01 января 2016г.
Прионы вызывают инфекционные спонгиформные нейродегенеративные заболевания у человека и других видов млекопитающих. Первой, описанной еще в 1732 году, прионной болезнью стала почесуха овец (scrapie). Затем уже в начале 20 века Крейтцфельдтом и Якобом была открыта нейродегенеративная патология у людей, и была названа их именем. Позже, в 1936 Герстман, Штраусслер и Шейнкер описали синдром, характеризующийся атактическими расстройствами. В 1957 Гайдушек и Зигас подробно изучили болезнь куру новозеландского племени форе и доказали её трансмиссивность. Наконец в 1979 итальянским врачом Ройтером была открыта фатальная семейная инсомния. Таким образом к 80-м годам были подробно изучены все прионные болезни, их клиника, патолого-анатомическая картина, однако не было абсолютно никакой информации о этиологии и патогенезе этих тяжелых заболеваний, пока в 1982 Прузинер не выдвинул и доказал свою теорию о существовании нового инфекционного агента - прионов.
Итак, что же такое прионы? Это белки, а точнее патологические изоформы нормального белка мембраны нейрона (PrPC), который предположительно участвует в коммуникации между клетками, и связан с дофаминергической системой[2]. По сути это тот же белок, который по каким либо причинам неправильно свернулся в третичную структуру(PrPSc), связанный с молекулами кофакторами (липидами), усиливающими патогенность. На данный момент известно 8 вариантов такого скручивания или штаммов (strains): MT-C5, Hy, Sc237, SHa(Me7), 139H, SHa(RML), Me7-H. Среди них выделяют протеазоустойчивые (rPrPSc) и протеазочувствительные (sPrPSc). Также каждый штамм отличается от другого временем инкубационного периода, выраженностью иммунного ответа и другими фенотипическими свойствами[5]. Структура прионов точно до сих пор не воспроизведена, известно лишь, что в отличие от альфа-спиральной структуры PRPC они имеют структуру бета-складчатости, а вот функции достаточно изучены. Так группа исследователей, изучая прионы дрожжей, выявили, что они не только выключают функцию нормального белка, но и вносят определенный вклад в адаптацию к меняющимся условиям[10]. То есть по сути авторы предлагают взгляд на прионы как на альтернативный способ передачи и хранения наследственной информации, который в свою очередь также как и гены могут претерпевать мутации, приводя к фенотипической изменчивости, но не через первичную, а через третичную структуру белка. Однако вернемся к человеку, каковы механизмы проявления прионовой информации?
Существует три пути возникновения прионов в организме: спорадический, генетический и трансмиссивный. Первый и второй связаны с мутацией гена PRNP, локализованного в 20-й хромосоме, соответственно случайной и наследственной. Причем, от места мутации зависит болезнь, которой страдает человек: болезнь Крейтцфельдта-Якоба связана с мутациями в кодонах 178, 180, 183, 200, 208, 210 и 232; синдром Штраусслера-Шейнкера 102 кодон; семейная фатальная инсомния 129 и 178 кодоны . Третий тип, трансмиссивный связан с наличием прионов в пище, например мясо больных коров, медицинскими манипуляциями инфицированными инструментами, в результате повышенной устойчивости прионов к стерилизации, а также переливанием зараженной крови и пересадкой органов. Итак, попав тем или иным путем в ЦНС, прионы начинают размножаться. PrPSc влияют на конформацию PrPC превращая его в патогенную изоформу (то есть в себя), которые затем объединяются в фибриллы, накапливаясь в таком виде клетке. Причем рост фибриллы зависит от концентрации солей натрия, он максимально выражен при высоких и низких концентрациях[14]. Также важно присутствия холестерина, который, предположительно, образуя липидные скопления(lipid rafts) является платформой для изменения конформации[12]. Накопление прионовых аггрегаций вызывает гибель нейронов, приводящую к формированию вакуолей и заместительному астроглиозу. Однако организм способен частично тормозить процессы роста прионовых фибрилл. Одним из механизмов такого торможения является микроглия, активирующаяся хемокиновой системой Cx3cl1/Cx3cr1. Группа исследователей доказала, что патология данной системы укорачивает инкубационный период болезни у мышей[9]. Тем не менее адекватной реакции в любом случае не происходит и прионы, разрушая клетки мозга, вызывают спонгиморфную энцефалопатию, придающую ткани под микроскопом вид губки.
