Před dvěma lety nabídl imunolog a podnikatel v oblasti vydávání lékařských publikací Leslie Norins 1 milion dolarů z vlastních peněz tomu vědci, který prokáže, že Alzheimerovu chorobu způsobuje nějaký zárodek.
Teorie, že tuto formu demence může způsobovat infekce, se na okraji neurovědeckého výzkumu objevuje již několik desetiletí. Většina výzkumníků Alzheimerovy choroby, podpořená obrovským množstvím důkazů, se naopak domnívá, že hlavními viníky jsou lepkavé molekuly v mozku zvané amyloidy, které se shlukují do plaků a způsobují zánět, čímž zabíjejí neurony.
Norins chtěl odměnit práci, která by myšlenku infekce učinila přesvědčivější. Hypotéza amyloidu se stala „jedinou přijatelnou a podporovatelnou vírou etablované církve konvenční moudrosti“, říká Norins. „Těch několik průkopníků, kteří se zabývali mikroby a publikovali práce, bylo zesměšněno nebo ignorováno.“
Z velké části to bylo proto, že někteří první zastánci teorie infekce ji považovali za náhradu amyloidové hypotézy. Některé nedávné výzkumy však přinesly zajímavé náznaky, že by obě myšlenky mohly zapadat do sebe – že infekce by mohla zasít některé případy Alzheimerovy choroby tím, že spustí produkci amyloidových shluků.
Údaje naznačují radikální roli amyloidu v neuronech. Místo toho, aby byl amyloid pouze toxickým odpadním produktem, může mít sám o sobě důležitý úkol: pomáhat chránit mozek před infekcí. Ale věk nebo genetika mohou narušit kontrolní mechanismy a rovnováhu v systému, čímž se amyloid z obránce stane padouchem.
A tato myšlenka naznačuje nové cesty, které je třeba prozkoumat pro potenciální léčbu. Aby mohli vědci tuto teorii dále ověřit, vyvíjejí nyní zvířecí modely, které blíže napodobují Alzheimerovu chorobu. „Bereme tyto myšlenky vážně,“ říká neurovědec Bart de Strooper, ředitel britského Institutu pro výzkum demence na University College London.
Hromadění amyloidu
Hypotéza amyloidu tvrdí, že Alzheimerova choroba vzniká v důsledku hromadění lepkavých, rozpustných bílkovin – peptidů amyloidu-β – v prostorách mezi mozkovými buňkami. Tyto peptidy jsou odštěpeny z jiného proteinu usazeného v membránách neuronů. Jakmile se uvolní, shlukují se do větších struktur, které, pokud nejsou dostatečně účinně odstraňovány speciálními enzymy, se shlukují do plaků. Plaky pak spouštějí smrtící kaskádu: vyvolávají neurozánět a vytvářejí svazky vláknitých proteinů nazývaných tau spletence. Tváří v tvář této litanii urážek neurony odumírají.
Kritici hypotézy upozorňují, že v mozcích mnoha lidí, kteří Alzheimerovou chorobou netrpěli, byly při pitvě prokázány plaky. A poukazují na neúspěch mnoha klinických studií léčby určené k rozpouštění amyloidních plaků, z nichž žádná nemoc nezpomalila. Vědci, kteří podporují amyloidovou teorii, oponují, že ačkoli se hustota plaků u jednotlivých osob velmi liší, hustota taurových klubek, které vyvolávají, úzce koreluje se závažností onemocnění. A klinické studie podle nich pravděpodobně selhaly, protože léčba byla podávána příliš pozdě v průběhu nemoci.
Na své straně mají také silné důkazy. Existují určité vzácné a agresivní formy Alzheimerovy choroby, které se objevují brzy – mezi 30. a 60. rokem života – a vyskytují se v rodinách; tyto stavy jsou způsobeny mutacemi v genech, které řídí proces tvorby amyloidu a zánět v mozku. Desítky dalších genů jsou spojeny s rizikem častější pozdní formy onemocnění. Některé z nich kódují proteiny, které tvoří prvky amyloidové kaskády, a některé se podílejí na vrozeném imunitním systému – skupině mechanismů, které se rychle aktivují, aby zabránily šíření patogenů v těle, a které řídí zánět.
