Виктор Зуев
Многоликий вирус
Глава вторая
Тайные встречи
Заразиться – заболеть???
Во время эпидемии полиомиелита, вспыхнувшей в Румынии в конце 20-х годов прошлого столетия, медицинская сестра одной из больниц из-за семейных трудностей была вынуждена держать своего ребенка в палате с больными детьми. Он спал за ширмой. Ребенок на протяжении нескольких месяцев выглядел совершенно здоровым, хотя и был немного истощен. Врач из гуманных соображений назначил ему общеукрепляющие процедуры, в том числе облучение ультрафиолетовым светом. Спустя сутки после первого же сеанса облучения у ребенка поднялась температура до 40 °C, а на следующую ночь он умер с явлениями паралича. Диагноз «полиомиелит» подтвердился на вскрытии и вирусологически.
В 1925 году в Бристоле (Англия) вспыхнула эпидемия оспы, при которой смертность достигала 71 %. Вакцинированная за 6 лет до этого 12-летняя девочка постоянно ухаживала за своим заболевшим отцом, а после его смерти – за больными оспой матерью и теткой. При этом ребенок ни одного дня не болел, но 21 человек непривитых, контактировавших с этой девочкой, заболели натуральной оспой и погибли.
А вот вам знаменитая «история с солдатом из Фонтенбло». В пригороде Парижа собаку, которую когда-то покусал волк, на всякий случай длителное время держали на привязи, и она была совершенно здорова. Но случилось так, что она в этот период сумела укусить проходившего мимо солдата. Спустя некоторое время солдат заболел бешенством и умер, собака же продолжала оставаться внешне совершенно здоровой.
Приведенные факты сегодня легко объяснимы: в обоих первых случаях вирус присутствовал в организме внешне здоровых детей, т. е. оба ребенка были вирусоносителями: первый – вируса полиомиелита, второй – вируса натуральной оспы. Под действием ультрафиолетового облучения произошла активация вируса полиомиелита (явление резкого усиления вирусного размножения), и ребенок погиб от развившегося острого полиомиелита. Во втором случае вирусоносительство, очевидно, сопровождалось постоянным выделением инфекционного вируса оспы в окружающую среду, и 21 человек поплатились за это жизнью. Сходный случай произошел и с собакой, вирусоносительство у которой также сопровождалось выделением вирусва бешенства со слюной.
Таким образом, в начале 20-х гг. XX столетия, в самый разгар борьбы с тяжелыми вирусными заболеваниями, в научной литературе начали появляться сообщения о возможности присутствия некоторых вирусов в организме внешне здоровых людей. Число подобных сообщений постепенно увеличивалось. Наблюдения показывали, что данное явление имеет место не только у людей, но и у животных, растений, насекомых и даже бактерий. Да, да, и бактерий!
В 1921 году известный бельгийский иммунолог Ж. Бордэ и его ученик румынский микробиолог М. Чиука описали случай появления бактериального вируса – бактериофага – в пробирках с бактериями, хотя никто этот вирус в пробирки не вносил. Может быть, бактериофаг попал туда случайно? Может быть (рис. 2). Чтобы в этом разобраться, нарастили большую биомассу бактерий из одной-единственной клетки, но и в этом случае в полученной культуре бактерий обнаруживался бактериофаг. Более того, даже после воздействия на подобные бактериальные культуры антибактериофаговыми сыворотками[4], в них вновь находили бактериофаги.
Рис. 2. Частица бактериального вируса (бактериофага). Электронная микрофотография, увеличение в 500 000 раз.
Подобную ситуацию можно было объяснить лишь тем, что бактериальный вирус способен скрыто существовать в бактериальной клетке, не вызывая ее разрушения. Еще в 1925 году бельгийский иммунолог и бактериолог, лауреат Нобелевской премии Ж. Бордэ писал: «Способность воспроизводить бактериофаг записана в наследственном материале бактерии». И он был прав, однако первооткрыватель бактериофага Феликс Д’Эррель, чей авторитет в то время был необычайно высок, не признавал существования скрытой формы вирусной инфекции у бактерий, и с его легкой руки все подобные примеры были признаны результатом элементарного лабораторного загрязнения бактериальных культур бактериофагом. Понадобилось еще 25 лет, чтобы окончательно утвердить факт существования скрытой вирусной инфекции у бактерий, известной в настоящее время под названием лизогения (рис. 3).
