Прионные заболевания человека (трансмиссивные губчатые энцефалопатии) – это уникальные, прогрессирующие и смертельные нейродегенеративные заболевания, вызванные агрегацией в ткани нейронов неправильно сформированного прионного белка PrP. В связи с возможностью передачи TSE человеку в большинстве стран ведется активное наблюдение за распространением прионов – опасных белков, вызывающих заболевания со 100%-ной летальностью, что делает их более опасными, чем COVID-19. Рутинное использование диагностических критериев, включая биомаркеры, является достаточно надежным механизмом эпиднадзора. В обзоре рассмотрены типы инфекционных прионов, механизм действия, болезьни обусловленные ими и потенциальные методы лечения прионных заболеваний.

Общая характеристика белка PrP

Прионные болезни – это передающиеся, прогрессирующие и смертельные нейродегенеративные заболевания, связанные с агрегацией неправильно сформированного прионного белка (PrP) [1]. Трансмиссивные (т. е., передающиеся) губчатые энцефалопатии (TSE) человека включают болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD), синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера (GSS), куру и фатальную семейную бессонницу (FFI). Термин «прионы» был определен Стэнли Прусинером в 1982 году как «белковые инфекционные частицы» [2].

Естественный клеточный прионный белок PrP^C имеет длину до 230 аминокислот и функционирует как гликолипидный сиалогликопротеин клеточной мембраны, локализованный в пресинаптических мембранах, который играет нейропротекторную и промиелинизирующую роль. Кроме того, он участвует в передачи нервных импульсов, транспорте цинка и меди, а также в гомеостазе кальция [1]. Более того, в лабораторных условиях PrP^C способствует повышению устойчивости нейронов после ишемического инсульта головного мозга. Все прионные болезни человека связаны с патологической самовоспроизводящейся конформацией PrP, наиболее фундаментальной из которых является изменение третичной структуры PrP в результате посттрансляционных процессов в преобладающую β-листовую структуру. Этот процесс приводит к образованию заметно гидрофобной формы PrP с явной тенденцией к агрегации, последующей олигомеризации и образованию амилоидных фибрилл. Патологические агрегаты PrP^Sc (scrapie-изоформа прионного белка), возникающие в результате этого процесса, чрезвычайно устойчивы к физическим и химическим изменениям, и, в отличие от большинства белков, эти молекулы не денатурируются при кипячении. Прионные болезни человека определяются как передающиеся и быстро прогрессирующие дегенеративные заболевания центральной нервной системы, вызванные накоплением патологически конформированного PrP.

Исторически первые упоминания о болезни CJD относятся к 1920 и 1921 годам [3, 4], когда невролог Ганс Герхард Крейтцфельдт и невропатолог Альфонс Мария Якоб описали «нозологически очень тесно связанное, если не идентичное поражение» нескольких пациентов – куру. Самая последняя форма TSE, т. е., вариабельный синдром Крейцфельда-Якоба (vCJD), впервые выявлена в 1996 году в Великобритании [5] – BSE (Bovine spongiform encephalopathy, губчатая энцефалопатия КРС, т. н. «коровье бешенство») [6].

Образование прионов

Прионный белок, PrP, может принимать по меньшей мере две конформации: преобладающую клеточную конформацию (PrP^C) и конформацию скрепи (PrP^Sc) [7]. Конформация PrP^Sc встречается очень редко и имеет характеристики амилоида. Кроме того, PrP^Sc является прионом, т. е., он заразен. Заражение происходит в два этапа: (1) PrP^Sc может шаблонировать PrP^C и заставить его принять конформацию PrP^Sc и (2) PrP^Sc способен передаваться между людьми перорально, парентерально и другими путями и таким образом распространяться как инфекционный агент. Однако это упрощение: с одной стороны, PrP^Sc – это не единственная конформация, а скорее набор альтернативных похожих, но разных конформаций. Кроме того, существуют другие амилоидные конформации PrP с различными биохимическими и инфекционными свойствами.

