Прионные болезни

В 1980-е годы был открыт необычайный этиологический агент — инфекционный прионный белок, принципиально отличающийся от возбудителей всех известных до сих пор классов инфекционных агентов — простейших, микробов, вирусов и вироидов.

Проблема прионных болезней родилась в рамках учения о медленных инфекциях, когда в 1954 г. В. Sigurdsson сообщил о своих многолетних исследованиях массовых заболеваний среди овец под названием «скрепи». В 1957 г. D. Yajdusek и Y. Zigas обнаружили и описали новое заболевание среди папуасов-каннибалов (о. Новая Гвинея), которое известно сегодня под названием «Куру».

Благодаря исследованиям W. Hadlow (1959) было выявлено большое сходство между клиническими проявлениями, эпидемиологическими показателями и патоморфологической картиной «Куру» у человека и «скрепи» у овец, на основании чего стало очевидно, что медленные инфекции могут поражать не только животных, но и человека. Массовый характер медленных инфекций, естественно, ставил вопрос об их этиологии и начался энергичный поиск в этом направлении.

Начиная с сообщений В. Sigurdsson в литературе постепенно накапливались данные об особой группе медленных инфекций человека и животных, патоморфологические признаки которых существенно отличались выраженным своеобразием, проявляющимся только в поражении центральной нервной системы, с отсутствием признаков воспаления, дегенерации нейронов, гиперплазии и пролиферации астроцитов, формировании амилоидных бляшек. Эти нарушения приводят к тому, что серое вещество мозга принимает губкообразный вид (status spongiosus).

Подобное своеобразие патоморфологической картины определило первичное (до сих пор используемое) название этой группы болезней — трансмиссивные губкообразные энцефалопатии (ТГЭ).

Болезни, объединенные данным названием, характеризуются длительным инкубационным периодом (от года до 30 лет и более), медленным прогрессирующим течением, патологическими изменениями исключительно в нервной ткани, отсутствием признаков воспаления и иммунного ответа, неизбежным летальным исходом. Основные клинические признаки ТГЭ обусловлены медленно прогрессирующим расстройством нервной системы: отклонение в психическом и умственном состоянии, положения тела и координации движений, нарушение реактивности, облысение.

На протяжении нескольких десятилетий все попытки обнаружить возбудителей ТГЭ заканчивались неудачей, хотя инфекционная природа их была точно доказана многочисленными опытами передачи заболеваний различным животным и не вызывала сомнений. Исследователи установили, что наивысшее количество инфекционного агента содержится в инфицированной мозговой ткани.

Были предложены различные гипотезы о природе этих возбудителей: вирусная, вироидная, белковая, полисахаридная, мембранная и др. Многие вирусологи поддерживали гипотезы о вирусной и вироидной природе агента. Они базировались на таких данных, как малые размеры возбудителя, его инфекционность, фильтруемость и неспособность расти на питательных средах. Однако наряду с приведенными признаками у возбудителя были обнаружены свойства, которые отличались от таковых у известных вирусов, а именно: необычайно высокая резистентность возбудителя к УФ-лучам, ионизирующей радиации, ультразвуку, нагреванию, нуклеазам, действию формальдегида и другим дезинфектантам. Сочетание таких своеобразных свойств возбудителей ТГЭ дали основания рассматривать их как «необычайные вирусы». Однако в начале 1980-х годов была расшифрована природа возбудителей ТГЭ.

Американский биохимик С. Прузинер (1982), используя новые подходы к накоплению и очистке инфекционного начала в мозговой ткани зараженных хомяков, показал, что возбудителем наиболее распространенной в природе ТГЭ — скрепи овец является безнуклеиновый низкомолекулярный (27—30 кД) белок Pr Р27—30 (по химической характеристике Pr Р27-30 представляет собой сиалогликопротеид, в котором к боковым цепям аминокислот подсоединены остатки сахаров), который он назвал «инфекционный прионный белок». В качестве инфекционной единицы С. Прузинер предложил наименование «прион». Термин «прион» образован как анаграмма английских слов proteinaceons infections particles — белковая инфекционная частица. Прион как инфекционная единица состоит из инфекционного прионного белка и сокращенно обозначают — Pr P^sc.

