vìrus (biologia e medicina)

Lessico

sm. inv. [sec. XIX; dal latino virus, veleno].

1) Entità biologica submicroscopica, strettamente dipendente dalle cellule viventi e potenzialmente patogena per tutti gli esseri viventi.

2) In informatica, vengono indicati col nome di virus quei programmi introdotti clandestinamente negli elaboratori che utilizzano le risorse dei sistemi operativi per disturbare il funzionamento dell'elaboratore e per creare nuove copie di loro stessi. Questi programmi, manifestazione di “vandalismo informatico”, hanno avuto una grande diffusione a partire dalla seconda metà degli anni Ottanta a causa dell'interscambio di dati e programmi fra i vari elaboratori.

Biologia

I virus hanno dimensioni estremamente piccole, variando da 20 nm (per esempio virus dell'afta epizootica) a un massimo di 250-300 nm (per esempio del vaiolo). Legato alle loro ridotte dimensioni è anche il carattere della filtrabilità, in quanto le particelle virali possono attraversare i comuni filtri usati in batteriologia, che trattengono invece i Batteri o altri microorganismi più grossi. I virus differiscono sostanzialmente dagli altri agenti patogeni per il fatto che non possono essere coltivati su terreni di coltura sintetici, ma richiedono, per lo sviluppo e riproduzione, il contatto con cellule viventi sia in vitro (colture di tessuti o di cellule) sia in vivo (esseri viventi o uova embrionate di pollo). Ciò è dovuto al fatto che i virus sono incapaci di crescere e di dar luogo a scissione (cioè a riproduzione per mitosi), inoltre non possiedono un sistema per l'utilizzazione dell'energia e i più semplici non hanno, addirittura, alcuna attività enzimatica. I virus sono, pertanto, parassiti obbligati che, a differenza di altri parassiti, esplicano la loro attività a livello genetico: in pratica, il virus, introdottosi nella cellula, “diffonde” il proprio codice genetico; la cellula aggredita, a sua volta, se non riesce a eliminare il virus, assimila il codice virale trasformando il proprio pool genetico (in sostanza diventa una cellula tumorale), oppure si autodistrugge utilizzando i propri acidi nucleici per riprodurre le cellule virali mature, dette virioni. Questi sono sostanzialmente costituiti da un acido nucleico, DNA o RNA, attorniato da proteine costituenti una sorta di rivestimento (capside) che a volte è protetto da una specie di membrana (envelope); si è notato che i virus infettanti le piante superiori hanno nucleo formato da RNA mentre quelli infettanti i Batteri (detti anche batteriofagi) hanno nucleo costituito da DNA. I virus degli animali possono avere, invece, nucleo costituito da entrambi gli acidi. La definizione di virus vegetali, animali e batterici è impropria e deriva dall'uso di classificare i virus in base al loro ospite principale. Infatti i diversi virus possono aggredire ospiti anche molto differenti tra loro: per esempio alcuni virus vegetali possono moltiplicarsi anche negli insetti vettori. I virus animali comprendono i virus degli insetti (per esempio del baco da seta), e quelli dei Vertebrati, che colpiscono pesci, anfibi, uccelli e mammiferi. In particolare, le malattie virali dell'uomo, come AIDS, febbre gialla, poliomielite, influenza, rosolia, rabbia e vari tipi di encefalite, rappresentano i più diffusi problemi epidemiologici. In quasi tutti i Batteri coltivabili sono stati evidenziati batteriofagi, in genere specializzati: cioè i batteriofagi che infettano i batteri enterici non si moltiplicano nelle Pseudomonas e quelli che infettano i micrococchi non si moltiplicano negli streptococchi. I virus vegetali sono estremamente piccoli e occupano il secondo posto, dopo i Funghi, nel provocare nelle piante malattie di importanza economica soprattutto in: patate, barbabietole, tabacco, canna da zucchero, cacao, alberi da frutto, e piante floreali.

