Viroloogia

Viroloogia ehk viirusõpetus on viirusi uuriv teadusharu. Viroloogia uurib viiruste struktuuri, liigitust ja evolutsiooni, peremeesorganismi rakkude nakatamise ja ärakasutamise viise ning mõju peremeesorganismile, viirushaigusi, viiruste eraldamist ja kasvatamist ning kasutamist teaduses ja meditsiinis. Viroloogiat loetakse mikrobioloogia või meditsiini alamdistsipliiniks. Viroloogia üheks oluliseks ülesandeks on viiruste klassifitseerimine. Viiruste jaotamiseks on mitmeid viise, neid võib süstematiseerida näiteks nakatatavate rakkude tüübi, kapsiidi olemasolu ja kuju või peremeesorganismi järgi. Kõige populaarsem klassifitseerimismeetod on Baltimore'i meetod, mis võtab aluseks genoomi tüübi ja paljunemise mehhanismi. Samasse gruppi kuuluvad viirused ei pruugi olla evolutsiooniliselt lähedased. Viiruste päritolu ja tekkimine pole endiselt üheselt selge. Viroloogia üks peamisi eesmärke on viiruste kui haigustekitajate uurimine ning viirushaiguste ennetamine ja ravi. Tänapäeval kasutatakse viirushaiguste ennetamiseks vaktsineerimist. Vaktsineerimine on organismi inokuleerimine nõrgestatud viiruse või selle osaga, mille tulemusel tekib humoraalne ning mõnel juhul ka rakuline immuunsus selle viiruse suhtes. Vaktsiinid jaotatakse nende toimeaine järgi elus-, inaktiveeritud, fraktsiooni- ja rekombinantseteks vaktsiinideks. Elusvaktsiinid koosnevad nõrgestatud viirusosakestest, mis tekitavad organismis immuunvastuse, kuid on avirulentsed ja ei põhjusta haiguse sümptomite teket. Nende tootmiseks paljundatakse viirust talle mitteomastes peremeesrakkudes või optimaalsest erineval temperatuuril. Selle tulemusel kohastub viirus normaalsest erinevate tingimustega ning ei saa enam oma peremeesorganismis paljuneda. Erandiks on rõugevaktsiin, kus kasutatakse pühvli rõugeviirusega suguluses olevat vaktsiinia viirust, mis inimesel sümptomeid ei tekita. Elusvaktsiinide puudus on, et nad võivad ohtlikuks tüveks tagasi muteeruda. Samuti nende temperatuuritundlikkus, mis tekitab probleeme peamiselt arengumaades, kus leidub elektriühenduseta piirkondi. Kõige enam kasutatakse nüüdisajal inaktiveeritud vaktsiine. Nende valmistamiseks kasvatatakse virulentset viirustüve rakukultuuris ning saadud viirusosakesi töödeldakse mõne kemikaaliga või kõrgel temperatuuril, mis muudab nad nakatusvõimetuks. Inaktiveeritud vaktsiinides sisalduvad viirusosakesed ei ole võimelised organismis paljunema ja ei saa seega erinevalt elusvaktsiinidest haiguspuhanguid põhjustada. Samas on nende tulemusel tekkinud immuunreaktsioon nõrgem, tihti peab sama vaktsiini manustama mitu korda. Allühik- ehk fraktsioonivaktsiinid sisaldavad ühte või mitut haigustekitaja valku või polüsahhariidi. Need eraldatakse kas viirusest endast või toodetakse rekombinantse viirusvektori abil. Laialdaselt kasutusel fraktsioonivaktsiin on B-hepatiidi vastane vaktsiin. Rekombinantsete vektorvaktsiinide valmistamiseks viiakse immuunvastust põhjustavate viirusvalkude geenid mõne teise ohutu viiruse genoomi. Enamasti kasutatakse vaktsiinia viirust. Sellised vaktsiinid ei saa ohtlikeks viirusteks tagasi muteeruda, kuid ei tekita rakulist immuunvastust. Viirusvastaseid ravimeid on vähe, kokku umbes kolmkümmend. Enamik neist on kasutusel AIDS-i ja herpese ravis. Viirushaiguste ravi teeb keeruliseks asjaolu, et viiruse elutsükkel on tihedalt seotud peremeesrakuga. Ravimite loomiseks tuleb leida viiruse protsessid ja biomolekulid, mis erinevad raku omadest. Samuti kulgevad viirusinfektsioonid tihti väga kiiresti ning sümptomite tekkimise ajaks on replikatsioon juba läbi ja ravimi manustamiseks liiga hilja. Üks tuntumaid viirusvastaseid aineid on atsükloguanosiin (ravim Acyclovir). See on kasutusel herpese ravis ja pärsib viiruse replikatsiooni. Nagu vähi korral, nii kasutatakse tänapäeval ka AIDS-i vastu kombineeritud ravi. Mitme ravimi koos kasutamine aitab vähendada resistentsete viirustüvede kujunemise tõenäosust. Viirused