Применение электронной микроскопии позволило выявить в очищенных препаратах палочковидные структуры (фибриллы) диаметром 10—20 нм и длиной 100—200 нм, которые состояли примерно из 1000 молекул прионного белка. Все попытки обнаружить в этих препаратах нуклеиновую кислоту оказались безуспешными.

Результаты исследований последних лет полностью подтвердили природу ТГЭ, и на этом основании эти заболевания обозначают как прионные болезни.

Различают инфекционную, спорадическую и наследственную формы прионных болезней. К группе прионных болезней человека относят болезни Крейцфельда—Якоба, Герстманна—Штройслера—Шлинкера, куру, летальную семейную бессонницу. У животных группа прионных болезней включает скрепи овец и коз, трансмиссивную энцефалопатию норок, губкообразную энцефалопатию крупного рогатого скота, хроническую изнуряющую болезнь оленей и лосей, губкообразную энцефалопатию кошек и экзотических животных ( антилопы и большой куду).

В последние 20 лет были получены весьма ценные сведения по проблеме ТГЭ, чему в большей степени способствовала разразившаяся в 1986 г. в Великобритании эпизоотия губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота («бешенство» крупного рогатого скота). Предполагают, что возникновение этой болезни в Великобритании было обусловлено скармливанием мясокостной муки, полученной при использовании боенских отходов овец, больных скрепи. Режим переработки сырья животного происхождения не обеспечивал инактивацию возбудителя скрепи.

Установлено, что нормальный (клеточный) прионный белок (Pr P^c) синтезируется во многих органах и тканях человека и животных. Функция его изучена недостаточно, но полагают, что он необходим для функционирования нейронов, межклеточного узнавания и клеточной активации и т. д. Ген, кодирующий синтез прионного белка, картирован в 20-й хромосоме у человека, во 2-й — у мыши и в 14-й — у серебристо-черной лисицы. Ген (ген прионного белка крысы имеет 1600 пар нуклеотидов) имеет мозайчатую структуру и состоит из экзонов и интронов. Он транскрибируется полностью с образованием предшественника иРНК, из которого удаляются интроны, а экзоны соединяются и формируется зрелая иРНК, которая транспортируется в цитоплазму и на рибосомах обеспечивает синтез прионного белка. Длина молекулы прионного белка у человека и различных животных составляет 252—264 аминокислотных остатка. Синтезированный в клетке нормальный белок обозначают Pr P^c — клеточная изоформа. Конформационно измененный прионный белок (аномальный, инфекционный) обозначают Pr P^sc — скрепийная изоформа.

Обработка нормального прионного белка протеннкиназой К приводит к полному его разрушению, тогда как в этих же условиях расщепляется только N-концевая часть инфекционного прионного белка. Чувствительность к протеинкиназе К является маркером, отличающим Pr P^c or Pr P^sc.

Установлено, что Pr P^c синтезируется и эндоплазматичеекой сети и довольно быстро деградирует (продолжительность его полураспада составляет всего 5—6 ч). Синтезированный Pr P^c, проходя через аппарат Гольджи, транспортируется на поверхность клетки, переносится вдоль аксона. В отличие от Pr P^c инфекционный прионный белок (Pr P^sc) первично аккумулируется в клетках, накапливаясь в цитоплазматических везикулах. Дальнейшее его накопление в синаптических структурах и связанная с этим дезорганизация синапсов, возможно, является причиной развития глубоких неврологических дефектов. Позднее Pr P^sc высвобождается во внеклеточное пространство и откладывается в виде амилоидных бляшек.

Механизм накопления инфекционного белка в зараженном организме сегодня точно не известен. Однако, исходя из определения, что это пострансляционный процесс, очевидно, что инфекционный прионный белок вызывает в здоровом организме трансформацию нормального прионного белка в инфекционную форму за счет его (нормального белка) конформационных (т. е. пространственных) изменений. В этом случае речь идет об изменении третичной или даже четвертичной структуры исходного белка Pr P^c.

Таким образом, процесс накопления инфекционного прионного белка происходит не в результате синтеза в зараженном организме молекул Pr P^sc, а вследствие конформационных изменений уже синтезированных перед этим нормальных молекул Pr P^c под влиянием инфекционного белка.

