Invito alla biologia.azzurro - H. Curtis, N.S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini - Scuola.zanichelli.it
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H. Curtis, N.S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini Invito alla biologia.azzurro Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 1
Capitolo 20 Virus e pandemia Lezione 1. La pandemia di COVID-19 Lezione 2. Come si arresta il contagio Lezione 3. Il rapporto tra pandemia, ambiente e società Lezione 4. Dall’animale all’uomo: i virus dell’influenza Lezione 5. La pandemia di AIDS dura da quarant’anni Lezione 6. Il papillomavirus è molto diffuso e sottovalutato Lezione 7. Come si studiano le epidemie Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 2
I coronavirus I coronavirus (CoV) sono una famiglia di virus a RNA in cui le proteine poste fuori dal capside formano punte che ricordano una corona. Il coronavirus SARS-CoV è responsabile della sindrome respiratoria acuta grave (SARS); il virus MERS-CoV provoca la sindrome respiratoria mediorientale (MERS). Alla fine del 2019 si è aggiunto il nuovo virus SARS-CoV-2, responsabile della pandemia di COVID-19, una malattia che può causare polmoniti anche gravi e letali. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 3
COVID-19 A fine dicembre 2019, nella città cinese di Wuhan, sono stati registrati i primi casi di contagio da SARS-CoV-2. Nelle zoonosi (malattie infettive provenienti da animali) si distinguono: • trasmissione primaria: dall’animale all’uomo • trasmissione secondaria: da uomo a uomo Il primo caso ufficiale di trasmissione secondaria In Italia risale al 18 febbraio a Codogno («paziente 1»). L’11 marzo il governo italiano ha indetto un lockdown e l’OMS ha dichiarato ufficialmente l’infezione da SARS-CoV-2 una pandemia. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 4
Diffusione SARS-CoV-2 I coronavirus sono naturalmente presenti nei pipistrelli, ma possono infettare gli esseri umani attraverso il salto di specie (spillover) in seguito ad una o più mutazioni del patrimonio genetico del virus. La capacità di adattamento del virus a specie diverse dipende da: • capacità di mutare velocemente durante duplicazione del materiale genetico; • tempo a disposizione per incontrare nuove specie in una determinata area (zone endemiche). Il focolaio di infezione di SARS-CoV-2 sembra essere stato il mercato alimentare di Wuhan che prevede un alto numero di persone a contatto con animali selvatici vivi e morti. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 6
Il genoma di SARS-CoV-2 Ricombinazione naturale tra due coronavirus diversi nello stesso ospite: 1. SARS-CoV-2 condivide il 96% del genoma del coronavirus che infetta i pipistrelli 2. Il gene che codifica per spike assomiglia alla sequenza di un altro coronavirus trovato nei pangolini SARS-CoV-2 si lega alle cellule delle vie respiratorie e le infette grazie alla proteina virale spike in grado di riconoscere il recettore umano ACE2, lo stesso usato dal virus della SARS. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 7
La trasmissione e le conseguenze Il virus SARS-CoV-2 si trasmette attraverso la saliva, i colpi di tosse e gli starnuti che spargono nell’ambiente goccioline (droplet) che lo trasportano: • trasmissione per contatti diretti e ravvicinati • trasmissione per contatti indiretti Periodo di incubazione: da 2 a 14 giorni Oltre all’età, anche la genetica potrebbe giocare un ruolo importante nel rendere alcune persone più vulnerabili di altre. I maschi hanno un tasso di letalità leggermente più alto (pari al 54,8%) a causa dei polimorfismi del recettore ACE2. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 8
FISSA I CONCETTI •Che differenza c’è fra trasmissione primaria e secondaria? •Cosa si intende per spillover? Quali sono i fattori che lo rendono possibile? •Che funzione ha la proteina spike virale? Quale altro coronavirus utilizza il recettore ACE2? •Spiega in che modo viene trasmesso il virus SARS-CoV-2 e chi sono i soggetti più colpiti. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 10
Arrestare il contagio SARS-CoV-2 sopravvive fino a 24 ore sulle superfici di carta e fino a 2-3 giorni sulla plastica e sull’acciaio inossidabile, ma i coronavirus sono sensibili all’azione del sapone e dei disinfettanti a base di etanolo (al 60-70%) o di ipoclorito di sodio (0,1%). Raccomandazioni per prevenire la diffusione: • sanificazione • distanziamento fisico Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 11
Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 12