Хотя PrP означает «прионный белок», сам PrP^C не является прионом, но может быть превращен в прион. Действительно, прионы PrP^Sc распространяются путем шаблонирования своей особой конформации в PrP^C, т. е., служат как «затравка» [8]. Это происходит через процесс, в котором образование водородных связей между амино- и карбонильными группами темплатирующего и темплатируемого полипептидов, вероятно, играет ключевую роль (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Способность прионов к распространению и инфекционная природа. (1) В качестве ключевого механизма распространения прионов было предложено образование водородных связей между амино- и карбонильными группами разворачивающего и разворачиваемого полипептидов – таким образом PrP^Sc может распространяться по всему мозгу. (2) Инфекционный характер обусловлен тем, что PrP^Sc, введенный в другой мозг любым путем, может в нем распространяться. (PrP – прионный белок; PrP^Sc – прионный белок с конформацией скрепи).

Основной постулат теории прионов [2, 9] заключается в том, что при болезни клеточная форма PRNP, называемая PrP^C, претерпевает конформационные изменения, в результате чего образуется «специфическая для скрепи» форма PrP^Sc. В свою очередь, PrP^Sc связывается с PrP^C и способствует преобразованию PrP^C→PrPsc, что приводит к усилению (предположительно нейротоксичного) PrPsc и развитию болезни

К настоящему времени каталог конформеров PrP значительно расширился. Структура PrP^C хорошо известна [10]. Другие конфомеры менее изучены, но все они являются амилоидами и проявляют разные биохимические и биологические свойства.

Роль PRNP в организме

Интересно, что PRNP проявляет антимикробную активность, подавляя репликацию множества вирусов, а также взаимодействует непосредственно с пептидом амилоида-β (Aβ) болезни Альцгеймера (БА), чья антимикробная роль в настоящее время подтверждена [11]. PRNP и Aβ имеют общие мембранопроникающие, связывающие нуклеиновые кислоты и противовирусные свойства с классическими противомикробными пептидами, такими как LL-37.

PRNP повторяет механизмы агрегации и захвата патогенов, приписываемые Aβ и классическим антимикробным пептидам. Можно предположить, что преобразование PrP^C в PrP^Sc может быть частью пути, параллельного преобразованию APP в Aβ и последующей агрегации, и активности по захвату патогенов, возможно, в прямой физической ассоциации с Aβ. Кроме того, для некоторых противомикробных пептидов связывание меди позволяет генерировать реактивные формы кислорода, которые способствуют инактивации связанных патогенов. Экспрессия PRNP повышается в результате инфекции [11], например, ВИЧ-1, аденовирусом 5, вирусами гепатита С, Эпштейна-Барр и Mycobacterium bovis, а также при воспалениях. Известны прямые доказательства того, что PRNP играет непосредственную защитную роль в защите от вирусной инфекции; можно с уверенностью заключить, что PRNP является защитной молекулой.

Прионные заболевания

Спорадические прионные заболевания человека

Болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD) является наиболее распространенным прионным заболеванием человека [1]. Невропатологической характеристикой болезни Крейтцфельдта-Якоба является губчатая энцефалопатия в коре головного мозга и/или мозжечка и/или подкорковом сером веществе. В соответствии с различной этиологией выделяют три типа, наиболее распространенным из которых является спорадический (sCJD), генетический (gCJD) и приобретенный. Последний можно дополнительно разделить на ятрогенный (iCJD) и вариабельный (vCJD).

Спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба

Спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба начинается со случайного превращения физиологического PrP^C в патологически конформированный PrP^Sc, что происходит примерно в 85% случаев [1] По имеющимся данным, заболеваемость синдромом Крейцфельда-Якоба в мире составляет от одного до двух случаев на миллион человек. В отличие от vCJD, клинические признаки и нейропатологические находки отличаются от случая к случаю, что, вероятно, обусловлено различными молекулярными фенотипами. Заболевание обычно длится, как правило, менее одного года. Лечения не существует, препараты могут лишь облегчить некоторые симптомы. Летальность составляет 100%.