Рис. 3. Схема острой и скрытой (лизогенной) вирусной инфекции бактериальной клетки.
Лизогения оказалась первой скрытой формой вирусной инфекции, механизм которой был изучен достаточно подробно. Оказалось, что заражение бактерий бактериофагом далеко не всегда приводит к накоплению в бактериальной клетке нового потомства бактериофагов и к гибели самой клетки, т. е. к развитию острой вирусной инфекции. Значительно чаще, как выяснилось, результат заражения иной.
Напомню, что любой вирус, вирусная частица, состоит из генетического материала – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК), заключенного в белковую оболочку. А собственно заражение – это внедрение в клетку бактерии не всего бактериофага, а лишь содержимого его частицы – молекулы ДНК. Так вот, при острой инфекции такая бактериофаговая ДНК, попав внутрь бактерии, вызывает остановку всех присущих последней обменных процессов, а взамен в зараженной клетке запускаются синтезы будущих бактериофаговых структур – бактериофаговой ДНК и бактериофаговых белков. Причем те и другие синтезируются в разных участках бактериальной клетки, а затем, как в сборочном цехе, происходит сборка зрелых вирусных частиц: молекулы ДНК бактериофага «упаковываются» в белковые чехлы, и частицы бактериального вируса готовы! Внутри зараженной клетки образуются 100–200 и более таких частиц; в конце концов клетка разрывается, и потомство внедрившегося вируса выходит наружу, готовое к заражению новых бактериальных клеток.
А что же происходит внутри бактерии при скрытой вирусной инфекции, т. е. при лизогении? Попав в бактериальную клетку, ДНК многих, так называемых умеренных, бактериофагов ведет себя совсем не так, как было описано выше. Подобная ДНК не подавляет бактериальные синтезы (или, вернее, подавляет их очень ненадолго), не запускает синтезов будущих бактериофаговых структур, а сама встраивается в состав бактериальной хромосомы, т. е. в бактериальную ДНК.
Читатель, конечно, помнит, что деление любых клеток начинается с деления их хромосом. И не забыл, что деление самих хромосом осуществляется их продольным расщеплением, благодаря чему все единицы наследственности (гены), расположенные в хромосоме друг за другом, подобно бусинкам в нитке бус, попадают поровну в обе вновь образовавшиеся в результате деления дочерние клетки.
Ну а какова при этом судьба бактериофаговых ДНК? Нет оснований за них беспокоиться. Встроившись в структуру бактериальной хромосомы, ДНК вирусов бактерий также расщепляется при делении бактериальной хромосомы как ее составная часть, и в результате по одной бактериофаговой ДНК попадает во вновь образовавшиеся дочерние бактериальные клетки, которые в результате тоже будут лизогенными, т. е. способными к лизису (растворению). А это значит, что рано или поздно, возможно, через много генераций (поколений), в одной или сразу в нескольких лизогенных бактериях в результате целого ряда различных причин может произойти активация вирусной репродукции (помните, что случилось с ребенком после облучения его ультрафиолетом). В частности, при облучении ультрафиолетовым светом лизогенных бактерий вирусная ДНК отсоединяется от бактериальной хромосомы и начинает себя вести точно так же, как при формировании острой инфекции: вызывает остановку всех обменных процессов клетки и вместо них запускает синтезы вирусной ДНК и вирусных белков. После этого, как нетрудно догадаться, будет происходить сборка зрелых вирусных частиц и последующий разрыв бактериальной клетки с выходом вновь образовавшихся частиц бактериального вируса наружу.
