https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/russia-promos.html?cid=PJT6312-WPR2373-russiapromos-FURL-0620-EU
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Вирус в вашем мозге

Вирус в вашем мозге

  • 370
  • 0,0
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Обзор

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Все мы боимся вирусов. И правильно: многие из них вызывают самые страшные заболевания и являются источниками эпидемий. Осложнения после вирусной инфекции всегда непредсказуемы: некоторые вирусы, проникая в мозг через гематоэнцефалический барьер, могут провоцировать развитие амнезии и даже, как полагают ученые, болезни Альцгеймера. Однако, будучи такими проныливыми, вирусы могут стать незаменимым инструментом исследования мозга и генной терапии нейродегенеративных заболеваний.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Вирусы и микроорганизмы» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


BiotechClub

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Сначала это были симптомы простуды: повышение температуры, головная боль, ломота в теле. Потом состояние ухудшилось, и наступила кома. В 2009 году врачам удалось реабилитировать 43-летнюю Николь Керд из Австралии после диагностирования энцефалита, вызванного вирусом простого герпеса первого типа. Вот только теперь, к сожалению, она не может вспомнить ни свою поездку в отпуск по Европе с мужем, ни день свадьбы, ни рождение дочери. Все, что происходило с ней 15 минут назад, она также не может вспомнить. Вирусная инфекция привела к геморрагическим поражениям гиппокампа и некоторых других структур мозга, которые участвуют в формировании автобиографической памяти, что привело к амнезии, похожей по своим проявлениям на классический пример повреждения височных структур мозга — Генри Молисона, у которого также была потеряна способность к запоминанию после операции по височной лобэктомии.

Вирусы и болезнь Альцгеймера

Исследования показывают, что тот же вирус герпеса может быть одним из виновников развития болезни Альцгеймера [1]. Ученые решительно пытаются доказать инфекционную природу этого заболевания. Иммунолог и предприниматель в области медицинских изданий Лесли Норинс предложил 1 млн долларов тому, кто докажет эту гипотезу.

Всякий ученый, упоминающий болезнь Альцгеймера, не может не говорить про бета-амилоиды — липкие растворимые белки, которые при нарушении выведения слипаются друг с другом и образуют бляшки, запускающие смертельный каскад, приводящий к образованию белковых волокнистых тау-клубков, в которых нейроны «задыхаются» [2].

Но мало кто понимал функцию бета-амилоида в норме у животных, пока однажды в 2008 году группе ученых под руководством Рудольфа Танзи из Массачусетской больницы общего профиля не пришла одна интересная идея [3]. Просматривая базы данных на предмет генов риска болезни Альцгеймера, они натолкнулись на ген CD33, экспрессируемый в клетках врожденного иммунитета. Озадаченный этим фактом, Танзи обратился за консультацией к своему коллеге — Робу Муару, который исследовал литературу по антимикробным пептидам. Оказалось, что эти пептиды по своей длине и свойствам близки к бета-амилоидам. Пазл сложился! Неужели бета-амилоиды нужны для защиты от патогенных инфекций?

Ученые взялись за тестирование противомикробной активности этого белка и добавляли его в различные культуры микроорганизмов, в том числе возбудителя пневмонии и кишечной палочки. Оказалось, что бета-амилоид показывал свою эффективность ничуть не хуже других антимикробных пептидов [4]. Следующим этапом было проведение экспериментов in vivo, на мышиной модели 5xFAD, производящей бета-амилоид. При локальном введении в мозг бактериальных и вирусных патогенов мыши, синтезирующие этот белок, жили дольше, чем контрольные, а бляшки появлялись у них через два дня [5].

Танзи и его коллеги предложили потенциальный механизм защиты мозга от инфекции с участием амилоидов (рис. 1). Патогены стимулируют микроглию, которая выделяет факторы воспаления (цитокины), связывающиеся с рецепторами на нейронах, которые в свою очередь активируют производство амилоида. Амилоидные белки окружают патоген и образуют бляшки, в которых патоген застревает и теряет свою активность. При нарушении выведения амилоидов бляшки провоцируют дальнейшее воспаление, создавая порочный круг, приводящий к тау-клубкам и гибели нейронов.

Инфекция и болезнь Альцгеймера

Рисунок 1. Увеличивается количество сведений о том, что инфекция может провоцировать накопление липких белковых бляшек в мозге — отличительного признака болезни Альцгеймера. По одной из теорий, микроорганизмы стимулируют клетки микроглии, запуская иммунную реакцию и поднимая уровень фермента, участвующего в секреции амилоида, из которого состоят бляшки. Этот белок может выступать в качестве механизма защиты, поглощая и инактивируя микроорганизмы. Но нарушение выведения амилоида увеличивает воспаление, создавая токсичную обратную связь.

