Вирус герпеса вызвал симптомы болезни Альцгеймера у трехмерной модели мозга

Американские биологи углубили наши представления о том, как связаны герпес и болезнь Альцгеймера: на этот раз они заразили вирусом герпеса трехмерную модель ткани головного мозга. Оказалось, что модель ведет себя так же, как ткань из мозга пациентов с болезнью Альцгеймера: нейроны дегенерируют, теряют электрическую активность и обрастают вспомогательными клетками. И хотя говорить о том, что вирус вызывает болезнь напрямую, еще рано, уже сейчас понятно, что они прочно связаны между собой. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Факторов, которые повышают риск развития болезни Альцгеймера, известно множество — среди них не только пожилой возраст и женский пол, но также синдром Дауна, ожирение, социальная пассивность и многие другие. Но непосредственную причину, которая ответственна за появление амилоидных бляшек в мозге, до сих пор выделить не удалось. На роль виновника нередко предлагают патогенов — например, кишечных микробов или бактерий из полости рта. Кроме них, виновником иногда называют вирус герпеса. Если эти подозрения подтвердятся, то окажется, что рискуют почти все люди на Земле — поскольку от 70 до 90 процентов населения, по разным подсчетам, носят его бессимптомно в нервной ткани.

До сих пор считалось, что роль герпеса в развитии болезни Альцгеймера сугубо механическая — вирусная частица служит центром кристаллизации, вокруг которого агрегируют деформированные амилоидные пептиды. Однако этого недостаточно, чтобы считать вирус причиной заболевания, в лучшем случае — механическим катализатором. Поэтому группа исследователей из университета Тафтс под руководством Дэвида Каплана (David Kaplan) взялась выяснить, как герпесная инфекция действует на нейроны и их микроокружение.

Ученые работали с трехмерной моделью нервной ткани, которую сконструировали по собственному дизайну. В основе ее лежал каркас из белка шелка, залитый коллагеновым гелем. Исследователи населили этот каркас индуцированными нейральными стволовыми клетками — это фибробласты, которые напрямую репрограммированы в предшественники нервной ткани. В культуре они самопроизвольно дифференцировались как в нейроны, так и во вспомогательные клетки — нейроглию.

Для начала авторы работы проверили, как обычная, не трехмерная культура индуцированных клеток реагирует на инфекцию. Они заражали клетки вирусом герпеса в разных концентрациях: отношение количества вирусных частиц к количеству клеток составляло 0,01, 0,1 или 1. Оказалось, что в максимальной концентрации за сутки вирус заражает все клетки в культуре, но даже и в минимальной он проникает примерно в каждую пятую клетку. Однако последствия от такого заражения оказались разными: максимальная концентрация вируса вызвала гибель почти четверти клеток в культуре, но если использовать еще меньшую концентрацию — 0,0001 вирусной частицы на клетку — то нейроны не гибнут, а сливаются друг с другом, образуя сложные многоядерные конструкции с отростками.

Инфицированные клетки культуре. Красное окрашивание - герпес, синее - ядра клеток, зеленое - тубулин, маркер нейронов. Слева - контрольная культура, далее слева направо доза вируса возрастает.

Cairns et al. / Science Advances, 2020

Поделиться

Окрасив эти конструкции антителами к бета-амилоиду, исследователи обнаружили, что зараженные клетки производят амилоидные фибриллы — нити, из которых потом образуются амилоидные бляшки. Кроме того, инфицированные нейроны экспрессировали также белки для производства бета-амилоида — ферменты BACE и PSEN, а также белок тау, который тоже участвует в патогенезе болезни Альцгеймера. Кроме того, через несколько дней культивирования в ткани появились и другие признаки болезни: например, нейровоспаление (повышенный уровень провоспалительных белков) и реактивный глиоз. При этом поддерживающие клетки глии начинают активно размножаться и их количество, судя по маркерам, после инфицирования выросло с 9 до 71 процента.

Контрольная культура (слева) и инфицированная герпесом (справа). Зеленое окрашивание - вирус герпеса, синее - ядра клеток, красное - бета-амилоид. Крупная "клетка" с отростками в инфицированной культуре - результат слияния нескольких нейронов.

Cairns et al. / Science Advances, 2020

Поделиться

Но если вирус герпеса действительно провоцирует симптомы болезни Альцгеймера, то противовирусный препарат должен их предотвращать. И действительно, когда вместе с дозой вируса в культуру добавляли валацикловир, количество бета-амилоида и производящих его ферментов в клетках не отличалось от контроля. Если же валацикловир добавляли через день, то улучшение тоже было заметно, но восстановить фенотип клеток удавалось не полностью. Тем не менее, этот эффект препарата исчез, когда на клетки действовали не самим вирусом, а средой культивирования инфицированных клеток: в таком случае предотвратить глиоз не удалось. Это означает, что не только сам вирус, но и реакция клеток на его присутствие запускает каскад процессов в ткани, который не так просто остановить.

Наконец, исследователи воспроизвели те же эксперименты на своей трехмерной модели ткани мозга. В ней под действием вируса произошло то же, что и в обычной культуре: клетки начали гибнуть, выросло производство бета-амилоида и связанных с ним белков, повысилась концентрация провоспалительных маркеров. Кроме того, существенно снизилась электрическая активность клеток. В то время как в контрольной модели нейроны были способны генерировать и поддерживать импульсы — главный критерий того, что нервная ткань функциональна — после заражения вирусом количество импульсов снизилось в три раза, что соответствует представлениям о нейродегенерации в мозге людей с болезнью Альцгеймера.

Таким образом, ученым удалось воспроизвести на своей модели множество патологических признаков, которые ранее встречали только в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера, в том числе глиоз, слияние клеток и снижение числа импульсов. Правда, авторы работы не решаются пока однозначно говорить о причинно-следственной связи между инфицированием герпесом и развитием патологии. Тем не менее, тот факт, что даже среда культивирования зараженных клеток оказывает влияние на нейроны, позволяет заключить, что дело здесь не только в агрегации бета-амилоида на поверхности вирусных частиц, и связь между герпесом и болезнью Альцгеймера устроена гораздо сложнее.

Мы уже рассказывали о том, что вызвать симптомы болезни Альцгеймера могут самые разные факторы, например, пересоленный корм, а с защитой от нее лучше всего пока спасаются унаследованные мутации. Правда, недавно появились первые результаты испытаний, в ходе которых болезнь Альцгеймера пробовали лечить переливаниями «молодой крови» и микродозами ЛСД.

Полина Лосева