GAZETA WARSZAWSKA - Ludzkie koronawirusy, The human coronaviruses

Borgis - Postępy Nauk Medycznych 4b/2015, s. 48-54

*Krzysztof Pyrć

Ludzkie koronawirusy

The human coronaviruses

Zakład Mikrobiologii, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Dziekan Wydziału: prof. dr hab. Zbigniew Madeja
Małopolskie Centrum Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Dyrektor Centrum: prof. dr hab. Kazimierz Strzałka

Streszczenie
Pierwsze wzmianki o ludzkich koronawirusach pochodzą z lat 60. XX wieku, kiedy to udało się wyizolować i opisać dwa patogeny – HCoV-229E oraz HCoV-OC43. Koronawirusy przez lata znajdowały się na uboczu głównego nurtu badań w wirusologii i medycynie, ponieważ te dwa gatunki wywołują łagodne przeziębienie, które bez żadnej interwencji ustępuje w ciągu kilku dni. Dopiero początek XXI wieku przyniósł światu epidemię choroby wywołanej przez nieznany wcześniej, wysoce zakaźny gatunek koronawirusa SARS (ang. severe acute respiratory syndrome). Szczęśliwie, dzięki zastosowanym środkom zaradczym oraz naturalnej sezonowości występowania koronawirusów, już po kilku miesiącach wirus zniknął z ludzkiej populacji. Epidemia przyczyniła się do zintensyfikowania prac badawczych, które doprowadziły w następnych latach do identyfikacji i opisania kolejnych, niskopatogennych ludzkich koronawirusów – ludzkiego koronawirusa NL63 oraz HKU1. W 2012 roku, po 10 latach od epidemii SARS-CoV, pojawiły się przypadki nowej, ciężkiej i często śmiertelnej choroby układu oddechowego wywoływanej przez koronawirus MERS.
Niniejsza praca ma na celu przedstawienie podrodziny Coronavirinae, skupiając się na charakterystyce klinicznej oraz dostępnych danych epidemiologicznych.

Ludzkie koronawirusy, The human coronaviruses

ADMINISTRATOR

KNOWLEDGE AND SKILLS

26 APRIL 2020

EMPTY

Borgis - Postepy Nauk Medicznych 4b / 2015, pp. 48-54

Name: Krzysztof Pyrć

Human coronaviruses

The human coronaviruses

Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Kraków
Dean of the Faculty: prof. dr hab. Zbigniew Madeja
Małopolskie Centrum Biotechnologii, Jagiellonian University, Kraków
Director of the Center: prof. dr hab. Kazimierz Strzałka

Summary
The first mention of human coronaviruses comes from the 1960s, when it was possible to isolate and describe two pathogens - HCoV-229E and HCoV-OC43. Coronaviruses have been on the sidelines of mainstream research in virology and medicine for years because these two species cause a mild cold that disappears within a few days without intervention. Only the beginning of the 21st century brought an epidemic to the world of a disease caused by a previously unknown, highly infectious SARS coronavirus ( severe acute respiratory syndrome)). Fortunately, thanks to the measures taken and the natural seasonality of coronaviruses, the virus disappeared from the human population after only a few months. The epidemic contributed to the intensification of research that led to the identification and description of subsequent low pathogenic human coronaviruses - human coronavirus NL63 and HKU1 in the following years. In 2012, 10 years after the SARS-CoV epidemic, there were cases of new, severe and often fatal respiratory disease caused by the MERS coronavirus.
This work aims to present the Coronavirinae subfamily , focusing on clinical characteristics and available epidemiological data.

Summary
First human coronaviruses 229E and HCoV-OC43 were isolated and described in 1960’s. These viruses for years were neglected as human pathogens, as they are associated with relatively mild, self-limiting common cold. It is the beginning of the 21st century that brought us the epidemic of highly infectious severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus, causing severe respiratory disease with mortality rate reaching 10%. Fortunately, due to healthcare measures and seasonality of coronaviral infections, this pathogen disappeared after eight months. The emergence of highly virulent coronavirus increased the scientific interest in Coronaviridae family, and in subsequent years two low pathogenic human coronaviruses NL63 and HKU1 were discovered. Ten years after the SARS-CoV the new severe, acute disease with mortality rate exceeding 35% has been associated with emergence of novel coronavirus – Middle East respiratory syndrome (MERS) coronavirus. Current work aims to describe the Coronavirinae subfamily, focusing on clinical and epidemiological aspects of infection.

Key words: coronavirus, respiratory tract infections, epidemiology.

INTRODUCTION

Coronaviruses have been on the sidelines of mainstream research in virology and medicine for years because they believed that they caused a mild cold that disappeared without intervention in a few days. The lack of diagnostic methods and effective therapy additionally deepened the view that these pathogens may be of research interest, but per se they are not a medical problem. The emergence of new, highly pathogenic species of coronaviruses and the understanding that these viruses in children, the elderly, and people with immunodeficiencies can lead to the development of a serious, life-threatening disease have increased interest in these pathogens.

This work aims to present the Coronavirinae subfamily , focusing on clinical characteristics and available epidemiological data.

At the beginning it is worth mentioning that coronaviruses are not only a problem in human medicine. These viruses infect birds and mammals, causing numerous diseases of the respiratory, nervous, internal organs or digestive systems. The most well-known diseases caused by animal coronaviruses include infectious peritonitis in cats, epidemic pig diarrhea, viral gastroenteritis in cattle and infectious bronchitis in birds. The first mentions of human coronaviruses come from the 1960s, when two pathogens - HCoV-229E and HCoV-OC43 - were able to isolate and describe - causing respiratory diseases in humans (1, 2). For many years they remained the only representatives of the genus capable of infecting people. It was only the beginning of the 21st century that brought the world an epidemic of disease caused by a previously unknown, highly infectious coronavirus species. It was named after the disease syndrome with the SARS virus ( severe acute respiratory syndrome ) (3-5). High mortality (~ 10%) and very high infectivity of the pathogen led to global panic, the economic effects of which can be observed to this day. Fortunately, thanks to the measures taken and the natural seasonality of coronaviruses, the virus disappeared from the human population after only a few months. The epidemic has intensified research, which led to the identification and description of further human coronaviruses - NL63 and HKU1 in the following years. In 2012, 10 years after the SARS-CoV epidemic, cases of new respiratory disease caused by MERS coronavirus ( middle east respiratory syndrome) were announced ). This time there was no global epidemic, but the threat did not disappear - the number of infections and fatalities is increasing every year.

CHARACTERISTICS OF VIRUSES FROM THE CORONAVIRIDAE FAMILY

The viruses belonging to this family were classified into two separate subfamilies: Coronavirinae and Torovirinae. The Coronavirinae subfamily, after taking into account the genetic characteristics of individual species, was divided into four types: alpha, beta, delta and gamma-coronaviruses. The most interesting from a medical point of view are the alpha and beta group viruses, which include all known species that infect humans.

Coronaviruses are one of the largest RNA viruses in terms of genome length (~ 30,000 nucleotides) and virion size (spherical, 80-180 nm in diameter). The first 2/3 of the viral RNA from the 5 'side occupies the gene encoding the proteins that make up the replication machinery. This gene is transcribed and translated into a single polyprotein, which at the stage of post-translational processing undergoes autoproteolysis, which leads to the formation of a set of mature proteins responsible for genome replication, modification of the cellular environment and finally interference with the body's natural defenses. The remaining 1/3 of the genome is occupied by genes encoding structural proteins SEMN (S - a protein responsible for interaction with the receptor on the cell surface; E - the coat protein, responsible, among others, for the formation of virions; M - membrane protein, being the main virus matrix protein; and N - nucleocapsid protein, one of the main viral proteins, which performs both a protective function for a large RNA molecule, and actively participates in the modification of cell processes and in virus replication). In some cases, the HE protein is also encoded in the genome, responsible for, among others for interaction with the host cell, and additional proteins, the number and nature of which vary depending on the species. The encoding viral RNA is flanked on both sides with non-coding regions that are critical for viral replication. In some cases, the HE protein is also encoded in the genome, responsible for, among others for interaction with the host cell, and additional proteins, the number and nature of which vary depending on the species. The encoding viral RNA is flanked on both sides with non-coding regions that are critical for viral replication. In some cases, the HE protein is also encoded in the genome, responsible for, among others for interaction with the host cell, and additional proteins, the number and nature of which vary depending on the species. The encoding viral RNA is flanked on both sides with non-coding regions that are critical for viral replication.

HUMAN CROWNS

1960s: the first human coronaviruses

The first human coronavirus B814 was isolated in 1962 from a child with cold symptoms when tracheal organ culture was used (1, 6). However, the exact species affiliation of this isolate remains unknown, as the sample was lost before research methods were available to identify new viral pathogens. Further research led to the acquisition of other clinical isolates, including coronaviruses 229E and OC43, which were later recognized as representatives of separate species (1, 2, 7).