Identificare gli infetti Il tampone faringeo consiste nel prelevare, con l’aiuto di un tampone di cotone attaccato a un bastoncino, un campione di muco dalla gola. In laboratorio, dopo aver inattivato il virus, si procede all’estrazione dell’RNA virale e alla sua amplificazione mediante Real Time PCR; • SE POSITIVO: ulteriori indagini molecolari analizzano il genoma virale per monitorare l’evoluzione di nuovi ceppi. A seconda della gravità dei sintomi è prevista quarantena a casa o in specifiche strutture ospedaliere. • SE NEGATIVO: l’analisi viene ripetuta su un secondo prelievo di muco, per ridurre il rischio di falsi negativi. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 13
I test sierologici rilevano la presenza nel sangue di anticorpi specifici contro il SARS-CoV-2 ricercando due tipi di immunoglobuline le IgM e le IgG; • IgM: si formano nelle fasi precoci della malattia e scompaiono qualche settimana dopo la guarigione. • IgG: emergono solo in un secondo tempo ma rimangono in circolo molto più a lungo. Servono al nostro organismo per garantire la memoria immunitaria, la cui durata può variare. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 14
I 4 possibili risultati per una persona asintomatica: • Presenza delle sole IgM: la fase della malattia è precoce e, anche se non ci sono sintomi, possono emergere a breve; bisogna confermare la positività con un tampone. • Presenza di IgM e IgG: la fase è intermedia e la persona può essere ancora infettiva; il risultato va abbinato a un test con il tampone. • Presenza delle sole IgG: la fase è molto avanzata; è necessario confermare la negatività dell’infettività con un tampone. • Assenza di IgM e IgG: la persona non ha contratto l’infezione; per confermare la positività è necessario un tampone. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 15
Strategie terapeutiche • Drug repositioning: sperimentazione di farmaci approvati per il trattamento di altre malattie. • Tocilizumab: immunosoppressore che contrasta la «tempesta di citochine» di alcuni pazienti. • Clorochina e idrossiclorochina: mimano la funzione del chinino per inibire la replicazione dei coronavirus. • Sieroterapia: un’immunizzazione passiva che prevede di isolare dal siero di persone convalescenti gli anticorpi anti-SARS-CoV-2 e di iniettarli in altre persone. Ha scopo profilattico e scopo terapeutico. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 16
Vaccino Lo sviluppo e l’immissione in commercio di un vaccino richiede circa dieci anni: tutte le fasi di sperimentazione preclinica (in laboratorio e in modelli animali) e di sperimentazione clinica (nell’uomo). La diffusione del COVID-19 ha rivalutato questo ambito della ricerca e a inizio aprile 2020 erano già più di 70 i vaccini in via di sviluppo in tutto il mondo. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 17
FISSA I CONCETTI • Come si interrompe la catena del contagio? • In cosa consiste il tampone faringeo? • Elenca i possibili risultati di un test sierologico. • Quali sono i principali farmaci utilizzati per curare i pazienti infettati dal virus SARS-CoV-2? Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 18
Relazione tra diffusione dei virus e ambiente Le zoonosi conosciute sono molto numerose (oltre 200 secondo l’OMS), tra queste: la rabbia, la leptospirosi, l’antrace, la SARS, la MERS, la febbre gialla, la dengue, Ebola, HIV e chikungunya ma anche la più diffusa influenza. Gli animali selvatici sono spesso serbatoi di virus e batteri e il loro contatto con le persone aumenta come conseguenza: • della deforestazione delle aree tropicali (come virus Ebola) • della rapida diffusione delle attività umane • del cambiamento climatico (per esempio, virus Zika) biopsia Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 19
Relazione tra diffusione dei virus e ambiente PRO DELLA QUARANTENA: La riduzione del traffico pubblico e privato e la chiusura di molte attività industriali durante la quarantena hanno ridotto la concentrazione di ossidi di azoto, uno degli inquinanti più pericolosi. CONTRO DELLA PANDEMIA COVID-19: I decessi indiretti del coronavirus sulle fasce sociali svantaggiate portano a un bilancio molto più grave rispetto alle sole morti da inquinamento. biopsia Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 20
biopsia Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 21
Bloccare la mobilità e le attività produttive è una soluzione al problema dell’inquinamento che non sarebbe accettata da buona parte della società. L’elevata concentrazione di inquinanti atmosferici (es. PM2,5 e PM10) provoca un aumento nei tassi di ricoveri per patologie respiratorie. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 22
