Pathogenese hämorrhagischer Fieber

Ralf BartenschlagerAbteilung Molekulare Virologie, Hygiene Institut

INF 345, 1.OG

http://molecular-virology.uni-hd.de

Molekulare Mechanismen der Pathogenesebei Infektionskrankheiten

Was sind hämorrhagische Fieber?

• Hämorrhagie = Austritt von Blut aus den Gefäßen in das umgebende Gewebe

• hämorrhagisches Fieber = mit Blutungen einhergehende fieberhafte Infektionskrankheit

• hämorrhagisches Syndrom = das mit der Hämorrhagie einhergehende klinische BildNierenbeteiligung (HF mit renalem Syndrom)Lungenbeteiligung (HF mit pulmonärem Syndrom)

• charakteristische SymptomeGesteigerte GefäßpermeabilitätBlutdruckabfallGerinnungsstörungen‚Zytokinsturm‘

Schocksyndrom

StechmückenWeltweit, bes. Tropen

Dengue, GelbfieberFlaviviren

Kontakt, parenteralAffen, persistentesReservoir unbekannt

AfrikaMarburg, EbolaFiloviren

NagerexreteNagetiereNach Ver-breitung von Wirt (auch Europa)

Hantaan, Puumala, Dobrava, SinNombre

Bunyaviren

NagerexkreteNagetiereAfrika, Süd-Amerika, USA

Lassa, Junin, Machupo

Arenaviren

ÜbertragungNat. WirtVorkommenVertreterVirus

ArthropodenbissNagetiereNach Verbreitung von Vektor (Fliegen, Zecken)

Rift Valley Fieber, Sandfliegenfieber, Krim-Kongo HF

Bunyaviren

Virus-induzierte hämorrhagische Fieber (vHF)beim Menschen

Mensch/Affe –Moskito

Dengue Virus

5´ 3´C P M E NS1 NS3 NS5NS2 NS2a b

NS4 NS4a b

Struktur Nichtstruktur

Lipidhülle

E Homodimer

M

Nukleokapsid

RNA Genom

M

DEN-Serotypen 1 - 4

• Abgeleitet aus dem Afrikanischen “ki denga pepo”

(“Knochenbruch-Fieber”)

• Verbreitung durch Stechmücken der Gattung Aedes (Aedes

aegypti, Aedes alpopictus)

• häufigste Arbovirose

100 Mio. klinisch manifeste Infektionen/Jahr

ca. 500.000 DHF-Fälle/Jahr

40% der Weltbevölkerung lebt in Aedes-endem. Gebiet

Dengue

1. Virusübertragung durch Speichel

2. lokale Vermehrung (DCs);Transport in lokale Lk

3. Infektion der Leukozyten undlymphatischen Gewebe

4. hämatogene Streuung (Virämie)

5. Virusaufnahme und Replikation imDarm

6. Infektion der Speicheldrüsen,Replikation und Übertragung

1

4

6

2

5

Transmissionszyklus des Dengue Virus

3

Erkrankung

Klinisches Bild der Dengue Virus-Infektion

Akute DV-Infektionprimär asymptomatisch

Klassisches Dengue Fieber (DF):

IZ 3 – 14 Tageschneller Fieberanstieg (40°C)schwere Myalgien, Arthralgien (‚Knochenbruch Fieber‘)milde hämorrhagische Symptome (Petechien, GI-Blutungen, Menorrhagien)

WHO/TDR/Crump

Tournique Test

Schwere Verlaufsformen der DV-Infektion: DHF

Dengue hämorrhagisches Fieber (DHF):initial ähnlich DF, aber schnelle Verschlechterung, hohes Fieber, vergrößerte Leber, Ascites

stark erhöhte vaskuläre Permeabilität

hämatologische Auffälligkeiten (Thrombozytopenie; Hämatokritzunahme >20%)

vorwiegend bei Zweitinfektion mit heterologem Serotyp

0.2% vs. 2% bei primärer vs. sekundärer Infektion

WHO/TDR/Crump

DHF mit Dengue Schocksyndrom (DHF/DSS):ähnlich zu DHF, aber niedriger Blutdruck, Kreislaufversagen

Pathogenese des DHF/DSS

Mechanismen der Dengue Virus-vermittelten HF

• Virale Virulenzfaktoren

• Zelluläre Resistenz

• Antiköper-vermittelte Steigerung der Infektion

• Original antigenic sin

Charakterisiert durch:zumeist hohe Virämie

hohe T-Zellaktivierung

hohe T-Zellzytokinspiegel (insbes. vasoaktive Mediatoren wie TNF-α)

schwere Symptome dominant bei Sekundärinf. mit heterologem Serotyp

Virale Virulenzfaktoren

Kuba: vor 1981 mehrere Serotypen, kein DHF/DSS1981 Epidemie mit DHF/DSS: DEN-2 Isolat, vermutlich aus Südost Asien eingeschleppt

Venezuela: 1989 Epidemie mit DEN-1, 2, 4; DHF/DSS nur mit DEN-2

5´ 3´C P M E NS1 NS3 NS5NS2 NS2a b

NS4 NS4a b

Struktur Nichtstruktur

AS390

AS126

NT68-80

Translation?