Вскоре после обнаружения скрытой вирусной инфекции у бактерий начали появляться сообщения о существовании скрытых вирусных инфекций у растений. Так, в 1930 году два сотрудника Кембриджского университета В. Сэлмен и С. Л. Пелей сделали интересное открытие, работая с различными сортами картофеля. Исследователи привили черенок внешне вполне здорового картофеля сорта «Король Эдуард» на растение другого сорта и вскоре обнаружили у последнего признаки развития тяжелого вирусного заболевания. Позднее оказалось, что каждое растение сорта «Король Эдуард», полученное из любой части Англии, при прививке другим сортам картофеля вызывает у них развитие тяжелого вирусного заболевания. Так был открыт Е-вирус картофеля, которым действительно были заражены все растения сорта «Король Эдуард», поддерживавшие скрытую вирусную инфекцию и внешне выглядевшие совершенно здоровыми.
Прошло немного времени, и скрытые вирусные инфекции обнаружили у сахарной свеклы, томатов, огурцов, картофеля других сортов, у хмеля, малины, гороха, у разнообразных цветов и даже у гигантских деревьев тропических лесов. Исследователи открыли целый ряд передающихся через почву вирусов, которые, как выяснилось, размножаются в обычных сорняках, но выявляются только тогда, когда поражают культурные растения, имеющие важное хозяйственное значение.
В 1937 году французские ученые Эритье и Тейсье открыли у некоторых плодовых мушек дрозофил неожиданное свойство – очень высокую чувствительность к действию диоксида углерода (СО2), выражающуюся в быстро наступающей гибели насекомых, помещенных в атмосферу этого газа. Обычно плодовые мушки хорошо переносят подобное воздействие, и СО2 может вызывать у них лишь временный наркоз. Прошло несколько лет, и оказалось, что всему виной так называемый вирус сигма, заражение которым у мушек внешне ничем не проявляется, обнаруживаясь лишь наличием повышенной чувствительности насекомых к диоксиду углерода. Скрытая инфекция вирусом полиэдроза была обнаружена у гусениц тутового шелкопряда. Этот вирус у них передается по наследству. Японский исследователь К. Ямафуджи установил, что если гусениц тутового шелкопряда кормить на листьях, смоченных азотистокислым калием, ацетоксином или гидроксиламином, то скрытая вирусная инфекция переходит в явную.
Шли годы. Чем глубже ученые проникали в тайны вирусов, тем чаще они наблюдали случаи, когда вирусное заражение не приводило к развитию заболевания. Еще в 1921 году в Пастеровском институте в Париже известный французский вирусолог С. Левадити выделил из слюны внешне здорового человека инфекционный вирус герпеса.
В своих исследованиях ученые неоднократно сталкивались со случаями выделения инфекционных вирусных частиц внешне уже здоровым организмом, перенесшим заболевание. Вирусоносители (и люди, и животные) длительное время выделяли вирусы после выздоровления от полиомиелита, вакцинальной инфекции[5], ящура, чумы птиц и др. Эти примеры ясно указывали на то, что выздоровление вовсе не всегда означает освобождение от вируса, в подобных случаях острая инфекция (болезнь) может переходить в скрытую форму инфекционного процесса.
Такого рода факты постепенно накапливались. Они не сразу привлекли к себе всеобщее внимание и уж совсем не сразу заставили ученых задуматься над их сутью. Поначалу подобные явления многим казались казуистикой, эдакими фокусами природы (мол, чего в жизни не бывает!) и каждый раз вызывали удивление, а порой и изумление. А все, наверное, потому, что еще не было сделано важного открытия, которое в силу своей неожиданности и, главное, простоты смогло бы перевернуть прочно укоренившееся представление о неизбежности смертельной схватки при встрече вируса с организмом другой природы.
Но вот такое открытие, наконец, было сделано.
Лед сломан
Зимой 1952 года группа американских вирусологов – В. Роу, Р. Хюбнер, Л. Гилмор, Р. Паротт и Т. Уорд – для приготовления тканевых культур получили из детской больницы в Вашингтоне удаленные хирургическим путем аденоиды и миндалины внешне здоровых детей. Биологическую ткань измельчили ножницами и каждый отдельный кусочек поместили в пробирку с питательной средой. Пробирки поставили в термостат, внутри которого поддерживалась температура 37 °C, что соответствует температуре человеческого тела. За состоянием тканевых кусочков ежедневно наблюдали в микроскоп.