Pandemia COVID-19 ed emergenza climatica Analogie tra emergenza sanitaria e climatica: • è necessario unire comportamenti individuali e politiche statali • la minaccia non fa distinzione tra i diversi strati della società • la riduzione dei trasporti e delle attività produttive è una soluzione MA le somiglianze sembrano terminare qui: • il cambiamento climatico è difficile da risolvere perché le sue conseguenze non sono percepite come immediate minacce alla salute • le misure adottate in quarantena non sono realmente efficaci sul piano ambientale (come in Cina) • l’effetto rimbalzo post pandemia, ovvero la ripresa dell’economia, può tradursi in un allentamento delle norme a tutela dell’ambiente e del clima stesso Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 23
FISSA I CONCETTI • Quali sono le principali cause dell’aumento delle zoonosi? • Che effetti ha avuto la quarantena? • Specifica alcuni inquinanti atmosferici e i loro effetti sulla salute umana. • Le misure di contenimento adottate durante la pandemia COVID-19 sono sufficienti a risolvere il problema del cambiamento climatico? Motiva la tua risposta. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 24
L’influenza L’influenza è un’infezione virale che colpisce soprattutto naso, gola e bronchi, e meno spesso i polmoni; •dura circa una settimana •sintomi: improvvisi picchi di febbre alta, dolori muscolari, mal di testa, tosse, mal di gola e naso che cola •non è necessario l’intervento del medico o l’assunzione di farmaci specifici •può avere conseguenze gravi nelle «categorie a rischio» •capacità di diffondersi rapidamente Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 25
Il patogeno dell’influenza è un virus a RNA della famiglia Orthomyxoviridae. Tre tipi di influenza: A, B e C. I virus A, più comuni e diffusi, sono suddivisi in sottotipi a seconda delle differenti glicoproteine che si trovano sul loro capside; esistono vari tipi di glicoproteine N e H che si possono combinare in forma assortita. Esempi: •il virus dell’influenza aviaria del 2005 è un virus H5N1 •il virus dell’influenza suina (o messicana) del 2009 è un virus H1N1 Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 26
Tutti i virus influenzali oggi noti sono di derivazione aviaria. Con il tempo alcuni di questi virus si sarebbero poi evoluti e specializzati, divenendo capaci di infettare e in alcuni casi anche di trasmettersi nei nuovi ospiti. Ogni virus influenzale adattato a una certa specie ha imparato a riconoscere uno specifico recettore cellulare. Nell’apparato respiratorio del maiale sono presenti cellule che portano sulla loro superficie recettori tipici degli uccelli, ma anche recettori umani. Virus ricombinanti: due virus diversi duplicano il loro materiale genetico nella stessa cellula e nello stesso tempo e possono generare progenie con materiale genetico «misto». Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 27
Il vaccino anti-influenzale I virus influenzali mutano rapidamente e l’immunità acquisita con un vaccino o con la malattia naturale non protegge da una nuova infezione l’anno successivo. È necessario ripetere la vaccinazione a ogni stagione influenzale. La composizione vaccinale per la stagione influenzale nell’emisfero Nord è stabilita dall’OMS nel mese di febbraio, mentre quella per l’emisfero Sud nel mese di settembre. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 28
FISSA I CONCETTI •Quali sono i sintomi dell’influenza e quali le categorie più a rischio? •Elenca i tipi di influenza e descrivi brevemente la tipologia più comune. •Qual è l’origine dei virus influenzali? Come hanno fatto ad infettare e a trasmettersi nell’uomo? •Ogni quanto tempo bisogna ripetere il vaccino? Perché? Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 29
L’AIDS La pandemia di AIDS conta oltre 20 milioni di morti soltanto negli ultimi dieci anni e 38 milioni di persone infette nel 2018, con un tasso di crescita delle nuove infezioni di quasi 2 milioni ogni anno. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 30
La malattia è caratterizzata da un insieme di sintomi che hanno origine nel cedimento delle difese immunitarie per l’azione di un agente trasmissibile (HIV). La modalità di trasmissione più frequente in Italia e in Europa sono i rapporti sessuali (il 41% tra eterosessuali, il 39% tra omosessuali). Il problema maggiore che si riscontra nel trattamento di questa infezione è l’arrivo del paziente all’attenzione del medico quando la malattia è già in stato avanzato, anche diversi anni dopo il momento del contagio. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 31