Процесс накопления инфекционного прионного белка обусловлен прежде всего необходимостью контакта двух молекул. В результате под влиянием одной молекулы Pr P^sc происходит трансформация одной молекулы Pr P^c в ее инфекционную форму Pr P^sc. Следующий этап, как видно на схеме, включает уже наличие двух молекул Pr P^sc, под воздействием которых образуются уже четыре молекулы и т. д.

Этот сложный пострансляционный процесс характеризуется большими структурными изменениями прионного белка, в результате которого α-спирали превращаются в β-складчатые структуры. Установлено, что Pr P^c содержит 42 % α-спиралей и почти не содержит β-тяжей (около 3 %), в то время как в инфекционной форме Pr P^sc выявляется 30 % α-спиралей и 43 % β-тяжей.

Превращение нормального прионного белка в инфекционную форму может происходить:

спонтанно, это встречается редко, например, при спорадической форме болезни Крейцфельда — Якоба (частота заболевания составляет 0,5—1 случай в год на 1 млн жителей);

под воздействием экзогенного инфекционного прионного белка, например, губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота, болезнь куру у человека, новый вариант болезни Крейцфельда—Якоба, случайная передача болезни Крейцфельда—Якоба при хирургических и других медицинских манипуляциях;

Ятрогенный путь передачи прионных болезней — сюда относятся использование недостаточно простерилизованных инструментов, пересадка твердой мозговой оболочки и роговицы, использование гормона роста или гонадотропина, полученных из гипофизов умерших людей.

при мутациях в кодирующей части гена прионного белка, например болезнь Герстманна—Штройслера—Шайнкера, летальная семейная бессонница у людей.

В литературе приводится предполагаемый патогенез ТГЭ на примере скрейпи овец: оральная инфекция → репликация в мононуклеарных фагоцитах → отсутствие иммунного ответа → распространение с кровотоком → внедрение в центральную нервную систему (ЦНС) → репликация в ЦНС → индукция амилоидоза → дегенерация нервной ткани → клинический симптомокомплекс → смерть.

Исследования показали, что после заражения возбудитель широко распространяется в организме, размножается в различных органах, прежде чем его обнаружат в ЦНС. Места самой ранней локализации инфекции — миндалины, подвздошная кишка, проксимальная часть толстой кишки, а также селезенка и различные лимфатические узлы. В центральной нервной системе первое место репликации локализуется в грудном отделе спинного мозга, далее возбудитель распространяется вдоль висцеральных симпатических волокон и достигает передних областей головного мозга. Установлено, что в ранние сроки наивысшие титры возбудителя обнаруживаются в лимфоидной ткани (селезенка, лимфатические узлы), однако их величина в 10—100 раз ниже концентрации возбудителя в ЦНС.

Некоторые особенности эпизоотологии прионных болезней обусловлены, во-первых, необычной природой возбудителя и, во-вторых, необычностью его происхождения. Благодаря высокой устойчивости инфекционного прионного белка к целому ряду неблагоприятных факторов внешней среды (повышенная температура, УФ, свет, ионизирующая радиация, дезинфектанты и т. д.) пути передачи возбудителя оказываются в меньшей степени подвержены риску прерывания, как это имеет место при различных воздействиях на пути передачи инфекционных агентов паразитарной, бактериальной и вирусной природы.

Что касается первого звена эпизоотической цепи, то источником инфекционного прионного белка при прионных болезнях, как правило, является больное животное или больной человек. Путь передачи инфекционного агента — алиментарный и передача возбудителя при хирургических операциях, введении гормональных препаратов. Показана контактная передача скрейпи у овец.

В отношении последнего звена эпизоотической цепи — восприимчивого организма — накоплен уже значительный фактический материал, свидетельствующий о существовании определенного уровня чувствительности (или нечувствительности) к инфекционному прионному белку.

Так, известна высокая чувствительность к скрейпи овец романовской породы и до 100 % устойчивость у овец породы «дорсет». Таким образом, уровень чувствительности к инфекционному агенту определяется генетической характеристикой хозяина, а также степенью структурного родства инфекционного прионного белка донора и нормального клеточного белка реципиента.