Agenti infekce
Vědci, kteří doufají, že ověří hypotézu infekce, se vydali na lov mikrobů v tisících posmrtných mozků lidí s Alzheimerovou chorobou. U mnoha z nich je našli. „Tyto studie však ukazují pouze korelace, které mohou mít vysvětlení, jež nemají s mechanismy nic společného,“ říká de Strooper.
Ruth Itzhakiová, biofyzička z univerzity v britském Manchesteru, která v 90. letech minulého století informovala o pozorování viru herpes simplex 1 (HSV1) v posmrtných mozcích pacientů s Alzheimerovou chorobou1, se nad takovou kritikou rozčiluje. Domnívá se, že přítomnost mikrobů v mozku musí naznačovat jejich roli, a spolu s dalšími si myslí, že mají dobré důkazy o tom, že viry jsou základem Alzheimerovy choroby. „Většina z nás vždy uznávala, že amyloid je velmi důležitým rysem Alzheimerovy choroby – ale prostě není její příčinou,“ říká.
Ve vzorcích mozkové tkáně od lidí s Alzheimerovou chorobou se někdy vyskytují mikroby.Kredit: Patrice Latron/Look at Sciences/SPL
Několik mikrobů bylo navrženo jako spouštěče Alzheimerovy choroby, včetně tří lidských herpetických virů a tří bakterií: Chlamydia pneumoniae, která způsobuje plicní infekce, Borrelia burgdorferi, původce boreliózy, a nejnověji Porphyromonas gingivalis, která vede k onemocnění dásní. Teoreticky by tuto spouštěcí roli mohl mít jakýkoli infekční agens, který dokáže napadnout mozek (neexistují však žádné dobré důkazy, že by tuto schopnost měl virus SARS-CoV-2, který stojí za virem COVID-19).
Většina skupin v této oblasti má oblíbeného mikroba a v roce 2018 se dvě pozornost poutající práce zabývaly rolí herpetických virů. Jedna z nich, od skupiny Joela Dudleyho z Icahn School of Medicine at Mount Sinai v New Yorku, analyzovala obrovské tranše dat o genech, proteinech a struktuře tkání získaných z téměř 1 000 posmrtných mozků dostupných v různých databázích. Tým hledal v mozkové tkáni příznačné znaky virů – fragmenty genů nebo proteinů specifických pro herpes – a dospěl k závěru, že hladiny lidského herpes viru 6A (HHV-6A) a lidského herpes viru 7 byly vyšší u lidí, kteří trpěli Alzheimerovou chorobou, než u kontrolních osob2.
Dalším vědcům, včetně virologa Stevena Jacobsona z Národního institutu neurologických poruch a mrtvice v Bethesdě ve státě Maryland, jehož tým zkoumal vzorek více než 1000 posmrtných mozků, se však Dudleyho zjištění nepodařilo zopakovat3.
I přes impozantní počet jednotlivých mozků v Dudleyho studii jsou výsledky korelativní. Znepokojivý je i zdroj dat, říká Michael Heneka z Německého centra pro neurodegenerativní onemocnění v Bonnu. Mozky lidí s Alzheimerovou chorobou jsou před smrtí ve špatném stavu a tkáň se před pitvou dále rozkládá; mikroby do nich mohly snadno proniknout v posledních dnech života nebo po smrti. „Z posmrtného materiálu nemůžeme příliš usuzovat na patogenezi nemoci, která má trajektorii přibližně tří desetiletí,“ říká.“
Dudleyho práce přišla v návaznosti na desetiletou studii na Tchaj-wanu, která sledovala více než 8 000 lidí, u nichž byl diagnostikován virus herpes simplex, a porovnávala je s kontrolní skupinou 25 000 lidí, kteří stejnou diagnózu nedostali. Skupina lidí s herpesem měla 2,5krát vyšší riziko vzniku Alzheimerovy choroby, ale toto zvýšení bylo téměř eliminováno u těch, kteří dostávali agresivní léčbu léky4.