В пробирках началось размножение клеток, с каждым днем их становилось все больше и больше. Культуры ткани (так это называется) росли, им периодически меняли питательную среду.
Прошло уже много дней, как вдруг в некоторых культурах появились признаки цитопатического действия, т. е. началось их разрушение, дегенерация: клетки потемнели, потом отслоились друг от друга, затем стали сморщиваться и распадаться. Процесс нельзя было остановить, и вскоре многие культуры ткани (полученные от внешне здоровых детей!) погибли.
Желая выяснить причину этого, ученые в первую очередь решили проверить на предмет наличия бактерий ту питательную среду, на которой росли клетки, для чего добавили ее в питательный бульон, в котором, как известно, прекрасно размножаются различные бактерии. Ведь не исключено, что именно из питательной среды бактерии могли попасть в культуры ткани и вызвать гибель клеток. Но нет, бульон на протяжении многих дней оставался стерильным, следовательно, бактерий в культурах не было. Тогда питательную среду пропустили через бактериальные фильтры – специальные фарфоровые или целлюлозные пластинки с порами, по размерам меньшими, чем величина даже самых маленьких бактерий. С помощью таких фильтров можно легко отделить бактерии от вирусов в любом растворе: бактерии задержатся фильтром, а вирусы, пройдя сквозь поры фильтра, оказываются в фильтрате – жидкости, прошедшей через фильтр.
Пропустив через бактериальный фильтр питательную среду с разрушенными тканями, исследователи полученный фильтрат внесли в свежую культуру ткани, клетки которой хорошо размножались. Спустя несколько дней в этой культуре обнаружились признаки клеточной дегенерации. Далее еще раз питательную среду пропустили через бактериальный фильтр и вновь полученный фильтрат добавили к свежей культуре. Подобные пересевы проделали 17 раз подряд: каждый раз фильтрат погибшей культуры вызывал гибель клеток вновь зараженной ткани.
Напрашивался простой вывод: в аденоидной ткани и в ткани миндалин внешне здоровых детей находился некий быстроразмножающийся мельчайший инфекционный агент, способный проходить через бактериальные фильтры, задерживающие бактерии (значит, не бактерия!), и этот агент постоянно размножается в тканевой культуре. Так были открыты хорошо теперь известные аденовирусы.
Естественно, после этого открытия ученых заинтересовал главный вопрос: почему аденовирусы, присутствовавшие в организме детей, не вызывали развития признаков заболевания? Помните, ведь дети, от которых первоначально были получены ткани аденоидов и миндалин, были практически здоровыми.
Необходимы были новые исследования. Прежде всего следовало выяснить, почему гибель кусочков тканей наступает не сразу, а лишь спустя 10, 20 и более дней после начала их культивирования в пробирках. Желая сразу же обнаружить инфекционный агент, только что выделенные ткани миндалин тщательно измельчают ножницами, разрушают растиранием с песком или попеременным замораживанием и оттаиванием. Увы! Ни в одном случае из подобных клеточных гомогенатов (однородная масса из измельченных тканей различных организмов) вирус выделить не удается. Но зато в таких тканевых суспензиях обнаруживаются антитела к аденовирусам!
Антитела – вот причина неудач прежних опытов! Ученые высказывают мнение, что именно антитела маскируют вирус. В процессе культивирования кусочков тканей при смене питательной среды антитела вымываются, вирус освобождается от их воздействия и становится доступным для обнаружения (по его разрушающему действию на клетки).
В работу включаются все новые исследователи. Теперь опыты ведут не на культурах ткани (кусочках), а на культуре клеток. Давайте познакомимся с методом клеточных культур, и вы сами убедитесь в его преимуществе перед методом культур тканей.
Кусочки разнообразных тканей, как и в предыдущем методе, предварительно измельчают ножницами или острой бритвой, помещают в стеклянную колбу, заливают теплым раствором трипсина или хемопсина и начинают помешивать.