Biologia: struttura

La spiegazione della struttura presentata dai virus è semplice da un punto di vista biologico: infatti, dato che l'acido nucleico contenuto nel virione è metabolicamente inerte, deve penetrare in una cellula vivente per esplicare la sua attività; il capside ha perciò la funzione di proteggere il virus dalle nucleasi presenti nei fluidi biologici, nei tessuti ecc. e di favorirne l'entrata nelle cellule sensibili. L'envelope, la cui organizzazione molecolare è poco nota, contiene prevalentemente lipidi, proteine e carboidrati e può quindi essere disgregata dall'etere o altri solventi dei lipidi: i virus che non la posseggono sono detti “nudi”. L'envelope dei mixovirus, per esempio, contiene delle sub-unità (aculei o spikes) con attività emoagglutinante (emoagglutinine) e molecole ad attività enzimatica (neuramminidasi), che sono in grado, allorché il virus si è legato alle cellule, di distruggere il recettore cellulare specifico aprendo una breccia nella membrana cellulare. La costruzione della particella virale, che si realizza attraverso un processo di sintesi intracellulare che porta alla formazione delle due classi di sostanze componenti i virus (gli acidi nucleici e le proteine), è caratterizzata dall'utilizzazione di sub-unità tutte identiche. È facile, comunque, che durante la formazione dei nuovi virioni si verifichino variazioni o mutazioni indotte dall'ambiente. Ciascun capside è formato da numerose sub-unità strutturali (costituite da una singola molecola polipeptidica o da un aggregato di molecole polipeptidiche) le quali, a loro volta, possono, nei virus a struttura icosaedrica, riunirsi a formare i capsomeri, o unità morfologiche, così chiamati perché sono quelli visibili al microscopio elettronico. In seguito all'auto-riunione tra acido nucleico e proteine si costituiscono tre classi fondamentali di virioni, in rapporto alla loro struttura: a simmetria elicoidale (a forma di bastoncino); a simmetria cubica o icosaedrica (a forma sferica); a simmetria complessa o sconosciuta. Il prototipo del virus a simmetria elicoidale è rappresentato dal virus del mosaico del tabacco (TMW) che è stato il più studiato: tale struttura riflette quella di un'elica sinistrorsa costituita da 49 sub-unità proteiche per ogni tre giri dell'elica, le quali contengono ciascuna una scanalatura in cui si inserisce la catena di acido nucleico, che è quindi avvolta con lo stesso andamento a spirale tra i giri dell'elica. I virus a simmetria cubica hanno un capside di forma quasi sferica che a un attento esame al microscopio elettronico si rivela essere di forma poliedrica e precisamente icosaedrica. Tale tipo di simmetria permette di ricavare con relativa facilità il numero totale di capsomeri costituenti il capside e di distinguere in questo modo i virus tra loro. All'interno del capside è sempre contenuto l'acido nucleico virale. Nel caso dei virus a simmetria icosaedrica non è stato dimostrato un legame tra capside e acido nucleico, come è stato visto per i virus a simmetria elicoidale; in alcuni casi tuttavia (papovavirus) è stato ipotizzato questo tipo di legame, che servirebbe a dare stabilità all'intero virione. Sono a simmetria icosaedrica numerosi virus animali: adenovirus, herpesvirus, picornavirus, reovirus ecc. e i batteriofagi più piccoli a RNA. Tra i virus complessi alcuni virioni (per esempio poxvirus) hanno l'aspetto di un mattone, altri sono ovoidali e ancora con l'aspetto di cilindri appiattiti; il virus della stomatite vescicolare, per esempio, ha l'aspetto tipico “a proiettile” (simile a questo è pure il virus della rabbia) e la colorazione negativa rivela una serie di striature trasversali sulla parte cilindrica del virione. Il DNA dei virus è di solito costituito da una doppia elica, in genere lineare, che può raggiungere, per esempio nel colifago, una lunghezza di ca. 50 μ. Fa eccezione il DNA dei virus del polioma e del papilloma il quale è circolare, cioè la molecola nucleica è disposta ad anello essendo le due estremità di ciascuna elica unite insieme da un legame covalente di natura sconosciuta. Spesso i virus posseggono una sola molecola di DNA per virione. L'RNA invece è quasi sempre disposto a elica singola nei virus a struttura elicoidale e icosaedrica; nei reovirus e nei virus vegetali è disposto invece a doppia elica; inoltre non sempre l'RNA è presente con una sola molecola per cui viene spesso estratto in frammenti. La quantità di acido nucleico nella particella virale è un indice della complessità genetico-strutturale del virus e varia da poche migliaia fino a 500.000 unità nucleotidiche. Se consideriamo come composizione media di 1 gene 1000 unità nucleotidiche, si avrà che i piccoli virus contengono pochi geni mentre i grossi parecchie centinaia: perciò varierà proporzionalmente anche il numero delle differenti proteine virus specifiche sintetizzate nelle cellule infette. Queste proteine si possono suddividere in tre classi: nuove proteine, che permettono all'acido nucleico virale di replicarsi, per esempio bloccando la sintesi dell'RNA cellulare e lasciando così i ribosomi a disposizione dell'RNA virale; proteine strutturali, che vengono incorporate nelle nuove particelle virali, sia come costituenti del capside sia come strutture particolari quali le emoagglutinine, le proteine interne ecc.; proteine che alterano alcune funzioni e strutture della cellula ospite.