The picture of human coronavirus infection has been outlined in studies involving healthy volunteers. Healthy people exhibited common cold symptoms, mainly rhinitis and, in isolated cases, cough after infection with 229E and OC43 coronaviruses. Symptoms lasted for up to a week and then resolved spontaneously (1, 2, 8). Further clinical experience has confirmed that these viruses cause a relatively mild, often subclinical infection in adults. However, in the case of children, the elderly and people with weakened immunity, these pathogens may cause severe acute illness (including bronchitis, subglottic laryngitis, pneumonia) (9-12).

In the past, hypotheses have arisen that human coronaviruses OC43 and 229E may also cause or induce the development of other diseases. For example, it has been suggested that HCoV-OC43 may cause gastrointestinal infections. In this case, however, no causal relationship could be demonstrated, and subsequent studies showed that the presence of viruses in the feces was due to the path of the virus spreading, and not to the active infection of gastrointestinal cells (13-16). It has also been suggested that the HCoV-OC43 virus may be involved in the development of multiple sclerosis (MS). This correlation was made based on the observations that coronaviruses can be detected in the brain tissue of MS patients, and the titre of antibodies specific for human coronaviruses is much higher in patients with MS than in the control groups.

Beginning of the 21st Century: SARS-CoV epidemic

The image of human coronaviruses as relatively harmless pathogens changed with the emergence of a new human coronavirus species in the Chinese province of Guangdong in November 2002 - SARS-CoV (3-5). The first person to be infected was a 45-year-old man in the city of Foshan, who had a fever and respiratory symptoms on November 16, 2002. Virus transmission between patients was rapid, and in some cases massive infections occurred. An example of such an infection is the case of a 44-year-old man hospitalized in Guangzhou on January 30, 2003. During the illness, he infected 19 relatives and over 50 people belonging to medical staff. Further transmission and crossing the country borders have become only a matter of time, one of the infected doctors infected another 17 people during his trip to Hong Kong, which enabled the virus to be transmitted outside China. In one season, the virus spread to 37 countries, 8273 cases of infection were found, and for 775 people the disease was fatal (22). Surprisingly, on July 5, 2003, less than eight months from the first case of infection, WHO announced the eradication of SARS-CoV. The sudden disappearance of the virus can be explained in two ways. First, human coronavirus infections are seasonal, with the highest incidence in winter and early spring. It can therefore be assumed that the end of the epidemic at the beginning of July was not accidental. Secondly, symptoms of infection are relatively pronounced and appear before the patient enters the most infectious phase of the disease (the amount of virus in the secretions increases gradually during the disease, reaching a maximum after the first week). This enabled the use of effective measures to prevent virus transmission and isolation of patients (23).

Such a sudden appearance of a new human pathogen has caused numerous speculations about its origin. The study showed that those involved in trade in live animals had high titers of SARS-CoV specific antibodies, although they did not report any disease. This was fascinating because people selling other food products did not have elevated antibody titers. Detailed studies of animals on the Chinese market have shown the presence of the virus in Chinese cave ( Paguma larvata ) and raccoon dogs ( Nyctereutes procyonoides), whose meat in China is used for consumption. This suggests that the virus may have spread to humans directly from these animals (24, 25). However, both the relatively low genetic variability of the animal virus and its relatively rare occurrence in these animals indicated that the real reservoir of the virus should be looked elsewhere (26). Further studies showed that bats were the most likely natural host of the SARS-CoV virus. Viruses almost identical in genetics to the human virus (RsSHC014 and Rs3367) have been identified in these animals. Bats-isolated viruses have also been shown to be able to infect human cells. Moreover, in some species of bats (genus Rhinolophus) the presence of neutralizing antibodies specific for SARS-CoV virus proteins (25-27). Available data indicate that SARS-CoV virus appeared in the human population due to transmission from bats, with other animals such as grace and raccoon dogs also being indirect hosts.

Although there have been no human cases of SARS-CoV infection for over 10 years, there is a constant concern that the virus may reappear in the future. Retrospective analysis of archived samples of sera collected from people living in threatened areas showed that in some of them SARS-CoV specific antibodies appeared long before the epidemic. It follows that the SARS-CoV virus did not spread to humans for the first time in 2002. At least a partial answer to the question why the epidemic did not occur earlier was provided by the case of four new cases of SARS-CoV infection one year after the first epidemic (28). In all infected people, the course of the disease was diametrically different than observed a year earlier and did not spread further. Molecular studies have shown that the virus that caused the disease was different from that of the epidemic. Comparison of human and animal viruses revealed that the "new" virus was much less adapted for replication in human cells (among others, it showed much lower affinity for the cell receptor), and its appearance was the effect of re-zoonosis (28-30). It can therefore be concluded that the transmission of animal virus also occurred in previous years, but in 2002 the virus was adapted to human cells, which made the strain very virulent. showed much lower affinity for the cell receptor), and its appearance was the effect of re-zoonosis (28-30). It can therefore be concluded that the transmission of animal virus also occurred in previous years, but in 2002 the virus was adapted to human cells, which made the strain very virulent. showed much lower affinity for the cell receptor), and its appearance was the effect of re-zoonosis (28-30). It can therefore be concluded that the transmission of animal virus also occurred in previous years, but in 2002 the virus was adapted to human cells, which made the strain very virulent.

The SARS-CoV virus, as mentioned above, caused severe respiratory disease. This pathogen infected the upper and lower respiratory tract cells and pneumocytes. The virus was also found in other organs, kidneys, liver and intestines. There are numerous hypotheses regarding the causes of high pathogenicity of this virus in humans, which assume that damage to lung tissue was caused not only by replication of the pathogen, but also by induction of excessive, damaging immune response or disruption of pathways responsible for maintaining homeostasis, such as the renin-angiotensin pathway -aldosteronowy. However, the virulence of the virus was probably the result of a joint interaction of the factors mentioned above (23, 31-34).

SARS-CoV was mainly transmitted via the droplet route, and the first site of infection was the upper respiratory tract epithelium. After an incubation period of 2-10 days, pneumonia developed, with disseminated alveolar damage, exfoliation of the pneumocyte layer, pulmonary edema, inflammatory cell exudate, and vitreous membranes. In some patients, lung tissue damage progressed and led to acute lung injury, and in severe cases - acute respiratory distress syndrome (34).

New species: HCoV-NL63 and HCoV-HKU1

Shortly after identification of the SARS etiologic factor, another human coronavirus, HCoV-NL63 (alpha-coronavirus) (35, 36), and a year later HCoV-HKU1 (beta-coronavirus) was described (37). Clinically, both of these viruses cause disease similar to the well-known 229E and OC43 coronaviruses.

The identification of human NL63 coronavirus has been described three times in total. The first report was the result of a study of a group from Amsterdam in the Netherlands and described a previously unknown virus that was isolated from a 7-month-old child with bronchitis of unknown etiology. The new pathogen was named HCoV-NL63 (35). The second report appeared a few weeks later, was prepared by a group from Rotterdam in the Netherlands and described the independent identification of the same pathogen (called HCoV-NL) in an 8-month-old child with pneumonia of unknown etiology (38). Amazingly, however, a year after the publication of the results by two research groups, a third report was published identifying the same infectious agent, which the authors gave the new name "New Haven" (39). A thorough analysis of the data showed that

HKU1 human coronavirus was discovered in a sample taken in 2004 from an elderly person with chronic obstructive pulmonary disease. The patient was hospitalized due to fever and cough (37).

Published results of subsequent studies indicate that both pathogens are widespread. However, the incidence of individual coronavirus species varies depending on territory and isolation time, and varies between species (41-43). This is directly due to the seasonality of coronaviruses, which are most common in winter and early spring in temperate climates. The incidence of individual species of coronaviruses is as follows: HCoV-OC43 ≥ HCoV-NL63> HCoV-HKU1 ≥ HCoV-229E. Serological analysis showed that virtually all people aged> 10 years had infection with HCoV-NL63 (the average age at which the infection occurs is 3.5 years) (44). For the HKU1 virus, the data is slightly different. No specific antibodies were detected in children <10 years old. while the highest percentage of seropositive persons (21.6%) concerns the 31-40 age group. In older people this percentage does not change (45). Comparing this data with the information available for HCoV-229E and HCoV-OC43 viruses, it can be seen that among the alpha-coronaviruses, HCoV-NL63 is the main pathogen, while among the beta-coronaviruses it is HCoV-OC43. It is possible that the resulting neutralizing antibodies react with other viruses in this group, which protects against subsequent infections (46).

Identification of viruses in archival samples and dating of the likely transmission of these pathogens to humans indicates that both of these viruses have been present in the population for many years. When analyzing epidemiological data, it is surprising that they were not detected before. However, none of the diagnostic tests available before 2003, due to high genetic and serological variability within the family, were able to detect HCoV-NL63 or HCoV-HKU1 viruses (36, 47). Only the development of modern diagnostic methods, such as VIDISCA ( virus discovery based on cDNA-amplified fragment length polymorphism ) (35, 48) or universal primers (37) allowed the identification of these pathogens.