Rezeptorwechsel?gesteigerte Rezeptorbindung?

Neurovirulenz?

Replikation?

Zelluläre Resistenz

DHF/DSS-Ausbrüche auf Kuba, 1981 und 1997; Senegal 1986:

Schwarze deutlich seltener mit schweren Verläufen als Weiße bei gleicher Infektionsrate

Haiti Studie, 2001

179/210 (85%) Schulkinder aus Port-au-Prince mit DEN-Mehrfachinfektionen

kein Fall von DHF/DSS

aber: hohe Inzidenz (ca. 30%) von DHF/DSS bei US-/UN-Militärpersonal

DEN-Virus Resistenzgen bei der schwarzen Bevölkerung?HLA-Polymorphismen?

DV2

Primär-infektion

DV2

DV2

DEN-2 Ak

Antikörper-vermittelte Steigerung der Infektion (ADE)

DV4DV4

DV4

Sekundärinfektion

MonozytenMakrophagen, DCs

vasoaktiveMediatoren(z.B. TNF-α)

SchwereVerlaufsformen(DHF, Schock)

Antikörper-vermittelte Steigerung der Infektion (ADE)

• eine durchgemachte DEN-Infektion prädisponiert für DHF mit einem heterologen Serotyp

• Abfall der maternalen Antikörper korreliert mit geringerem Risiko für DHF

• zirkulierendes anti-DEN IgG ist Risikofaktor für DHF

• DEN-spezifisches IgG kann Infektion in vitro und in exp.-inf. Affen steigern

Original Antigenic Sin

Dominante Immunantwort gegen Erstinfektion auch bei Sekundärinfektionen

A B C D

Epitop

Influenza Variante 1

A B C D E F

Epitop

Influenza Variante 2

T-Zellantwort nach Primärinfektion

Welsh & Rothman, Nature Med., 2003

T-Zellantwort nach Sekundärinfektion

Zweitinfektion mit heterologem Serotyp

Expansion wegenKreuzreaktivität

Inhibition wegenAktv.-verm. Zelltod

ineffizienteViruselimination

gesteigerteImmunpathogenese(DHF)

Welsh & Rothman, Nature Med., 2003

Modell der DEN-Immunpathogenese bei Zweitinfektion

DV

DV

DV

Mo/DC

Aktiv

ieru

ng

TNF-α

TNF-α

IFN-γIL-2TNF-αTNF-β

Endothelzellen(Störung der Zell-Zellkontakte)

Nac

h R

othm

anun

d En

nis,

Viro

logy

, 199

9

DV2

Komplement

Immunkomplexe

DV

Mo

DV2

DV2

T8

T4

Lyse

memory

memory

X

Hämorrhagische Fieber ausgelöst durch…..

CongoCongo, 2002, 2002

Ebola

Filoviren: Marburg und Ebolavirus

Kindly provided by Dr. Feldmann, Winnipeg, Kanada

• Filoviren verursachen schwerste Formen des HF

• Extrem hohe Letalität (bis zu 88%)

• Infektion charakterisiert durch:Hohe VirusreplikationGerinnungsstörungen (Thrombozytopenie; Fibrinablagerungen)ausgeprägte Nekrosen vieler Organe (Leber, lymphat. Organe)Störungen des Immunsystems

• Bevorzugte Infektion von:mononukleären, phagozytären ZellenEndothelzellenFibroblasten

• Virusinfektion ist häufig lytisch

Eigenschaften des filoviralen HF

Faktoren der Pathogenese des filoviralen HF

Störungen des Immunsystems

ausgeprägte Nekrosen der parafolikulären Regionen in Milz und Lymphknoten

Replikation in mononukleären, phagozytären Zellen

Induktion der Apoptose von Lymphozyten ohne Infektion (‚bystander Effekt‘)

Verlust von CD8+ T-Zellen

Hemmung der innate immunity (VP35)

Beeinträchtigung der Endothelzellfunktion

durch direkte Infektion und evtl. lytische Replikation

durch Freisetzung vasoaktiver Mediatoren

Monocytes Macrophages

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0

20

40

60

80

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120

0

500

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1500

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0

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3000

4000

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0

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1400

1600

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

EBO Z

EB

O Z U

V

MOCK

MBG MBG U

VMOCK U

V

TNFα

IL6

IL8

gro α

TNFα

IL6

IL8

gro α

Aktivierung von Monozyten und MakrophagenK

indl

ypr

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Feld

man

n, W

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Kan

ada

EBO Z

EB

O Z U

V

MOCK

MBG MBG U

VMOCK U

V

40353025201510500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

TNF-α

, ng/

ml

hours

UV-MBGV

Mock

Freisetzung vasoaktiver Mediatorenaus Filovirus-aktivierten Makrophagen

2 8 20 32 hours0.05

0.15

0.25

0.35

MBGMBG + anti-TNF-alphaMOCKMock+ anti-TNF-alpha

OD

Meerrettich-Peroxidase(upper compartment)

lower compartment

hu Endothelzellen

Feldmann, Jones, Klenk, Schnittler, Nat.Rev.Immunol,2003, 3: 677-685

?

Modell der Filovirus-Pathogenese