijuma u vodi (kod nekih edesa postoji dijapauza) n n Samo u zaklonjenim vodama (bez talasa i vetra) Dišu neposredno ispod površine vode n n Mansonia je izuzetak Četvrti stadijum - pupa

Životni ciklus vektora n Vreme razvoja n n n Zavisi od vrste, temperature, raspoložive hrane Nekoliko dana do nekoliko nedelja Tokom faze pupe – metamorfoza n n n Od vodene ka fazi odraslog insekta Razara se kutikula Mužjaci ranije sazrevaju

Životni ciklus vektora n n n Ženke se najčešće jednom oplode Mužjaci obično žive jednu nedelju Dužina života ženki varira n n U tropima – jedna nedelja Kontinentalna klima – mesecima n n Po nekada - hibernacija Distribucija je nekada mala (0. 5 km, Aedes) n Kod nekih vrsta i desetine kilometara

Životni ciklus vektora n n Kontinentalna klima – oplođenje je sezonsko (leto) Oplođene ženke hiberniraju na račun masnih naslaga n n Druge vrste – slično n n Neke vrste prežive u vodi Jaja, larva, pupa i odrasli oblik Culicoides i peščane mušice n n Vodena i poluvodena faza Larve se ukopaju u supstrat Meseci i godine za razvoj Slabi letači – lokalne kocentracije i lokalizovane epizootije

Životni ciklus vektora n Neki insekti mogu da prevale desetine kilometara n n Krpelji: Argasidae (meki krpelji) i Ixodidae (čvrsti krpelji) n n n Vetar Argasidae – sesilni ektoparaziti Ixodidae – ektoparaziti koji menjaju lokacije Za razliku od insekata: velika varijabilnost u odnosu na vrstu – domaćina Egzofilni (otvorena staništa, šume. . . ) i nidalni (blizu domaćina) Svi krpelji su terestralni n Jaja, larva, nimfa i odrasli oblik

Životni ciklus vektora n n n Ixodidni krpelji ležu hiljade jaja odjednom Argasidni – u više navrata Iz jaja izlaze larve (6 nogu) n n Preko trave se hvataju za domaćina – životinje Usledi 1 -5 stadijuma nimfe sa osam nogu

Životni ciklus vektora n n Odrasli oblik nastaje posle preobražaja – sparivanje Svi stadijumi i oba pola se hrane krvlju domaćina n n n Nekoliko stotina mikrolitra, povećanje tela oko 200 puta Argaside se hrane brzo – minuti Ixodide – sporo, danima i nedeljama

Životni ciklus vektora n n Transformacija u odraslog oblika (molting) se odvija najčešće u prirodi, bez životinje – domaćina Neki krpelji imaju samo jednog domaćina n n n Sve faze razvoja i hranjenje Nekada dva ili više domaćina – kičmenjaka Neki krpelji prežive i do 16 godina

Genotrofni ciklus vektora n n n Put od momenta traženja domaćina (hrane) do poleganja jaja Genotrofni ciklus je kritičan za transmisiju mikroba Za ovogenezu je neophodan obrok krvi – kapljica n n Često je potrebno nekoliko hranjenja (Culex, Aedes) Traženje domaćina n n Većina se hrani tokom jutra i u sumrak Senzori za CO 2, telesne mirise, temperatura tela

Genotrofni ciklus vektora n Posle hranjenja – digestija i formiranje jaja n n Većina vrsta komaraca pokazuje specifičnost za vrstudomaćina n n Nepoznat mehanizam Brojne vrste se hrane na sisarima i pticama n n Inhibicija traženja domaćina Neki na reptilima, vodozemcima. . . Potpuni obrok za manje od 10 minuta n Često se obrok prekida usled reakcije životinje