[1], рисунок адаптирован

Однако пока не ясно, насколько такой иммунный процесс естественен для организма и насколько вообще важен в нем бета-амилоид. Инфекция может быть лишь одним из случайных стимулов к болезни Альцгеймера, так же как в ситуации с вирусом герпеса и амнезией.

Вирусы как инструмент исследования

Пока одни ученые пытаются защитить мозг от проникновения вирусов путем усиления гематоэнцефалического барьера и активации внутренних механизмов защиты, другие решают обратную задачу, создавая рекомбинантные вирусные векторы для изучения клеточного функционирования мозга.

Одним из первых, кто применял вирусы для изучения анатомии мозга, был Джеймс Папец — первооткрыватель лимбической системы мозга, ответственной за эмоции. Однако в то время вирусные векторы обладали довольно высокой токсичностью, что сильно ограничивало их применение. Но технологии не стояли на месте, и сейчас ученые получают векторы [6], активно применяющиеся в оптогенетике, в изучении связей между нейронами, экспрессии генов и даже в вирусной терапии. Идеальный вирусный вектор должен обладать следующими свойствами:

  • легкостью производства в больших количествах и потенциально бесконечной вместимостью для трансгенов, чтобы увеличить шансы инфицирования и доставлять в клетку большие по объему генетические продукты;
  • неинвазивностью и удобством при введении в организм животного (через системный кровоток или непосредственно в мозг);
  • способностью инфицировать любой тип клеток, но быть активным только в определенных типах;
  • минимальной токсичностью для организма;
  • регулируемостью экспрессии трансгенов, чтобы можно было управлять количеством генетического продукта, началом и окончанием экспрессии трансгена в клетке.

При помощи вектора, основанного на аденоассоциированном вирусе, ученые из Университета Питтсбурга исследовали способ оптогенетической стимуляции нервно-мышечных соединений у макак резус [7], [8]. Такая стимуляция может вернуть парализованным пациентам со спинномозговой травмой возможность двигаться. Учеными она рассматривается как замена функциональной электрической стимуляции, в которой сигналы от мозга поступают в компьютер, интерпретирующий их и передающий разряд на стимулирующие электроды, вживленные в мышцы. При такой стимуляции, однако, пациентам все равно крайне тяжело выполнять движения. Например, чтобы поднести ложку ко рту, у таких пациентов может уходить десятки секунд, в то время как здоровый человек выполнит это движение за секунду. К тому же пациенты не могут сами удерживать руку. Один из существенных недостатков электрической стимуляции — неправильный, случайный порядок вовлечения мышечных волокон, который препятствует нормальной координации, а также быстрое уставание мышц. Функциональная оптическая стимуляция лишена этих недостатков: при увеличении интенсивности стимуляции сначала вовлекаются более тонкие мышечные волокна и только потом — более толстые, мышцы устают гораздо медленнее.

Для того чтобы проводить функциональную оптическую стимуляцию, необходимо доставить к нервно-мышечным соединениям молекулы опсина — светочувствительного белка, образующего ионный канал при активации и деполяризующего мембрану клетки. Доставить его можно путем введения вирусного вектора с необходимым трансгеном, который будет экспрессироваться в нервных окончаниях. Световые импульсы подаются на нерв или в место вхождения нерва в мышцу с помощью оптоволокна. Ученые исследовали основные параметры стимуляции, влияющие на сокращение мышц (длительность импульсов, интенсивность света, частота стимуляции), но, к сожалению, пока им не удалось зарегистрировать никакого локомоторного движения (сгибание/разгибание конечности). Все упирается в экспрессию опсиновых генов, которая зависит от успешности введения векторов в клетки, активности трансгенов и иммунного ответа организма. Наиболее сложная задача — сообщить иммунной системе не реагировать на вводимый вирус и появляющиеся опсины. Новые исследования должны будут решить все эти проблемы.

Вирусы на страже здоровья

Мы привыкли считать вирусы чем-то смертельно опасным, особенно сейчас, в период пандемии коронавируса. Однако практически любой вирус, включая SARS-CoV-2, можно превратить из заклятого врага в лучшего защитника здоровья, удалив из его ДНК или РНК опасные гены и заменив их необходимыми трансгенами, белковые продукты которых так нужны неправильно функционирующим клеткам. Рекомбинантные вирусные векторы [9], таким образом, представляют собой основу генной терапии [10] и являются единственным эффективным способом введения генов в клетки человека, благодаря отточенным миллионами лет эволюции механизмам проникновения и распространения вируса в клетке.