Effetti di HIV L’HIV attacca le cellule del sistema immunitario, in particolare quelle che in superficie presentano il recettore CD4. La diminuzione di linfociti T helper è la causa dell’immunodeficienza che porta alla comparsa dei sintomi dell’AIDS nei pazienti infetti da HIV. Decorso «subdolo»: 1. FASE DI LATENZA: l’individuo entra in contatto con il virus, ma non sviluppa sintomi evidenti. Il virus continua a duplicarsi. Il soggetto è infetto. 2. MALATTIA CONCLAMATA: la quantità di linfociti attaccati è tale da compromettere la capacità dell’organismo di rispondere alle infezioni. Il declino del sistema immunitario è irreversibile e il paziente muore per effetto delle infezioni opportunistiche. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 32
Se si pensa di aver corso un rischio con un rapporto non protetto, è fondamentale ricorrere al: • test sierologico: prelievo di sangue che rileva la presenza di anticorpi anti-HIV. Il test va fatto almeno 3 settimane dopo l’evento di rischio e va ripetuto dopo sei mesi per confermare il risultato. • test rapidi: analisi su una goccia di sangue ottenuta pungendosi un polpastrello; acquistabili in farmacia. Oggi i farmaci antiretrovirali riescono a garantire a una persona infetta di non progredire nella forma conclamata di AIDS. L’importante è iniziare la terapia in tempo. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 33
Ancora nessun vaccino Dall’infezione di HIV non si guarisce mai e il virus rimane nel nostro organismo per tutta la vita. Tuttavia, oggi i trattamenti farmacologici, se assunti in modo costante e per tempo, garantiscono un’aspettativa di vita delle persone infette pari a quella dei sani. Si considera il momento ottimale per l’inizio della terapia contro HIV quando i valori di CD4 sono compresi tra 500 e 350 /mm3. La grande variabilità di HIV è il principale problema che rallenta lo sviluppo di un vaccino. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 34
Il meccanismo di HIV L’HIV appartiene alla famiglia dei retrovirus; si tratta di virus il cui genoma a RNA è dapprima convertito in DNA grazie alla trascrittasi inversa, quindi è integrato nel DNA della cellula ospite (provirus) grazie all’enzima integrasi. «Bombe a scoppio ritardato»: le cellule che contengono il provirus possono esprimere i geni virali oppure conservare l’informazione genetica del virus archiviata anche per decenni. I farmaci oggi in uso agiscono interferendo con l’ingresso del virus tramite il recettore CD4, con la retrotrascrizione, con l’integrazione del provirus e con la produzione di nuove particelle virali. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 35
La storia evolutiva di HIV Due tipi di virus: • il tipo 1: più comune. Presenta almeno 11 sottotipi (A-K) • il tipo 2: frequente in alcune regioni dell’Africa occidentale. L’insieme di questi ceppi è il risultato dell’evoluzione del virus durante i suoi spostamenti intorno al mondo, del suo alto tasso di mutazione e dell’incontro tra sottotipi diversi nel medesimo ospite (virus ibridi AB, AE, BC, AG). Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 36
Il metodo dell’orologio molecolare: le mutazioni nei genomi si accumulano nel tempo con una velocità nota, diversa per ogni tipo di virus. Contando il numero delle differenze fra i genomi dei virus si può ricostruire il loro cammino evolutivo. L’area geografica più ricca di sottotipi corrisponde all’area di origine del virus; la maggior parte dei sottotipi di HIV-1 si concentra in Africa e si ipotizza che il virus sia comparso nella specie umana tra il 1880 e il 1924. È possibile che il virus abbia fatto più di una volta il salto di specie dagli scimpanzé alla popolazione umana probabilmente attraverso il sangue infetto durante la macellazione o il consumo di carne cruda. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 37
FISSA I CONCETTI • Perché la pandemia di AIDS ancora oggi provoca molte morti? • Cosa distingue la fase di latenza del virus dalla malattia conclamata? • Descrivi il meccanismo di infezione di HIV. • Spiega la storia evolutiva del virus dell’immunodeficienza umana e attraverso quale metodo si è ricostruita. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 38
