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La gripe y sus virus (y II)

Tal y como anuncié la semana pasada, aquí les dejo la segunda parte del post “La gripe y sus virus”.

(Para leer la primera parte, pinche aqui). 

La barrera de especie

Imaginemos por un momento que somos virus de la gripe. Hemos salido (junto con unos miles de “hermanos” parecidos, pero no iguales a nosotros) de la célula del epitelio pulmonar del “individuo A” y buscamos desesperadamente nuevas células a las que infectar. Estamos en la luz del tracto respiratorio, y somos “estornudados” al exterior. Más nos vale encontrar rápido un hospedador. Por suerte, hemos topado con el “individuo B” accediendo a sus vías respiratorias. Si el individuo B es de la misma especie que el individuo A, entonces la mayoría encontraremos fácilmente la forma de infectar eficazmente a sus células del tracto respiratorio (hemos sido “seleccionados” para ello). Pero si el individuo B es de una especie animal distinta a la del que hemos salido, entonces nos encontraremos en un medio diferente, con unas células distintas en el epitelio pulmonar, con distintos receptores, etc. Estas diferencias representan la “barrera de especie” y es más infranqueable en general cuanto más alejadas entre sí están las especies de origen y destino. Es posible que ninguno de nosotros sea capaz de sortearla, o lo haga de forma ineficaz. También es posible que alguno llegue a infectar eficazmente al individuo B, pero que éste sea incapaz de transmitir los virus a otro individuo de la misma especie, con lo cual la infección no progresa en la población (esto es lo que ha ocurrido hasta ahora con las infecciones de virus de gripe aviar H5N1 en humanos). Finalmente es posible que tras varias intentonas, algunos de los virus que fuimos estornudados por el individuo B consigamos infectar de forma eficaz a otros individuos de esa misma especie, distinta de la del individuo A, con lo que se completa el “salto entre especies” y tenemos una emergencia de un nuevo virus de gripe. Cuanto más eficaz sea la trasmisión entre individuos de esa especie, más fácil es que este proceso nos conduzca a una pandemia (por ejemplo, la pandemia de virus de la gripe A/H1N1 de 2009).

Los “trayectos ecológicos” de los virus influenza tipo A

Figura 3. Las aves silvestres, representadas por la silueta de un pato salvaje en el centro de la figura, son el reservorio de todos los tipos de virus influenza A. De vez en cuando algunos de estos virus infectan a otras especies, y terminan por adaptarse a éstas, dando lugar a los diferentes tipos de virus gripales humanos, porcinos, equinos, etc. En la figura también se recoge el hecho de que existen virus gripales adaptados a mamíferos marinos, cuyo origen igualmente se remonta a los virus aviares (Fuente: elaboración propia).

El reservorio “ancestral” de todos los virus influenza tipo A son las aves acuáticas, en particular las de los órdenes Anseriformes (gansos, patos, etc) y Charadriiformes(gaviotas, charranes, fumareles, etc). Esto significa que todos los virus de la gripe tipo A que existen en la actualidad, y que incluyen virus aviares, humanos, porcinos, equinos, etc, han derivado en último término de los que comúnmente infectan a estas aves (Figura 3). Ello es consecuencia de un proceso de adaptaciones sucesivas como el descrito en el ejemplo anterior, y que a menudo involucra especies intermedias entre el hospedador ancestral y la adaptación final. Este proceso a veces se denomina “trayecto ecológico” de los virus de la gripe (o influenza) tipo A, y puede necesitar años, incluso décadas, hasta completarse. 

 

No todos los subtipos de virus gripales tienen la misma capacidad de “atravesar la barrera de especie” sino que más bien algunos subtipos atraviesan mejor determinadas barreras de especie que otros. Por ejemplo, de los 16 subtipos “H”, sólo 6 se encuentran en la especie humana, de los que 3 (H1-3) han conseguido adaptarse completamente a ésta, y otros 3 (H5, H7 y H9) producen casos esporádicos sin transmisión entre humanos. Igualmente, de los 9 subtipos “N” que se conocen en aves, solamente 2 (N1 y N2) se encuentran en los virus gripales que afectan comúnmente al hombre, y otros dos lo hacen en virus causantes de brotes esporádicos, como son el N7 (por ejemplo, brote de H7N7 en Holanda en 2003) y, muy recientemente el N9 (virus H7N9 de 2013 en China). En la figura 4 se resume este concepto.

Figura 4. Subtipos antigénicos de virus de la gripe tipo A encontrados hasta ahora en las diferentes especies de vertebrados que actúan como hospedadores (aves, humanos, cerdos y caballos) representados por su silueta en la parte superior de las columnas correspondientes. A la izquierda, los subtipos de hemaglutinina (HA) y a la derecha, los de neuraminidasa (NA). S: hospedador susceptible; T: hospedador competente para la transmisión (Fuente: elaboración propia).