В настоящий момент проводятся клинические исследования эффективности генной терапии болезни Паркинсона, основанной на локальном введении в базальные ядра мозга вектора, созданного из аденоассоциированного вируса [11]. Как известно, болезнь Паркинсона сопровождается гибелью нейронов компактной части черной субстанции, поставляющей дофамин базальным ядрам. Введение вектора, содержащего ген глутаматдекарбоксилазы, в субталамическое ядро восстанавливало баланс нейромедиаторов в базальных ядрах и нормализовывало их активность, что приводило к улучшениям моторных функций и снижало необходимость в заместительной терапии леводопой, которая часто провоцирует непроизвольные движения конечностей (дискинезию). В других исследованиях ученые вводили ген декарбоксилазы ароматических кислот в стриатум и показывали увеличение уровня дофамина в ответ на терапию леводопой. С помощью позитронно-эмиссионной томографии и радиоактивно меченой леводопы ученым удалось показать непосредственный эффект активности введенного гена: обнаруженное увеличение метки в стриатуме прямо отражало ферментативную активность декарбоксилазы. Еще один способ обратить болезнь — ввести гены нейротрофических факторов [12] в черную субстанцию для предотвращения дегенерации нейронов этой структуры, правда, пока такого рода терапия не доказала свою эффективность.

У всех описанных выше методов генной терапии есть один недостаток — она инвазивна: вирусные векторы вводятся непосредственно в мозговые структуры, что требует проведения сложной и рискованной нейрохирургической операции, после которой нередко бывают осложнения в виде воспаления мозга. Альтернативный способ введения вирусных векторов — через системный кровоток, вот только они не проходят через гематоэнцефалический барьер. Для решения этой проблемы ученые предлагают использовать сфокусированный ультразвук [13], который подается локально в структуры, где нужно временно изменить проницаемость гематоэнцефалического барьера. Ультразвуковые волны временно расцепляют плотные контакты клеток эндотелия сосудов, что способствует прохождению в мозг из кровотока вирусных частиц (рис. 2). После таких манипуляций уровень воспаления значительно ниже, чем после нейрохирургической операции, поэтому период реабилитации гораздо короче. Таким образом, сочетание сфокусированного ультразвука с правильно подобранным вирусным вектором, не провоцирующим иммунного ответа, может стать реальным методом исцеления от многих нейродегенеративных заболеваний.

Открытие гематоэнцефалического барьера для доставки лекарств

Рисунок 2. Открытие гематоэнцефалического барьера для доставки лекарств

[13], рисунок адаптирован

Будущее медицины может стоять за превращением опасных вирусов в полезные и безопасные лекарства, которые спасут мир от неизлечимых заболеваний. Возможно, и SARS-CoV-2 в недалеком будущем станут использовать в качестве рекомбинантного вектора для лечения, например, болезней легких. Будем надеяться, что эпидемия коронавируса закончится его приручением, и он встанет на стражу здоровья человечества.

Литература

  1. Alison Abbott. (2020). Are infections seeding some cases of Alzheimer’s disease?. Nature. 587, 22-25;
  2. β-амилоид: невидимый враг или тайный защитник? Запутанная тропка болезни Альцгеймера;
  3. Возможно, β-амилоид болезни Альцгеймера — часть врождённого иммунитета;
  4. Stephanie J. Soscia, James E. Kirby, Kevin J. Washicosky, Stephanie M. Tucker, Martin Ingelsson, et. al.. (2010). The Alzheimer's Disease-Associated Amyloid β-Protein Is an Antimicrobial Peptide. PLoS ONE. 5, e9505;
  5. D. K. V. Kumar, S. H. Choi, K. J. Washicosky, W. A. Eimer, S. Tucker, et. al.. (2016). Amyloid-  peptide protects against microbial infection in mouse and worm models of Alzheimers disease. Science Translational Medicine. 8, 340ra72-340ra72;
  6. Alexander R. Nectow, Eric J. Nestler. (2020). Viral tools for neuroscience. Nat Rev Neurosci. 21, 669-681;
  7. Jordan J. Williams, Alan M. Watson, Alberto L. Vazquez, Andrew B. Schwartz. (2019). Viral-Mediated Optogenetic Stimulation of Peripheral Motor Nerves in Non-human Primates. Front. Neurosci.. 13;
  8. Светлая голова;
  9. A. N. Lukashev, A. A. Zamyatnin. (2016). Viral vectors for gene therapy: Current state and clinical perspectives. Biochemistry Moscow. 81, 700-708;
  10. Генная терапия: познакомьтесь с лекарствами будущего;
  11. Michael G. Kaplitt. (2019). Gene-targeting approaches for movement disorders. Current Opinion in Neurology. 32, 566-570;
  12. Лечение болезни Паркинсона нейротрофическими факторами: есть ли свет в конце туннеля?;
  13. Blood-brain barrier opening. Focused Ultrasound Foundation.
https://www.dia-m.ru/news/programma-vebinarov-i-meropriyatiy-diaem/

Комментарии