Giver infektioner næring til nogle tilfælde af Alzheimers sygdom?

For to år siden tilbød immunologen og iværksætteren Leslie Norins, der er udgiver af medicinske publikationer, at give 1 million dollars af sine egne penge til enhver forsker, der kunne bevise, at Alzheimers sygdom var forårsaget af en bakterie.

Theorien om, at en infektion kan forårsage denne form for demens, har i årtier rumsteret i udkanten af den neurovidenskabelige forskning. Flertallet af Alzheimer-forskere, der støttes af en enorm mængde beviser, mener i stedet, at de vigtigste syndere er klæbrige molekyler i hjernen kaldet amyloider, som klumper sig sammen til plaques og forårsager betændelse, der dræber neuroner.

Norins ønskede at belønne arbejde, der ville gøre infektionstanken mere overbevisende. Amyloidhypotesen er blevet “den eneste acceptable og holdbare tro i den etablerede kirke af konventionel visdom”, siger Norins. “De få pionerer, der kiggede på mikrober og offentliggjorde artikler, blev latterliggjort eller ignoreret.”

Dette skyldtes for en stor dels vedkommende, at nogle af de tidlige fortalere for infektionsteorien så den som en erstatning for amyloidhypotesen. Men nogle nyere undersøgelser har givet spændende antydninger om, at de to ideer kunne passe sammen – at infektion kunne lægge kimen til nogle tilfælde af Alzheimers sygdom ved at udløse produktionen af amyloidklumper.

Dataene tyder på en radikal rolle for amyloid i neuroner. I stedet for blot at være et giftigt affaldsprodukt har amyloid måske selv en vigtig opgave, nemlig at hjælpe med at beskytte hjernen mod infektioner. Men alder eller genetik kan afbryde kontrollen og balancerne i systemet og forvandle amyloid fra forsvarer til skurk.

Og denne idé antyder nye veje at udforske for potentielle terapier. For at teste teorien yderligere er forskerne nu ved at udvikle dyremodeller, der efterligner Alzheimers sygdom mere nøjagtigt. “Vi tager idéerne alvorligt”, siger neurovidenskabsmand Bart de Strooper, der er direktør for UK Dementia Research Institute ved University College London.

Spist af klumper

Amyloidhypotesen går ud på, at Alzheimers sygdom skyldes en ophobning af klæbrige, opløselige proteiner – amyloid-β-peptider – i mellemrummene mellem hjernecellerne. Disse peptider spaltes fra et andet protein, der er indlejret i neuronernes membraner. Når de først flyder frit, klumper de sig sammen til større strukturer, som, hvis de ikke bliver renset effektivt nok af særlige enzymer, samler sig til plaques. Plakkerne udløser derefter en dødbringende kaskade: de fremkalder neuroinflammation og skaber bundter af snorlige proteiner kaldet tau-tangles. Stillet over for denne litani af krænkelser dør neuronerne.

Kritikere af hypotesen bemærker, at hjernen hos mange mennesker, der ikke havde Alzheimers sygdom, har vist sig at indeholde plaques ved obduktion. Og de peger på, at mange kliniske forsøg med behandlinger, der har til formål at opløse amyloide plaques, er slået fejl, og at ingen af dem har bremset sygdommen. Forskere, der støtter amyloidteorien, imødegår, at selv om tætheden af plaques varierer meget fra person til person, er tætheden af tau-tangles, som de udløser, tæt korreleret med sygdommens sværhedsgrad. Og kliniske forsøg mislykkedes sandsynligvis, siger de, fordi behandlingerne blev givet for sent i sygdomsforløbet.

De har også stærke beviser på deres side. Der findes visse sjældne og aggressive former for Alzheimers sygdom, som opstår tidligt – mellem 30 og 60 år – og som er familiære; disse tilstande skyldes mutationer i gener, der styrer den amyloiddannende proces og inflammation i hjernen. En lang række andre gener er blevet forbundet med risikoen for den mere almindelige form for senfølger af sygdommen. Flere koder for proteiner, der omfatter elementer af amyloidkaskaden, og nogle er involveret i det medfødte immunsystem – en gruppe af mekanismer, der aktiveres hurtigt for at forhindre spredning af patogener i kroppen, og som driver inflammation.