¿Qué es lo que determina la adaptación de un virus de gripe tipo A a una especie de hospedador determinada?

Se conocen mutaciones en determinadas posiciones de las cadenas polipeptídicas de algunas de las proteínas de los virus de la gripe que están relacionadas con una mejor adaptación a determinadas especies de hospedadores. Por ejemplo, en los virus aviares la hemaglutinina (HA) se une mejor al receptor propio de aves (α2,3 sialil glicano), y esta unión HA-receptor parece tener bastante importancia la posición nº 223 de la cadena polipeptídica de la HA, que está ocupada por el aminoácido glutamina en estos virus. Pero se sabe que si esa posición muta de modo que el aminoácido glutamina es sustituido por leucina (mutación Q223L en el gen de la HA) la HA cambia su afinidad y se une mejor al receptor presente en el tracto respiratorio de los mamíferos (α2,6 sialil glicano). Se han descrito varias posiciones clave en el genoma de los virus influenza tipo A que determinan la adaptación a mamíferos. De igual modo, existen posiciones clave que determinan una mejor transmisibilidad entre mamíferos –lo cual se asume que se correlaciona con el potencial pandémico-, y a su identificación se han aplicado diferentes grupos de investigación, en estudios que en su día (hace más o menos un año) fueron sometidos a una moratoria antes de su publicación con el fin de evaluar mejor el “doble uso” que podría tener esta información (ver post anterior). 

¿Qué es lo que hace que una cepa de virus de la gripe tipo A sea más virulenta?

De igual modo que la secuencia genética de los virus influenza tipo A determina características como la capacidad de adaptación a una nueva especie, también determina su patogenicidad, es decir, la capacidad de causar enfermedad en el hospedador. Estos determinantes genéticos de la patogenicidad de las cepas de virus gripales pueden variar de una especie a otra. Un ejemplo bien estudiado de determinantes de patogenicidad en virus gripales es el siguiente: en términos de sanidad animal (avicultura) existen cepas de baja patogenicidad (IABP) y cepas de alta patogenicidad (IAAP). Todas ellas son capaces de infectar y por tanto multiplicarse en aves, pero mientras que las de baja patogenicidad apenas las afectan clínicamente, las de alta patogenicidad producen una enfermedad letal en un porcentaje muy alto de las aves infectadas. No todos los subtipos de virus influenza tipo A son capaces de dar lugar a cepas altamente patógenas. Cuando se han aislado y estudiado las cepas altamente patógenas para aves, se ha encontrado que hasta el momento todas pertenecen a los subtipos H5 ó H7 (algunos de estos subtipos han resultado ser extremadamente patogénicos para el hombre y otros mamíferos). En la actualidad todos los aislados de subtipo H5 y H7 hallados en aves deben ser notificados a las autoridades veterinarias competentes y se debe obtener información acerca de su patogenicidad. Por ejemplo, las autoridades veterinarias españolas notificaron ayer mismo un brote de virus de la gripe aviar H7N1, que tras las correspondientes pruebas en el laboratorio nacional de referencia (LCV-Algete, MAGRAMA) ha resultado ser de baja patogenicidad (IABP) y como tal se ha comunicado. De modo similar, la semana pasada Alemania notificó otro brote de influenza aviar similar, también de baja patogenicidad, causado por otro subtipo antigénico del virus, el H7N7. La notificación obligatoria de estas cepas está motivada por la facilidad de las mismas para devenir en cepas altamente patógenas, lo cual supone un riesgo sanitario que es necesario vigilar.

Entre las especies de aves, se consideran más susceptibles las aves de granja, en particular pavos y gallinas. De hecho, las cepas de IAAP derivan de cepas de baja patogenicidad (IABP), comúnmente presentes en las aves silvestres  que actúan como reservorio. Las cepas IABP, al infectar aves de corral van ganando patogenicidad a medida que se van adaptando a estos nuevos hospedadores aviares. Se han documentado casos en los que, tras una simple mutación puntual, uno de estos virus ha dado lugar a una cepa de alta patogenicidad. Este proceso, que puede ocurrir muy rápidamente (unas semanas, desde que el virus entra en contacto con las aves susceptibles), tiene lugar porque los virus de los subtipos H5 ó H7 presentan cierta tendencia a mutar en una región del gen HA en la que es codificado el sitio de procesamiento proteolítico de la hemaglutinina, denominado HA0. Este sitio es fundamental en el ciclo biológico del virus ya que determina el lugar donde la HA es reconocida y procesada por una proteasa específica que se expresa a nivel de las mucosas respiratoria y digestiva del huésped, paso necesario en el ciclo de la infección. Esta característica permite explicar el comportamiento menos invasivo de las cepas de baja patogenicidad. En principio, en el hospedador “silvestre” que actúa como reservorio, el virus permanece estable y no necesita cambiar, puesto que está perfectamente adaptado. Cuando el virus, en particular de los subtipos H5 ó H7, infecta a pollos o pavos, sufre un proceso de adaptación al nuevo huésped a consecuencia del cual muta en el sitio de procesamiento proteolítico HA0, añadiendo nuevos sitios de procesamiento más inespecíficos, mediante sustituciones o adiciones que incrementan el número de aminoácidos básicos en esa región de la proteína. Ello se traduce en que el virus puede ser procesado por un rango más amplio de proteasas menos específicas y más ubicuas, lo que incrementa el acceso del virus a distintos tejidos del huésped, potenciando su patogenicidad. Además de estas mutaciones en el sitio HA0 de los virus gripales, se han identificado otras mutaciones que confieren patogenicidad elevada a los virus que las exhiben.

