Coronaviridae와 포유 동물에서 Coronavirus 감염 (MHV, 강아지 코로나 장염CCoV, 고양이 전염성 복막염 FIP)

Coronaviridae는 Nidovirales order의 한 family이다. 그리고 크게 두 가지의 genera로 나뉘는데, Coronavirus, Torovirusd이다. Coronavirus는 많은 양의 pathogen을 가지고 있으며, 각각 다양한 질병양상을 나타낸다. (예를 들면 폐렴, 생식기 장애, 장염, 간염, 뇌척수염 등이 있다.) 이러한 Coronavirus의 감염은 많은 포유류 및 조류에서 나타나는데 많은 감염증이 무증상으로 나타나곤 한다. 사람의 Coronavirus 감염증에는 zoonosis인 SARS, 최근 전 세계를 강타한 COVID-19등이 있다. Torovirus는 equine에서 질병을 유발하나, 언급하지 않을 예정이다.

 

Properties of Coronaviruses (Coronavirus의 특징)

 

ⅰ. pleomorphic, spherical 하며 크기는 80~220nm, enveloped, peplomer라 불리는 clup shaped spike가 존재

ⅱ. 20면체의 internal core structure를 가지고 있으며 이 안에는 helical nucleocapsid가 있음.

ⅲ. +ssRNA를 유전정보로 가지고 있으며, 이는 바로 mRNA로 사용 가능하다.

ⅳ. 바이러스 구조 단백질로는 spike glycoprotein(S), transmemvrane glycoprotein(M, E), nucleoprotein(N)가 있으며 몇몇 바이러스에게선 hemagglutinin esterase(HE)가 발견된다.

ⅴ. virus는 cytoplasm에서 증식한다.

ⅵ. virion은 ER(endoplasmic reticulum, 소포체)에서 budding 합니다(envelope 획득). 이후 exocytosis에 의해 세포 밖으로 방출된다.

 

Classification

Coronavirus 속은 유전적, 혈청학적 특징에 따라 여러 가지 group으로 나뉘는데, 1a,1b,2a,2b,3으로 구분된다. 이는 coronavirus가 필요한 유전 정보 외에 부가적인 단백질을 encoding 하고 있으며 이런 단백질이 그룹별로 homologous 한 특징을 가지고 있기 때문이다. 각 그룹에서 대표적인 감염증을 정리해 보면 다음과 같다.

Coronavirus	disease/symptom	transmission/diagnostic specimen	prevention/ control
Group 1a
Feline enteric coronavirus (feline infectious peritonitis virus, 고양이 전염성 복막염)	복막염, 폐렴, 소모성 증후군, 만성 fever, 체중감소, 복부팽만, CNS 증상, 수막뇌염, anophthalmitis	직접 접촉, 모체가 햝는등의 fecal-oral 경로, 분변, 혈액, 체액	검역, 높은 수준의 청결을 요함
Group 1b
Porcine epidemic gastroenteritis virus (PED, 돼지유행성설사)	장염, 수양성설사, 구토, 탈수	fecal-oral	모돈에게 vaccinate
Group 2a
Mouse hepatitis virus(MHV)	장염, 간염, nephritis	aerosol, direct contact	도태, 방지를 위해 검역 실시
Group 2b
SARS	severe acute respiratory syndrome	aerosol, serum, fecal-oral	검역, 환자와의 분리
Group 3
Avian infectious bronchitis virus (IB, 전염성 기관지염)	기관기관지염, nephritis, 수포음, 달걀 생산량 감소	aerosol, 분변에 오염된 사료섭취	불활화 백신

Coronavirus는 "nested set"의 전사 방식을 선택하는데,  한 가닥의 mRNA에서 3'-coterminal subgenomic mRNA를 만들어 연속 전사를 한다.(discontinuous transcription) 이런 특징적인 전사 방식으로 인해 다른 바이러스들과 coronaviridae가 구분, 분류된다.

 

Virion properties

Coronaviridae는 envelped, 20~220nm의 크기로 pleomophic 하지만 주로 spherical(구형)의 모양을 띈다. Coronavirus는 큰(20nm) club-shaped spike(peplomer)를 표면에 가져 특유의 왕관 형태를 가진다. 이런 외형 속에 이십면체의 internal core structure를 가지며 이 안에는 helical nucleocapsid가 들어있다.

몇몇 Coronavirus는 peplomer보다 짧은 spike를 가지는데 일명 hemagglutinin(혈구응집소)으로 불린다. 

Coronaviridae의 family는 positive ss RNA를 유전정보로 가지며, non-segmented RNA 중 가장 큰 단일가닥을 가지는 바이러스이다.

major virion(비리온)은 nucleocapid protein(N)과 다양한 envelope/spike protein이다.①major spike glycoprotein, (S) ②triple-spanning transmembrane protein(M) ③minor transmembrane protein(E) 바이러스의 중화항체는 바이러스 표면에 존재하는 S protein에 주로 결합한다. 세포성 면역은 S, N protein을 표적으로 한다. 