Infektionsagenser

Forskere, der håber at kunne teste infektionshypotesen, er gået på jagt efter mikrober i tusindvis af post mortem-hjerner fra mennesker med Alzheimers sygdom. I mange af dem har de fundet dem. “Men disse undersøgelser viser kun sammenhænge, som måske har forklaringer, der ikke har noget med mekanismerne at gøre,” siger de Strooper.

Ruth Itzhaki, en biofysiker ved University of Manchester i Storbritannien, som rapporterede om observationer af herpes simplex virus 1 (HSV1) i post mortem Alzheimer-hjerner i 1990’erne1, er uenig i den slags kritik. Hun mener, at tilstedeværelsen af mikrober i hjernen må indikere, at de spiller en rolle, og hun og andre mener, at de har gode beviser for, at virus er en vigtig faktor i Alzheimers sygdom. “De fleste af os har altid erkendt, at amyloid er et meget vigtigt træk ved Alzheimers – men det er bare ikke årsagen”, siger hun.

Flere mikrober er blevet foreslået som udløsende faktorer for Alzheimers sygdom, herunder tre humane herpesvirus og tre bakterier: Chlamydia pneumoniae, der er årsag til lungeinfektioner, Borrelia burgdorferi, der er årsag til borreliose, og senest Porphyromonas gingivalis, der fører til tandkødsbetændelse. I teorien kunne ethvert infektiøst agens, der kan invadere hjernen, have denne udløsende rolle (der er dog ingen gode beviser for, at SARS-CoV-2, virussen bag COVID-19, har denne evne).

De fleste grupper på dette område har en foretrukken mikrobe, og to opsigtsvækkende artikler i 2018 undersøgte herpes-virussernes rolle. Den ene, fra gruppen af Joel Dudley ved Icahn School of Medicine at Mount Sinai i New York City, analyserede enorme trancher af data om gener, proteiner og vævsstruktur genereret fra næsten 1.000 post mortem-hjerner, der er tilgængelige i forskellige databaser. Holdet ledte efter afslørende signaturer af virus i hjernevæv – genstykker eller proteiner, der er specifikke for herpes – og konkluderede, at niveauerne af humant herpesvirus 6A (HHV-6A) og humant herpesvirus 7 var højere hos personer med Alzheimers sygdom end hos kontrolpersoner2.

Men andre forskere, herunder virolog Steven Jacobson fra National Institute of Neurological Disorders and Stroke i Bethesda, Maryland, hvis hold undersøgte et udsnit af mere end 1.000 post mortem-hjerner, kunne ikke gentage Dudleys resultat3.

Og på trods af det imponerende antal individuelle hjerner i Dudleys undersøgelse er resultaterne korrelative. Kilden til dataene er også foruroligende, siger Michael Heneka fra det tyske center for neurodegenerative sygdomme i Bonn. Hjernerne hos mennesker med Alzheimers er i dårlig stand før døden, og vævet nedbrydes yderligere før obduktionen; mikrober kunne let sive ind i dem i de sidste dage af livet eller efter døden. “Vi kan ikke gøre for mange antagelser ud fra post mortem-materiale om patogenesen af en sygdom, der har et forløb på ca. tre årtier,” siger han.

Dudleys artikel kom i hælene på en tiårig undersøgelse i Taiwan, hvor man fulgte mere end 8.000 mennesker, der blev diagnosticeret med herpes simplex-virus, og sammenlignede dem med en kontrolgruppe på 25.000, der ikke havde fået den samme diagnose. Gruppen af personer med herpes havde en 2,5 gange øget risiko for at udvikle Alzheimers sygdom, men denne stigning blev næsten elimineret hos dem, der fik en aggressiv lægemiddelbehandling4.