Los brotes de gripe aviar de alta patogenicidad son un grave problema para la avicultura en todo el mundo, produciendo enormes pérdidas económicas. De ahí que sea necesario realizar vigilancia de las cepas de baja patogenicidad de los subtipos H5 y H7, con mayor tendencia a ganar patogenicidad, ya que una vez que alcanzan esa alta patogenicidad es muy difícil erradicarlas. 

Reordenamientos genéticos y generación rápida de variantes de virus de la gripe tipo A

Como ya hemos señalado, además de la mutación, existe un proceso de generación extra de variación genética en los virus gripales, que es la “redistribución de genes”, o “reordenamientos genéticos” (en inglés: “genetic reassortments”). En virtud de este proceso, dos variantes que se encuentran infectando el mismo hospedador pueden intercambiar segmentos genéticos y generar nuevas combinaciones de éstos, algunas de las cuales pueden ser viables y conferir nuevas características a los virus que emergen de las mismas (Figura 5).

Para que ocurra la redistribución de genes entre virus influenza tipo A, esos virus han de estar circulando en la misma población en el mismo momento y deben infectar a la vez al mismo individuo. Esto solo puede ocurrir cuando dos cepas de virus gripales son muy prevalentes en una población, y aun así probablemente ocurre con una baja frecuencia. Es más, deben co-infectar la misma célula de ese indivíduo (Figura 5). Además, no todas las combinaciones de genes posibles entre los dos virus darán lugar a virus “híbridos” viables y eficaces. Es presumible que la mayoría de esas combinaciones generen virus no viables, y solo una minoría muy escasa origine virus capaces de infectar y transmitirse eficientemente en la población. No obstante, la prueba de que el fenómeno ocurre se ha encontrado al estudiar las secuencias nucleotídicas completas de todos los segmentos de ARN de diferentes cepas de virus de gripe, como veremos en seguida. Y no solo ocurre, sino que es un mecanismo muy importante para generar nuevas variantes de virus de la gripe tipo A.

Figura 5: La redistribución de genes entre virus distintos de la influenza tipo A, que tiene lugar cuando estos dos virus coinciden en infectar a una misma célula, da lugar a nuevas combinaciones de segmentos genéticos que originan ocasionalmente nuevos virus gripales con características diferenciadas (Fuente: elaboración propia).

Además, como poco a poco se van conociendo los determinantes genéticos de la adaptación a diferentes especies, mediante este tipo de análisis de genoma vírico completo se pueden distinguir aquellos segmentos que forman parte de virus de origen aviar,  porcino o humano. Incluso se pueden trazar relaciones geográficas y temporales. Por este tipo de análisis se ha podido determinar, por ejemplo, que el virus pandémico H1N1 de 2009 resultó de un “triple reordenamiento” que involucró a virus aviares, humanos, porcinos “clásicos” H1N1 y porcinos euroasiáticos. Los eventos que dieron origen a esta cepa pandémica tuvieron lugar en un periodo de tiempo prolongado, probablemente entre 1990 y 2009 (Figura 6).

Figura 6: Posible origen de la cepa pandémica de la gripe A H1N1 de 2009, según estudios de secuenciación genética completa del virus y su comparación con otras cepas. En la flecha de abajo se indica una línea de tiempo hipotética basada en los datos de aislamiento de las diferentes cepas estudiadas (Fuente: modificado de Trifonov, V., et al. (2009). N Engl J Med DOI: 10.1056/NEJMp0904572

 

La especie porcina constituye una especie de “coctelera” que facilita el fenómeno de “redistribución de genes” entre distintos tipos de virus gripales. Concretamente, posee una característica única que consiste en que sus células del epitelio pulmonar reúnen en su superficie dos tipos de receptores: el α2,3 sialil glicano, propio del tracto respiratorio de las aves, y por lo tanto, la “llave” de la infección por virus de la gripe aviar, y el α2,6 sialil glicano, presente en epitelio respiratorio de los mamíferos, y que es la molécula que abre la puerta de la infección a los virus de las gripes humana y porcina. De esta forma, el cerdo puede ser infectado por un amplio rango de virus de la gripe A tanto aviares como humanos y porcinos, incrementando las posibilidades de coinfección y con ello la frecuencia, de por sí escasa, del fenómeno del reordenamiento genético entre virus de la gripe.