Оба фермента уже много лет широко применяют для приготовления из кусочков различных тканей клеточных взвесей. Они обладают замечательным свойством переваривать межклеточное вещество, благодаря чему маленькие кусочки ткани быстро распадаются на отдельные клетки. Полученную взвесь клеток осаждают в центрифуге на дно пробирки, после чего ферменты сливают, а осадок клеток вновь разливают по пробиркам или так называемым матрасам – стеклянным флаконам с плоскопараллельными стенками, – напоминающим по форме кирпичики. В таком виде клетки разводят, но на этот раз специальной питательной средой. Осев на стенки пробирки или матраса и прикрепившись к стеклу, клетки начинают делиться. Постепенно клеток становится так много, что они образуют пласт на поверхности стекла, или, как принято говорить, однослойную культуру клеток – сплошной «ковер» толщиной в одну клетку. Легко представить, что если такой слой снять с поверхности стекла (при этом клетки отслоятся от стекла и друг от друга), развести свежей питательной средой в несколько раз и засеять ими вновь соответственно 2, 3 или 4 новых матраса, то спустя 3–5 дней после этого можно будет вновь получить новый урожай клеток.
Так размножают клетки во всех лабораториях мира, чтобы потом, например, заражать их вирусами и наблюдать характер и особенности действия вирусов на слой в целом и на отдельные клетки. Под действием вирусов в определенных клеточных культурах развиваются процессы гибели клеток (цитопатическое действие вируса), клеточный слой при этом часто расчленяется на отдельные клетки или на группы клеток, которые темнеют, сморщиваются, а затем постепенно разрушаются. Интересно, что многие вирусы в определенных клеточных культурах обладают способностью вызывать только присущую им характерную картину постепенной гибели (цитопатического действия) клеточной культуры.
Метод клеточных культур внес неоценимый вклад в изучение процесса взаимодействия вирусов с клетками. В отличие от культивирования тканей, при заражении клеточного слоя можно точно дозировать количество вируса на одну клетку; кроме того, практически весь слой клеток доступен микроскопическому исследованию и подсчету. Метод клеточных культур, таким образом, позволил проводить строго контролируемые количественные исследования с вирусами, которые оказались особенно необходимыми для поиска противовирусных лекарственных средств, для изучения макромолекулярных синтезов в зараженной клетке, при расшифровке тонких механизмов вирусной репродукции.
Итак, получив культуру клеток человека, американский вирусолог Р. Гинсберг заразил их аденовирусом и добавил в питательную среду противоаденовирусные антитела. И что же?
Клетки прекрасно размножались в присутствии этих антител, и вскоре их накопилось так много, что можно было пересевать в новые матрасы. При этом в питательную среду снова добавили антитела. Далее клетки в присутствии противоаденовирусных антител успешно пересевали 26 раз, но однажды при очередном пересеве в питательную среду уже не добавили антител… (?)
Следовательно, и в организме человека размножение аденовируса никак себя не проявляет благодаря присутствию противоаденовирусных антител, которые, не уничтожая вирус полностью, сдерживают его размножение в рамках «мирного сосуществования» с хозяином (организмом).
Через несколько дней в клеточной культуре появились признаки дегенерации клеток, и вскоре культура погибла, а в питательной среде были обнаружены большие количества аденовируса. Вот вам и ответ на главный вопрос! В зараженных клетках много дней и ночей размножался аденовирус, но в присутствии антител он не мог проявлять своего губительного действия на культуру. После того как из питательной среды убрали антитела, вирус начал усиленно размножаться, быстро разрушая клетки.
Такое объяснение было простым и понятным, оно логически вытекало из описанных выше наглядных опытов с клеточными культурами, и, кроме того, этот вывод подкреплялся широко известными фактами частого обнаружения в сыворотке крови многих внешне здоровых людей значительных количеств противоаденовирусных антител.
Открытие аденовирусов оказалось тем важным событием, которое в силу своей простоты, а потому и наглядности, убедительно доказывало возможность существования в организме человека скрытой вирусной инфекции, а также проливало свет (вспомните опыт с клеточными культурами!) на причины поддержания вирусоносительства, т. е. на «маскирующую» роль антител. Именно это открытие аденовирусов и послужило мощным стимулом активного поиска и изучения скрытых вирусных инфекций в природе. И прежде всего – в организме человека и животных.
К чему же привели эти поиски?