Особый эпидемиологический и эпизоотологический интерес представляет вопрос о формировании и поддержании скрытых трансмиссивных форм губкообразных энцефалопатий. Накопленные за последние десятилетия данные свидетельствуют о способности инфекционного прионного белка поддерживать латентную форму инфекционного процесса. Кроме того, инфекционные прионы способны преодолевать видовые (родовые и др.) барьеры не только в условиях эксперимента, но и вызывать развитие эпизоотического процесса среди популяций млекопитающих, считающихся ранее нечувствительными к данному возбудителю.

Возможность заражения людей возбудителем губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота связывают с появлением в 1994—1997 гг. в Великобритании и Франции нетипичных случаев болезни Крейцфельда—Якоба, которая отличалась от классических проявлений этого заболевания и была обозначена как новый вариант болезни Крейцфельда—Якоба. К концу 2001 г. было отмечено 93 случая нового варианта этого заболевания, которое развивалось у людей в возрасте от 16 до 40 лет; длительность течения болезни составляла в среднем 13 мес.

В настоящее время в европейских странах, в том числе и в Российской Федерации, осуществляется ряд мероприятий по профилактике прионных инфекций. Диагностика их основывается на эпизоотологических данных, клинических признаках и лабораторных исследованиях, включающих патогистологический анализ пораженных участков мозговой ткани и иммуноцитохимический анализ на присутствие инфекционною прионного белка. Лечение не разработано.

Профилактические мероприятия направлены на охрану здоровья как человека, так и животных. Для нашей страны, свободной от губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота, особенно актуально недопущение завоза крупного рогатого скота, а также мяса и мясных продуктов из Великобритании и тех регионов других стран, где зарегистрированы случаи заболевания. Профилактические меры в отношении скрейпи сводятся к уничтожению больных животных, строгому соблюдению правил термической обработки при приготовлении кормов в звероводческих хозяйствах, многоразовой дезинфекции помещений, инвентаря, территории и только через 1—2 года после ликвидации болезни завозу ягнят из благополучных хозяйств.

Трансмиссивные губкообразные энцефалопатии животных представляют серьезную проблему не только в ветеринарии и эпизоотологии, но и, что может быть даже важнее, в области ветсанэкспертизы продуктов животноводства, производства и применения препаратов животного происхождения.

Изучение прионов и вызываемых ими заболеваний является новой, быстроразвивающейся областью биомедицинских исследований, которая в последние годы приобрела важное научно-практическое значение.

Результаты молекулярно-биологических исследований структуры прионных белков дали основание наметить новые направления в дальнейших подходах в терапии прионных болезней. Более перспективным рассматривается подход, включающий создание некого «молекулярного клея», который смог бы преодолеть гематоэнцефалический барьер и связываться с гидрофобной сердцевиной Pr P^c. Такой химиопрепарат, по мнению авторов, смог бы стабилизировать α-спирали в молекуле Pr P^c и таким образом эффективно предотвращать его трансформацию в Pr P^sc.

Другой подход основан на конструировании молекул, которые бы могли связывать поверхностное взаимодействие инфекционного Pr P^sc и таким образом прекращать ( или приостанавливать) их способность к взаимодействию с молекулами нормального (клеточного) Pr P^c, прекращая тем самым процесс конформационных изменений последних.

Многие считают, что патологические прионы более правильно относить к возбудителям конформационных болезней, вызывающим диспротеиноз.

Предполагают существование болезней конформации белков, возникающих в результате неправильного сворачивания (нарушения правильной конформации) клеточного белка, необходимого для нормального функционирования организма. Сворачивание, или фолдинг (от англ. folding — сворачивание), вновь синтезированных клеточных белков в правильную функциональную конформацию обеспечивают особые белки-шарперы.

Очевидно, что сегодня встает новая проблема, которая обозначена как «конформационные болезни», при которых конститутивные белки подвергаются изменениям по размеру или форме и вследствие этих изменений из жизненно необходимых могут превратиться в смертельно опасные, вызывающие тяжелые, а порой и фатальные последствия.