การเพิ่มจำนวนและการก่อพยาธิสภาพของไวรัส

ไวรัสเป็นปรสิตภายในเซลล์ที่จำเป็น (obligate intracellular parasites) ซึ่งไม่สามารถเพิ่มจำนวนได้ด้วยตนเอง ต้องเข้าสู่เซลล์เจ้าบ้านและเปลี่ยนทิศทางกลไกของเซลล์นั้นเพื่อสร้างอนุภาคไวรัสใหม่ หัวข้อนี้จะสำรวจขั้นตอนร่วมกันของวงจรการเพิ่มจำนวนของไวรัส ได้แก่ การเข้าสู่เซลล์ การแสดงออกของยีน การจำลองจีโนม การประกอบตัว และการปล่อยอนุภาค รวมถึงกลไกที่การติดเชื้อและการตอบสนองของเจ้าบ้านนำไปสู่การเกิดโรค (พยาธิสภาพ)

Definition

การเพิ่มจำนวนของไวรัสคือชุดของกระบวนการภายในเซลล์ที่ไวรัสใช้กลไกของเซลล์เจ้าบ้านเพื่อคัดลอกจีโนมและผลิตอนุภาคไวรัสรุ่นลูก; การก่อพยาธิสภาพของไวรัสคือกระบวนการที่การติดเชื้อไวรัสและการตอบสนองของเจ้าบ้านที่เกิดขึ้นนำไปสู่การเกิดโรค

Scope

หัวข้อนี้จะนำผู้อ่านไปสู่วงจรการเพิ่มจำนวนของไวรัสในฐานะกรอบการทำงานทั่วไป และแนวคิดของพยาธิสภาพในฐานะลำดับเหตุการณ์จากการติดเชื้อไปสู่การบาดเจ็บ หัวข้อย่อยจะกล่าวถึงแต่ละขั้นตอน ได้แก่ การเข้าสู่เซลล์และการถอดรหัสพันธุกรรม การแสดงออกของยีนและการสังเคราะห์โปรตีน การจำลองกรดนิวคลีอิก การประกอบตัวและการปล่อยอนุภาค และกลไกที่ไวรัสทำให้เกิดโรค นี่คือภาพรวมเชิงอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิกหรือการรักษา

Sub-topics

• Viral Assembly and Release from Host Cells
• Viral Entry and Uncoating Mechanisms
• Mechanisms of Viral Pathogenesis
• Viral Replication and Nucleic Acid Synthesis
• Viral Gene Expression and Protein Synthesis

Core questions

• ขั้นตอนสากลใดบ้างที่ไวรัสทุกชนิดต้องทำให้สำเร็จเพื่อเพิ่มจำนวนภายในเซลล์เจ้าบ้าน?
• ชนิดของจีโนมของไวรัส (DNA, RNA, sense, segmentation) จำกัดกลยุทธ์การเพิ่มจำนวนของมันอย่างไร?
• เหตุการณ์การเพิ่มจำนวน ร่วมกับการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเจ้าบ้าน ทำให้เกิดการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อและโรคได้อย่างไร?

Key concepts

• ปรสิตภายในเซลล์ที่จำเป็น (Obligate intracellular parasitism)
• วงจรการเพิ่มจำนวนทั่วไป: การเข้าสู่เซลล์, การถอดรหัสพันธุกรรม, การแสดงออกของยีน, การจำลองจีโนม, การประกอบตัว, การปล่อยอนุภาค
• ช่วงเวลาคราส (Eclipse period) และการเจริญเติบโตแบบขั้นตอนเดียว (one-step growth)
• ชนิดของจีโนมเป็นตัวกำหนดกลยุทธ์การเพิ่มจำนวน
• โทรปิซึม (Tropism) (เซลล์และเนื้อเยื่อที่ไวรัสสามารถติดเชื้อได้)
• การติดเชื้อเฉียบพลันเทียบกับการติดเชื้อเรื้อรัง (แฝง, เรื้อรัง)
• ผลกระทบต่อเซลล์โดยตรง (Direct cytopathic effect) เทียบกับพยาธิวิทยาภูมิคุ้มกัน (immunopathology)

Key theories

การจำแนกประเภทของ Baltimore

แผนการของ David Baltimore จัดกลุ่มไวรัสออกเป็นประเภทตามลักษณะของจีโนมและเส้นทางที่ใช้ในการผลิต messenger RNA ซึ่งทำนายตรรกะระดับโมเลกุลของกลยุทธ์การเพิ่มจำนวนของแต่ละกลุ่ม ยังคงเป็นกรอบการจัดระเบียบสำหรับการเปรียบเทียบว่าไวรัสชนิดต่าง ๆ เพิ่มจำนวนได้อย่างไร