Medicina: infezione

Le particelle virali complete, o virioni, rappresentano la forma statica del virus priva di attività metabolica e riproduttiva; infatti tutti gli eventi dinamici (biosintesi di materiale virale, danni all'organismo ospite ecc.) avvengono quando il virus si trova all'interno della cellula ospite: quindi i reali aspetti biologici della virologia sono quelli connessi con l'interazione virus -cellula ospite. Gli eventi particolari che avvengono nelle cellule infettate dai virus differiscono secondo il tipo di virus e di cellula ospite infettata; anche le conseguenze dell'infezione possono essere molto differenti e vanno dalla moltiplicazione del virus, con rapida distruzione della cellula ospite, all'associazione tra virus e cellula, associazione così stabile da persistere attraverso innumerevoli generazioni cellulari. L'infezione può, infine, essere abortiva; in questo caso il virus infettante viene eliminato e distrutto senza un effetto apprezzabile sulle cellule. La replicazione virale si attua attraverso diverse tappe che sono: l'adsorbimento, in cui il virus prende contatto con la cellula ospite mediante particolari strutture situate sulle due superfici di contatto; la penetrazione, in cui il virus entra, con diverse modalità a seconda della specie, nella cellula; la decapsidizzazione, in cui il virione all'interno del citoplasma viene sottoposto a diversi enzimi che distruggono il capside e liberano l'acido nucleico; la sintesi, durante la quale, anche in questo caso con modalità diverse, si ha la replicazione del materiale genetico; la maturazione e liberazione dei virioni è la fase finale in cui si ha dapprima il montaggio dei diversi componenti il virus e, quindi, l'abbandono della cellula ospite.