Genotrofni ciklus vektora n Solenofagni vektori (komarci, mušice) n n n Ubod rilice (proboscis) u krvni sud Formiranje kanala kroz dermis Ubacivanje salive u perivaskularno tkivo n n Slični mehanizmi i kod krpelja, peščanih mušica. . . Depozicija virusa van krvnih sudova Telmofagni vektori (krpelji, peščane mušice) n n Lubrikacija (podmazivanje), alergeni, enzimi, antikoagulansi, vazodilatacija Hrane se na krvi iz napravljenog jezerceta Kap krvi – nekoliko puta veća zapremina od samog vektora

Genotrofni ciklus vektora n Obrok krvi (kap) dolazi u srednje crevo n n n Kada se uzastopno uzimaju manji obroci – veća mogućnost prenošenja arbovirusa Iksodidni krpelji su na domaćinu danima i nedeljama n n n Manji deo u torakalni divertikulum i torakalno srednje crevo Luče se antikoagulansi, vazodilatatori, imunosupresori, antihistaminici, “lepak” za rilicu. . . Uvećavanje zapremine krpelja za preko 100 puta Argaside se zadržavaju na domaćinu vrlo kratko

Anatomija komarca BL – bazalna membrana (lamina) C – kardijačno srednje crevo DD – dorzalni divertikulum F – prednje crevo IF – intususceptum creva L – lumen M – srednje crevo ME – epitel srednjeg creva MV – mikrovili srednjeg creva SG – pljuvačne žlezde VD – ventralni divertikulum

Genotrofni ciklus vektora n Varenje obroka – kapi krvi n n n Faringealna pumpa-prednje crevo-kardija Prednji kraj torakalnog srednjeg creva-bulbulus (abdominalno srednje crevo tj. stomak) Zadnji deo srednjeg creva – pilorus – zadnje crevo Epitelne ćelije srednjeg creva-bazalna membrana-mišići Ćelije postanu pljosnate kada se stomak napuni Digestija krvi u peharastim ćelijama srednjeg creva n n Enzimi: tripsin, himotripsin, aninopeptidaze, esteraze, lipaze Završava se za nekoliko dana

Genotrofni ciklus vektora n Prihvatanje arbovirusa za epitel srednjeg creva ubrzo posle uvećanja kao posledica unosa obroka (kapi krvi) n n Aktivnost enzima ne utiče na prihvatanje virusa Hitinozna membrana obavija kapljicu krvi (12 sati) Ako ima više obroka (kapi krvi) – druga kap obavija prvu Razvoj jaja u vektoru - ovipozicija

Genotrofni ciklus vektora n Razvoj jaja u vektoru – ovipozicija n n n Posle uzimanja obroka (kap krvi) Vitelogeneza – sinteza žumanca iz aminokiselina iz kapi krvi Molekuli vitelogenina iz hemolimfe uzazi u oocite Spermatozoidi iz spermateke oplode oocite Polaganje jaja na mirna vlažna mesta n n 50 do 500 Posle polaganja jaja vektor započinje novi genotrofni ciklus n Traži domaćina za obrok krvi

Prijemčivost artropoda na arboviruse n Kompetencija vektora – kombinacija efekata fizioloških i ekoloških faktora n n Vektora , domaćina, virusa i uslova spoljašnje sredine Prijemčivost vektora nije jedini uslov ali je kritičan Domaćini vektora – životinje, dužna života vektora Sposobnost vektora da prenese bolest zavisi od genetskih i ne-genetskih faktora

Prijemčivost artropoda na arboviruse n Genetski faktori n Prijemčivost epitelnih ćelija srednjeg creva na viruse n n n Genetski faktori virusa n n n Bluetongue (Culicoides variipennis) – prijemčivost za oralnu infekciju West Nile (Culex) Različiti serotipovi BT pokazuju različitu virulenciju za Culicoides Vektori mogu da pasiraju vakcinalne sojeve virusa! Tokom evolucije arbovirusi su se adaptirali na vektore i na njihove domaćine (životinje) n n n Značaj ekoloških faktora Alopatski arbovirusi – koji ne cirkulišu samo na lokaciji vektora Slučajna preadaptacija virusa na nove vektore igra ulogu

