Sinh lý bệnh của nhiễm trùng do rotavirus

Rotavirus là một chi trong họ Reoviridae. Hạt rotavirion là một cấu trúc capsid ba lớp, phức tạp và không có vỏ, bao bọc xung quanh bộ gene chứa 11 đoạn RNA. Có 6 protein cấu trúc và 6 protein không cấu trúc. Rotavirus được chia thành các nhóm huyết thanh từ A đến E. Các nhóm từ A đến C gây nhiễm trùng ở người và tất cả mọi nhóm đều có thể gây nhiễm trùng ở động vật có vú. Những thông tin trình bày sau đây liên quan đến nhóm A.

Các tế bào ruột (enterocyte) lót bề mặt ruột non thường được chia thành hai nhóm: tế bào ruột và tế bào hẻm tuyến (crypt cell). Tế bào nhung mao ruột, là những tế bào tế bào trưởng thành và không còn khả năng tăng sinh, bao phủ trên các nhung mao được biệt hóa để thực hiện chức năng tiêu hóa và hấp thu. Các tế bào ruột hấp thu có khả năng tổng hợp một số lượng các disaccharidase, peptidase và các enzyme khác. Các enzyme này hiện diện trên bề mặt tế bào để thuận tiện cho việc thực hiện chức năng tiêu hóa. Hấp thu qua hàng rào cản tiêu hóa được thực hiện cả bằng khuyếch tán thụ động của các chất hòa tan theo gradient điện hóa hoặc thẩm thấu và bằng vận chuyển tích cực. Trong khi một lượng lớn nước được vận chuyển theo gradient thẩm thấu thì các phân tử vận chuyển (transporter) như phân tử đồng vận chuyển Natri-glucose 1 (sodium-glucose cotransporter 1-SGLT1) lại vận chuyển nước đồng thời cùng với các chất hòa tan (20). Biểu mô hẻm lót bề mặt các hẻm là những tế bào tiền thân của tế bào nhung mao ruột. Các tế bào hẻm chưa có các vi nhung mao cũng như các chức năng hấp thu của tế bào nhung mao ruột. Các tế bào hẻm bài tiết tích cực các ion Cl− vào trong lòng ruột. Ở động vật khỏe mạnh, hoạt động phối hợp của tế bào nhung mao ruột và tế bào hẻm tạo nên dòng chảy hai chiều của nước và điện giải đi qua biểu mô ruột. Ở nhung mao, cân bằng này nghiêng về hấp thu, ngược lại ở hẻm tuyến cân bằng này nghiêng về xuất tiết (27).

Hiểu biết của chúng ta về sinh lý bệnh của nhiễm rotavirus có được chủ yếu là nhờ vào các nghiên cứu thực nghiệm trên động vật. Rotavirus nhân lên trong các tế bào nhung mao ruột ở gần đỉnh nhung mao. Điều này gợi ý rằng các tế bào trưởng thành này biểu hiện một yếu tố cần thiết cho sự nhiễm và nhân lên của virus trong tế bào (9). Những tổn thương hầu như chỉ xuất hiện tại ruột non. Sự nhân lên của virus ở đây có thể gây nên những biến đổi nhẹ từ không có tổn thương nào, hoặc tổn thương nhẹ cho đến những tổn thương nặng nề hơn như làm cùn các nhung mao, tăng sản hẻm tuyến. Hiện tượng viêm thường nhẹ nhàng hơn so với các tác nhân gây bệnh khác. Hình ảnh bệnh lý này gợi ý rằng không có sự tương quan giữa tổn thương mô học với triệu chứng lâm sàng của bệnh.

Nhiễm rotavirus làm thay đổi chức năng của biểu mô ruột non gây nên tiêu chảy. Tiêu chảy thường được cho là do kém hấp thu thứ phát sau tổn thương tế bào ruột (17). Ngoài tổn thương tế bào ruột, sự hấp thu Na+, nước và các disaccharidase niêm mạc cũng giảm sút (6, 15) trong khi đó AMP vòng của niêm mạc dường như không bị ảnh hưởng (11). Kém hấp thu làm cho các mono- và disaccharide, carbohydrate, mỡ và protein không được tiêu hóa đi vào đại tràng. Thức ăn không được tiêu hóa hoàn toàn này có áp lực thẩm thấu tăng và đại tràng không có khả năng hấp thu nước thỏa đáng gây nên tiêu chảy thẩm thấu (14). Tiêu chảy cũng có thể là hậu quả của tổn thương biểu mô ruột do thiếu máu cục bộ nhung mao (30). Trong nhiễm rotavirus, lượng prostaglandin E2 (PGE2) tại ruột cũng tăng lên gây kích thích xuất tiết (41). Protein không có chức năng cấu trúc của virus NSP4 có hoạt tính giống như độc tố ruột gây nên tiêu chảy (2, 13, 40). NSP4 enterotoxin có thể gây tiêu chảy ở những vị trí ruột bị tổn thương nhẹ hoặc không bị nhiễm virus (21, 22, 23). Như vậy tiêu chảy do virus do nhiều nguyên nhân khác nhau gây nên: tác động trực tiếp của nhiễm virus, tác động gián tiếp của nhiễm trùng cũng như đáp ứng của cơ thể vật chủ.

