Dwa lata temu immunolog i przedsiębiorca z branży wydawnictw medycznych Leslie Norins zaoferował nagrodę w wysokości miliona dolarów z własnych pieniędzy każdemu naukowcowi, który udowodni, że chorobę Alzheimera wywołuje zarazek.
Teoria, że infekcja może powodować tę formę demencji, krąży od dziesięcioleci na obrzeżach badań neurobiologicznych. Większość badaczy Alzheimera, poparta ogromną ilością dowodów, uważa jednak, że kluczowym winowajcą są lepkie cząsteczki w mózgu zwane amyloidami, które zlepiają się w blaszki miażdżycowe i powodują stan zapalny, zabijając neurony.
Norins chciał nagrodzić pracę, która uczyniłaby pomysł infekcji bardziej przekonującym. Hipoteza amyloidu stała się „jednym akceptowalnym i popierającym wierzeniem ustanowionego kościoła konwencjonalnej mądrości”, mówi Norins. „Kilku pionierów, którzy przyjrzeli się mikrobom i opublikowali prace, zostało wyśmianych lub zignorowanych.”
W dużej części było to spowodowane tym, że niektórzy wcześni zwolennicy teorii infekcji widzieli ją jako zamiennik hipotezy amyloidowej. Ale niektóre ostatnie badania dostarczyły intrygujących wskazówek, że te dwie koncepcje mogą pasować do siebie – że infekcja może zasiać niektóre przypadki choroby Alzheimera poprzez wyzwalanie produkcji grudek amyloidu.
Dane wskazują na radykalną rolę amyloidu w neuronach. Zamiast być tylko toksycznym produktem odpadowym, amyloid może mieć ważne zadanie: pomagać w ochronie mózgu przed infekcjami. Ale wiek lub genetyka mogą zakłócić kontrolę i równowagę w systemie, zmieniając amyloid z obrońcy w złoczyńcę.
I ten pomysł sugeruje nowe drogi do zbadania dla potencjalnych terapii. Aby przetestować teorię dalej, naukowcy rozwijają teraz modele zwierzęce, które naśladują chorobę Alzheimera bliżej. „Traktujemy te pomysły poważnie” – mówi neurobiolog Bart de Strooper, dyrektor UK Dementia Research Institute w University College London.
Dławione przez grudki
Hipoteza amyloidowa głosi, że choroba Alzheimera wynika z nagromadzenia lepkich, rozpuszczalnych białek – peptydów amyloidu-β – w przestrzeniach między komórkami mózgu. Peptydy te są rozszczepiane z innego białka osadzonego w błonach neuronów. Po uwolnieniu, zlepiają się one w większe struktury, które, jeśli nie są wystarczająco skutecznie usuwane przez specjalne enzymy, łączą się w blaszki miażdżycowe. Blaszki te uruchamiają następnie śmiertelną kaskadę: prowokują neurozapalenie i rodzą wiązki żylastych białek zwanych splątkami tau. W obliczu tej litanii zniewag neurony umierają.
Krytycy hipotezy zauważają, że mózgi wielu ludzi, którzy nie mieli choroby Alzheimera, zostały pokazane, aby zawierać blaszki na post-mortem. I wskazują na niepowodzenie wielu prób klinicznych zabiegów mających na celu rozpuszczenie blaszek amyloidowych, z których żadna nie spowolniła rozwoju choroby. Naukowcy, którzy popierają teorię amyloidową twierdzą, że chociaż gęstość blaszek miażdżycowych różni się znacznie u poszczególnych osób, to gęstość plątaniny tau, którą one wywołują, ściśle koreluje z ciężkością choroby. A próby kliniczne prawdopodobnie nie powiodły się, jak mówią, ponieważ zabiegi były podawane zbyt późno w przebiegu choroby.
Mają też mocne dowody po swojej stronie. Istnieją pewne rzadkie i agresywne formy choroby Alzheimera, które pojawiają się wcześnie – między 30 a 60 rokiem życia – i występują rodzinnie; warunki te są spowodowane mutacjami w genach, które regulują proces tworzenia amyloidu i stan zapalny w mózgu. Wiele innych genów zostało powiązanych z ryzykiem wystąpienia bardziej powszechnej, późnej postaci choroby. Kilka z nich koduje białka, które stanowią elementy kaskady amyloidowej, a niektóre są zaangażowane we wrodzony układ odpornościowy – grupę mechanizmów, które szybko się aktywują, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się patogenów w organizmie, i które napędzają stan zapalny.
Agenty infekcji
Badacze mający nadzieję na przetestowanie hipotezy infekcji rozpoczęli polowanie na mikroby w tysiącach mózgów pośmiertnych osób z chorobą Alzheimera. W wielu z nich udało im się je znaleźć. „Ale te badania pokazują tylko korelacje, które mogą mieć wyjaśnienia, które nie mają nic wspólnego z mechanizmami”, mówi de Strooper.