Mechanisms

การติดเชื้อที่ก่อให้เกิดผลผลิตจะดำเนินไปตามวงจรที่เป็นระเบียบ อนุภาคไวรัสจะเกาะติดและเข้าสู่เซลล์ที่เหมาะสม จากนั้นจะถอดรหัสพันธุกรรมเพื่อปล่อยจีโนมออกมา จีโนมจะถูกแสดงออกและจำลองโดยใช้เอนไซม์ของไวรัสและเจ้าบ้านร่วมกัน โปรตีนโครงสร้างและจีโนมใหม่จะประกอบรวมกันเป็นอนุภาคไวรัสรุ่นลูก และอนุภาคไวรัสจะถูกปล่อยออกไปเพื่อแพร่เชื้อไปยังเซลล์อื่น ๆ ชนิดของจีโนมเป็นตัวกำหนดรายละเอียดส่วนใหญ่ เช่น ไวรัส RNA สายบวกจะสร้างช่องจำลองแบบที่ถูกหุ้มด้วยเยื่อหุ้มในไซโตพลาสซึม ซึ่งเป็นลักษณะที่พบได้บ่อยในไวรัสหลายตระกูล โรคจะเกิดขึ้นเมื่อเหตุการณ์เหล่านี้ทำลายเซลล์โดยตรง หรือกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเจ้าบ้านที่ทำให้เกิดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อเอง และเมื่อความสมดุลระหว่างการแพร่กระจายของไวรัสกับการป้องกันของเจ้าบ้านเป็นตัวกำหนดว่าการติดเชื้อจะถูกกำจัด กลายเป็นเรื้อรัง หรือถึงแก่ชีวิต

Clinical relevance

การทำความเข้าใจวงจรการเพิ่มจำนวนจะอธิบายว่าทำไมยาต้านไวรัสจึงมุ่งเป้าไปที่ขั้นตอนที่แตกต่างกัน เช่น การเข้าสู่เซลล์ การจำลองจีโนม หรือการเจริญเติบโต และทำไมการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเจ้าบ้านจึงเป็นหัวใจสำคัญของผลลัพธ์ บทความนี้อธิบายชีววิทยาที่เป็นพื้นฐานของไวรัสวิทยาทางคลินิกและกลยุทธ์การต้านไวรัสในระดับแนวคิด เป็นเอกสารอ้างอิงทางการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัย การเลือกยา หรือการจัดการผู้ป่วยรายบุคคล

Epidemiology

ไวรัสเป็นสาเหตุสำคัญของโรคติดเชื้อในมนุษย์ทั่วโลก ตั้งแต่โรคทางเดินหายใจและทางเดินอาหารที่หายได้เอง ไปจนถึงการติดเชื้อเรื้อรังและการระบาดใหญ่ โรคติดเชื้ออุบัติใหม่ที่มีผลกระทบสูงหลายโรคเกิดจากไวรัส ซึ่งมักมีต้นกำเนิดจากสัตว์สู่คน ทำให้ความเชื่อมโยงระหว่างการเพิ่มจำนวน ช่วงของเจ้าบ้าน และพยาธิสภาพเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับสุขภาพของประชากรและสุขภาพส่วนบุคคล

History

งานวิจัยในศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับแบคเทอริโอฟาจและไวรัสในสัตว์ได้สร้างเส้นโค้งการเจริญเติบโตแบบขั้นตอนเดียว (one-step growth curve) และแนวคิดของช่วงเวลาคราส (eclipse period) ซึ่งเผยให้เห็นว่าการเพิ่มจำนวนเป็นวงจรภายในเซลล์ที่เป็นระเบียบ การจำแนกประเภทของ Baltimore (1971) ได้รวมความหลากหลายของจีโนมไวรัสเข้ากับปัญหาหลักของการสร้าง mRNA และงานด้านอณูชีววิทยาและชีววิทยาของเซลล์ในภายหลังได้ทำแผนที่แต่ละขั้นตอนของวงจรอย่างละเอียด การศึกษาพยาธิสภาพได้ขยายจากแนวคิดของการทำลายเซลล์โดยตรงไปสู่การรวมถึงพยาธิวิทยาภูมิคุ้มกัน และสเปกตรัมของการติดเชื้อเฉียบพลัน แฝง และเรื้อรัง

Key figures

• David Baltimore
• Ari Helenius
• Mark Marsh
• Paul Ahlquist
• Herbert W. Virgin

Seminal works

• marsh-helenius-2006
• denboon-ahlquist-2010
• virgin-2009

Frequently asked questions

ทำไมไวรัสจึงไม่สามารถเพิ่มจำนวนได้ด้วยตนเอง?

ไวรัสขาดไรโบโซมและกลไกการเผาผลาญที่จำเป็นในการสังเคราะห์โปรตีนและสร้างพลังงาน ดังนั้นจึงต้องเข้าสู่เซลล์เจ้าบ้านที่มีชีวิตและใช้กลไกของเซลล์นั้นเพื่อสร้างอนุภาคไวรัสใหม่ นี่คือเหตุผลที่เรียกว่าปรสิตภายในเซลล์ที่จำเป็น

โรคจากไวรัสเกิดจากการที่ไวรัสทำลายเซลล์หรือจากการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน?

ทั้งสองอย่างสามารถเกิดขึ้นได้ ไวรัสบางชนิดทำลายเซลล์โดยตรง (ผลกระทบต่อเซลล์) ในขณะที่การติดเชื้ออื่น ๆ ความเสียหายของเนื้อเยื่อส่วนใหญ่เกิดจากการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเจ้าบ้านต่อไวรัส (พยาธิวิทยาภูมิคุ้มกัน) ความสมดุลจะแตกต่างกันไปในแต่ละไวรัสและโรค