Quá trình gây nên tiêu chảy khởi đầu khi virus gắn vào và gây nhiễm tế bào ruột. Quá trình gắn này được điều hòa bởi sự tương tác với các phân tử thụ thể chứa sialic acid và không sialyl hóa. Virus đi vào nội bào theo một cơ chế chưa biết rõ và mất đi capsid bên ngoài làm hoạt hóa transcriptase cũng như men synthetase các đại phân tử của virus. Quá trình nhân lên của virus làm tăng giải phóng Ca2+ từ mạng lưới nội bào tương, kích hoạt một số quá trình của tế bào bao gồm đứt gẫy hệ thống nâng đỡ tế bào (cytoskeleton), giảm biểu hiện các men disaccharidases cũng như một số men khác trên bề mặt tế bào, ức chế hệ thống đồng vận chuyển Na+ và cuối cùng là hoại tử tế bào.

Sự giải phóng NSP4 từ các tế bào nhiễm virus có hiệu ứng cận tiết (paracrine effect) lên các tế bào không nhiễm virus lân cận. NSP4 cũng làm tăng giải phóng Ca2+ từ hệ thống lưới nộ mô ở các tế bào này với hậu quả như mô tả ở trên. Nếu NSP4 tác động lên tế bào ruột, nó sẽ phá vỡ các khớp nối chặt (tight junction) giữa các tế bào gây nên tình trạng tăng thấm ngoài tế bào. Nếu NSP4 tác động lên tế bào hẻm, hậu quả là Ca2+] nội bào gây nên tăng tiết ở tế bào này thông qua sự hoạt hóa phân tử vận chuyển Cl−. NSP4 tiết cũng như các phân tử khác từ tế bào bị nhiễm nhiễm virus có thể kích thích các tế bào thần kinh ruột góp phần vào bệnh sinh của tiêu chảy.

Kém hấp thu. Nguyên nhân kém hấp thu trong tiêu chảy do rotavirus có thể là do nhiễm trùng tiên phát của virus này. Nhiễm trùng các tế bào nhung mao ruột kích hoạt các phản ứng liên quan đến Ca2+. Cớ chế mất hằng định nội môi này của Ca2+ là do các protein virrus (12, 25). Tăng nồng độ Ca2+ bào tương Ca2+ kích hoạt một loạt các sự kiện cuối cùng đưa đến ly giải tế bào (33). Giảm số lượng tế bào có chức năng sẽ gây nên giảm hấp thu.

Rotavirus cũng có những tác động khác lên tế bào ruột góp phần vào cơ chế kém hấp thu. Nhiễm rotavirus cũng làm tăng nồng độ Na+ và giảm nồng độ K+ nội bào. Hậu quả của thay đổi này là làm giảm hấp thu NaCl trung tính về mặt điện tích cũng như giảm hấp thu các chất dinh dưỡng có gắn Na+ gây nên hiện tượng mất dịch (26). Rối loạn điều hòa nồng độ Na+ nội bào có thể liên quan đến sự ức chế các hệ thống đồng vận chuyển Na+ hòa tan (16). Nhiễm trùng cũng có thể làm giảm biểu hiện các enzyme trên bề mặt của các tế bào ruột như alkaline phosphatase, lactase, sucrase và maltase (3, 8, 11).

Rotavirus cũng cảm ứng tế bào biểu mô ruột bài xuất chemokine. Điều này gợi ý rằng các chemokine tế bào ruột đóng vai trò khởi động đáp ứng miễn dịch đối với nhiễm trùng (5, 36, 37).