on rakusisesed parasiidid ja sõltuvad paljunemisel peremeesraku struktuurist ja ressurssidest. Kuna viirused on rakuga tihedalt seotud, on nende uurimine andnud panuse ka laiemate bioloogiliste protsesside mõistmiseks. Näiteks restriktsiooni endonukleaasid avastati bakterites viirusvastase kaitsevahendina. Need on ensüümid, mida kasutatakse DNA lõikamiseks. Endonukleaasid lõikavad DNAd mingi kindla järjestuse kohalt ning on seetõttu molekulaarbioloogias väga olulised ja laialdaselt kasutusel. Selle avastusega andis viroloogia panuse molekulaarbioloogia ja -geneetika uurimissuundade arengusse. Samuti aitas töö viirustega seletada immuunvastuse olemust ja rakkudevahelise infovahetuse mehhanisme. Viirusi on kasutatud võõrliikide hävitamiseks. 1950. aastatel nakatati Austraalias Euroopast pärit küülikupopulatsiooni neile surmava Myxoma viirusega. Algselt tappis viirus üle 99% nakatunud loomadest, kuid loodusliku valiku tulemusel muutus see vähem surmavaks ning jäneste vastupanuvõime haigusele kasvas. Sellele vaatamata on jäneste arvukus tänapäeva Austraalias palju väiksem kui enne viiruse kasutuselevõttu. Samuti aitas eespool kirjeldatud eksperiment teadlastel paremini mõista patogeeni ja tema peremeesorganismi koevolutsiooni. Viirused mängisid olulist rolli vähiuuringutes. Onkogeenid ja kasvaja supressorgeenid avastati vähki tekitavate DNA- ja RNA-viiruste uurimise käigus ja viirusi kasutatakse ka vähiravis. Viirusi, mis nakatavad organismis eelistatult vähirakke, kutsutakse onkolüütilisteks. Esialgsed katsed neid ravieesmärgil kasutada ei olnud edukad, kuid viimase paarikümne aasta jooksul on tehtud edusamme. Tänapäeva onkolüütilised viirused on enamasti rekombinantsed ja neid kasutatakse koos keemia- ja kiiritusraviga. Onkoviirused, erinevalt onkolüütilistest viirustest, põhjustavad kasvajaid, nende hulka kuuluvad näiteks inimese papilloomiviirus ja C- ning B-hepatiidi viirused. Viirused põhjustavad umbes 12% vähijuhtudest. Viirusvektorid on geneetiliselt modifitseeritud viirused, mida kasutatakse geneetilise info rakkudesse viimiseks ja ekspresseerimiseks peamiselt geeniteraapias. Kõige esimesed viirusvektorid põhinesid hiire retroviirustel. Tänapäeval on kasutusel palju erinevaid vektoreid. Tööks sobiva vektori valikul peavad teadlased arvestama rakku viidava DNA suurust, ekspressiooni aega, raku tüüpi ja ka bioohutust. Näiteks herpes simplex võimaldab üle kanda suuremahulist DNAd, adenoviirusel põhinevad vektorid aga on sobilikud mitmesuguste erinevate rakkude nakatamiseks.  Pikemalt artiklis Viirused inimkonna ajaloos Viirushaigusi tuntakse juba antiikajast peale, kuid nende põhjustajad avastati alles 20. sajandil. Siiski tunti meetodeid viirustega võitlemiseks juba varem. Lähis-Idas, Hiinas ja Aafrikas kasutati rõugeviirusevastase immuunsuse tekitamiseks variolatsiooni. Selle käigus nakatati inimesi rõugehaige paranevatest haavanditest saadud materjaliga, tekkinud infektsiooni suremus oli alla ühe protsendi ja see tagas eluaegse immuunsuse. Nüüdisajal on teada, et paranevatest haavanditest pärit viirusosakesed on osaliselt inaktiveeritud ja seega ohutumad. Variolatsioon on ohtlik meetod ning väike osa sellisel viisil nakatatud inimestest suri, seetõttu ei muutunud see kunagi väga populaarseks ning oli paljudes riikides isegi seadusega keelatud. Rõugevaktsiin oli esimene tõeline vaktsiin. 18. sajandi lõpul teati, et lehmarõuged läbi põdenud inimesed tõelistesse rõugetesse ei nakatunud. 