Ještě před tímto nedávným zvýšením významu této teorie měla myšlenka, že infekce mohou nějakým způsobem vyvolat Alzheimerovu chorobu, dostatečnou podporu, aby vědci zahájili klinickou studii. V roce 2017 začal tým z Kolumbijské univerzity v New Yorku testovat, zda by antivirový lék valaciklovir mohl zpomalit pokles kognitivních funkcí a tvorbu amyloidních plaků u lidí s mírnou formou Alzheimerovy choroby, kteří měli zároveň pozitivní testy na protilátky proti viru herpes simplex. Výsledky se očekávají v roce 2022.
Břemeno důkazu
Když studie na lidech poskytují pouze korelaci, vědci se často obracejí k pokusům na zvířatech, aby hledali příčinu. Zvířecí modely Alzheimerovy choroby však nejsou dokonalé; například u myší se s přibývajícím věkem netvoří charakteristické plaky, pokud nejsou geneticky upraveny tak, aby je vytvářely. Široce používaná transgenní myš 5xFAD exprimuje pět relevantních mutací v genech, které kódují preamyloidní protein a jeden z enzymů, které jej štěpí na amyloid-β. Tyto myši exprimují tyto geny v mimořádně vysoké míře a plaky se u nich začínají vytvářet již ve věku dvou měsíců.
Neurogenetik Rudolph Tanzi a jeho kolegové z Massachusettské všeobecné nemocnice v Charlestownu použili myší model 5xFAD ke zkoumání dlouholetého nápadu, který se objevil jednoho pátečního odpoledne v roce 2008, kdy na oddělení probíhala tradiční „pivní hodina“ – zaměstnancům a studentům známá také jako „hodina úpravy postojů“.
Tanzi hledal v některých nových lidských genomických datech rizikové geny pro Alzheimerovu chorobu a byl zmaten, když na něj vyskočil gen pro CD33, protein široce exprimovaný ve vrozeném imunitním systému. Šel se zeptat vedle svého přítele a kolegy Roba Moira, co si myslí o podivné myšlence, že by vrozený imunitní systém mohl být kandidátem na gen pro Alzheimerovu chorobu.
Moir, neurobiolog, byl zaneprázdněn průzkumem novinek v obecné literatuře o vědách o životě a narazil na článek o antimikrobiálních peptidech, které se vyskytují v mnoha vrozených imunitních drahách. „Kámo, podívej se na to,“ zavolal na Tanziho. Na jeho počítači se objevila tabulka popisující peptidy, všechny podobné délky jako amyloid-β a s některými podobnými vlastnostmi. „Myslíš, že by amyloid-β mohl být antimikrobiální peptid?“ zeptal se. Tanzi nezaváhal. „Pojďme to otestovat!“
Moir se s tím nápadem rozběhl. „Byl jako pes v bačkorách, nechtěl se pustit,“ vzpomíná Tanzi.
Do té doby nikdo příliš nepřemýšlel o tom, zda by amyloid-β mohl mít nějakou vlastní specifickou roli, přestože je vysoce konzervovaný napříč druhy – což je silný ukazatel biologické užitečnosti. Tato sekvence je stará nejméně 400 milionů let a je přítomna přibližně u dvou třetin všech obratlovců. Možná to byl víc než jen padouch, spekulovali. Možná má funkci hodného chlapíka, který zachycuje mikroby, jež si najdou cestu do mozku, a brání jim v tom, aby způsobily onemocnění. Tento systém by se mohl pokazit, když mozek stárne a ztrácí schopnost účinně odstraňovat amyloidy.
Tanzi, který vystudoval mikrobiologii, požádal postgraduální studentku Stephanii Sosciaovou, aby se rychle podívala, zda amyloid-β dokáže ve zkumavce zabít osm běžných mikroorganismů způsobujících nemoci, včetně Streptococcus pneumoniae a Escherichia coli. Zjistila, že ano – přinejmenším stejně účinně, jako to dokázaly známé antimikrobiální peptidy.
V roce 2010 tuto skutečnost hnali do tisku5 a v následujících letech Moir předsedal řadě důkladnějších experimentů, které měly prověřit to, co nyní nazývali hypotézou antimikrobiální ochrany. Vstřikovali bakterii Salmonella typhimurium přímo do mozku myší 5xFAD vytvářejících plaky a zjistili, že přežívají déle než netransgenní myši bez plaků. Podobné výsledky zjistili i u hlístic s použitím patogenní houby Candida albicans. Ref. 9; Nature 559, S4-S7 (2018).