Tăng tiết. Yếu tố tăng tiết của tiêu chảy do rotavirus dường như là thứ phát sau những thay đổi chức năng của biểu mô nhung mao gây nên do virus. Đóng vai trò trung tâm trong hiện tượng tăng tiết này là NSP4 và hệ thần kinh ruột (ENS). Vai trò cũng như đích tác động chính xác của NSP4 chưa được biết cụ thể. NSP4 có thể chỉ đơn thuần khuyếch đại các tác động của nhiễm trùng trên biểu mô ruột. Tuy nhiên nó cũng có thể tác động lên tế bào hẻm tuyến. Tại đây nó làm tăng nồng độ Ca2+ nội bào, hoạt hóa bài tiết Cl− và làm tăng luồng nước đi vào lòng ruột. Sự bài tiết Cl− này được biết là không liên quan đến kênh Cl- phụ thuộc AMP vòng (cAMP-dependent Cl− channel) của tế bào hẻm tuyến (1, 28). Một đích tác động khác của NSP4 tiết là ENS. Hệ thần kinh này cũng là đích tác động trong tiêu chảy do tả (22). Hệ thần kinh ruột rất phong phú ngay bên dưới biểu mô nhung mao ruột và do đó nó nhận những kích thích từ biểu mô bị phá hủy do rotavirus. Việc sử dụng một số tác nhân dược lý để ức chế quá trình kích thích ENS (lidocaine, tetrodotoxin và mecamylamide) làm giảm một cách đáng kể hiệu điện thế xuyên màng trong tổ chức ruột bị nhiễm rotavirus và làm giảm xuất tiết và tăng hấp thu (22).Ở động vật bị nhiễm rotavirus, sử dụng lidocain liều lập lại làm giảm đáng kể hiện tượng mất dịch. Như vậy rõ ràng là hệ thần kinh ruột được hoạt hóa trong quá trình nhiễm rotavirus. Điều này giải thích vì sao một lượng tương đối ít tế bào ở đỉnh nhung mao bị nhiễm virus lại có thể kích thích tế bào hẻm tuyến tăng tiết nước và điện giải (22). Tương tự, sự giải phóng các chemokine và prostaglandin bởi các tế bào ruột có thể kích thích ENS. Theo hiểu biết hiện nay thì ENS và NSP4 dường như đóng vai trò chính trong đáp ứng tăng tiết đối với nhiễm trùng do rotavirus.

Thiếu máu cục bộ nhung mao ruột. Mặc dù tổn thương biểu mô ruột ở chuột nhiễm rotavirus là rất nhẹ nhàng nhưng cũng có một số nghiên cứu cho thấy có hiện tượng thiếu máu cục bộ nhưng mao (30, 38). Giả thuyết đưa ra là có thể tiêu chảy được gây nên bởi một chất hoạt mạch nào đó được giải phóng do biểu mô ruột bị nhiễm virus, gây nên thiếu máu cục bộ nhung mao ruột và tổn thương chức năng tế bào ruột (31). Tuy nhiên thiếu máu cục bộ không thấy trên các mô hình thực nghiệm khác do vậy cơ chế này vẫn chưa được khẳng định chắc chắn.

Tăng nhu động ruột. Trong một số nhiễm trùng do rotavirus có biểu hiện tiêu chảy, nhu động ruột tăng lên đáng kể. Thời gian thức ăn lưu thông trong lòng ruột giảm rõ trong nhiễm rotavirus chứng tỏ có tăng nhu động ruột (26). Thông thường, hệ thần kinh ruột kiểm soát nhu động nhưng chất kích thích ở mức phân tử còn chưa được rõ. Các chất này có thể là một hoặc nhiều chất kích thích ENS như đã nói ở trên.

Tóm lại, tiêu chảy do rotavirus là một bệnh lý do nhiều cơ chế khác nhau cùng tham gia. Trong đó, kém hấp thu và tăng tiết là hai cơ chế được xác định rõ ràng. Các chất điều hòa của quá trình sinh lý bệnh này có thể bao gồm nhiều tác nhân khác nhau từ tổn thương tế bào tiên phát đến các peptide gây nhiễm độc tiêu hóa của virus và sự tương tác với hệ thần kinh ruột gây nên do nhiễm virus.