Selv før denne nylige stigning i teoriens fremtrædende betydning havde ideen om, at infektioner på en eller anden måde kunne fremkalde Alzheimers sygdom, haft nok fodfæste til, at forskerne kunne iværksætte et klinisk forsøg. I 2017 begyndte et hold på Columbia University i New York City at teste, om det antivirale lægemiddel valacyclovir kunne bremse den kognitive tilbagegang og dannelsen af amyloidplakater hos personer med mild Alzheimers sygdom, som også var testet positive for antistoffer mod herpes simplex-virus. Resultaterne forventes at foreligge i 2022.

Bevisbyrde

Når undersøgelser på mennesker kun giver korrelation, vender forskerne sig ofte til dyreforsøg for at finde årsagen. Men dyremodeller af Alzheimers er ikke perfekte; mus udvikler f.eks. ikke de karakteristiske plaques, når de bliver ældre, medmindre de er genetisk manipuleret til at producere dem. Den almindeligt anvendte 5xFAD-transgene mus udtrykker fem relevante mutationer i de gener, der koder for det præ-amyloide protein og et af de enzymer, der skærer det i stykker til amyloid-β. Disse mus udtrykker generne i superhøje niveauer, og de begynder at udvikle plaques, når de kun er to måneder gamle.

Neurogenetikeren Rudolph Tanzi og hans kolleger på Massachusetts General Hospital i Charlestown brugte 5xFAD-musemodellen til at undersøge en langhåret idé, der opstod en fredag eftermiddag i 2008, da afdelingens traditionelle “øltime” – også kendt af personale og studerende som “attitudejusteringstime” – var i gang.

Tanzi havde ledt efter Alzheimer-risikogener i nogle nye genomdata om mennesker og var forundret over at se et gen for CD33, et protein, der er meget udbredt i det medfødte immunsystem, dukke op. Han gik ind ved siden af for at spørge sin ven og kollega Rob Moir, hvad han mente om den mærkelige idé, at det medfødte immunsystem kunne finde et kandidatgen for Alzheimers.

Moir, der er neurovidenskabsmand, havde travlt med at undersøge, hvad der var nyt i den generelle biovidenskabelige litteratur, og var stødt på en artikel om antimikrobielle peptider, som findes i mange af de medfødte immunforsvarsveje. “Dude, se lige det her,” råbte han til Tanzi. Hans computer viste en tabel med en beskrivelse af peptiderne, som alle var af samme længde som amyloid-β og havde nogle lignende egenskaber. “Tror du, at amyloid-β kunne være et antimikrobielt peptid?” spurgte han. Tanzi tøvede ikke. “Lad os teste det!”

Moir løb med ideen. “Han var som en hund med en tøffel, han ville ikke give slip,” husker Tanzi.

På dette tidspunkt havde ingen tænkt meget over, om amyloid-β kunne have en specifik rolle i sig selv, på trods af at det er meget bevaret på tværs af arter – en stærk indikator for biologisk anvendelighed. Sekvensen er mindst 400 millioner år gammel og er til stede i omkring to tredjedele af alle hvirveldyr. Måske var den mere end bare en skurk, spekulerede de. Måske havde den en god funktion, idet den fanger mikrober, der finder vej ind i hjernen, og forhindrer dem i at forårsage sygdom. Dette system kan gå galt, når hjernen bliver ældre og mister sin evne til effektivt at fjerne amyloiderne.

Tanzi, der havde haft mikrobiologi som hovedfag, bad ph.d.-studerende Stephanie Soscia om hurtigt at se på, om amyloid-β kunne dræbe otte almindelige sygdomsfremkaldende mikroorganismer i et reagensglas, herunder Streptococcus pneumoniae og Escherichia coli. Det kunne det, fandt hun – i hvert fald lige så effektivt som kendte antimikrobielle peptider.

Dette faktum blev bragt i pressen5 i 2010, og i de følgende år stod Moir i spidsen for en række mere grundige eksperimenter for at undersøge det, de nu kaldte deres antimikrobielle beskyttelseshypotese. De injicerede bakterien Salmonella typhimurium direkte i hjernen på plakdannende 5xFAD-mus, og de fandt ud af, at de overlevede længere end ikke-transgene, plakfri mus. De fandt lignende resultater i nematodeorme ved hjælp af den patogene svamp Candida albicans. I begge tilfælde dannede amyloiderne klæbrige net, der opslugte og afvæbnede patogenerne6 (se ‘Hvordan mikrober kunne så plakater’).