Спорадическая фатальная бессонница

Спорадическая фатальная бессонница (sFI) определяется как быстро прогрессирующее нейродегенеративное заболевание с клиническим фенотипом, очень похожим на фатальную семейную бессонницу, характеризующееся неврологическим и когнитивным ухудшением наряду с тяжелыми нарушениями сна, преходящей диплопией и мозжечковой дисфункцией, с последующей утратой автономии, комой и 100%-ной смертью [1]. Лечения не существует.

Вариабельная протеазно-чувствительная прионопатия

Вариабельная протеаза-чувствительная прионопатия (VPSPr) – относительно недавно описанное прионное заболевание, выявленное в 2008 году [12]. VPSPr считается спорадической формой прионной болезни человека [1]. Средняя продолжительность заболевания составляет два года с клиническим преобладанием психиатрических признаков, афазии, атаксии и паркинсонического синдрома или когнитивного ухудшения. Невропатологически VPSPr характеризуется легкой губкообразной дегенерацией, в которой отсутствуют участки конфлюентной губкообразной трансформации, PrP-иммунореактивные «микробляшки», а также бляшкоподобные отложения. Лечения не существует, смертность 100%.

Приобретенная болезнь Крейтцфельдта-Якоба

Ятрогенная, случайно переданная iCJD

Ятрогенная форма возникает во время медицинских или хирургических процедур, в ходе которых происходит перенос патологически конформных прионов, и составляет менее 1% от всех случаев [1]. Передача прионов наблюдалась после пересадки твердой мозговой оболочки, от хирургических инструментов, после пересадки роговицы, глубокого введения электродов ЭЭГ, лечения гормоном роста человека и гонадотропинами. Инкубационный период сильно варьируется в зависимости от формы инокуляции. У пациентов с iCJD обычно наблюдаются аномалии походки и атаксия. Специальной терапии не известно.

Новый вариант болезни Крейцфельда-Якоба

Новый вариант болезни Крейцфельда-Якоба (vCJD) связан с употреблением продуктов, зараженных агентом BSE [1]. Клиническая картина вначале включает психиатрические и поведенческие симптомы, болезненные парестезии или дизестезию; атаксия и деменция развиваются позже. Продолжительность заболевания обычно 13–14 месяцев, а в нейропатологических результатах часто присутствуют мучнистые бляшки. Интересно, что известны три вероятные передачи инфекции через переливание крови от донора, страдающего vCJD; по этой причине существует запрет на использование доноров, живших в Великобритании во время эпидемии BSE. Болезнь смертельна.

Куру

Куру – нейродегенеративное, невоспалительное инфекционное заболевание [1]. Куру обнаружили около 1900 года в Папуа-Новой Гвинее среди каннибалистических племен, затем заболеваемость возросла в 1940–1950 годах. Мозжечковая атаксия, тремор и экстрапирамидные симптомы, такие как хорея и атетоз, были типичными симптомами для большинства пациентов, хотя результаты невропатологических исследований различались. Когнитивные нарушения отсутствовали. В нейропатологических отчетах описывается дегенерация миелина и нейронов, пролиферация микроглии и астроглии, мононуклеарная периваскулярная инфильтрация, манжетки, губчатая трансформация, уменьшенные нейроны с дисперсией вещества Ниссля с внутрицитоплазматическими вакуолями, вакуолизированные клетки Пуркинье мозжечка и нейроны стриатума. Амилоидные бляшки куру были зарегистрированы в 50–75% исследованных мозгов. В настоящее время болезнь куру считается исчезнувшей.

Наследственные прионные заболевания

Генетическая форма болезни Крейцфельда-Якоба

Генетическая/семейная форма обусловлена наличием наследственной мутации в гене PRNP, которая встречается в 10–15% случаев болезни CJD [1]. Клинически описывается деменция с другими психиатрическими изменениями, наряду с атаксией и миоклонусом, однако параличи взора и невропатии встречаются редко. Течение заболевания обычно более длительное, болезнь смертельна.

Синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера

Синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера (GSS) определяется как медленно прогрессирующее наследственное аутосомно-доминантное нейродегенеративное заболевание или энцефало(миело)патия с мультицентрическими бляшками PrP в коре головного и мозжечкового мозга и базальных ганглиях [1]. Именно мультицентрические бляшки являются невропатологической отличительной чертой GSS. GSS обычно проявляется мозжечковой атаксией и медленно прогрессирующей деменцией; тем не менее, экстрапирамидные симптомы, нарушения зрения и слуха, миоклонус, спастический парапарез, гипорефлексия или арефлексия в нижних конечностях также зарегистрированы как общие симптомы. Болезнь неизлечима.

Фатальная семейная бессонница

Фатальная семейная бессонница (FFI) -– аутосомно-доминантное наследственное заболевание, вызванное мутацией D178N в гене PRNP, связанной с наличием полиморфизма MM в кодоне 129 [1]. FFI характеризуется лекарственно-устойчивой бессонницей, фрагментацией сна, нарушениями вегетативной нервной системы, двигательными расстройствами и прогрессирующими когнитивными нарушениями. Наиболее пораженными областями являются медиодорсальное и переднее вентральное ядра таламуса, затем пульвинар и оливы. Обширная потеря нейронов и астроцитарный глиоз являются основными нейропатологическими находками, в то время как губкообразные трансформации отсутствуют. Лечения не существует, применение мощных снотворных дает лишь краткосрочное облегчение.

Передающиеся губчатые энцефалопатии животных и человека можно обобщить следующим образом (см. Рисунок 2).

Рисунок 2 – Передающиеся губчатые энцефалопатии

Лечение прионных заболеваний

В настоящее время не существует эффективных методов лечения прионных заболеваний [1, 13]. Терапия может быть направлена на различные мишени: PrP^C, PrP^TSE, преобразование PrP^C в PrP^TSE и конкретные пути нейродегенерации. На сегодняшний день большинство подходов основано на ингибировании накопления PrP^TSE. Поскольку не существует досимптоматических тестов для диагностики прионных заболеваний, эти методы лечения назначаются на клинической стадии, после того как накопление PrP^TSE уже произошло.

Одним из наиболее перспективных методов лечения прионных заболеваний человека является пассивная иммунизация анти-PRP антителами. Эта стратегия была распространена на несколько нейродегенеративных заболеваний, включая TSE, чему способствовало наблюдаемое снижение бремени амилоидных бляшек в трансгенной мышиной модели БА, обработанной антителами, направленными против Aβ.

Терапевтические методы, направленные на блокирование механизма, приводящего к образованию PrP^TSE, являются хорошим подходом к лечению прионных заболеваний. Тем не менее практическое применение этих методов лечения зависит от разработки надежных диагностических тестов, позволяющих вводить антитела на ранней стадии заболевания. Активная иммунизация была оценена в ряде исследований с весьма обнадеживающими результатами

Заключение

Прионные болезни – это заболевания, крайне разрушительные для ЦНС. В настоящее время не существует эффективного лечения этих заболеваний, поэтому пациенты умирают в течение нескольких месяцев после появления первых клинических симптомов. Выявление нейротоксической молекулы и клеточных путей, ведущих к нейродегенерации, будет способствовать разработке новых методов лечения. Кроме того, создание ранних, неинвазивных диагностических тестов чрезвычайно важна как с эпидемиологической точки зрения, чтобы предотвратить вторичную передачу инфекции, так и с терапевтической, чтобы обеспечить применение эффективных методов лечения до того, как произойдет обширное повреждение мозга. Это особенно актуально в случае наследственных/генетических форм TSE.

Понимание биологии, лежащей в основе нейротоксичности, опосредованной прионами, является сложной задачей, учитывая беспрецедентную природу инфекционного агента. PrP^TSE реплицируется путем придания своей конформации клеточному белку PrP^C. Исследования показали, что потеря функции PrP^C не может объяснить прионную нейротоксичность. В свете гетерогенности клинических и патологических проявлений разнообразной группы прионных заболеваний, весьма вероятно, что в формах TSE различной этиологии задействованы разные механизмы.