1796. aastal katsetas seda teooriat Edward Jenner. Ta nakatas üheksa-aastast James Phippsi kõigepealt lehmarõugeviirusega (viirusega meie vaatepunktist, sest viirustest ei teatud tolle aja teaduse arengu kontekstis veel midagi) ja seejärel päris rõugetega. Poiss rõugetesse ei haigestunud. Viroloogia loojaks loetakse Martinus Beijerincki, kuigi Beijerinck ise tunnistas uue haigustekitaja esmaavastajaks Vene teadlast Dmitri Ivanovskit. Beijerinck kordas 1898. aastal D. Ivanovski 1892. aastal tehtud katset. Ivanovski näitas, et tubakataimedel esinevat haigust (mis hiljem sai nime tubaka mosaiikviirus) põhjustav osake pääseb läbi Chamberlandi filtri, mis on peenete pooridega keraamiline filter, mida enamik baktereid oma suuruse tõttu läbida ei saa. Beijerinck, kes jõudis samade tulemusteni järeldas, et tubaka mosaiikviirust põhjustab uut liiki väga väikesemõõduline haigustekitaja, mis on nii väike, et suudab filtri poore läbida ja erinevalt Ivanovskit jõudis Beijerinck tõdemuseni, et haiguse põhjustaja suudab paljuneda ainult (tubakataime) elusrakkudes. Ta nimetas haigustekitaja ladinakeelse nimega Contagium vivum fluidum (nakatav elus vedelik) ja taaselustas sõna "viirus", andes sellele sõnale kaasaegselt kasutatava tähenduse. Viiruste olemasolu oli raske üheselt tõestada, sest nende üliväikeste mõõtmete tõttu pole neid enamasti võimalik valgusmikroskoobi abil vaadelda, erinevalt paljudest bakteritest. Kui bakterid on üldjuhul valguslainete pikkustest suuremad, siis viirused on üldjuhul valguslaine pikkustest väiksemad. (See on põhjus, miks viirusi ei saa valgusmikroskoobiga näha. Selleks, et viirusi otseselt tuvastada, oli vaja jõuda teaduse ja tehnika arenguga sinnamaani, kus sai kasutada röntgenikiiri ja elektronmikroskoopi, selleks kulus veel kümneid aastaid.) Tollel ajal levinud arusaama järgi olid kõik haigused bakteriaalse päritoluga ning Beijerincki teooria ei leidnud teadlaste hulgas laialdast toetust. Hiljem selgus, et taolised filtreeruvad elemendid põhjustavad haigusi ka loomadel ja inimestel. Baktereid nakatavad viirused avastasid Frederick Twort (1911. aastal) ja Felix d'Herelle (1917. aastal), kes nimetas neid bakteriofaagideks. Bakteriofaagide uurimisel tehti edaspidi palju olulisi geneetika-, viroloogia- ja molekulaarbioloogiaalaseid avastusi. Esimesed röntgendifraktsiooni pildid tegi tubaka mosaiikviirusest Wendell Stanley 1935. aastal, muutes sellega võimalikuks viiruste struktuuri uurimise. Aastatel 1948–1955 sai viroloogiast tänapäevane laboriteadus. Sel ajal töötati välja HeLa rakuliin ning leiti meetodid rakukultuuris paljude viiruste paljundamiseks. Viiruse rakkudes levimise matemaatilise baasmudeli pakkus koos kaastöölistega 1996. aastal Martin Andreas Nowak. Baltimore'i klassifikatsioon Sünteetilised viirused Viiruste loend Viroloog Wagner, E. K. and Hewlett, M. J. (2004). Basic Virology, 2nd ed. Blackwell Publishing. ISBN 1-4051-0346-9. Flint, S. J. Enquist, L. W. Racaneiello, V. R. and Skalka, A. M. (2004). Principles of Virology: Molecular Biology, Pathogenesis, and Control of Animal Viruses, 2nd ed. ASM Press, Washington, D.C ISBN 1-55581-259-7. Kutsar, K. (2014). Vaktsiinid ja vaktsineerimine. Vaktsineerija käsiraamat[alaline kõdulink]. 2 trükk. AS Atlex, Tallinn. Fenner, F. (1983). Biological control as exemplified by smallpox eradication and myxomatosis. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 218: 259–285. Debyser, Z. (2003). A Short Course on Virology / Vectorology / Gene Therapy[alaline kõdulink]. Curr. Gene. Ther. 3: 495–499. Alemany, R. (2013). Viruses in cancer treatment[alaline kõdulink]. Clin Transl Oncol 15 (3): 182–188. Schiller, J. T. and Lowy, D. R. (2010). Vaccines to Prevent Infections by Oncoviruses[alaline kõdulink]. Annu. Rev. Microbiol. 64: 23–41. Robbins, P. D. Ghivizzani, S. C. (1998). Vectors for Gene Therapy. Pharmacol. Therapeut. 80 (1): 35–47. Fraenkel-Conrat, H. 1988. Tobacco Mosaic Virus, p. 111–123. In F. Fenner, A. Gibbs (ed.), Portraits of Viruses – A History of Virology, S. Karger AG, Basel. ISBN 3-8055-4819-2. Meštrović, T. History. News Medical. "Some Historical Highlights: Structural Virology and Virology". Originaali arhiivikoopia seisuga 19. oktoober 2016. Vaadatud 12. novembril 2016. "Viroloogia. I osa. Viroloogia alused". Autorid: Aare Abroi, Irja Lutsar, Andres Merits, Erkki Truve. 2021, Tartu Ülikooli Kirjastus. ISBN 9789949038251