Oralna infekcija vektora n Biološki vektori – replikacija arbovirusa u vektorima n Prvo u alimentarnom traktu n n n Unošenje virusa u hemokelu skraćuje inkubaciono vreme U kapi krvi, eritrociti su u sredini a serum periferno n n n Izloženost epitelnih ćelija srednjeg creva vektora virusu Virusi kolonizuju epitelne ćelije creva za nekoliko minuta Proteinski receptoia na virusima n n epitel srednjeg creva (toraks, abdomen, posteriorno srednje crevo) Uloga proteolitičkih enzima u virulenciji – lakše prihvatanje virusa za ćelije Digestija kod krpelja se razlikuje – heterofagi n Digestija kapi krvi je intracelularna

Replikacija i diseminacija arbovirusa n Spoljašnji inkubacioni period – vreme od uzimanja obroka (kap krvi) do transmisije arbovirusa n Faza eklipse – pad koncentracije virusa do replikacije (1 -4 dana) n n n Replikacija i distribucija virusa u ćelijama značajno varira n n Neki virusi i putem nervnih struktura Bazalna opna oko većine organa vektora n n n Abdominalni, torakalni deo srednjeg creva Diseminacija hemolimfom n n Količina virusa, vrsta vektora, temperatura Uticaj enzima i ulazak virusa u ćelije epitela srednjeg creva Masno tkivo, epidermis, pljuvačne žlezde Dinamička interakcija prilikom prodora virusa u tkiva vektora Iz hemokele virusi odlaze u organe - tropizam n Rift – masno tkivo, pljuvačne žlezde, epidermis, nervne strukture, endokrine strukture

Replikacija i diseminacija arbovirusa n Kod krpelja virusi su u hematocitima n n n Ishrana pojačava replikaciju i transmisiju Stimulacija proliferacije pljuvačnih žlezda i reproduktivnog trakta Pojava virusa u pljuvačci n n Rabdovirus (vezikularni stomatitis) 3 dana Flavi, bunya i orbivirusi - duže Prolazak kroz lam. basale u pljuvačnim žlezdama Pupljenje virusa na različitim površinama ćelija acinusa pljuvačne žlezde n n Apikalno, bazalno, citoplazmatske vezikule Adaptacija virusa na različite vektore i maksimum trasmisije

Replikacija i diseminacija arbovirusa n Titri arbovirusa dostižu maksimum posle nekoliko do nedelju dana n n Pad koncentracije – antivirusni protein u ćelijama koji blokira RNK sintezu Kod iksodidnih krpelja n n Svi oblici se hrane na istom domaćinu (larva, nimfa, odrasli) Trans-stadijumski prenos virusa Promene u histololitičkim enzimima tokom metamorfoze utiču na viruse Važan uticaj hematocita

Replikacija i diseminacija arbovirusa n Horizontalna transmisija arbovirusa n n Salivacija tokom hranjenja vektora Koncentracije virusa u salivi (105 infektivnih čestica u nekoliko μl salive) n n n n Period u odnosu na spoljašnju inkubaciju Količina krvi Vrsta virusa Vrsta vektora Posle nekoliko nedelja, koncentracije opadaju Depozicija virusa u telu životinje je ekstravaskularno Neobičan horizontalni način transmisije je tokom hranjenja dva ili više krpelja na istoj životinji n n Ne-viremična životinja može da sa jednog krpelja prenese virus na drugi Obezbeđivanje preživljavanja domaćina uz istovremenu transmisiju virusa

Replikacija i diseminacija arbovirusa n Barijere infekcije i virusne diseminacije u vektoru n n n Variraju u odnosu na vrstu vektora, virus, temperaturu Srednje crevo – barijera zavisi od doze virusa Ne-postojanje receptora na epitelnim ćelijama srednjeg creva Sposobnost vektora da moduliraju replikaciju virusa u ćelijama Kod nekih vektora nema diseminacije u pljuvačne žlezde n n n Zavisi od doze Značajna uloga bazalne membrane (debljina) Sprečavanje replikacije virusa u acinarnim ćelijama pljuvačnih žlezda n Redukcija titra virusa u pljuvačnim žlezdama