В целом, результаты свидетельствуют о том, что в последние десятилетия вышло множество работ по прионам (Рисунок 3) и достигнут значительный прогресс в выяснении механизмов вызванной ими нейродегенерации, и, что более важно, потенциальных методов лечения. На основе этих исследований можно будет разработать и внедрить в реальную жизнь соответствующие методы ранней диагностики и целенаправленного лечения людей и животных.

Рисунок 3 – Прионы в научных публикациях

1.         Jankovska, N., Rusina, R., Bruzova, M., Parobkova, E., Olejar, T., Matej, R., Human Prion Disorders: Review of the Current Literature and a Twenty-Year Experience of the National Surveillance Center in the Czech Republic. Diagnostics, 2021. 11(10). DOI: 10.3390/diagnostics11101821.

2.         Prusiner Stanley, B., Novel Proteinaceous Infectious Particles Cause Scrapie. Science, 1982. 216(4542): p. 136-144. DOI: 10.1126/science.6801762.

3.         Creutzfeldt, H.G., Über eine eigenartige herdförmige erkrankung des zentralnervensystems (Vorläufige mitteilung). Zeitschrift für die gesamte Neurologie und Psychiatrie, 1920. 57(1): p. 1-18. DOI: 10.1007/BF02866081.

4.         Jakob, A., Über eigenartige erkrankungen des zentralnervensystems mit bemerkenswertem anatomischen befunde. Zeitschrift für die gesamte Neurologie und Psychiatrie, 1921. 64(1): p. 147-228. DOI: 10.1007/BF02870932.

5.         Will, R.G., Ironside, J.W., Zeidler, M., Estibeiro, K., Cousens, S.N., Smith, P.G., Alperovitch, A., Poser, S., Pocchiari, M., Hofman, A., A new variant of Creutzfeldt-Jakob disease in the UK. The Lancet, 1996. 347(9006): p. 921-925. DOI: 10.1016/S0140-6736(96)91412-9.

6.         Brandel, J.-P., Vlaicu, M.B., Culeux, A., Belondrade, M., Bougard, D., Grznarova, K., Denouel, A., Plu, I., Bouaziz-Amar, E., Seilhean, D., Levasseur, M., Haïk, S., Variant Creutzfeldt–Jakob Disease Diagnosed 7.5 Years after Occupational Exposure. New England Journal of Medicine, 2020. 383(1): p. 83-85. DOI: 10.1056/NEJMc2000687.

7.         Requena, J.R., The protean prion protein. PLOS Biology, 2020. 18(6): p. e3000754. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000754.

8.         Jarrett, J.T., Lansbury, P.T., Jr., Seeding «one-dimensional crystallization» of amyloid: A pathogenic mechanism in Alzheimer’s disease and scrapie? Cell, 1993. 73(6): p. 1055-1058. DOI: 10.1016/0092-8674(93)90635-4.

9.         Prusiner, S.B., Gabizon, R., McKinley, M.P., On the biology of prions. Acta neuropathologica, 1987. 72(4): p. 299-314.

10.       Prusiner, S.B., Prions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1998. 95(23): p. 13363-13383.

11.       Lathe, R., Darlix, J.-L., Prion Protein PRNP: A New Player in Innate Immunity? The Aβ Connection. Journal of Alzheimer’s disease reports, 2017. 1(1): p. 263-275. DOI: 10.3233/ADR-170037.

12.       Gambetti, P., Dong, Z., Yuan, J., Xiao, X., Zheng, M., Alshekhlee, A., Castellani, R., Cohen, M., Barria, M.A., Gonzalez-Romero, D., Belay, E.D., Schonberger, L.B., Marder, K., Harris, C., Burke, J.R., Montine, T., Wisniewski, T., Dickson, D.W., Soto, C., Hulette, C.M., Mastrianni, J.A., Kong, Q., Zou, W.-Q., A novel human disease with abnormal prion protein sensitive to protease. Annals of Neurology, 2008. 63(6): p. 697-708. DOI: https://doi.org/10.1002/ana.21420.

13.       Saá, P., Harris, D.A., Cervenakova, L., Mechanisms of prion-induced neurodegeneration. Expert Reviews in Molecular Medicine, 2016. 18: p. e5. DOI: 10.1017/erm.2016.8.