Classificazione

Inizialmente i virus infettanti animali erano classificati sulla base di criteri relativi ai tipi di ospite colpiti, alla localizzazione in tessuti od organi specifici, alla modalità di trasmissione e ai sintomi della malattia prodotta. Tali criteri non erano soddisfacenti, perché spesso virus molto diversi tra loro venivano classificati nello stesso gruppo. Attualmente i caratteri distintivi impiegati si riferiscono anzitutto a quattro caratteristiche principali: la presenza di acido nucleico di tipo DNA o RNA; la grandezza delle particelle virali; l'etere- o cloroformio-sensibilità (proprietà questa relativa alla presenza o assenza di lipidi nella membrana limitante); la struttura del virus in funzione della simmetria cubica o elicoidale, della presenza o assenza di una membrana limitante, del numero dei capsomeri nei virus a simmetria cubica e del diametro dell'ellisse nei virus a simmetria elicoidale. I virus vengono suddivisi in famiglie contenenti DNA (Parvoviridae, Papovaviridae, Adenoviridae, Iridoviridae, Herpetoviridae, Poxviridae) e contenenti RNA (Picornaviridae, Reoviridae, Togaviridae, Orthomyxoviridae, Paramyxoviridae, Rhabdoviridae, Bunyaviridae, Retroviridae, Arenaviridae, Coronaviridae). La presenza di un virus in un organismo ospite, sia nel caso di malattia spontanea sia di infezione sperimentale, può essere svelata dalla comparsa di alcune manifestazioni anormali del soggetto infetto. Queste manifestazioni apparenti, o sintomi di malattia, non sono però sufficienti a individuare con certezza l'agente eziologico implicato. È perciò indispensabile, per provare che una malattia è causata da un virus specifico, che si verifichino, come per le malattie batteriche, i cosiddetti postulati di Koch: dimostrare che il microrganismo viene regolarmente rinvenuto negli ospiti malati; coltivarlo su terreni adatti; riprodurre la malattia in animali da esperimento per mezzo delle colture realizzate; reisolare il microrganismo dagli ospiti infettati sperimentalmente. Più in particolare, per la diagnosi delle malattie virali deve essere introdotto anche un altro postulato, e cioè la filtrabilità dell'agente patogeno, per escludere l'attività di Batteri o di altri agenti di dimensioni maggiori. La presenza di un virus in una cellula ospite può avere una varietà di effetti sulle sue funzioni, che vanno dalla rapida inibizione delle biosintesi, seguita dalla morte della cellula, a un disturbo persistente della crescita e della divisione cellulare, o a mutamenti appena evidenziabili o del tutto irrilevanti. Il danno cellulare (effetto citopatico) dipende spesso da un'attività tossica diretta degli stessi virus infettanti o dalla precoce comparsa nelle cellule di sostanze lesive codificate dal genoma virale; più raramente dipende invece dal semplice accumularsi dei virioni neoformati nelle cellule. Le più note modificazioni cellulari indotte dalle infezioni virali sono riportabili, di volta in volta, ad alterazioni degenerative e necrotiche, alla comparsa di inclusioni cellulari, a fenomeni di ipertrofia e iperplasia, ad anomalie cariocinetiche e cromosomiche o a processi di trasformazione neoplastica. In particolare alcuni virus della famiglia dei retrovirus possono indurre trasformazione tumorale quando infettano cellule animali. Responsabile della trasformazione è un gene detto oncogene. A ogni oncogene virale corrisponde un protoncogene nella cellula. Il virus diventa cancerogeno ogni volta che cattura il protoncogene, oppure quando il DNA prodotto per effetto della trascrittasi inversa virale si inserisce nel genoma vicino al protoncogene, attivandolo e inducendo una trasformazione tumorale. Tumori di origine virale sono stati scoperti negli uccelli, nel topo e anche nell'uomo, quali alcune leucemie umane indotte da HTLV (Human T-Leukemia virus), scoperto nel 1980.

Terapia

Le ricerche medico-farmaceutiche per ottenere sostanze attive contro i virus ebbero inizio nel sec. XVIII: E. Jenner, nel 1796, sperimentò il primo vaccino antivaiolo; un secolo più tardi, L. Pasteur ottenne il vaccino antirabbico; oggi vengono prodotti vaccini attivi contro molte malattie virali essendo stato dimostrato che il miglior modo di contrastare l'infezione virale è quello di suscitare una reazione anticorpale nell'organismo, introducendo in esso virus attenuati o uccisi responsabili di quella specifica malattia. Anche sostanze chimiche di sintesi sembra abbiano una qualche attività antivirale (per esempio i citostatici, gli antitumorali), ma la loro elevata tossicità rende difficoltosa la sperimentazione sull'organismo umano.Data la particolare struttura e la modalità di trasmissione dei virus, i farmaci antivirali sono in genere sostanze che interferiscono con l'adesione del virus alle cellule dell'ospite o con i meccanismi di replicazione virale. L'azione di questo secondo gruppo di farmaci è resa complessa dal fatto di doversi esplicare su meccanismi che in tutto o in parte sono propri della cellula infettata più che del virus in sé. I farmaci antivirali possono anche agire interferendo con i meccanismi di difesa immunitaria dell'ospite. A eccezione di alcuni (come l'aciclovir e l'amantadina), gli antivirali oggi noti sono gravati da una tossicità non trascurabile e altri effetti indesiderati abbastanza rilevanti. Pertanto allo stato attuale la lotta contro i virus e le malattie virali viene affidata preferibilmente ai vaccini, sospensioni di virus inattivati o uccisi che inducono nell'ospite la produzione di anticorpi specifici, grazie ai quali egli diventa resistente all'infezione, e agli anticorpi monoclonali, capaci di distruggere selettivamente le cellule infettate. Da questi ultimi i ricercatori si attendono sviluppi importanti.