Разрушение нейронов обуславливает появление клиники. Симптомы зависят от места активности патологического процесса и вместе характеризуют ту или иную болезнь из выше упомянутых. Так при локализации преимущественно в коре больших полушарий на первый план выходит прогрессирующая деменция, к которой затем присоединяются зрительные нарушения, миоклоническая активность и мозжечковые расстройства. Такая картина характерна для болезни Крейтцфельдта-Якоба. Синдром Штраусслера - Шейнкера характеризуется поражением преимущественно мозжечка, то есть основной симптом - мозжечковая атаксия. Семейная фатальная инсомния проявляется инкурабельной бессонницей, связанной с поражением ядер таламуса. Интересно, что эти три заболевания обусловлены мутациями в разных кодонах гена PRNP, о чем сказано выше, и что теоретически можно связать с разной локализацией основного спонгиморфного процесса. Тогда как болезнь куру, ятрогенный и новый варианты болезни Крейтцфельдта-Якоба, являясь инфекционными формами, когда прионы попадают в мозг лимфогематогенно, всегда связаны с мозжечковыми расстройствами, к которым присоединяются другие. Значит можно предположить об определенной роли мозжечка в распространении прионов в головном мозге.
Вот, вкратце, то что известно на данный момент о прионах и болезнях, которые они вызывают. После почти что века изучения этой темы перед медицинской наукой по-прежнему стоит проблема понимания в первую очередь молекулярного патогенеза прионных заболеваний, его тонкостей, которые позволят в будущем успешно диагносцировать и лечить их. В настоящем, движение в этом направлении уже началось. От данных параклинических исследований медицинская наука переходит к тестам, показывающим присутствие прионов в организме еще до проявления клиники. На данный момент диагноз, например болезни Крейтцфельдта-Якоба, выставляют на основании данных клинической картины, анамнеза и лабораторных данных, таких как МРТ, где выявляют типичную локализацию атрофии серого вещества; анализ ликвора, где белки 14-3-3, Tau и S-100 с достаточной чувствительностью и специфичностью указывают на гибель нейронов; и наконец ЭЭГ, фиксирующая эпилептическую активность пораженной коры[4]. Однако данные методы актуальны для диагностики уже развившегося заболевания, лучшим прогнозом которого является смерть через 1,5-2 года. Все исследователи сходятся на одном - необходимости внедрения скринингового метода, который сможет выявить бессимптомных носителей, а также наличие прионов в донорских органах. Оптимальным материалом для этого является кровь. Одна группа ученых использует плазму, в которой с помощью флуоресцирующих анти-PRP антител фиксируют аггрегации PRPSc белка и анализируя распределение интенсивности флуоресценции определяют его наличие[3]. Другая группа использует цельную кровь и порошок нержавеющей стали для фиксации патогенных белков[1]. Третьи утверждают, о способности организма(мыши) синтезировать антиPRP антитела, что позволяет с большой точностью говорить об инфицировании[13]. Другим неожиданным кандидатом на скрининг является ЭКГ высокого разрешения, которая фиксирует особый сердечный ритм у больных коров[4]. В области лечения также появляются новые изыскания. Экспериментальным методом получены данные об антиприоновой активности таких веществ как квинкарин (quinacrine), пентозана полисуфат (pentosan polysuphate), тетрациклин, доксациклин, флюпиртин (flupirtine). Они удлиняют инкубационный период, однако имеют побочные эффекты, и определенно сказать о каком то положительном эффекте еще рано[15]. Другим направлением, возможно наиболее перспективным является применение моноклональных антиPRP антител, которые также удлиняют инкубационный период[8]. Тем не менее, в любом случае, ключом к решению будет достоверно воспроизведенная структура прионов, ведь зная её будет более доступно синтезировать блокатор активного центра молекулы, а значит и сформулировать этиотропную терапию.
Однако, стоят ли прионные болезни заболевания такого внимания и дорогостоящих научных исследований? Ведь это не просто редкие, это очень редкие болезни, по данным ВОЗ "С октября 1996 по март 2011 года, 175 случаев варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба были зарегистрированы в Великобритании, 25 во Франции, 5 в Испании, 4 в Ирландии, по 3 в Нидерландах и Соединенных Штатах Америки (США), по 2 в Канаде, Италии и Португалии, и по одному в Японии, Саудовской Аравии и на Тайване.", а это наиболее распространенная прионная болезнь. С другой стороны, если рассматривать остальные нейродегенеративные заболевания, например болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, с позиции общего патогенеза с прионными[7], то значимость таких исследований возрастает в разы. Кроме того, совсем не учитывается наличие носителей прионов и их число. Дело в том, что появление варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба связано с вспышкой коровьей губчатой энцефалопатии в конце 20 века в Великобритании. Исследователи рассчитали количество носителей исходя из того, что прионы могли распространится среди населения страны в этот период, посредством мяса зараженных коров и продуктов сделанных из него, в силу их высокой устойчивости, а затем через переливаемую кровь уже от человека к человеку[6]. При этом не учитывается неофициальный забой скота, мясо ушедшее за границу, иностранцы, находившиеся в тот момент в Великобритании, то есть можно предполагать о распространении инфекции по миру и еще большем числе носителей, по сравнению с приведенными в статье данными. Наконец появляются сведения о высоком титре прионов у группы онкологических больных и потенциальной связи их с развитием злокачественных новообразований[11].