Establishing a link between newly discovered viruses and the disease was more difficult than for HCoV-229E or HCoV-OC43. For ethical reasons, research into the infection process with healthy volunteers is currently rarely used, and the disease associated with respiratory infection does not justify such a risk. Accordingly, any conclusions regarding the relationship between HKU1 and NL63 coronavirus infection and specific disease entity are derived from studies involving patients naturally infected with viruses. Such analysis is difficult due to the frequent occurrence of co-infections with other respiratory pathogens.

It has been shown that HCoV-HKU1 infection in adults without other aggravating diseases does not require hospitalization. However, the clinical picture in children, the elderly or patients with reduced levels of immunity may be diametrically different (42, 49-51).

In the case of HCoV-NL63, the infection can lead to respiratory disease or is asymptomatic. As with coronavirus HKU1, upper and lower respiratory tract infections, including pneumonia (35, 50, 52-55), have been observed in children, the elderly and patients with reduced levels of immunity. HCoV-NL63 is also the main etiological factor of subglottic laryngitis (pseudo-crunch) in children (52, 53, 56, 57).

The great interest in the Coronavirinae subfamily after SARS-CoV has resulted in detailed studies on the relationship between HCoV-NL63 infection and other diseases. Analyzes conducted by a group from New Haven, USA, showed that in most children with Kawasaki disease (58) HCoV-NL63 infection could be detected (54). Published data, however, were not confirmed in further studies in which no relationship between the disease and infection was found (59, 60). A report has recently been published suggesting that it is HCoV-229E infection that is causing this disease to develop. However, the results have not yet been verified (61).

Latest threat: MERS-CoV

Numerous works from recent years have shown that there is a huge group of animal viruses that can potentially cross the species barrier. It was no surprise, therefore, the appearance of another zoonotic coronavirus infecting humans in 2012 (62).

The MERS-CoV virus ( Middle Easet Respiratory Syndrome Coronavirus ) was first diagnosed in a patient from Saudi Arabia (62). Analysis of data from infected patients showed that the new virus causes serious illness, which is fatal in ~ 35% of cases. By November 2014, according to data from the World Health Organization, 897 cases of infection were recorded, of which 325 were fatal.

The study revealed that the MERS-CoV virus, like SARS-CoV is a zoonotic virus. Due to similarity at the genetic and functional level (including the use of the same cellular receptor) to viruses found in bats, it was considered that bats are the natural host and reservoir of the virus (63-66). However, the question remains regarding the transmission of the virus to humans. In this case, it seems that the intermediate link can be monocarbone camels ( Camelius dromedarius ), which have been found to have high titers of neutralizing antibodies specific for human virus and viral RNA (67-72). However, it should be remembered that this topic is still under discussion and further analysis is needed to draw clear conclusions.

Regardless, direct contact with animals appears to be the main source of infection in humans. Transmission of MERS-CoV virus between people is possible, however, unlike SARS-CoV virus, it is relatively inefficient and requires long-term, direct contact with an infected person. In the Arabian Peninsula, there is ample evidence of the presence of MERS coronavirus in animals, and it is in this region that most human infections occur. In contrast, in regions where zoonotic transmission is not possible, the incidence of the virus is much lower and infections are limited to those returning from sites of the virus and individual examples of transmission between humans (73, 74).

The clinical picture of MERS-CoV infection can be very different, ranging from asymptomatic infection to acute, severe respiratory disease that results in the death of the patient. Initial infection symptoms are non-specific and include, among others fever, chills, headache, coughing, shortness of breath and muscle aches. In addition, there may be: sore throat, nausea, vomiting, dizziness, diarrhea and stomach ache. In the next phase of the disease, pneumonia develops, which can result in death. Renal impairment has also been commonly seen in patients. Laboratory tests indicate lymphopenia, thrombocytopenia or elevated lactate dehydrogenase. The radiological image shows one or two-sided lesions, patchy infiltrates or pleural fluid.

THERAPY AND PREVENTION

At the time of SARS-CoV, virtually no antiviral-specific drugs or broad-spectrum drug protocols were available. Diseases of a severe and even fatal course led to the development of drugs and vaccines. The crystal structures of numerous viral proteins were learned, a whole series of specific small- and high-molecular inhibitors developed, working well in vitro and in individual cases also in vivo. However, initial enthusiasm diminished after finding that SARS coronavirus infection was limited to one season. Work on new inhibitors has not been brought to the preclinical / clinical stage and after a decade of research it can be concluded that no new forms of therapy have been developed.

Currently, MERS-CoV infections use drugs with unconfirmed effects, approved for other indications. For example, attempts have been made to use interferon in combination with lopinavir and ritonavir, drugs approved for use in people infected with HIV. The choice of these drugs is mainly based on the experience of the SARS-CoV epidemic. Currently no effective vaccines for human coronavirus infections are available, but studies to develop SARS-CoV vaccines (inactivated virus, viral proteins, DNA vaccines, chimeric viruses, VLP particles) have been conducted in vitro and in vivo (77). Similar studies have already been started for the MERS-CoV virus (78, 79).

In view of the problem of new coronavirus infections, two publications from 2014 indicating the possibility of treating SARS-CoV and MERS-CoV infections using drugs approved for other indications seem very interesting (80, 81). In the first study, de Wilde et al. Examined a library of 348 drugs, indicating four active substances against the MERS coronavirus: chloroquine (used inter alia in malaria), chlorpromazine (neuroleptic), loperamide (an anti-diarrheal drug) and lopinavir (used in infections HIV) (81). The tested substances had good parameters, inhibited viral replication (IC ₅₀) at concentrations from 3 to 8 μM. In a second study, Dyal et al. Examined 290 drugs, analyzing their effect on MERS-CoV and SARS-CoV replication (80). As a result, 33 substances inhibiting the multiplication of MERS-CoV, 6 substances acting on SARS-CoV and 27 compounds active against both these pathogens were identified. Some of the active substances have already been shown to be active at very low concentrations. The cited studies are important because these drugs have already been approved for use in patients and their pharmacokinetic and pharmacodynamic properties are well known. However, the main problem remains the inability to confirm their antiviral activity in experimental conditions in vivo and the lack of clinical experience.

SUMMARY

The identification of new human and animal coronaviruses, the dynamic development of diagnostics and an in-depth understanding of the infection process have been an undeniable crop of recent years. Unfortunately, learning about the arsenal of animal viruses that can spread to humans and pose a real threat to their health and life has not translated into effective development of new therapeutic strategies for treating diseases caused by coronaviruses. It seems that with the media "fame" of viruses such as SARS-CoV and MERS-CoV, the medical and pharmaceutical world have overlooked the clinical problem of coronavirus infection in children, the elderly and people with immunodeficiency.

What will be the price of this neglect will be seen in the coming years, as the number of MERS-CoV infection cases increases year by year. Coronaviruses have shown twice that they are a major epidemic threat to the world and it can be assumed that MERS-CoV is not the last highly pathogenic representative of the Coronaviridae family .

THANKS

Krzysztof Pyrć is a beneficiary of the LIDER program financed by the National Center for Research and Development (Lider / 27/55 / L-2/10/2011) (KP) and Sonata Bis, financed by the National Center for Science (UMO-2012/07 / E / NZ6 / 01,712).

Literature

1. Tyrrell DA, Bynoe ML: Cultivation of a Novel Type of Common-Cold Virus in Organ Cultures. British medical journal 1965; 1: 1467-1470.

2. Hamre D, Procknow JJ: A new virus isolated from the human respiratory tract. Proc Soc Exp Biol Med 1966; 121: 190-193.

3. Ksiazek TG, Erdman D, Goldsmith CS et al.: A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome. The New England journal of medicine 2003; 348: 1953-1966.

4. Rota PA, Oberste MS, Monroe SS et al.: Characterization of a novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome. Science 2003; 300: 1394-1399.

5. Drosten C, Gunther S, Preiser W et al.: Identification of a novel coronavirus in patients with severe acute respiratory syndrome. The New England journal of medicine 2003; 348: 1967-1976.

6. Kendall EJ, Bynoe ML, Tyrrell DA: Virus isolations from common colds occurring in a residential school. British medical journal 1962; 2: 82-86.

7. McIntosh K, Dees JH, Becker WB et al.: Recovery in tracheal organ cultures of novel viruses from patients with respiratory disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 1967; 57: 933-940.

8. Bradburne AF, Somerset BA: Coronative antibody tires in sera of healthy adults and experimentally infected volunteers. The Journal of hygiene 1972; 70: 235-244.

9. Bradburne AF, Bynoe ML, Tyrrell DA: Effects of a „new” human respiratory virus in volunteers. British medical journal 1967; 3: 767-769.

10. McIntosh K, Chao RK, Krause HE et al.: Coronavirus infection in acute lower respiratory tract disease of infants. The Journal of infectious diseases 1974; 130: 502-507.

11. Nicholson KG, Kent J, Hammersley V, Cancio E: Acute viral infections of upper respiratory tract in elderly people living in the community: comparative, prospective, population based study of disease burden. BMJ 1997; 315: 1060-1064.