Poté se tým zaměřil na herpes viry, které se ukázaly jako lidské patogeny nejčastěji spojované s Alzheimerovou chorobou. Vstřikovali HSV1 do mozku mladých myší 5xFAD a normálních myší. Během tří týdnů byly mozky transgenních myší posety amyloidními plaky. Když tým zopakoval pokus se smrtelnou dávkou HSV1, žily transgenní myši déle než kontrolní – a plaky se v jejich mozcích objevily během pozoruhodných dvou dnů7. „Byl to úžasný pohled,“ říká Tanzi.
HSV1 je tak rozšířený, že ho ve svém těle nosí více než polovina lidí na světě. Moir však chtěl otestovat také účinky HHV-6, který se vyskytuje až v 10 % zdravých mozků – i když často v nízkém množství a s neznámým účinkem. Myši jsou vůči infekci HHV-6 odolné, a tak Moirův tým zkoumal účinky viru v 3D kultuře lidských nervových buněk, která modeluje některé aspekty Alzheimerovy choroby. Za normálních okolností se v tomto miniaturním mozkovém organoidu začnou po šesti týdnech v kultuře hromadit amyloidní plaky a taurové spleti. Ale jak vědci pozorovali u myší, plaky se objevily již dva dny po přidání viru7.
Moir a Tanzi dále zkoumali vliv herpetických virů na tvorbu tau-tanglů v organoidech a zda mohou tangly blokovat šíření virů po neuronech. Moir zemřel v prosinci 2019 po krátké nemoci, ale Tanzi říká, že jeho skupina stále pokračuje v tomto směru práce.
Výsledkem jeho dosavadních pokusů o potvrzení konceptu je podle něj to, že „pokud tvoříte amyloid-β, přežíváte infekci lépe“. Přiznává však, že skutečný důkaz – vidět, jak infekce spustí amyloidovou kaskádu a způsobí onemocnění – je ještě daleko. „Ještě jsme neviděli kouřící zbraň.“ A nikdo podle něj zatím neví, zda se antimikrobiální vlastnosti amyloidu-β skutečně uplatňují v rámci normálního fyziologického procesu u lidí nebo jak významný by byl jejich podíl na celkové paletě obranných mechanismů v mozku. Infekce by mohla být jedním ze způsobů, jak škrtnout sirkou, která vede k požáru Alzheimerovy choroby, stejně jako to dělají vzácné genetické mutace.
Vědoma si toho, že cokoliv škrtne sirkou na počátku nemoci, už nemusí být v době, kdy člověk zemře, Tanziho laboratoř vyvíjí techniky k izolaci a analýze jednotlivých plaků, aby zjistila, zda jsou v nich zachyceny stopy mikrobů. Je to něco jako archeologické vykopávky, říká.
Podpůrné studie
Tanziho práce zatím nebyla nezávisle reprodukována, ale jiné experimenty poskytly nepřímou podporu hypotéze antimikrobiální ochrany. Například vědci z biotechnologické firmy Genentech v jižním San Franciscu v Kalifornii prokázali, že mutace v genu známém jako PILRA, který je exprimován v různých imunitních buňkách, je spojena se sníženým rizikem Alzheimerovy choroby8. Tento gen vytváří protein, který pomáhá herpesu a dalším virům pronikat do neuronů, a podle vědců by mutace mohla tomuto průniku zabránit.
A co je nejzajímavější, práce z roku 20209 z laboratoře chemického biologa Yue-Ming Li z Memorial Sloan Kettering Cancer Center v New Yorku uvádí mechanismus, který by mohl spojovat neurozánět s produkcí amyloidu-β. Vědci se domnívají, že mutace genu PILRA by mohla zabránit průniku virů do neuronů. Liův tým zjistil, že protein zvaný IFITM3 se zapne, když se viry dostanou do mozku. Tento protein se váže na jeden z enzymů vytvářejících amyloid, tzv. γ-sekretázu, a zvyšuje produkci amyloidu.