MEM: lipid membrane, S: spike protein, M: large membrane protein, E: semall envelpe protein, HE: hemagglutinin-esterase, N:nucleocapsid protein, CS:core-shell, NC: nucleocapsid

Virus replication

코로나바이러스의 숙주 특이성은 receptor binding과 세포로의 감염을 주도하는 S protein에 의해 결정된다.  각각의 코로나바이러스는 group에 따라 다양한 단백질을 receptor으로 사용한다. 이렇게 세포 내로 들어온 coronavirus의 복제 system은 복잡하다.

첫 번째로, Coronavirus는 당장 mRNA로 사용이 가능한 + ssRNA를 보유하고 있어 이를 통해 바로 RNA dependent RNA polymerase를 합성한다. 바이러스의 유전자에는 두 개의 ORF(open reading frame)가 있으며 이들에 의해 polymerase가 합성된다. 이 효소에 의해 상보적인 RNA가 합성되는데, 여기에는 전체 길이만큼(full length)의 상보 가닥뿐 만 아니라, N말단 부위는 같은 "nested"한 mRNA 또한 합성된다. 이는 리보솜의 격자 이동(frame shift)에 의해서 일어나며, 한가닥의 RNA에서 보다 많은 단백질을 합성하는 전략이라고 볼 수 있다.

Coronavirus의 envelope은 ER에서 획득한다.

 

MHV

 

이름과 달리, Mouse hepatitis virus는 일반적으로 간염을 유발하지 않으며 매우 넓은 조직 친화성 (즉, 다양한 장기에 영향을 끼침) 을 가진다. MHV는 크게 두가지로 나뉠수 있다.

 

1.Enterotripic MHV : entric epithelium에 감염되며 virulence가 높음. lethal intestinal virus of infant mice(이하LIVIM)이라 불리움.

2. Polytropic MHV : 혈액 내피, 림프조직, 조혈기구, 간, CNS등에 다발적인 친화성을 가지고 있다. tissue tropism이 넓으므로 다양한 세포주에서 분리되며 common하게 hepatitis가 발병한다.

 

MHV의 strain은 다양하지만 변이가 자주 일어나며, mouse colony내에서 recombine이 되기 때문에 명명법에 유효성이 없다고 알려져 있다.

 

Morphologic features of MHV : MHV는 Coronavirus group 2a 에 속하는 유동성이 있는 , 구형의 envelope이 있는 ssRNA virus로 peplomer를 가지는 바이러스 이다. strain에 따라서 virurent와 tissue tropism이 다양하게 나타난다. MHV는 섭씨60도 에서도 생존가능하며, 영하70도씨에서도 생존한다. 약산성에서 더 오래 생존할 수 있으며, 낮은pH농도에서도 생존이 가능하여 장관을 통해 감염이 일어나기도 한다. 바이러스의 불활화를 위해선 섭씨56도에서 30분간 가열해주거나, 에테르, chlorform계열의 소독제를 이용하여야 한다.

 

Means of spread

주요 transmission 경료는 oral-nasal입니다. 직접접촉(bedding, fece)에 의해서도 전파되며, 수직감염은 보고된 바가 없으나 모체의 serum, tissue, tumor등에 의해 감염 가능하다.

natural infection은 mouse에서 유일하며, clinical picture은 genotype, age, route에 따라 다양하다. BALB/C,C57BL은martality 높고 C3H는 낮은편이라고 한다.

nude mouse에서 hepatitis 없이 소모성질병을 일으킨다.

 

Morbidity, Mortlaity : outbred mouse에서 유병률, 치명률이 낮은 편이며 inbred mouse의 경우에는 genotype에 따라 질병의 경과가 다양하게 나타난다.

 

Clinical features and epidemiology

Enterotropic strain: 매우 유병률이 높으며 포유중인 mouse에서 치사율이 100%에 이른다. 임상적인 질병은 어린 개체에 국한되는 편이다. 질병은 빠르게 진행되며 virus 감염후 24~48시간 내에 사망하기 시작한다. 일정 나이 이상의 새끼들은 질병을 앓더라도 회복하기도 하며, adalt또한 감수성이 있긴 하지만 주요한 질병의 특징으로 분류되긴 어려운 정도이다. 새끼들의 경우 모체이행항체에 의해 보호받기도 한다. epizootic한 질병으로 분류된다.