12. van Elden LJ, van Loon AM, van Alphen F et al.: Frequent detection of human coronaviruses in clinical specimens from patients with respiratory tract infection by use of a novel real-time reverse-transcriptase polymerase chain reaction. The Journal of infectious diseases 2004; 189: 652-657.

13. Gerna G, Passarani N, Battaglia M et al.: Coronaviruses and gastroenteritis: evidence of antigenic relatedness between human enteric coronavirus strains and human coronavirus OC43. Microbiologica 1984; 7: 315-322.

14. Gerna G, Passarani N, Battaglia M, Rondanelli EG: Human enteric coronaviruses: antigenic relatedness to human coronavirus OC43 and possible etiologic role in viral gastroenteritis. The Journal of infectious diseases 1985; 151: 796-803.

15. Esper F, Ou Z, Huang YT: Human coronaviruses are uncommon in patients with gastrointestinal illness. Journal of clinical virology: the official publication of the Pan American Society for Clinical Virology 2010; 48: 131-133.

16. Risku M, Lappalainen S, Rasanen S, Vesikari T: Detection of human coronaviruses in children with acute gastroenteritis. Journal of clinical virology: the official publication of the Pan American Society for Clinical Virology 2010; 48: 27-30.

17. Dessau RB, Lisby G, Frederiksen JL: Coronaviruses in brain tissue from patients with multiple sclerosis. Acta neuropathologica 2001; 101: 601-604.

18. Arbour N, Day R, Newcombe J, Talbot PJ: Neuroinvasion by human respiratory coronaviruses. Journal of virology 2000; 74: 8913-8921.

19. Stewart JN, Mounir S, Talbot PJ: Human coronavirus gene expression in the brains of multiple sclerosis patients. Virology 1992; 191: 502-505.

20. Sorensen O, Collins A, Flintoff W et al.: Probing for the human coronavirus OC43 in multiple sclerosis. Neurology 1986; 36: 1604-1646.

21. Salmi A, Ziola B, Hovi T, Reunanen M: Antibodies to coronaviruses OC43 and 229E in multiple sclerosis patients. Neurology 1982; 32: 292-295.

22. http://www.who.int/csr/don/03-november-2014-mers/en/ (access: January 2015)

23. Cheng VC, Chan JF, To KK, Yuen KY: Clinical management and infection control of SARS: lessons learned. Antiviral research 2013; 100: 407-419.

24. Guan Y, Zheng BJ, He YQ et al.: Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China. Science 2003; 302: 276-278.

25. Tu C, Crameri G, Kong X et al.: Antibodies to SARS coronavirus in civets. Emerging infectious diseases 2004; 10: 2244-2248.

26. Kan B, Wang M, Jing H et al.: Molecular evolution analysis and geographic investigation of severe acute respiratory syndrome coronavirus-like virus in palm civets at an animal market and on farms. Journal of virology 2005; 79: 11892-11900.

27. Ge XY, Li JL, Yang XL et al.: Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor. Nature 2013; 503: 535-538.

28. Liang G, Chen Q, Xu J et al.: Laboratory diagnosis of four recent sporadic cases of community-acquired SARS, Guangdong Province, China. Emerging infectious diseases 2004; 10: 1774-1781.

29. Li F, Li W, Farzan M, Harrison SC: Structure of SARS coronavirus spike receptor-binding domain complexed with receptor. Science 2005; 309: 1864-1868.

30. Hilgenfeld R, Peiris M: From SARS to MERS: 10 years of research on highly pathogenic human coronaviruses. Antiviral research 2013; 100: 286-295.

31. Huang KJ, Su IJ, Theron M et al.: An interferon-gamma-related cytokine storm in SARS patients. Journal of medical virology 2005; 75: 185-194.

32. Glowacka I, Bertram S, Herzog P et al.: Differential downregulation of ACE2 by the spike proteins of severe acute respiratory syndrome coronavirus and human coronavirus NL63. Journal of virology 2010; 84: 1198-1205.

33. Kuba K, Imai Y, Rao S et al.: A crucial role of angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in SARS coronavirus-induced lung injury. Nature medicine 2005; 11: 875-879.

34. Gu J, Korteweg C: Pathology and pathogenesis of severe acute respiratory syndrome. The American journal of pathology 2007; 170: 1136-1147.

35. van der Hoek L, Pyrc K, Jebbink MF et al.: Identification of a new human coronavirus. Nature medicine 2004; 10: 368-373.

36. Pyrc K, Berkhout B, van der Hoek L: Identification of new human coronaviruses. Expert review of anti-infective therapy 2007; 5: 245-253.

37. Woo PC, Lau SK, Chu CM et al.: Characterization and complete genome sequence of a novel coronavirus, coronavirus HKU1, from patients with pneumonia. Journal of virology 2005; 79: 884-895.

38. Fouchier RA, Hartwig NG, Bestebroer TM et al.: A previously undescribed coronavirus associated with respiratory disease in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2004; 101: 6212-6216.

39. Esper F, Weibel C, Ferguson D et al.: Evidence of a novel human coronavirus that is associated with respiratory tract disease in infants and young children. The Journal of infectious diseases 2005; 191: 492-498.

40. van der Hoek L, Berkhout B: Questions concerning the New Haven coronavirus. The Journal of infectious diseases 2005; 192: 350-351; author reply 353-354.

41. Arden KE, Nissen MD, Sloots TP, Mackay IM: New human coronavirus, HCoV-NL63, associated with severe lower respiratory tract disease in Australia. Journal of medical virology 2005; 75: 455-462.

42. Gaunt ER, Hardie A, Claas EC et al.: Epidemiology and clinical presentations of the four human coronaviruses 229E, HKU1, NL63, and OC43 detected over 3 years using a novel multiplex real-time PCR method. Journal of clinical microbiology 2010; 48: 2940-2947.

43. Lepiller Q, Barth H, Lefebvre F et al.: High incidence but low burden of coronaviruses and preferential associations between respiratory viruses. Journal of clinical microbiology 2013; 51: 3039-3046.

44. Dijkman R, Jebbink MF, El Idrissi NB et al.: Human coronavirus NL63 and 229E seroconversion in children. Journal of clinical microbiology 2008; 46: 2368-2373.

45. Chan CM, Tse H, Wong SS et al.: Examination of seroprevalence of coronavirus HKU1 infection with S protein-based ELISA and neutralization assay against viral spike pseudotyped virus. Journal of clinical virology: the official publication of the Pan American Society for Clinical Virology 2009; 45: 54-60.

46. Dijkman R, Jebbink MF, Gaunt E et al.: The dominance of human coronavirus OC43 and NL63 infections in infants. Journal of clinical virology: the official publication of the Pan American Society for Clinical Virology 2012; 53: 135-139.

47. Pyrc K, Dijkman R, Deng L et al.: Mosaic structure of human coronavirus NL63, one thousand years of evolution. Journal of molecular biology 2006; 364: 964-973.

48. Pyrc K, Jebbink MF, Berkhout B, van der Hoek L: Detection of new viruses by VIDISCA. Virus discovery based on cDNA-amplified fragment length polymorphism. Methods Mol Biol 2008; 454: 73-89.

49. Owusu M, Annan A, Corman VM et al.: Human coronaviruses associated with upper respiratory tract infections in three rural areas of Ghana. PloS one 2014; 9: e99782.

50. Jartti L, Langen H, Soderlund-Venermo M et al.: New respiratory viruses and the elderly. The open respiratory medicine journal 2011; 5: 61-69.

51. Kupfer B, Simon A, Jonassen CM et al.: Two cases of severe obstructive pneumonia associated with an HKU1-like coronavirus. European journal of medical research 2007; 12: 134-138.

52. Leung TF, Li CY, Lam WY et al.: Epidemiology and clinical presentations of human coronavirus NL63 infections in hong kong children. Journal of clinical microbiology 2009; 47: 3486-3492.

53. van der Hoek L, Sure K, Ihorst G et al.: Croup is associated with the novel coronavirus NL63. PLoS medicine 2005; 2: e240.

54. Esper F, Shapiro ED, Weibel C e al.: Association between a novel human coronavirus and Kawasaki disease. The Journal of infectious diseases 2005; 191: 499-502.

55. Boivin G, Baz M, Cote S et al.: Infections by human coronavirus-NL in hospitalized children. The Pediatric infectious disease journal 2005; 24: 1045-1048.

56. Sung JY, Lee HJ, Eun BW et al.: Role of human coronavirus NL63 in hospitalized children with croup. The Pediatric infectious disease journal 2010; 29: 822-826.

57. Wu PS, Chang LY, Berkhout B et al.: Clinical manifestations of human coronavirus NL63 infection in children in Taiwan. European journal of pediatrics 2008; 167: 75-80.

58. Burns JC, Glode MP: Kawasaki syndrome. Lancet 2004; 364: 533-544.

59. Ebihara T, Endo R, Ma X et al.: Lack of association between New Haven coronavirus and Kawasaki disease. The Journal of infectious diseases 2005; 192: 351-352; author reply 353.

