Прионные болезни

Эпидемиологическая ситуация. Эпидемия губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота разразилась в Англии в конце 80-х годов и достигла максимума в 1992-93 годах. Если в 1986 году было отмечено 12 случаев данного заболевания, то в 1993 году их было уже 33574. Пришлось уничтожить весь крупный рогатый скот, так как эпидемия разрасталась невероятными темпами. Общее количество погибших животных составило около 200 000; 40 млрд. фунтов стерлингов было затрачено на ликвидацию этой эпидемии. Затем в Англии и Франции стали умирать от "коровьего бешенства" люди. Эти ужасные события потрясли весь мир. Исследования ученых показали, что болезнь неизлечима и приводит к смертельному исходу. По статистике зараженное мясо периодически употребляли в пищу более миллиарда человек; были составлены прогнозы, что в 2003 году, по истечении скрытого периода, болезнь будет проявляться ежегодно у нескольких миллионов человек.

Что же стало причиной возникновения данного заболевания у коров, а затем и у людей? Однозначного ответа нет до сих пор. Самым убедительным предположением является то, что фермеры использовали продукты повторного цикла (переработанных туш коров, овец) в качестве прикорма для своих животных. Хотя костную муку добавляли и ранее, эпидемия разразилась именно в этот период из-за измененной технологии. Предприниматели вместо жесткой температурной обработки ввели обработку растворителями с целью повышения питательной ценности получаемого прикорма. Другой причиной может быть усиленная механическая переработка туш. В результате такой компрессии может происходить изменение структуры мясных волокон и молекулярной конфигурации прионов.

Как оказалось, коровье бешенство передается через корм, а не от одного животного к другому непосредственно. Однако потомство также способно унаследовать эту болезнь. Подобные энцефалопатии были обнаружены у кошек, пантер, оцелотов, пум, тигра – им всем в течение длительного времени также давали злополучный прикорм. Некоторые ученые обнаружили в отдельных штатах США примерно у 15% оленей патогенные прионы, представляющие реальную опасность для людей.

Обнаружено, что наибольшая концентрация возбудителя инфекции находится в продолговатом и среднем отделах головного мозга животных, а в мясе она гораздо ниже. К сожалению, прионная инфекция может передаваться от домашних животных, посредством применения лекарств (препараты животного происхождения), косметических средств, при медицинских манипуляциях и, что не исключается, через пыль.

Губкообразную энцефалопатию крупного рогатого скота зарегистрировали не только в Великобритании, но и в других странах. 5 декабря 2000 года Совет Министров сельского хозяйства ЕС запретил использование мяса и костной муки в корме для скота. Запрет начал действовать с 1 января 2001 г. Кроме того, также запрещена продажа мяса животных старше 2,5 лет. Стоимость указанных мер оценивается в 1,7 млрд. долл., 70% из этой суммы выделила Комиссия ЕС. По правилам мозг забитых животных исследуется на мясокомбинате и, если патогенных прионов не обнаружено, фирме-поставщику выдается сертификат, разрешающий экспорт мяса и его переработку.

Организация прионов

Американский ученый Стэнли Прузинер в 1997 году получил Нобелевскую премию за открытие прионов. Следует отметить, что еще 15 лет до этого он первым предположил, что белки могут иметь инфекционные свойства и способны передаваться в популяции, а также наследоваться. Прионы найдены у всех млекопитающих, дрожжей, бактерий.

Прион-протеин – представляет собой сиалогликопротеид с молекулярной массой 33000-35000 дальтон, состоит из 254 аминокислот. Он найден у всех млекопитающих и является составной частью наружных клеточных мембран. Роль нормального прион-протеина в организме человека пока полностью не изучена. Эксперименты показали, что он играет важную роль в эндоцитозе и катаболизме клеток; принимает участие в межклеточном узнавании и клеточной активации; возможно подавляет возрастные процессы (прионовые болезни сходны по своим проявлениям с геронтологическими заболеваниями); поддерживает околосуточные ритмы активности и покоя в организме.

Считается, что патогенные прион-протеины являются мутантами клеточной изоформы нормального прион-протеина. К настоящему времени установлено 18 различных мутаций человеческого контролирующего прионный белок гена, которые связаны с различными прионовыми болезнями. Белковая молекула нормального приона имеет форму спирали, ее вторичная структура является альфа-спиральной. Инфекционная форма приона как будто «раскручена», похожа на пучок гладких волос, организация ее вторичной структуры является бета-складчатой. Именно эти структурные особенности патогенных прионов обуславливают их гиперустойчивость по отношению к различным внешним воздействиям. Немногие из условий окружающей среды, при которых погибают нормальные прионы и вирусы, способны инактивировать прионную инфекцию, она оказалась самой живучей.