Polytropic strain: 유병률이 덜하고 포유 새끼들의 직접 접촉에 의해서 퍼져나간다. 임상증상이 다양하게 나타나며 이는 genotype, age, virulence에 의해 결정된다. 포유중인 mouse의 경우 면역 체계가 완벽하지 않으므로 감수성이 있다. 임상적으로 불현성을 대체로 나타낸다. enzootic한 질병으로 분류되기 때문에 임상증상이 없는 채로 감염을 유지하는 경우가 많다. 하지만, 면역결핍 mouse의 경우(특히 Tcell의 기능이 저하되어있는 경우) 소모성질병, 신경증상등이 나타나며 mortality가 증가한다.

 

enterotopic strain의 경우 임상증상이 육안으로 관찰되므로, 현재 실험동물을 사육,관리 하는 곳에서 발견되는 MHV는 불현성감염을 나타내는 polytropic strain일 가능성이 높다.

Pathology & pathogenesis 

Enterotropic strain: selectively infect enterocyts. 출생한지 얼마 안된 새끼의 장관 상피세포는 분열 및 증식이 빠르지 않아 rapid한 cytolysis가 발생한다. 소화관 상피에서 합포체를 관찰할 수 있으며, 병변은 소장말단, 충수, 대장의 앞부분에서 발견된다. 포유중인 mouse에선 설사가 관찰된다. 나이를 먹을수록, 장관 상피세포 분열능력이 증가하여 epithelium의 hyperplasia가 관찰되며 점액물질이 많이 배출하거나 흡수가 억제되기도 한다. 하지만, 임상증상은 어른쥐에서 거의 나타나지 않는다.

polytropic strain : 우선적으로 respiratory epithelium에서 증식한다. 병변은 나이, genotype, 바이러스의 genotype에 따라서 결정된다. 신경친화적인 strain의 경우 olfactory epithelium에 감염된다. (신경 친화적인 strain은 MHV-4, JHM이다.) 이를 제외한 대부분의 경우에는 혈관을 통해 viremia 가 일어나고, 간, 림프조직, 조혈조직등에 이동하여 병변을 일으킨다. 가장 특징적인 병변은 간의 multiple focie of acute necrosis이다. 이외 합포체가 parenchma, 혈관내피세포, 뇌, 간, 조혈조직 등에서 발견된다. 면역결핍쥐에게선 만성 소모성 질병이 나타나는 것이 특징이다.

 

Interference with research

Immucompromised mice:

necrotic changes in liver,lungs,spleen, intestines, brain, lymphnodes, bone marrow

enzyme activities가 altered, bilirubin concentration,

enhanced phagocytic activity of macrophages

rejection of xenograft tumors

impaired liver regeneration

Immunocompetent mice

death

thymic involution(퇴화)

transient immunostimmulation

decrease of antibody secretion, phagocytic activity, regeneration of liver, blood cell production

increased uptake of ingection iron

altered hepatic activity

 

Diagnosis : acute fatal infection은 특정 병변(간,간장,비후두)으로 진단한다. IFA와 ELISA를 이용하여 진단한다.

MHV가 양성으로 나타나는 IFA 슬라이드, 세포질에 형광이 관찰된다.

비특이 반응이 일어난 MHV IFA slide, 세포핵에도 염색이 되어있다.

Prevention & control : 감염된 곳을 방문 한 사람은 출입금지이다. 가장 확실한 방법은 colony 자체를 cull 하는 것이다. MHV는 worldwide한 질병이다. infection은 예방 방지가 어렵다. isolator, filter caps on cages, 양압환경 등이 예방에 효과적이며 엄격하게 관리해야 한다. 백신사용은 불가능하다. 

특히 SPF mouse에서 철저히 관리되어야 한다. 주기적인 혈청학적 monitoring과 sentinel animal(특히 면역결핍쥐에서)을 활용하여야 한다. c-sac을 하거나 수정란이식, 검역을 통해 관리해야한다.

MHV에 감염된 경우 실험동물의 가치는 급감한다. 대사및 유전자 발현에 영향을 미치는데다 바이러스의 변이가 지속적으로 일어나기 때문에 실험의 재연성이 떨어지고, 데이터의 신뢰성 또한 낮아진다. 여기에서 발생하는 의문점들이 있다,

 

첫번째, 같은 사육실 내에 있는 rat은 감염이 되지 않을까요? MHV는 mouse에게서만 자연감염 되기 때문에 rat에게서 발병하지 않으나, 한 사육실 내에 여러 종류의 동물을 사육하는 것은 권장하지 않으며 같은 공간내에 있는 rat이 물리적으로 감염에 영향을 끼칠 수 있다는 점을 인지하고 있어야 한다.

두번째, 만약 대조군과 실험군 모두가 MHV에 감염되어 있으면 실험 결과에 신뢰성이 있지 않을까요? MHV는 strain이 다양하고 변이가 자주 일어나기 때문에, 재연성을 보장할 수 없으므로 정확한 결과값이라고 할 수 없다.