60. Baker SC, Shimizu C, Shike H et al.: Human coronavirus-NL63 infection is not associated with acute Kawasaki disease. Advances in experimental medicine and biology 2006; 581: 523-526.

61. Shirato K, Imada Y, Kawase M et al.: Possible involvement of infection with human coronavirus 229E, but not NL63, in Kawasaki disease. Journal of medical virology 2014; 86: 2146-2153.

62. Zaki AM, van Boheemen S, Bestebroer TM et al.: Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. The New England journal of medicine 2012; 367: 1814-1820.

63. van Boheemen S, de Graaf M, Lauber C et al.: Genomic characterization of a newly discovered coronavirus associated with acute respiratory distress syndrome in humans. MBio 2012 Nov 20; 3(6).

64. Benedict, P, Marciano S, et al .: Kappa and lineage Scaravelli 500 100 betaCoV infections in Italian bats. Virus Genes 2014; 48: 366-371.

65. Yang Y, Du L, Liu C et al.: Receptor usage and cell entry of bat coronavirus HKU4 provide insight into bat-to-human transmission of MERS coronavirus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2014; 111: 12516-12521.

66. Corman VM, Ithete NL, Richards LR et al.: Rooting the phylogenetic tree of middle East respiratory syndrome coronavirus by characterization of a conspecific virus from an African bat. Journal of virology 2014; 88: 11297-11303.

67. Reusken CB, Haagmans BL, Muller MA et al.: Middle East respiratory syndrome coronavirus neutralising serum antibodies in dromedary camels: a comparative serological study. The Lancet Infectious diseases 2013; 13: 859-866.

68. Haagmans BL, Al Dhahiry SH, Reusken CB et al.: Middle East respiratory syndrome coronavirus in dromedary camels: an outbreak investigation. The Lancet Infectious diseases 2014; 14: 140-145.

69. Drosten C, Kellam P, Memish ZA: Evidence for camel-to-human transmission of MERS coronavirus. The New England journal of medicine 2014; 371: 1359-1360.

70. Madani TA, Azhar EI, Hashem AM: Evidence for camel-to-human transmission of MERS coronavirus. The New England journal of medicine 2014; 371: 1360.

71. Chan RW, Hemida MG, Kayali G et al.: Tropism and replication of Middle East respiratory syndrome coronavirus from dromedary camels in the human respiratory tract: an in-vitro and ex-vivo study. The Lancet Respiratory medicine 2014; 2: 813-822.

72. Raj VS, Farag EA, Reusken CB et al.: Isolation of MERS coronavirus from a dromedary camel, Qatar, 2014. Emerging infectious diseases 2014; 20: 1339-1342.

73. Sampathkumar P: Middle East respiratory syndrome: what clinicians need to know. Mayo Clinic proceedings 2014; 89: 1153-1158.

74. Al-Tawfiq JA, Memish ZA: Middle East respiratory syndrome coronavirus: transmission and phylogenetic evolution. Trends in microbiology 2014; 22: 573-579.

75. Al-Tawfiq JA, Hinedi K, Ghandour J et al.: Middle East respiratory syndrome coronavirus: a case-control study of hospitalized patients. Clinical infectious diseases: an official publication of the Infectious Diseases Society of America 2014; 59: 160-165.

76. Brand JM, Smits SL, Haagmans BL: Pathogenesis of Middle East respiratory syndrome coronavirus. The Journal of pathology 2014 Jan; 235(2): 175-184.

77. Zhu X, Liu Q, Du L et al.: Receptor-binding domain as a target for developing SARS vaccines. Journal of thoracic disease 2013; 5 (suppl. 2): S142-148.

78. Kim E, Okada K, Kenniston T et al.: Immunogenicity of an adenoviral-based Middle East Respiratory Syndrome coronavirus vaccine in BALB/c mice. Vaccine 2014; 32: 5975-5982.

79. Hotez PJ, Bottazzi ME, Tseng CT et al.: Calling for rapid development of a safe and effective MERS vaccine. Microbes and infection/Institut Pasteur 2014; 16: 529-531.

80. Dyall J, Coleman CM, Hart BJ et al.: Repurposing of clinically developed drugs for treatment of Middle East respiratory syndrome coronavirus infection. Antimicrobial agents and chemotherapy 2014; 58: 4885-4893.

81. de Wilde AH, Jochmans D, Posthuma CC et al.: Screening of an FDA-approved compound library identifies four small-molecule inhibitors of Middle East respiratory syndrome coronavirus replication in cell culture. Antimicrobial agents and chemotherapy 2014; 58: 4875-4884.

received: 2015-02-17
accepted for printing: 2015-03-11

Address for correspondence:
* Krzysztof Pyrć
Department of Microbiology Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology of the Jagiellonian University
ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków
tel. +48 (12) 664-61-21
fax +48 (12) 664-69-02
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Słowa kluczowe: koronawirus, zakażenia układu oddechowego, epidemiologia.

Key words: coronavirus, respiratory tract infections, epidemiology.

WSTĘP

Koronawirusy przez lata znajdowały się na uboczu głównego nurtu badań w wirusologii i medycynie, ponieważ panowało przekonanie, że wywołują łagodne przeziębienie, które bez żadnej interwencji ustępuje w ciągu kilku dni. Brak metod diagnostycznych oraz skutecznej terapii dodatkowo pogłębiał pogląd, że patogeny te mogą być interesujące badawczo, jednak per se nie stanowią problemu medycznego. Pojawienie się nowych, wysoce patogennych gatunków koronawirusów oraz zrozumienie, że wirusy te u dzieci, osób starszych oraz osób z niedoborami odporności mogą prowadzić do rozwoju poważnej, zagrażającej życiu choroby spowodowały wzrost zainteresowania tymi patogenami.

Niniejsza praca ma na celu przedstawienie podrodziny Coronavirinae, skupiając się na charakterystyce klinicznej oraz dostępnych danych epidemiologicznych.

Na początku warto wspomnieć, że koronawirusy nie stanowią wyłącznie problemu w medycynie człowieka. Wirusy te zakażają ptaki i ssaki, powodując liczne choroby układu oddechowego, nerwowego, narządów wewnętrznych czy układu pokarmowego. Do najbardziej znanych chorób wywoływanych przez zwierzęce koronawirusy zaliczyć można zakaźne zapalenie otrzewnej u kotów, epidemiczną biegunkę świń, wirusowe zapalenie żołądka i jelit u bydła czy zakaźne zapalenie oskrzeli u ptactwa. Pierwsze wzmianki o ludzkich koronawirusach pochodzą z lat 60., kiedy to udało się wyizolować i opisać dwa patogeny – HCoV-229E oraz HCoV-OC43 – powodujące u ludzi schorzenia układu oddechowego (1, 2). Przez wiele lat pozostawały one jedynymi przedstawicielami rodzaju, zdolnymi zakażać ludzi. Dopiero początek XXI wieku przyniósł światu epidemię choroby wywołanej przez nieznany wcześniej, wysoce zakaźny gatunek koronawirusa. Został on nazwany od nazwy zespołu chorobowego wirusem SARS (ang. severe acute respiratory syndrome) (3-5). Wysoka śmiertelność (~ 10%) oraz bardzo wysoka zakaźność patogenu doprowadziły do globalnej paniki, której efekty ekonomiczne można obserwować do dnia dzisiejszego. Szczęśliwie, dzięki zastosowanym środkom zaradczym oraz naturalnej sezonowości występowania koronawirusów, już po kilku miesiącach wirus zniknął z ludzkiej populacji. Epidemia przyczyniła się do zintensyfikowania prac badawczych, które doprowadziły w następnych latach do identyfikacji i opisania kolejnych ludzkich koronawirusów – NL63 oraz HKU1. W 2012 roku, po 10 latach od epidemii SARS-CoV, ogłoszono przypadki nowej choroby układu oddechowego wywoływanej przez koronawirus MERS (ang. middle east respiratory syndrome). Tym razem nie doszło do wybuchu ogólnoświatowej epidemii, jednakże zagrożenie nie zniknęło – liczba zakażeń i ofiar śmiertelnych wzrasta z roku na rok.

CHARAKTERYSTYKA WIRUSÓW Z RODZINY CORONAVIRIDAE

Wirusy należące do tej rodziny zostały sklasyfikowane do dwóch odrębnych podrodzin: Coronavirinae i Torovirinae. Podrodzina Coronavirinae po uwzględnieniu cech genetycznych poszczególnych gatunków podzielona została na cztery rodzaje: alfa-, beta-, delta- oraz gamma-koronawirusy. Najbardziej interesujące z medycznego punktu widzenia są wirusy grup alfa oraz beta, do których należą wszystkie znane gatunki zakażające ludzi.