Transmisija arbovirusa n Mehanični prenos arbovirusa n n Neki ne-arbovirusi zavise od mehaničke tramsmisije Mehanička kontaminacija rilice vektora (insekta ili krpelja) n n n Ovaj način nije od epiziootiološkog značaja za održavanje infektivnog ciklusa u prirodi n n Miksoma virus (kunići) Avipoks virus Infektivna anemija konja (Tabanidae) Klacična kuga svinja (Tabanidae) Može da doprinese intenzitetu epizootije Potencijal zavisi od otpornosti virusa i njegovog titra u krvi kičmenjaka na kojima se hrani

Transmisija arbovirusa n Vertikalni (transovarijalni) prenos arbovirusa n n Veoma rasprostranjen u prirodi – insekti su domaćini za viruse? Krpelji, peščane mušice, komarci Bunya, rabdo, alfa i reovirusi Penetracija arbovirusa u ovarijum putem hemolimfe n n Transovarijalni prenos posle drugog obroka vektora n n Embrioni komaraca štite viruse čak 19 meseci – preživljavanje virusa u prirodi Mogućnost prenosa zavisi od vrste virusa i vektora n n Infekcija epitela folikula - Infekcija oocista pre formiranja horiona Nekada 11%, a nekada i do 95% Vertikalna transmisija je od manjeg značaja Ako je manje od 100% vertikalne transmisije – horizontalni način mora da se poveća Krpelji imaju nizak nivo prenosa ali postoji ne-viremični vertikalni prenos n n Amplifikacija virusa Održavanje ciklusa transmisije virusa u prirodi

Transmisija arbovirusa n Krpelji imaju nizak nivo transmisije n n n Postoji ne-viremični način transmisije na nekoliko generacija Amplifikacija virusa Održavanje ciklusa tramsmisije u prirodi Izuzetak su virusi koji inficiraju germinalne ćelije vektora Veneralni i trans-seksualni način transmisije n Kada se jaja inficiraju pre ovipozicije n Afrička kuga svinja (Ornithodoros moubata)

Spoljašnji faktori koji utiču na prenos virusa putem vektora n Titar virusa u obroku krvi n Postoji kritičan-granični titar koji zavisi od virusa i vektora n n Temperatura utiče na prijemčivost vektora n n n n n Niski granični titar je pokazatelj adaptacije virusa i vektora Razvoja larve i spoljašnje temperatura odraslih Obrnuta proporcija temperature u odnosu na potrebno vreme transmisije Postoji “nulta” temperatura ispod koje se arbovirusi ne razmnožavaju Ostaju vijabilni – preživljavaju zimu Kod nekih postoji pozitivna korelacija stepena infekcije i temperature (Rift – Culex) Temperatura razvoja larve utiče na prijemčivost odraslih vektora Temperatura utiče na transovarijalni prenos – različito u odnosu na vrstu vektora Sa globalnim zagrevanjem epizootije mogu da se očekuju zbog razlika u replikaciji i diseminaciji virusa u vektorima i usled razlika u mortalitetu vektora Prisustvo antitela i komplementa smanjuje titar virusa u kapi krvi “Gladovanje” u stadijumu larve – efikasniji vektori arbovirusa

Efekti transmisije na evoluciju virusa n Značajna genetska stabilnost arbovirusa tokom ciklusa transmisije n n Neki virusi vrlo brzo menjaju genetski sastav Arbovirusi sto puta sporije evoluiraju u odnosu na ostale RNK viruse n n Stabilnost nije posledica različitih frekvenci mutacija Brzina evolucije je ograničena usled većeg broja domaćina (kičmenjak-vektor) n n Striktna selekcija genetske osnove koja omogućava replikaciju u oba domaćina Veća mogućnost izmena tokom replikacije u vektorima n Perzistencija kod oralno i transovarijalno inficiranih vektora (mutacije, rekombinacije, reasortiranje) n n Rift, Bluetongue Reasortiranje naročito kod krpelja n Duži životni vek, mogućnost zaražavanja sa dva soje virusa istovremeno