Rất nhiều báo cáo lâm sàng ghi nhận rằng rotavirus có thể tìm thấy ở nhưngtx vị trí bên ngoài đường tiêu hóa. Người ta vẫn chưa rõ là virus nhân lên và gây nhiễm trùng tại các vị trí này hay chỉ hiện diện một cách thụ động trong máu hay đó chỉ là do nhiễm trong quá trình lấy mẫu. Các vị trí bên ngoài đường ruột thường gặp có thể kể là gan, đặc biệt trong trường hợp bệnh nặng nề gây tử vong (4). Men gan tăng có liên quan đến nhiễm virus (19) và những bằng chứng về sự hiện diện của virus tại gan và thận ở một trẻ suy giảm miễn dịch. Biểu hiện thần kinh của nhiễm rotavirus ở một số trẻ xuất hiện đồng thời co giật và tiêu chảy do rotavirus. Người ta vẫn không xác định được chắc chắn là hệ thần kinh có bị nhiễm virus hay không, tuy nhiên cũng có một nghiên cứu gợi ý mạnh mẽ rằng những biểu hiện này là do nhiễm trùng hệ thần kinh trung ương bởi rotavirus (24). Trong một số nghiên cứu gần đây, người ta phát hiện thấy kháng nguyên rotavirus ở cơ tim những bệnh nhân tử vong do nhiễm virus (7) và các nghiên cứu in vitro cho thấy virus có khả năng nhân lên trong tế bào đảo tụy. Quan sát này phù hợp một các nghiên cứu khác cho thấy với sự liên hệ về thời gian giữa nhiễm trùng do virus và sự xuất hiện của các tự kháng thể tiểu đảo tụy (10). Những báo cáo này chứng tỏ rõ rằng nhiễm virus có thể có những hậu quả toàn thân, tuy hiếm.

Ở nghiên cứu thực nghiệm, sau khi gây nhiễm bệnh bằng đường miệng, virus có thể lan tràn đến các vị trí khác như lớp chính danh (lamina propria) của niêm mạc ruột, mảng Peyer, các hạch bạch huyết mạc treo, phổi, gan, thận và đường mật (9).

Ở chuột thực nghiệm, người ta có thể phân lập được virus ở gan trong trường hợp viêm gan lan tỏa sau nhiễm rotavirus. Những chuột sống sót có thể phát triển bệnh gan mạn tính (35, 39). Đôi khi virus cũng được phân lập ở gan trong trường hợp bệnh nhẹ (39). Khả năng lan tràn của virus đến gan và gây viêm gan phụ thuộc vào chủng virus (18, 34).

Trong một nghiên cứu hồi cứu, 22 trong 33 (66%) mẫu huyết thanh của các trẻ nhiễm rotavirus có kháng nguyên rotavirus dương tính. Trong một nghiên cứu trên ba trẻ tử vong do nhiễm rotavirus, hai trẻ có RNA rotavirus ở các tổ chức bên ngoài ống tiêu hóa như lách, tim, thận, tinh hoàn, bàng quang, tuyến thượng thận và tụy. Các nghiên cứu trên động vật thực nghiệm cũng khẳng định tình trạng nhiễm virus huyết như đã thấy ở người.

Các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên cho thấy rằng tình trạng nhiễm virus huyết gần như luôn luôn hiện diện ở trẻ em và động vật thực nghiệm. Tuy nhiên những bằng chứng trên cũng cho thấy hậu quả toàn thân của nhiễm virus huyết là hiếm gặp.

Rotavirus thường gây nhiễm trùng đường tiêu hóa và gây nên bệnh tiêu chảy ở trẻ em cũng như động vật có vú nhỏ tuổi. Sinh lý bệnh của tiêu chảy di rotavirus rõ ràng là do nhiều yếu tố. Cơ chế kém hấp thu là do tổn thương tiên phát biểu mô ruột do virus và do tác động của độc tố ruột của virus (NSP4). Những tác động trên biểu mô ruột chủ yếu thông qua cơ chế rối loạn điều hòa hằng định nội môi của Ca2+ trong tế bào biểu mô ruột. Cơ chế tăng tiết của tiêu chảy do rotavirus dường như là hậu quả của sự kích thích hệ thống thần kinh ruột. Phương thức hoạt hóa hệ thần kinh ruột chưa được biết rõ nhưng có thể là do NSP4 tiết hoặc do các chemokine cũng như các yếu tố khác được giải phóng từ tế bào biểu mô bị nhiễm virus. Ở các tế bào hẻm tuyến thì cơ chế tăng tiết cũng là do rối loạn điều hòa nồng độ Ca2+ nội bào. Đến nay chúng ta đã biết được rất nhiều về sinh học phân tử của bệnh tiêu chảy do rotavirus. Tuy nhiên vẫn còn rất nhiều công việc phải làm để có thể hiểu một cách tường tận cơ chế sinh bệnh của virus này.