Koronawirusy są jednymi z największych wirusów RNA pod względem długości genomu (~ 30 000 nukleotydów) oraz rozmiaru wirionu (sferyczny, 80-180 nm średnicy). Pierwsze 2/3 wirusowego RNA od strony 5’ zajmuje gen kodujący białka tworzące maszynerię replikacyjną. Gen ten ulega transkrypcji i translacji do pojedynczej poliproteiny, która na etapie obróbki potranslacyjnej ulega autoproteolizie, co prowadzi do powstania zestawu dojrzałych białek odpowiedzialnych za replikację genomu, modyfikację środowiska komórkowego czy wreszcie interferencję z naturalnymi mechanizmami obronnymi organizmu. Pozostała 1/3 genomu zajęta jest przez geny kodujące białka strukturalne S-E-M-N (S – białko odpowiedzialne za interakcję z receptorem na powierzchni komórek; E – białko płaszcza, odpowiedzialne m.in. za formowanie wirionów; M – białko błonowe, będące głównym białkiem macierzy wirusa; oraz N – białko nukleokapsydu, jedno z głównych białek wirusowych, pełniące zarówno funkcję ochronną dla dużej cząsteczki RNA, jak i aktywnie uczestniczące w modyfikacji procesów komórkowych i w replikacji wirusa). W niektórych przypadkach w genomie kodowane są również białko HE, odpowiedzialne m.in. za interakcję z komórką gospodarza, oraz białka dodatkowe, których liczba i charakter są zmienne w zależności od gatunku. Kodujące RNA wirusowe flankowane jest z obu stron regionami niekodującymi, które są kluczowe dla replikacji wirusa.

LUDZKIE KORONAWIRUSY

Lata 60.: pierwsze ludzkie koronawirusy

Pierwszy ludzki koronawirus B814 został wyizolowany w 1962 roku od dziecka z objawami przeziębienia, kiedy zastosowano hodowlę narządową pochodzącą z tchawicy (1, 6). Dokładna przynależność gatunkowa tego izolatu pozostaje jednak nieznana, gdyż próbka zaginęła zanim dostępne były metody badawcze pozwalające na identyfikację nowych patogenów wirusowych. Dalsze badania doprowadziły do pozyskania innych izolatów klinicznych, włączając w to koronawirusy 229E i OC43, które z czasem uznane zostały za przedstawicieli odrębnych gatunków (1, 2, 7).

Obraz infekcji ludzkimi koronawirusami został nakreślony dzięki badaniom przeprowadzonym z udziałem zdrowych ochotników. Po zakażeniu koronawirusami 229E oraz OC43 u zdrowych osób wystąpiły typowe objawy przeziębienia, głównie nieżyt błony śluzowej nosa, a w pojedynczych przypadkach kaszel. Objawy utrzymywały się przez okres do tygodnia, po czym samoistnie ustępowały (1, 2, 8). Dalsze doświadczenia kliniczne potwierdziły, że wirusy te powodują stosunkowo łagodną, często subkliniczną infekcję u dorosłych. Jednakże w przypadku dzieci, osób starszych oraz osób o osłabionej odporności patogeny te mogą powodować ciężką chorobę o ostrym przebiegu (m.in. zapalenie oskrzeli, podgłośniowe zapalenie krtani, zapalenie płuc) (9-12).

W przeszłości pojawiły się hipotezy, że ludzkie koronawirusy OC43 oraz 229E mogą również powodować lub indukować rozwój innych chorób. Przykładowo, sugerowano, że HCoV-OC43 może powodować zakażenia układu pokarmowego. Nie udało się jednak w tym przypadku wykazać związku przyczynowo-skutkowego, a kolejne badania pokazały, że obecność wirusów w kale wynikała z drogi rozprzestrzeniania się wirusa, a nie aktywnej infekcji komórek układu pokarmowego (13-16). Sugerowano również, że wirus HCoV-OC43 może brać udział w rozwoju stwardnienia rozsianego (SM). Powiązania tego dokonano w oparciu o obserwacje, że w tkance mózgowej pacjentów z SM można wykryć koronawirusy, a miano przeciwciał specyficznych względem ludzkich koronawirusów jest znacznie wyższe u pacjentów z SM niż w grupach kontrolnych. Również w tym wypadku nie udało się jednoznacznie potwierdzić związku patogenu z chorobą (17-21).

Początek XXI wieku: epidemia SARS-CoV

Obraz ludzkich koronawirusów, jako stosunkowo niegroźnych patogenów zmienił się wraz z pojawieniem się w listopadzie 2002 roku w chińskiej prowincji Guangdong nowego gatunku ludzkiego koronawirusa – wirusa SARS-CoV (3-5). Pierwszą osobą, u której stwierdzono zakażenie, był 45-letni mężczyzna w mieście Foshan, u którego 16 listopada 2002 roku pojawiły się gorączka i objawy ze strony układu oddechowego. Transmisja wirusa pomiędzy pacjentami następowała w szybkim tempie, a w niektórych przypadkach dochodziło do masowych zakażeń. Przykładem takiego zakażenia może być przypadek 44-letniego mężczyzny, hospitalizowanego w Guangzhou 30 stycznia 2003 roku. W czasie choroby zakaził on 19 krewnych oraz ponad 50 osób należących do personelu medycznego. Dalsza transmisja i przekroczenie granic kraju stały się tylko kwestią czasu, i tak jeden z zakażonych lekarzy w czasie swojej podróży do Hong Kongu zakaził kolejne 17 osób, co umożliwiło transmisję wirusa poza granice Chin. W ciągu jednego sezonu wirus rozprzestrzenił się do 37 krajów, stwierdzono 8273 przypadków zakażenia, a dla 775 osób choroba zakończyła się zgonem (22). Co zaskakujące, 5 lipca 2003 roku, a więc niespełna 8 miesięcy od pierwszego stwierdzonego przypadku zakażenia, WHO ogłosiła eradykację wirusa SARS-CoV. Nagłe zniknięcie wirusa można tłumaczyć dwojako. Po pierwsze, zakażenia ludzkimi koronawirusami mają charakter sezonowy, z częstością najwyższą w zimie i wczesną wiosną. Można więc założyć, że zakończenie epidemii na początku lipca nie było przypadkowe. Po drugie, objawy zakażenia są stosunkowo wyraźne i pojawiają się zanim pacjent wejdzie w najbardziej zakaźną fazę choroby (ilość wirusa w wydzielinach wzrasta stopniowo w czasie choroby, osiągając maksimum po pierwszym tygodniu). Umożliwiło to zastosowanie skutecznych środków zapobiegających transmisji wirusa oraz izolację chorych (23).

Tak nagłe pojawienie się nowego ludzkiego patogenu wywołało liczne spekulacje co do jego pochodzenia. Przeprowadzone badania wykazały u osób trudniących się handlem żywymi zwierzętami wysokie miana przeciwciał specyficznych względem wirusa SARS-CoV, chociaż nie zgłaszali oni przebycia choroby. Było to o tyle frapujące, że u osób sprzedających inne towary spożywcze nie stwierdzano podwyższonych mian przeciwciał. Szczegółowe badania zwierząt na rynku chińskim wykazały obecność wirusa w organizmach łaskunów chińskich (Paguma larvata) oraz jenotów (Nyctereutes procyonoides), których mięso w Chinach wykorzystywane jest w celach konsumpcyjnych. Nasunęło to przypuszczenie, że wirus mógł przenieść się na ludzi bezpośrednio z tych zwierząt (24, 25). Jednakże, zarówno stosunkowo niewielka zmienność genetyczna wirusa zwierzęcego, jak i stosunkowo rzadkie jego występowanie u tych zwierząt wskazywały, że prawdziwego rezerwuaru wirusa należy szukać gdzie indziej (26). Dalsze badania wykazały, że najbardziej prawdopodobnym naturalnym gospodarzem wirusa SARS-CoV były nietoperze. U zwierząt tych zidentyfikowano wirusy prawie identyczne pod względem genetycznym do wirusa ludzkiego (RsSHC014 oraz Rs3367). Wykazano również, że wirusy izolowane od nietoperzy były w stanie zakażać komórki ludzkie. Co więcej, u niektórych gatunków nietoperzy (rodzaj Rhinolophus) stwierdzono obecność przeciwciał neutralizujących, specyficznych względem białek wirusa SARS-CoV (25-27). Dostępne dane wskazują, że wirus SARS-CoV pojawił się w populacji ludzkiej na skutek transmisji od nietoperzy, przy czym pośrednimi gospodarzami mogły być również inne zwierzęta, takie jak łaskuny czy jenoty.