Batteriologia

Negli anni Novanta si sono verificati numerosi casi di infezioni (e talvolta epidemie) dovuti a virus cosiddetti “nuovi” o “emergenti”. Si è trattato, in molti casi, di virus non ignoti ma propri del mondo animale, che hanno compiuto il cosiddetto “salto interspecie” giungendo a infettare l'uomo. In altri casi si è trattato di virus del tutto sconosciuti (Guanarito, Sin Nombre). Caso tipico è stato, nel maggio del 1995, l'epidemia di virus Ebola in Zaire. Questo virus (che appartiene alla famiglia delle Filoviridae) è un virus a RNA ed è stato trasmesso all'uomo dalle scimmie, anche se non è ancora chiaro se questi animali siano i “serbatoi naturali” della malattia o se siano soltanto il penultimo anello, prima dell'uomo, della catena evoluzionistica che porta i virus a passare attraverso diversi organismi animali. Un caso simile ha riguardato una piccola epidemia di Hantavirus che ha colpito nel 1993 una comunità di indiani Navajo del Sudovest degli Stati Uniti. Gli Hantavirus (famiglia Bunyaviridae) sono così chiamati dal fiume Hantaan in Corea, dove il primo virus è stato scoperto e isolato nelle truppe statunitensi negli anni Cinquanta. La riserva naturale del virus sono alcuni topi; il virus si è geneticamente modificato per infettare l'uomo e si contrae per inalazione dagli escrementi dei roditori i quali eliminano i virus con la saliva, le urine e le feci. Altre epidemie simili hanno riguardato la cosiddetta Febbre di Rift Valley (Africa), provocata da un virus delle Bunyaviridae ospitato dagli insetti; il virus di Junin (Argentina) agente di una febbre emorragica e trasmesso dai roditori; la MERS (sindrome respiratoria mediorientale da coronavirus) provocata dal virus MERS-CoV (famiglia Coronaviridae), che può essere trasmesso dagli animali (dromedari) alle persone. L’origine del MERS-CoV non è ancora del tutto chiara ma molti studiosi ritengono, basandosi sull’analisi del genoma virale, che si sia originato nei pipistrelli e successivamente si sia trasmesso ai dromedari. Anche la SARS (sindrome respiratoria acuta grave) è provocata da un coronavirus, il SARS-CoV, che si è sviluppato inizialmente nei pipistrelli e si è poi diffuso nell’uomo direttamente oppure attraverso specie animali come gli zibetti, i procioni, i furetti cinesi e i gatti domestici. Sul SARS-CoV-2, all’origine della pandemia di COVID-19 (o malattia respiratoria acuta da SARS-CoV-2) esplosa in Cina e diffusasi in gran parte del pianeta tra la fine del 2019 e il 2020, le conoscenze sono ancora ridotte, ma si ritiene che anche in questo caso, il virus abbia un’eziopatogenesi a carattere zoonotico (si trasmette dall’animale all’uomo). In molti casi il salto interspecie è favorito da fattori ambientali provocati dall'uomo (diboscamento, modificazione delle colture) che spingono gli animali verso i centri abitati o che cambiano l'habitat provocando la moltiplicazione degli animali ospiti e mutazioni negli stessi virus. I viaggi e il trasporto di animali infetti come “clandestini” a bordo di navi e aerei può infine trasferire questi virus in ambienti totalmente diversi da quelli di origine e favorire l'infezione nell'uomo che fino a quel momento non ha potuto sviluppare difese contro di essi. Secondo molti autori, anche i virus dell'AIDS rientrerebbero nella categoria di virus emergenti dovuti a una trasmissione interspecie (dalla scimmia all'uomo), ma tale assegnazione è ancora controversa. Secondo altri autori, anche l'agente dell'encefalite spongiforme bovina (mucca pazza) sarebbe un virus o un suo derivato che ha compiuto salti interspecie passando dalla pecora ai bovini e da questi all'uomo.