Таким образом, суммируя всё вышесказанное, можно сказать, что прионы и болезни, которые они вызывают, это серьезная проблема, которую не может решить медицина на данном этапе своего развития, это потенциальная угроза, которая может развиться сначала в инфекционную вспышку, а затем и в эпидемию. Чтобы бороться с ними необходимо продолжать исследование самого возбудителя и механизмов его развития. Это позволит научиться быстро и адекватно выявлять прионы в организме, а также найти способ тормозить хотя бы одно из звеньев патогенеза.
В заключение хочется вспомнить историю открытия возбудителя туберкулеза. Со времен Гиппократа до Роберта Коха, то есть около тысячи лет, эта болезнь считалась наследственной. Никто даже и не думал о профилактике чахотки, противоэпидемических мероприятиях, да об эпидемии, унесшей десятки тысяч жизней в 19 веке особо не говорили, потому что болезнь считалась незаразной, никто не видел ничего страшного в том, что чахоточные работали в больших коллективах, работали с детьми и пищей. И только великие открытия в начале самой палочки, а затем и первых противотуберкулезных препаратов дали человечеству возможность успешно бороться с этим заболеванием. Работа Коха стала знаковой, она положила начало целой области медицины, возможно такое же будущее ждет и работу Прузинера давшую науке абсолютно уникальный инфекционный агент.
Список литературы
1. A highly specific blood test for vCJD. Graham S. Jackson, Jesse Burk-Rafel, Julie A. Edgeworth, Anita Sicilia, Sabah Abdilahi, Justine Korteweg, Jonathan Mackey, Claire Thomas, Guosu Wang, Simon Mead, and John Collinge. 2014.
2. Cellular prion protein is present in dopaminergic neurons and modulates the dopaminergic system. Rial D, Pamplona FA, Moreira EL, Moreira KM, Hipolide D, Rodrigues DI, Dombrowski PA, Da Cunha C, Agostinho P, Takahashi RN, Walz R, Cunha RA, Prediger RD. 2014
3. Detection of Prion Protein Particles in Blood Plasma of Scrapie Infected Sheep. Oliver Bannach ,Eva Birkmann, Elke Reinartz, Karl-Erich Jaeger, Jan P. M. Langeveld, Robert G. Rohwer, Luisa Gregori, Linda A. Terry, Dieter Willbold, Detlev Riesner. 2012.
4. Diagnosis of prion diseases. Eric Kübler, Bruno Oesch and Alex J Raeber. 2003
5. Eight prion strains have PrPSc molecules with different conformations. JIRI SAFAR, HOLGER WILLE, VINCENZA ITRI, DARLENE GROTH, HANA SERBAN, MARILYN TORCHIA, FRED E. COHEN & STANLEY B. PRUSINER. 1998.
6. Estimation of the Exposure of the UK Population to the Bovine Spongiform Encephalopathy Agent through Dietary Intake During the Period 1980 to 1996. Chu-Chih Chen and Yin-Han Wang. 2014.
7. From Prion Diseases to Prion-Like Propagation Mechanisms of Neurodegenerative Diseases. Isabelle Acquatella- Tran Van Ba Thibaut Imberdis and Véronique Perrier. 2013.
8. Immunotherapeutic effect of anti-PrP monoclonal antibodies in transmissible spongiform encephalopathy mouse models: pharmacokinetic and pharmacodynamic analysis. Cécile Féraudet-Tarisse, Olivier Andréoletti,1 Nathalie Morel, Stéphanie Simon, Caroline Lacroux, Jacinthe Mathey, Patricia Lamourette, Aroa Relaño, Juan Maria Torres, Christophe Créminon and Jacques Grassi. 2010.
9. Microglial Cx3cr1 knockout reduces prion disease incubation time in mice. Julia Grizenkova, Shaheen Akhtar and Sarah E Lloyd. 2014.
10. Pernicious Pathogens or Expedient Elements of Inheritance: The Significance of Yeast Prions. James S. Byers and Daniel F. Jarosz. 2014.
11. Potential roles for prions and protein-only inheritance in cancer. H Antony, AP Wiegmans, AL Munn. 2012.
12. Prion Infection Impairs Cholesterol Metabolism in Neuronal Cells. Huanhuan L. Cui , Belinda Guo, Benjamin Scicluna, Bradley M. Coleman, Victoria A. Lawson, Laura Ellett, Peter J. Meikle, Michael Bukrinsky, Nigora Mukhamedova, Dmitri Sviridov and Andrew F. Hill 2013.
13. Prion Protein-Specific Antibodies that Detect Multiple TSE Agents with High Sensitivity. Sandra McCutcheon, Jan P. M. Langeveld, E. Fiona Houston. 2014
14. Salt-Induced Modulation of the Pathway of Amyloid Fibril Formation by the Mouse Prion Protein. Shweta Jain and Jayant B. Udgaonkar. 2010.
15. www.prion.ucl.ac.uk/clinic-services/research/drug-treatments/