Chociaż od ponad 10 lat nie stwierdzono przypadków zakażenia SARS-CoV u ludzi, nieustannie pozostaje obawa, że w przyszłości wirus może pojawić się ponownie. Analiza retrospektywna archiwizowanych próbek surowic pobranych od osób zamieszkujących zagrożone tereny wykazała, że u części z nich przeciwciała specyficzne względem wirusa SARS-CoV pojawiły się na długo przed epidemią. Wynika z tego, że wirus SARS-CoV nie pierwszy raz przeniósł się na ludzi w 2002 roku. Częściową przynajmniej odpowiedź na pytanie, dlaczego wcześniej nie doszło do epidemii, dostarczył przypadek pojawienia się czterech nowych przypadków zakażenia wirusem SARS-CoV rok po pierwszej epidemii (28). U wszystkich zakażonych osób przebieg choroby był diametralnie różny niż obserwowano rok wcześniej i nie nastąpiło dalsze jej rozprzestrzenienie. Badania molekularne wykazały, że wirus, który spowodował chorobę, był inny niż ten występujący w czasie epidemii. Porównanie wirusów ludzkich i zwierzęcych ujawniło, że „nowy” wirus był znacznie gorzej przystosowany do replikacji w komórkach ludzkich (m.in. wykazywał znacznie mniejsze powinowactwo do receptora komórkowego), a jego pojawienie się było efektem ponownej transmisji odzwierzęcej (28-30). Można zatem wnioskować, że do transmisji wirusa zwierzęcego dochodziło również na przestrzeni poprzednich lat, jednak w 2002 roku doszło do adaptacji wirusa do komórek ludzkich, co sprawiło że szczep stał się bardzo wirulentny.

Wirus SARS-CoV, jak wspomniano powyżej, powodował ciężką chorobę układu oddechowego. Patogen ten zakażał urzęsione komórki górnych i dolnych dróg oddechowych oraz pneumocyty. Wirus znajdowany był również w innych organach, nerkach, wątrobie i jelitach. Istnieją liczne hipotezy dotyczące przyczyn wysokiej patogenności tego wirusa u ludzi, które zakładają, że uszkodzenia tkanki płucnej powodowane były nie tylko przez replikację patogenu, ale również przez indukcję nadmiernej, uszkadzającej odpowiedzi immunologicznej lub zaburzanie szlaków odpowiedzialnych za utrzymanie homeostazy, takich jak szlak reninowo-angiotensynowo-aldosteronowy. Prawdopodobnie jednak wirulencja wirusa była efektem wspólnego oddziaływania czynników wymienionych powyżej (23, 31-34).

SARS-CoV przenosił się głównie drogą kropelkową, a pierwszym miejscem infekcji był nabłonek migawkowy górnych dróg oddechowych. Po okresie wylęgania trwającym 2-10 dni rozwijało się zapalenie płuc, z rozsianym uszkodzeniem pęcherzyków płucnych, złuszczaniem warstwy pneumocytów, obrzękiem płuc, wysiękiem komórek zapalnych czy tworzeniem się błon szklistych. U części pacjentów uszkodzenie tkanki płucnej postępowało i prowadziło do ostrego uszkodzenia płuc, a w ciężkich przypadkach – zespołu ostrej niewydolności oddechowej (34).

Nowe gatunki: HCoV-NL63 oraz HCoV-HKU1

Krótko po identyfikacji czynnika etiologicznego SARS opisano kolejny ludzki koronawirus, HCoV-NL63 (alfa-koronawirus) (35, 36), a rok później HCoV-HKU1 (beta-koronawirus) (37). Oba te wirusy pod względem klinicznym powodują chorobę o podobnym przebiegu jak dobrze znane koronawirusy 229E oraz OC43.

Identyfikacja ludzkiego koronawirusa NL63 została opisana w sumie trzykrotnie. Pierwszy raport był wynikiem badań grupy z Amsterdamu w Holandii i opisywał nieznany wcześniej wirus, który wyizolowano od 7-miesięcznego dziecka z zapaleniem oskrzeli o nieustalonej etiologii. Nowy patogen został nazwany HCoV-NL63 (35). Drugi raport ukazał się kilka tygodni później, został przygotowany przez grupę z Rotterdamu w Holandii i opisywał niezależną identyfikację tego samego patogenu (nazwanego HCoV-NL) u 8-miesięcznego dziecka z zapaleniem płuc o nieznanej etiologii (38). Co jednak zadziwiające, rok po publikacji wyników przez dwie grupy badawcze ukazał się trzeci raport identyfikujący ten sam czynnik zakaźny, któremu autorzy nadali nową nazwę „New Haven” (39). Dokładna analiza danych pozwoliła stwierdzić, że wszystkie trzy raporty opisują ten sam gatunek wirusa, który zgodnie z zalecaniami ICTV (International Committee on Taxonomy of Viruses) ostatecznie został nazwany ludzkim koronawirusem NL63 (40).

Ludzki koronawirus HKU1 odkryty został w próbce pobranej w 2004 roku od osoby w podeszłym wieku z chroniczną obturacyjną chorobą płuc. Pacjent był hospitalizowany z uwagi na gorączkę i kaszel (37).

Publikowane wyniki kolejnych badań wskazują, że zakażenia oboma patogenami są szeroko rozpowszechnione. Częstość występowania poszczególnych gatunków koronawirusów jest jednak zależna od terytorium oraz czasu izolacji i waha się dla poszczególnych gatunków (41-43). Wynika to bezpośrednio z sezonowości występowania koronawirusów, które w klimacie umiarkowanym najczęściej występują zimą i wczesną wiosną. Częstość występowania poszczególnych gatunków koronawirusów przedstawia się następująco: HCoV-OC43 ≥ HCoV-NL63 > HCoV-HKU1 ≥ HCoV-229E. Analiza serologiczna wykazała, że praktycznie wszystkie osoby w wieku >10 lat przeszły zakażenie HCoV-NL63 (średnia wieku, w którym dochodzi do zakażenia, to 3,5 roku) (44). W przypadku wirusa HKU1 dane są nieco odmienne. U dzieci < 10 lat nie wykryto specyficznych przeciwciał, natomiast najwyższy odsetek osób seropozytywnych (21,6%) dotyczy grupy wiekowej 31-40 lat. U osób starszych odsetek ten nie ulega zmianie (45). Porównując te dane z informacjami dostępnymi dla wirusów HCoV-229E i HCoV-OC43, można zauważyć, że wśród alfa-koronawirusów głównym patogenem jest HCoV-NL63, natomiast wśród beta-koronawirusów jest nim HCoV-OC43. Możliwe jest, że powstające przeciwciała neutralizujące reagują z innymi wirusami z tej grupy, co chroni przed późniejszymi zakażeniami (46).

Identyfikacja wirusów w próbkach archiwalnych oraz datowanie prawdopodobnego przeniesienia tych patogenów na ludzi wskazuje, że oba te wirusy były obecne w populacji od wielu lat. Analizując dane epidemiologiczne, zaskakujące jest, że nie wykryto ich wcześniej. Jednak żaden z dostępnych przed 2003 rokiem testów diagnostycznych, ze względu na dużą zmienność genetyczną i serologiczną w obrębie rodziny nie był w stanie wykryć wirusów HCoV-NL63 ani HCoV-HKU1 (36, 47). Dopiero rozwój nowoczesnych metod diagnostycznych, takich jak VIDISCA (ang. virus discovery based on cDNA-amplified fragment length polymorphism) (35, 48) czy startery uniwersalne (37) pozwoliło na identyfikację tych patogenów.

Ustalenie powiązania nowo odkrytych wirusów z chorobą było trudniejsze niż w przypadku HCoV-229E czy HCoV-OC43. Ze względów etycznych prowadzenie badań nad procesem zakażenia z udziałem zdrowych ochotników jest obecnie rzadko stosowane, a choroba powiązana z zakażeniem wirusami oddechowymi nie uzasadnia podjęcia takiego ryzyka. W związku z powyższym, wszelkie wnioski dotyczące związku pomiędzy zakażeniem koronawirusami HKU1 i NL63 a konkretną jednostką chorobową pochodzą z badań przeprowadzonych z udziałem pacjentów naturalnie zakażonych wirusami. Analiza taka jest utrudniona, ze względu na częste występowanie koinfekcji z innymi patogenami układu oddechowego.

Wykazano, że zakażenie HCoV-HKU1 u dorosłych bez innych chorób obciążających nie wymaga hospitalizacji. Jednak obraz kliniczny u dzieci, osób starszych lub pacjentów z obniżonym poziomem odporności może być diametralnie inny (42, 49-51).

W przypadku wirusa HCoV-NL63 zakażenie może prowadzić do choroby układu oddechowego lub przebiegać asymptomatycznie. Podobnie jak w przypadku koronawirusa HKU1, u dzieci, osób starszych i pacjentów z obniżonym poziomem odporności obserwowano zakażenia górnych i dolnych dróg oddechowych, włączając w to zapalenie płuc (35, 50, 52-55). HCoV-NL63 jest również głównym czynnikiem etiologicznym podgłośniowego zapalenia krtani (pseudokrupu) u dzieci (52, 53, 56, 57).

Duże zainteresowanie podrodziną Coronavirinae po pojawieniu się SARS-CoV sprawiło, że przeprowadzono szczegółowe badania dotyczące związku zakażenia HCoV-NL63 z innymi chorobami. Analizy przeprowadzone przez grupę z New Haven, USA, wykazały, że u większości dzieci z chorobą Kawasakiego (58) można było wykryć zakażenie HCoV-NL63 (54). Opublikowane dane nie znalazły jednak potwierdzenia w dalszych badaniach, w których nie stwierdzono żadnego związku choroby z zakażeniem (59, 60). Niedawno ukazał się również raport sugerujący, że to zakażenie HCoV-229E prowadzi do rozwoju tej choroby. Jednakże, wyniki nie zostały jeszcze zweryfikowane (61).