Таблица. Характеристика устойчивости прионов к различным воздействиям

Каково происхождение опасных прионов? Самая распространенная гипотеза предполагает, что у особей с наследственной предрасположенностью при ошибках в гене, кодирующем прион, происходит синтез вредных прионов. Последние накапливаются с возрастом и в итоге вызывают полное разрушение нейронов головного мозга. Инфекционность прионов зависит также от состояния других факторов в клеточном окружении. Обнаружено, что белки шапероны отвечают за поддержание трехмерной структуры белка. Связываясь с гидрофобными участками неправильно уложенных белков, шапероны помогают им свернуться и достигнуть стабильной нативной структуры.

Вероятно, имеется возможность существования «скрытых прионов», т.е. белков, не являющихся прионными в нормальных условиях, но способных приобрести свойства приона в экстремальной ситуации, например, при стрессе, массированном протеолизе, связанным с апоптозом и т.д.

Независимо от происхождения болезни, она передается инфекционным путем. При попадании в организм человека или животного хотя бы одной раскрученной молекулы приона постепенно все остальные «нормальные» прионы начинают разворачиваться аналогичным образом. Идет своеобразная молекулярная цепная реакция таких изменений, сопровождающаяся дегенерацией нервных клеток головного мозга. «Раскрученные» молекулы прионов легко склеиваются друг с другом, на нервной клетке образуются белковые бляшки, и она погибает. На месте погибшей нервной клетки образуется пустота - вакуоль, заполненная жидкостью. Постепенно весь мозг превращается в дырчатую субстанцию, похожую на губку, и человек или животное погибает. В конце-концов головной мозг приобретает легко распознаваемую типичную губчатую структуру.

Путь инфицирования прионами играет важную роль в развитии заболевания и имеет свою определенную иерархию. По степени значимости пути инфицирования можно распределить в такой последовательности:

1. интрацеребральный
2. интравенозный
3. интраперитонеальный
4. подкожный
5. оральный

В качестве примера зависимости от дозы и пути поступления инфекта служат эксперименты, которые показали, что доза, необходимая для заражения прионами мышей при оральном пути должна быть в 200 000 раз выше, чем при интрацеребральном.

Чаще всего заражение прионами происходит при употреблении мяса больного животного. В отличие от нормальных прионов, болезнетворные прионы не разрушаются в желудке. Исследуются пути проникновения разрушительных прионов из желудка или кишечника в головной мозг. Возможно, в их распространении играет важную роль и иммунная система. Дело в том, что ученые обнаружили у овец, коров, а также у людей повышенную концентрацию прионов не только в головном мозгу, но и в миндалинах, кишечнике и селезенке. Согласно новейшим гипотезам прионы накапливаются и размножаются в определенных защитных клетках в лимфатических узлах и селезенке.

Прионы и видовой барьер

По современным представлениям, опасность заражения какого-либо вида животных болезнетворными прионами другого вида тем больше, чем большее сходство существует между структурами собственных прионов организмов животных обоих видов.

Прионы овец и коров различаются всего лишь по 7 позициям. Между прионами коровы и человека имеется около 30 различий. Прионы, от которых заболевают представители одного вида, могут оказаться для представителей другого вида совершенно безобидными.

Считается, что на межвидовой перенос инфекта влияют два фактора:

1) виды донора и реципиента, связанные с различиями в последовательностях гена приона;

2) штаммовые особенности приона, влияющие на легкость или сложность преодоления межвидового барьера.

Однако, по мнению некоторых ученых, даже существование высокоэффективного видового барьера между крупным рогатым скотом и человеком не может исключить переноса инфекции у немногих людей.

Прионные болезни

Прионные болезни относятся к группе нейродегенеративных заболеваний человека и животных. В общей популяции встречаются очень редко и регистрируются в виде спорадических, инфекционных и наследственных форм.

Кyру (хохочущая смерть) - зарегистрированный в одном из племен Папуа Новой Гвинеи, возник в результате употребления в пищу мозга умерших соплеменников во время ритуального каннибализма. Инкубационный период данного заболевания составляет около 8,5 лет. Болезнь Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ) возникает первично как спорадическое заболевание или в результате случайного инфицирования. Генетическая предрасположенность к этой болезни наблюдается у 1 человека из миллиона. Синдром Герстманна-Штреусслера - -Шейнкера (СГШШ) и фатальная семейная инсомния (ФСИ) являются доминантно наследуемыми прионными болезнями, связанными с мутациями прионного гена. Эти две группы заболеваний составляют не более 10% от числа всех наблюдений прионных болезней. Обнаружено более 20 мутаций гена, кодирующего прионный белок, достоверно связанных с наследственными прионными болезнями. Начало заболевания, его длительность, интенсивность, клинические и патоморфологические особенности связаны с характером произошедших мутаций.

Симптомами прионных заболеваний являются депрессии, сонливость, утрата профессиональных навыков, нарушения двигательной системы, атрофия мышц, затрудненное глотание, параличи, самым главным признаком болезни является очень быстрая деградация личности.