Pandemias de gripe

Una pandemia no es más (ni menos) que una expansión de una enfermedad infecciosa a lo largo de un área geográfica muy extensa, pudiendo llegar a extenderse por todo el mundo. La pandemias de gripe en los seres humanos son temidas y con razón, pues pueden llegar a causar enormes mortalidades. No obstante, estrictamente hablando una pandemia no necesariamente acarrea esa alta virulencia. El ejemplo más claro lo ofrece la última pandemia de gripe A H1N1 que debutó en marzo de 2009 y que se estima que causó una mortalidad comparable, o incluso inferior, a la que causa la gripe estacional (la que periódicamente nos visita todos los inviernos), es decir, entre 200.000 y 500.000 personas al año en todo el mundo, según la OMS. Esto puede parecer una barbaridad, pero comparados con las decenas de millones de personas que se llevó por delante la pandemia de 1918, conocida como “gripe española”, pues no es para tanto. A lo largo del siglo XX hubo dos pandemias más, la “Asiática” de 1957 y la de “Hong Kong” de 1968, ambas con mortalidades muy inferiores a la de la 1918. Las razones por las que aquella pandemia de 1918 alcanzó semejante virulencia no se conocen con exactitud. Se sabe que el virus de la gripe de 1918 (H1N1), que es de origen aviar, es extremadamente patogénico para los seres humanos, pero además debieron jugar otros factores que contribuyeron a expandir la enfermedad y a exacerbar sus estragos, principalmente el hecho de que debutó en medio de la Primera Guerra Mundial (1914-18), afectando a una población ya de por sí depauperada, lo cual, junto con tropas moviéndose de acá para allá, pudo multiplicar sus devastadores efectos.

Se han estudiado los virus causantes de las pandemias de gripe citadas y sus genomas completos han sido secuenciados. Para ello, en el caso del virus de la pandemia de 1918 hubo que “resucitar” el virus a partir de tejidos de cadáveres de personas fallecidas por aquella gripe, algunas enterradas en el permafrost de Alaska. Se han identificado episodios de reordenamiento genético involucrados en el origen de la mayoría de estos virus.  La figura 7 resume esquemáticamente estos episodios. Se aprecia cómo el reordenamiento genético juega un papel importante en la generación de virus capaces de atravesar la barrera de especie y, eventualmente, llegar a producir virus pandémicos. No obstante, conviene recordar que aunque el  reordenamiento es un paso necesario para la generación de nuevos virus gripales, otros tipos de mutaciones genéticas contribuyen igualmente a adaptar los nuevos virus a sus nuevos hospedadores.

Figura 7: Esquema de los episodios de “reordenamiento genético” que pudieron originar las diferentes pandemias de gripe desde la gripe española de 1918 hasta la gripe A/H1N1 de 2009 (Fuente: Basado en Tang JW, et al. Infect Dis Clin North Am 2010;24:603-617, modificado).

Nota final

Enhorabuena. Si han llegado hasta aquí y no tienen muchas dudas ya pueden interpretar mejor las noticias sobre gripe situándolas en el contexto adecuado. ¡Y si tienen dudas, envíen sus preguntas a través de los comentarios abiertos para este post!

 

Glosario

Cadena polipeptídica: sinónimo de “polipéptido”, estructura molecular constituida por una serie de aminoácidos unidos entre sí en cadena mediante enlace peptídico. Las cadenas polipeptídicas son los constituyentes básicos de las proteínas.

Proteasa: enzima capaz de romper enlaces polipeptídicos, es decir, que escinde las cadenas de proteínas en unidades más pequeñas (péptidos).

Receptores celulares: sustancias presentes en la superficie de las células, que se unen de forma específica a otras sustancias, conocidas genéricamente como ligandos, para ejercer funciones específicas. Por ejemplo, en las sinapsis nerviosas el receptor de acetilcolina transmite la señal nerviosa al unirse específicamente a su ligando, el neurotransmisor acetilcolina. En el caso de los virus, éstos se unen a moléculas receptoras específicas de la superficie de las células a las que infectan, lo que constituye el paso inicial necesario para la infección de una célula por un virus.

Reservorio: Especie (o especies) en la(s) cual(es) el agente infeccioso completa su ciclo natural y le posibilita su persistencia en la naturaleza.

 

 

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