Efekti transmisije na evoluciju virusa n Raznolikost i evolucija vektora doprinosi ko-evoluciji arbovirusa zajedno sa vektorima n n n Naročito komarci Prebacivanje na drugu vrstu vektora Mobilnost životinja-domaćina arbovirusa kao faktor diverzifikacije virusa n Vektori su više vezani za lokaciju

Virulencija arbovirusa n Efekat na kičmenjake n n n Encefalitisi (konjski – zapadni, istočni, Venecuelanski. . . ) Hepatitisi (Rift) Hemoragični sindrom (Denga, žuta groznica) Najteži simptomi kod vrste – domaćina koja ne učestvuje u ciklusa održavnja virusa u prirodi Ne može da se predvidi prijemčivost i način na koje arbovirusi utiču na kičmenjake Efekat na vektore

Virulencija arbovirusa n Efekat na vektore n n n Skraćenje života (Rift) za Culex Smanjenje sposobnosti ishrane Povećanje mortaliteta odraslih i nimfa (Afrička kuga svinja – Ornithodoros) Odlaganje razvoja larve i povećanje mortaliteta larve (Rift) Flavivirusi nemaju nikakav poznati efekat na vektore (insekte i krpelje) Infekcija vektora oralnim putem (prirodni put) ima jači efekat n n Transovarijalno inficirani vektori su otporni na superinfekciju oralnim putem! Cotopatogeni efekat na tkiva vektora (pljuvačna žlezda, srednje crevo)

Evolucija virulencije arbovirusa n Komensalizam je cilj evolucije n n n Atenuisanje parazita i rezistencija domaćina U slučaju virusa ne mora da bude tako Virusi se selektuju individualno n n n Ne poseduju grupne karakteristike Virus miksomatoze – selekcija populacije Heterogenost unutar populacije može da utiče na selekciju grupe Za selekciju je bolja heterogenost između populacija Heterogenost arbovirusa je izraženija kod kičmenjaka n Mogućnost superinfekcije ubodom različitih jedinki vektora

Evolucija virulencije arbovirusa n n Drastična razlika evolucije arbovirusa u kičmenjacima i vektorima Artropodi prenose viruse samo ako su mobilni i u kontaktu sa kičmenjacima (hranom) n n Grupna selekcija ima značajan uticaj na virulenciju u odnosu na vektore Relativno mala oštećenja tkiva vektora Kod vektora postoji tendencija nastanka rezistencije na arboviruse U vektorima se dešava individualna selekcija u cilju povećavanja virulencije tokom epizootija n n Veliki broj prijemčivih kičmenjaka i kratkom vremenu - kompeticija Najjača grupna selekcija u smislu atenuisanja je kod vertikalne transmisije u vektorima

Evolucija virulencije arbovirusa n n Visok nivo replikacije i patogenost – prednost arbovirusa u kičmenjacima Mobilnost nije uslov za transmisiju arbovirusa n n n Grupna i individualna selekcija je poželjna Visoki titrovi u telu kičmenjaka – infekcija vektora Pireksija pogoduje transmisiji – privlači vektore n n n Kao i emisija CO 2 Smanjena aktivnost tokom izraženih simptoma pogoduje vektorima (nema mehaničke odbrane) Izuzetak su krpelji n n n Selektivni pritisak u cilju smanjenja virulencije Ne-viremična transmisija Krpelji zavise od mobilnosti domaćina

Evolucija virulencije arbovirusa n U slučaju nezavisne evolucije oba domaćina evolucija arbovirusa n n n Smanjenje virulencije za vektore Povećanje virulencije za kičmenjake Ograničavanje adaptacije usled čestog menjanja domaćina Izostanak potpunih i svih evolucionih sila Replikacija u vektorima suprimira evoluciju virulencije za kičmenjake