Характерным морфологическим признаком прионных энцефалопатий является наличие прион-протеиновых бляшек, которые обычно видны как округленные эозинофильные структуры. Изучение структуры и топографии прионных бляшек имеет большое как теоретическое, так и практическое значение. Количество, локализация и даже микроскопические признаки бляшек варьируют при различных формах и типах прионных энцефалопатий. Такие бляшки характерны для болезни Куру. Реже они встречаются при спорадической и семейной болезни Крейтцфельда-Якоба, но очень часто (более 70%) — при ее новой форме, вызванной коровьим бешенством. В единичных наблюдениях их описывают при семейной фатальной бессоннице. Следует отметить, что ткани погибших от прионных болезней остаются контагиозными даже после их фиксации формалином.

Диагностическое значение имеет ЭЭГ, при компьютерной томографии головного мозга может определяться корковая атрофия. При магнитно-резонансной томографии иногда выявляются гиперинтенсивные сигналы в проекции базальных ганглиев или таламуса, при позитронной эмиссионной спектроскопии – региональное снижение метаболизма глюкозы, коррелирующее с патоморфологическими изменениями. Патологические белки 26 и 29 к D А и нейрональная специфическая энолаза считаются маркерами прионных болезней. Еще недавно кроме биопсии мозга с последующим исследованием биоптата на наличие прионного белка не существовало специфической диагностики прионных заболеваний. Сейчас разработаны методы прижизненной детекции этой группы заболеваний. Среди них иммунологический анализ с использованием антител к аномальным прионам. Образцы тканей берут из спинномозговой жидкости или делая срез ткани с гланд.

Лечение прионных болезней

В настоящее время прионные заболевания являются неизлечимыми. Учеными всех стран мира ведутся активные работы по поиску лекарств, способных обезвреживать прионы.

Брефелдин A , селективно разрушающий вещества, депонированные в аппарате Гольджи, препятствует синтезу патогенных прионов в культурах клеток.

Блокаторы кальциевых каналов, в частности NMDA -рецепторов, способствуют более длительному выживанию инфицированных культур нервной ткани.

По некоторым данным, амфотерицин, НРА-23 (ингибитор синтеза вирусного гликопротеида) и кортикостероиды увеличивают инкубационный период при экспериментальном заболевании, а некоторые антибиотики несколько удлиняют жизнь больных животных.

Разветвленные полиамины очень эффективно взаимодействуют с прионами и предотвращают их распространение. Ученые возлагают надежды в этом плане и на ионы меди. Исследования показали, что последние играют немаловажную роль в функционировании системы прионов в организме.

Химические шапероны также подают надежды в излечении от прионной инфекции. GuHCl - белок денатурирующий агент, элиминирует прионный детерминант. Возможно, он нарушает стабильную конформацию прионного агрегата и он приобретает свойства растворимого олигомера с плохо замороженной конформацией и разрушается. Существует и другая версия. Было показано, что рост клеток на GuHCl индуцировал экспрессию шаперона Hsp 104, который также может элиминировать прионные белки.

Группа американских и голландских ученых выделили из бактерии Bacillus licheniformis фермент кератиназу, который способен in vitro разлагать эти белки до неопределяемого уровня. Исследования о влияния фермента на уровне целого организма будут продолжены. Сегодня с уверенностью можно говорить только об использовании деградирующего воздействия кератиназы на прионы для обеззараживания медицинского и лабораторного оборудования.

Другим убийственным для прионов ферментом является модифицированный фермент протеаза, который становится активным в условиях повышенной щёлочности. Компания Genencor является производителем этого фермента. Как показали предварительные испытания, хватает лишь одного часа, чтобы протеаза разложила зловредные белки.

Полученные из стволовых клеток нервные клетки теоретически можно пересаживать в мозг человека. В опытах на животных искусственно выращенные нейроны мигрировали через мозговые ткани как в места повреждений. Подобные эксперименты уже проведены шведскими учеными, которые пересадили мозговые эмбриональные клетки людям с застарелой болезнью Паркинсона. У части пациентов наблюдались некоторые улучшения моторной сферы, длившиеся от 5 до 10 лет. Такие же пересадки делались и в Америке. Однако считается аморальным использовать эмбрион для медицинских целей.

Исследователи считают, что смогли разработать метод, способный препятствовать развитию болезней у мышей. Они использовали рекомбинантный белок для иммунизации мышей. Перенаправление действия антител на эти белки способствует профилактике и удалению амилоидных бляшек. После усовершенствования этот метод сможет защитить человека от прионной инфекции.

Следует отметить, что, кроме прионной инфекции, у животных есть болезни более опасные для человека по своей распространенности: сибирская язва, вирусное бешенство, бруцеллез, чума свиней, ящур, трихинеллез, туберкулез. Эти заболевания представляют собой серьезную угрозу для человечества.