세번째, 유전에 관한 연구를 하고 있는데, MHV와는 상관이 없으므로 그냥 실험에 사용해도 되지 않을까요? MHV로 인한 생리적인 변화등이 gene expression에 영향을 주지 않는다는 보장이 없다.

 

Canine Coronavirus

개에게서 코로나바이러스 감염은 최근에 여러가지 strain이 분리되어서 호흡기에 영향을 끼치는 코로나 바이러스와 다장기 친화성을 보이는 코로나 바이러스로 나뉘어졌으나, 경비한 장염을 일으키는 것이 대표적이라 일반적으로 '코로나장염'으로 알려져 있다. 최근 들어서도 계속된 변이가 관찰되는것이 특징이다.

 

개에게서 코로나 장염은 전세계적으로 분포해있다. 여우, 라쿤, 고양이에게서 비슷한 group1 Coronavirus가 분리된 바 있다. 강아지 코로나 장염은 다른 코로나바이러스가 일으키는 장염과 유사하게 분열중인 세포에 감염하여 이루어진다. 따라서 장관 상피세포의 부재로 인해 설사가 발생한다. 

 

CCoV는 위장의 산성환경에 저항성이 있어 위산장벽을 통과하며, 십이지장의 장세포에 감염된 다음, 소장의 다른 부우로 급속하게 확산된다. 바이러스 혈증이 일어나지 않는것이 특징이다. 심한 병증은 어린 강아지에게서만 나타나지만 폐사율은 낮은 편이다.

 

불활화백신과 약독화생독백신이 상용화 되어 있다.

 

Feline Coronavirus

고양이의 코로나바이러스 감염은 흔히 '고양이 전염성 복막염, FIP'로 알려져 있다. 이는 고양이에게서 폐사율이 높은 질병중 하나이다. 고양이 전염성 복막염에 대한 완벽한 병리기전은 아직 밝혀지지 않았다. 가장 보편적으로 받아들여지는 이론은 고양이에게 불현성으로 감염되어있던 코로나바이러스에 변이가 일어나서 질병이 야기된다는 이론이다. 코로나 바이러스는 group 1a에 속하며 2가지 혈청형을 가지고 있다. 두가지 혈청형 모두 복수가 차는 'wet'형태의 복막염이나 복수가 차지 않는 'dry'형태의 복막염을 발생시킬수 있다. 

Clinical features and epidemiology

Feline infectious peritonitis는 흔히 발생하는 진행성 질병이다. 질병은 어리거나, 매우 나이가 많은 개체에서 발병하는 경향이 있다. 초반의 임상 증상은 만성으로 발생하는 발열, 체중감소, 불안호소 등이 있다. 시력이나 신경계통의 문제 또한 발생할 수 있다. 'wet'형태의 고양이 전염성 복막염이 발생하는 경우 복수로 인해 배가 부풀어 오르는것을 볼 수 있다. 'dry'형태의 FIP는 더 천천히 진행되는 경향이 있다.

Pathogenesis and Pathology

FIPV감염이 항상 병증을 유발하는 것은 아니며 9마리중 1마리가 발병하는 것으로 알려져 있다. Phagocyte에 감염하여 증식하는 것으로 알려져 있고, 이로인해 면역매개성 혈관염이 발생한다. 항체로 인한 면역 반응은 오히려 병증을 더 악화시킨다. 

삼출형(wet)의 경우 투명~연노랑의 복수, 흉수가 저류된다. 섬유소에 의해 장기 표면에 막이 형성되기도 하며, 화농성 육아종이 생긴다.

비삼출형(dry, non-effusive) 복수, 흉수가 없다. 약 3분의 1의 고양이에게서 눈과 신경계 병변이 관찰된다.

Diagnosis

항체 검사로 ELISA등이 수행될 수 있다. 하지만 항체 형성이 안되거나 낮은 농도로 존재할수도 있기 때문에 혈청학적 진단 방법은 모호한 결과를 낳을수 있기 때문에 조직 대식구에서 FCoV항원을 증명하는 것이 가장 정확한 진단 방법이다. 

일반 병원에선 effusive 형의 FIP감염에 대하여 복수의 감마글로불린 함량을 측정하여 가진단 내릴수 있다. 

Prevention and Control

임상증상이 발병한 고양이는 면역억제제와 항염증제제 투여로 질병의 진행을 늦출수는 있으나 결국 폐사한다. 따라서 바이러스 음성 축군을 유지하는 것이 가장 좋은 예방 방법이다. 백신이 시판되고 있으나 아직까지는 해결해야 할 문제로 남아있다. 백신 접종시 발증이 빨라진다는 보고가 있으므로 유의해야 한다.