Derpå vendte holdet sin opmærksomhed mod herpesvirus, som havde vist sig at være de menneskelige patogener, der hyppigst er forbundet med Alzheimers sygdom. De injicerede HSV1 i hjernen hos unge 5xFAD-mus og hos normale mus. Inden for tre uger var de transgene mus’ hjerner oversået med amyloide plaques. Da holdet gentog forsøget med en dødelig dosis HSV1, levede de transgene mus længere end kontrolmusene – og der opstod plaques i deres hjerner inden for bemærkelsesværdige to dage7. “Det var utroligt at se”, siger Tanzi.

HSV1 er så udbredt, at langt over halvdelen af alle mennesker på verdensplan har det i kroppen. Men Moir ønskede også at teste virkningerne af HHV-6, som findes i op til 10 % af sunde hjerner – om end ofte i lave niveauer og med ukendt virkning. Mus er resistente over for HHV-6-infektion, så Moirs hold undersøgte virkningerne af viruset i en 3D-kultur af menneskelige neurale celler, som modellerer visse aspekter af Alzheimers sygdom. Normalt begynder denne mini hjerneorganoide at ophobe amyloide plaques og tau-tangler efter seks uger i kulturen. Men som forskerne havde set det med mus, dukkede plakkerne op blot to dage efter, at de havde tilføjet virus7.

Moir og Tanzi fortsatte med at undersøge, hvilken indvirkning herpesvirus har på dannelsen af tau-tangler i organoiderne, og om tangler kan blokere for spredningen af virus ned i neuroner. Moir døde i december 2019 efter en kort sygdom, men Tanzi siger, at hans gruppe stadig forfølger denne arbejdslinje.

Resultatet af hans proof-of-concept-eksperimenter indtil videre, siger han, er, at “hvis du laver amyloid-β, overlever du infektion bedre”. Men han indrømmer, at det egentlige bevis – at se en infektion udløse den amyloidkaskade, der forårsager sygdom – er langt væk. “Vi har endnu ikke set den rygende pistol.” Og ingen ved endnu, om amyloid-β’s antimikrobielle egenskaber faktisk anvendes som en del af en normal fysiologisk proces hos mennesker, siger han, eller hvor betydningsfulde de ville være i den generelle palet af forsvarsmekanismer i hjernen. Infektion kunne være en måde at slå den tændstik, der fører til Alzheimer’s brand, ligesom sjældne genetiske mutationer gør det.

I bevidstheden om, at det, der slår tændstikken ved sygdommens udbrud, måske ikke længere er til stede, når personen dør, er Tanzi’s laboratorium ved at udvikle teknikker til at isolere og analysere individuelle plaques for at se, om der er spor af mikrober fanget indeni. Det er en slags arkæologisk udgravning, siger han.

Støttende undersøgelser

Tanzis arbejde er endnu ikke blevet reproduceret uafhængigt, men andre eksperimenter har givet indicier til støtte for hypotesen om antimikrobiel beskyttelse. F.eks. viste forskere fra biotekvirksomheden Genentech i South San Francisco i Californien, at en mutation i et gen kaldet PILRA, som udtrykkes i forskellige immunceller, er forbundet med en reduceret risiko for Alzheimers sygdom8. Genet fremstiller et protein, der hjælper herpes og andre vira med at trænge ind i neuroner, og forskerne siger, at mutationen kan forhindre denne indtrængen.

Og mest spændende er det, at en artikel9 fra 2020 fra laboratoriet af den kemiske biolog Yue-Ming Li på Memorial Sloan Kettering Cancer Center i New York indeholder en mekanisme, der kan forbinde neuroinflammation med produktionen af amyloid-β. Li’s team fandt ud af, at et protein kaldet IFITM3 bliver aktiveret, når vira finder vej ind i hjernen. Proteinet binder sig til et af de enzymer, der danner amyloid, kaldet γ-sekretase, og øger produktionen af amyloid.