Najnowsze zagrożenie: MERS-CoV

Liczne prace z ostatnich lat pokazały, że istnieje olbrzymia grupa wirusów zwierzęcych, które potencjalnie mogą przekroczyć barierę gatunkową. Nie było w związku z tym zaskoczeniem pojawienie się w 2012 roku kolejnego odzwierzęcego koronawirusa zakażającego ludzi (62).

Wirus MERS-CoV (ang. Middle Easet Respiratory Syndrome Coronavirus) został pierwszy raz rozpoznany u pacjenta z Arabii Saudyjskiej (62). Analiza danych od pacjentów zakażonych wykazała, że nowy wirus powoduje ciężką chorobę, która w ~ 35% przypadków jest śmiertelna. Do listopada 2014 roku, zgodnie z danymi Światowej Organizacji Zdrowia, zanotowano 897 przypadków zakażenia, z których 325 zakończyło się zgonem.

Przeprowadzone badania ujawniły, że wirus MERS-CoV, podobnie jak SARS-CoV jest wirusem odzwierzęcym. Ze względu na podobieństwo na poziomie genetycznym i funkcjonalnym (m.in. wykorzystanie tego samego receptora komórkowego) do wirusów występujących u nietoperzy uznano, że naturalnym gospodarzem i rezerwuarem wirusa są właśnie nietoperze (63-66). Pozostaje jednak pytanie dotyczące transmisji wirusa na ludzi. Wydaje się, że w tym przypadku ogniwem pośrednim mogą być wielbłądy jednogarbne (Camelius dromedarius), u których stwierdzono wysokie miana przeciwciał neutralizujących specyficznych względem wirusa ludzkiego oraz wirusowe RNA (67-72). Należy jednak pamiętać, że temat ten jest wciąż przedmiotem debaty, a dla wyciągnięcia jednoznacznych wniosków konieczne jest przeprowadzenie dalszych analiz.

Niezależnie od tego, głównym źródłem zakażenia u ludzi wydaje się być bezpośredni kontakt ze zwierzętami. Transmisja wirusa MERS-CoV pomiędzy ludźmi jest możliwa, jednak w przeciwieństwie do wirusa SARS-CoV jest stosunkowo mało wydajna i wymaga długotrwałego, bezpośredniego kontaktu z osobą zakażoną. Na Półwyspie Arabskim notuje się liczne dowody na występowanie koronawirusa MERS u zwierząt, i to właśnie w tym rejonie występuje większość przypadków zakażenia u ludzi. Natomiast w regionach, w których transmisja odzwierzęca nie jest możliwa, częstość występowania wirusa jest znacznie mniejsza i zakażenia ograniczone są do osób powracających z miejsc występowania wirusa oraz pojedynczych przykładów transmisji między ludźmi (73, 74).

Obraz kliniczny zakażenia wirusem MERS-CoV może być bardzo różny, począwszy od infekcji asymptomatycznej do ostrej, ciężkiej choroby układu oddechowego, która kończy się śmiercią pacjenta. Początkowe objawy zakażenia są niespecyficzne i obejmują m.in. gorączkę, dreszcze, ból głowy, kaszel, duszności i bóle mięśni. Dodatkowo mogą pojawić się: ból gardła, nudności, wymioty, zawroty głowy, biegunka i ból brzucha. W kolejnej fazie choroby dochodzi do rozwoju zapalenia płuc, które może skutkować zgonem. U pacjentów często obserwowano również upośledzenie czynności nerek. Badania laboratoryjne wskazują na limfopenię, trombocytopenię czy podniesiony poziom dehydrogenazy mleczanowej. W obrazie radiologicznym stwierdza się zmiany jedno- lub dwustronne, niejednolite nacieki czy płyn w jamie opłucnej. Obecność wirusa stwierdzano w wydzielinach układu oddechowego, kale, surowicy i w moczu (73, 75, 76).

TERAPIA I PROFILAKTYKA

W momencie pojawienia się wirusa SARS-CoV nie były dostępne praktycznie żadne leki o specyficznym działaniu przeciwwirusowym ani protokoły stosowania leków o szerokim spektrum działania. Zachorowania o ciężkim, a nawet śmiertelnym przebiegu sprawiły, że prace nad lekami i szczepionkami nabrały rozpędu. Poznano struktury krystaliczne licznych białek wirusa, opracowano całe serie specyficznych inhibitorów mało- i wielkocząsteczkowych, sprawdzające się w warunkach in vitro i w pojedynczych przypadkach również in vivo. Jednakże początkowy entuzjazm osłabł po stwierdzeniu, że zakażenia koronawirusem SARS ograniczone były do jednego sezonu. Prace nad nowymi inhibitorami nie zostały doprowadzone do etapu badań przedklinicznych/klinicznych i po dekadzie badań można stwierdzić, że nie opracowano żadnych nowych form terapii.

Obecnie w zakażeniach MERS-CoV stosowane są leki o niepotwierdzonym działaniu, zatwierdzone do stosowania w innych wskazaniach. Próbuje się np. wykorzystywać interferon w połączeniu z lopinawirem i rytonawirem, lekami zatwierdzonymi do stosowania u osób zakażonych wirusem HIV. Wybór tych leków opiera się głównie na doświadczeniach z epidemii SARS-CoV. Obecnie nie są dostępne szczepionki skuteczne w zakażeniach ludzkimi koronawirusami, jednak badania nad opracowaniem szczepionek przeciwko SARS-CoV (inaktywowany wirus, białka wirusowe, szczepionki DNA, chimeryczne wirusy, cząstki VLP) prowadzone były w warunkach in vitro i in vivo (77). Podobne badania zostały już rozpoczęta dla wirusa MERS-CoV (78, 79).

Wobec problemu nowych zakażeń koronawirusowych, bardzo interesujące wydają się dwie publikacje z 2014 roku wskazujące na możliwość leczenia infekcji SARS-CoV i MERS-CoV z wykorzystaniem leków zatwierdzonych do stosowania w innych wskazaniach (80, 81). W pierwszej pracy, de Wilde i wsp. przebadali bibliotekę 348 leków, wskazując na cztery substancje aktywne względem koronawirusa MERS: chlorochinę (stosowana m.in. w malarii), chlorpromazynę (neuroleptyk), loperamid (lek przeciwbiegunkowy) oraz lopinawir (stosowany w zakażeniach wirusem HIV) (81). Przebadane substancje charakteryzowały się dobrymi parametrami, hamowały replikację wirusa (IC₅₀) przy stężeniach od 3 do 8 μM. W drugiej pracy, Dyal i wsp. przebadali 290 leków, analizując ich wpływ na replikację MERS-CoV i SARS-CoV (80). W efekcie zidentyfikowano 33 substancje hamujące namnażanie MERS-CoV, 6 substancji działających na SARS-CoV oraz 27 związków aktywnych względem obu tych patogenów. Niektóre z substancji czynnych wykazały aktywność już przy bardzo niskim stężeniu. Przytoczone badania są istotne, gdyż leki te zostały już zatwierdzone do stosowania u pacjentów, a ich właściwości farmakokinetyczne i farmakodynamiczne są dobrze poznane. Głównym problemem pozostaje jednak brak możliwości potwierdzenia ich aktywności przeciwwirusowej w warunkach eksperymentalnych in vivo i brak doświadczenia klinicznego.

PODSUMOWANIE

Identyfikacja nowych ludzkich i zwierzęcych koronawirusów, dynamiczny rozwój diagnostyki oraz pogłębione zrozumienie procesu zakażenia to niewątpliwy plon ostatnich lat. Niestety, poznanie arsenału wirusów zwierzęcych, które mogą przenosić się na ludzi i stanowią realne zagrożenie dla ich zdrowia i życia, nie przełożyło się na efektywny rozwój nowych strategii terapeutycznych w leczeniu chorób wywoływanych przez koronawirusy. Wydaje się, że przy medialnej „sławie” wirusów takich jak SARS-CoV oraz MERS-CoV świat medyczny i farmaceutyczny pominął problem kliniczny, jakim są zakażenia koronawirusami u dzieci, osób starszych oraz osób z niedoborami odporności.

Jaka będzie cena tego zaniedbania, okaże się w nadchodzących latach, jako że liczba przypadków zakażenia wirusem MERS-CoV rośnie z roku na rok. Koronawirusy już dwukrotnie pokazały, że stanowią duże zagrożenie epidemiczne dla świata i można założyć, że MERS-CoV nie jest ostatnim wysoce patogennym przedstawicielem rodziny Coronaviridae.

PODZIĘKOWANIA

Krzysztof Pyrć jest beneficjentem programu LIDER finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (Lider/27/55/L-2/10/2011) (KP) oraz Sonata Bis, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki (UMO-2012/07/E/NZ6/01712).

Piśmiennictwo