Li a jeho tým zkoumali vzorky z mozkových bank a zjistili, že exprese genu IFITM3 s věkem stoupá. Byla také vyšší v mozcích lidí s Alzheimerovou chorobou než v mozcích kontrolních osob. Navíc při pokusech s kultivovanými mozkovými buňkami zjistili, že molekula podporující zánět, cytokin zvaný interferon, zvyšuje hladinu IFITM3 i amyloidu-β (také ve vzorcích lidských mozků, kde našli více IFITM3, našli více interferonu). To vše podle nich naznačuje, že by tento protein mohl fungovat jako prostředník mezi zánětem a procesem tvorby amyloidu.
Li nyní zkoumá, zda by se IFITM3 mohl stát biomarkerem, který by pomohl při rozhodování, kteří pacienti by mohli být zařazeni do klinických studií protizánětlivé léčby nebo léků zaměřených na γ-sekretázu. Zkoumá také, zda by se tento protein mohl stát užitečným cílem pro vývoj léků.
Výsledky jsou „velkým krokem vpřed“, říká de Strooper, protože odhalují druh kaskády, která charakterizuje mnoho komplexních onemocnění, včetně rakoviny. Tento proces „může být spuštěn buď mutacemi, které způsobují familiární Alzheimerovu chorobu a které vedou k většímu množství amyloidu, jenž pohání zánět, nebo infekcí, která vede k zánětu, jenž pohání nadprodukci amyloidních peptidů.“
Pokud by se to potvrdilo, mělo by to podle něj důležité důsledky pro léčbu Alzheimerovy choroby, protože zablokování produkce amyloidu-β by mohlo znamenat, že infekce najednou představují pro mozek větší hrozbu. „Je to však zcela spekulativní a záleží na tom, jak důležitá by se mohla ukázat role amyloidu-β v globální obranné linii mozku.“
Někteří vědci jsou stále skeptičtí k tomu, že infekce hrají v Alzheimerově chorobě významnou roli. Neurovědec John Hardy z University College London, který se v roce 2018 podělil s de Strooperem a dalšími o cenu Brain Prize za práci o Alzheimerově chorobě, říká, že by „vsadil 5 liber, ale ne 500 liber“ na to, že teorie antimikrobiální ochrany je správná. „Ale nemyslím si, že to bude prokazatelné, a nemyslím si, že by toho zbývalo mnoho, co je třeba o Alzheimerově chorobě vysvětlit nad rámec genetiky,“ říká. A neuroložka Tara Spires-Jonesová z Edinburské univerzity ve Velké Británii říká, že ačkoli dosavadní údaje připouštějí možnost, že infekce zasévá některé případy Alzheimerovy choroby tím, že vytváří zánět, vysvětlením může být i normální proces stárnutí. Podotýká, že stárnutí je největším rizikovým faktorem pro vznik Alzheimerovy choroby. „Podle mého osobního názoru je pravděpodobnější, že příčinou je obecný zánět v mozku, který přichází se stárnutím.“
Při správných modelech se však někteří vědci domnívají, že teorie infekce by mohla být prokazatelná, i když by mohlo být obtížné prokázat, jaká část případů Alzheimerovy choroby byla vyvolána mikrobem. Jacobson je novými možnostmi nadšen a doufá, že se mu podaří vyvinout model marmoše, na němž by bylo možné teorii infekce ověřit, protože tento malý primát napodobuje patologii Alzheimerovy choroby u lidí přesněji než jiné modely. Tanzi plánuje použít myš, jejíž amyloidové geny byly vyměněny za jejich lidské ekvivalenty, a která tedy exprimuje lidský amyloid-β v normální fyziologické míře. Dalším klíčovým krokem bude, aby nezávislé laboratoře replikovaly dosavadní zjištění.
Co se týče Norinsovy ceny, 40 uchazečů dosud předložilo práce v naději, že v březnu, kdy budou vyhlášeny výsledky soutěže, odejdou s finanční odměnou. Norins si je vědom obrovské náročnosti tohoto úkolu. Říká, že důkaz, že nějaký zárodek způsobuje Alzheimerovu chorobu, bude „tím nejtěžším důkazem“.