Li og hans team undersøgte prøver fra hjernebanker og fandt, at ekspressionen af IFITM3-genet steg med alderen. Det var også højere i hjerner fra personer med Alzheimers sygdom end i hjerner fra kontrolpersoner. Desuden fandt de i forsøg med dyrkede hjerneceller, at et betændelsesfremmende molekyle, et cytokin kaldet interferon, øgede niveauerne af både IFITM3 og amyloid-β (i menneskelige hjerneprøver fandt de også mere IFITM3, hvor de fandt mere interferon, hvor de fandt mere IFITM3). Alt dette tyder på, siger de, at proteinet kan fungere som mellemled for inflammation og amyloiddannelsesprocessen.

Li undersøger nu, om IFITM3 kan blive en biomarkør, der kan hjælpe med at afgøre, hvilke patienter der kan rekrutteres til kliniske forsøg med antiinflammatoriske behandlinger eller lægemidler, der er rettet mod γ-sekretase. Han undersøger også, om proteinet kan blive et nyttigt mål for lægemiddeludvikling.

Resultaterne er “et stort skridt fremad”, siger de Strooper, fordi de afslører den slags kaskade, der karakteriserer mange komplekse sygdomme, herunder kræft. Processen “kan udløses enten af mutationer, der forårsager familiær Alzheimers sygdom, som fører til mere amyloid, der driver inflammation, eller af en infektion, der fører til inflammation, som driver overproduktion af amyloid-β-peptider”, siger han.

Hvis dette holder stik, siger han, vil det have vigtige konsekvenser for behandlingen af Alzheimers sygdom, fordi blokering af produktionen af amyloid-β kan betyde, at infektioner pludselig udgør en større trussel mod hjernen. “Men det er helt og holdent spekulativt, og det afhænger af, hvor vigtig amyloid-β kan vise sig at være i hjernens globale forsvarslinje.”

Enge forskere er stadig skeptiske over for, at infektioner spiller en stor rolle i Alzheimers. Neurovidenskabsmand John Hardy fra University College London, som delte hjerneprisen 2018 med de Strooper og andre for sit arbejde med Alzheimers, siger, at han ville “satse 5 pund, men ikke 500 pund” på, at teorien om antimikrobiel beskyttelse er rigtig. “Men jeg tror ikke, at den vil kunne bevises, og jeg tror ikke, at der er meget tilbage, der skal forklares om Alzheimers ud over genetikken,” siger han. Og neurovidenskabsmand Tara Spires-Jones fra University of Edinburgh i Storbritannien siger, at selv om de hidtidige data giver mulighed for, at infektion kan være årsag til nogle tilfælde af Alzheimers ved at skabe betændelse, kan den normale aldringsproces også være en forklaring. Hun påpeger, at aldring er den største risikofaktor for at udvikle Alzheimers sygdom. “Efter min personlige mening er det mere sandsynligt, at den generelle inflammation i hjernen, der følger med aldringen, er årsagen.”

Givet de rigtige modeller mener nogle forskere dog, at infektionsteorien kan bevises, selv om det kan være svært at vise, hvor stor en andel af alzheimertilfældene der er udløst af en mikrobe. Jacobson er begejstret for de nye muligheder og håber at kunne udvikle en marmosetmodel til at teste infektionsteorien, fordi denne lille primat efterligner Alzheimers patologi hos mennesker mere præcist end andre modeller. Tanzi planlægger at bruge en mus, hvis amyloidgener er blevet byttet ud med deres menneskelige ækvivalenter, og som derfor udtrykker menneskelig amyloid-β på normale fysiologiske niveauer. Et andet vigtigt skridt vil være, at uafhængige laboratorier replikerer de eksisterende resultater.

Med hensyn til Norins’ pris har 40 ansøgere indtil videre indsendt arbejde i håb om at løbe med pengeprisen i marts, når resultaterne af udfordringen offentliggøres. Norins er klar over, at opgaven er enorm. Beviset for, at en bakterie forårsager Alzheimers sygdom, siger han, vil være “det sværeste bevis at levere”.