Il papillomavirus Da qualche anno in Italia esiste un vaccino gratuito, non obbligatorio, da somministrare alle ragazze e ai ragazzi intorno ai dodici anni di età. Si tratta del vaccino contro il papillomavirus, responsabile del tumore al collo dell’utero. HPV è un virus a DNA con una struttura icosaedrica. Esistono più di 120 sottotipi di HPV. La maggior parte causa malattie non gravi sia a livello della pelle sia delle mucose. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 39
Possibili vie di trasmissione: • attraverso rapporti sessuali (MST) • in ambito familiare e ospedaliero • durante il parto attraverso le secrezioni vaginali infette • autoinoculo: trasporto del virus nello stesso soggetto da una parte all’altra del corpo Il papillomavirus è uno dei più importanti agenti cancerogeni. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 40
Meccanismo di infezione • Il virus penetra nella cute e nelle mucose attraverso piccole lesioni dei tessuti. • I virioni perdono il loro involucro proteico e il genoma raggiunge il nucleo della cellula dove si stabilisce. • Se le difese immunitarie non arrestano l’infezione, il virus persiste nella cellula. • Fase di latenza: il virus rimane nell’epitelio (no sintomi e no anticorpi). • Fase attiva: il virus si moltiplica durante la differenziazione delle cellule epiteliali, passando dallo strato basale a quello superficiale del tessuto. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 41
Il papillomavirus umano ad alto rischio è definito «causa necessaria, ma non sufficiente» per lo sviluppo del carcinoma della cervice uterina. Infatti, è importante anche il ruolo di altri cofattori: • la persistenza dello stesso ceppo di virus HPV ad alto rischio per molti anni • la presenza di stati deficitari di immunità cellulo-mediata • l’uso prolungato del contraccettivo orale • il fumo di sigaretta Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 42
Diversi tipi di vaccino Nel nostro Paese esistono tre vaccini: • il vaccino bivalente contro i due principali tipi di HPV 16 e 18 responsabili del tumore della cervice uterina; • il vaccino tetravalente che protegge anche contro altri due tipi (6 e 11) responsabili dei condilomi genitali; • un vaccino più recente che garantisce la protezione contro nove tipi di HPV. Dal momento che la vaccinazione non protegge da tutti i tipi di virus ad alto rischio oncogeno è importante che, a partire dai 25 anni, anche le ragazze vaccinate si sottopongano al regolare test di screening per il tumore della cervice uterina. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 43
FISSA I CONCETTI • Che cos’è il papillomavirus? • Quali sono le possibili vie di trasmissione di HPV? • Descrivi, per punti, il meccanismo d’infezione di HPV. • Quanti vaccini sono disponibili contro l’HPV? In che cosa si differenziano? Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 44
L’epidemiologia L’epidemiologia studia la distribuzione delle malattie o di altri eventi sanitari in una popolazione e indaga le cause o i fattori che ne modificano la frequenza. Offre gli strumenti per programmare gli interventi più idonei e rappresenta un pilastro fondamentale dell’igiene. In caso di un’epidemia, come quella di COVID-19, è importante ricostruire la catena di contagio evidenziando: • la modalità di trasmissione dell’infezione; • il periodo di incubazione fra il contagio e lo sviluppo dei sintomi e la contagiosità. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 45
Le curve epidemiche L’indagine di un’epidemia deve essere svolta da un gruppo di lavoro multidisciplinare composto da epidemiologi, microbiologi, medici clinici e infettivologi. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 46
Le misure preventive Per limitare il più possibile la diffusione dell’epidemia, gli interventi devono essere messi in atto tempestivamente. In una situazione di pandemia le misure sono finalizzate principalmente alla mitigazione, cioè a «spalmare» il numero di casi di malattia in un periodo di tempo sufficientemente lungo da garantire le adeguate cure sanitarie. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 47
Limitare i contatti sociali A seguito di una limitazione dei contatti tra le persone, la diffusione del contagio rallenta e si stabilizza quando è stato infettato circa l’80% della popolazione. Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 48
FISSA I CONCETTI • Cosa studia l’epidemiologia? • Cos’è una curva epidemica? Quali sono i possibili andamenti? • Definisci il termine «mitigazione». Perché è importante? • Cosa si intende per immunità di gregge? Come si raggiunge? Curtis et al., Invito alla biologia.azzurro © Zanichelli editore 2020 49
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