Ruth Itzhaki, biofizyk z Uniwersytetu w Manchesterze w Wielkiej Brytanii, która zgłosiła obserwacje wirusa opryszczki pospolitej 1 (HSV1) w mózgach osób z chorobą Alzheimera w latach 90-tych1, odpiera taką krytykę. Uważa ona, że obecność mikrobów w mózgu musi wskazywać na ich rolę, a ona i inni sądzą, że mają dobre dowody na to, że wirusy są podporą w chorobie Alzheimera. „Większość z nas zawsze uznawała, że amyloid jest bardzo ważną cechą choroby Alzheimera – ale nie jest to po prostu przyczyna”, mówi.
Próbki tkanki mózgowej od osób z chorobą Alzheimera czasami są siedliskiem mikrobów.Credit: Patrice Latron/Look at Sciences/SPL
Several microbes have been proposed as triggers of Alzheimer’s, including three human herpes viruses and three bacteria: Chlamydia pneumoniae, przyczyna infekcji płuc; Borrelia burgdorferi, agent choroby z Lyme; i, ostatnio, Porphyromonas gingivalis, która prowadzi do choroby dziąseł. Teoretycznie każdy czynnik zakaźny, który może zaatakować mózg, może mieć tę rolę wyzwalającą (nie ma jednak dobrych dowodów, że SARS-CoV-2, wirus stojący za COVID-19, ma tę zdolność).
Większość grup w tej dziedzinie ma ulubionego mikroba, a dwie przyciągające uwagę prace w 2018 r. zbadały rolę wirusów opryszczki. Jeden, z grupy Joela Dudleya w Icahn School of Medicine at Mount Sinai w Nowym Jorku, przeanalizował ogromne transze danych na temat genów, białek i struktury tkanek wygenerowanych z prawie 1000 mózgów pośmiertnych dostępnych w różnych bazach danych. Zespół szukał w tkance mózgowej sygnatur wirusów – fragmentów genów lub białek charakterystycznych dla opryszczki – i doszedł do wniosku, że poziomy ludzkiego wirusa opryszczki 6A (HHV-6A) i ludzkiego wirusa opryszczki 7 były wyższe u osób z chorobą Alzheimera niż w grupie kontrolnej2.
Ale inni badacze, w tym wirusolog Steven Jacobson z National Institute of Neurological Disorders and Stroke w Bethesda, Maryland, którego zespół badał próbkę ponad 1000 mózgów pośmiertnych, nie zdołali powtórzyć odkrycia Dudleya3.
I pomimo imponującej liczby pojedynczych mózgów w badaniu Dudleya, wyniki są korelacyjne. Źródło danych jest również niepokojące, mówi Michael Heneka z Niemieckiego Centrum Chorób Neurodegeneracyjnych w Bonn. Mózgi ludzi z chorobą Alzheimera są w złym stanie przed śmiercią, a tkanka rozpada się jeszcze bardziej przed autopsją; mikroby mogły łatwo wyciec do nich w ostatnich dniach życia lub po śmierci. „Nie możemy zrobić zbyt wiele założeń z materiału pośmiertnego o patogenezie choroby, która ma trajektorię około trzech dekad,” he says.
Dudley’s papier przyszedł gorący na piętach dziesięcioletniego badania w Tajwanie, który śledził więcej niż 8000 ludzi, którzy zostali zdiagnozowani z wirusem opryszczki pospolitej, i porównał je z grupą kontrolną 25000, którzy nie otrzymali tej samej diagnozy. Grupa osób z opryszczką miała 2,5-krotnie zwiększone ryzyko rozwoju choroby Alzheimera, ale ten wzrost został prawie wyeliminowany u tych, którzy otrzymali agresywne leczenie farmakologiczne4.
Nawet przed tym niedawnym wzrostem znaczenia teorii, pomysł, że infekcje mogą w jakiś sposób sprowokować Alzheimera, miał wystarczająco dużo trakcji dla naukowców, aby rozpocząć badania kliniczne. W 2017 r. zespół z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku rozpoczął testowanie, czy lek przeciwwirusowy valacyclovir może spowolnić spadek zdolności poznawczych i tworzenie blaszek amyloidowych u osób z łagodną chorobą Alzheimera, u których stwierdzono również obecność przeciwciał przeciwko wirusowi opryszczki pospolitej (herpes simplex). Wyniki spodziewane są w 2022 roku.
Burden dowodu
Gdy badania na ludziach dostarczają jedynie korelacji, naukowcy często zwracają się do eksperymentów na zwierzętach, aby szukać przyczyny. Ale zwierzęce modele choroby Alzheimera nie są doskonałe; na przykład myszy nie rozwijają charakterystycznych blaszek miażdżycowych z wiekiem, chyba że są genetycznie zmodyfikowane, aby je wytwarzać. Powszechnie stosowana mysz transgeniczna 5xFAD wyraża pięć istotnych mutacji w genach, które kodują białko pre-amyloidowe i jeden z enzymów, który rozbija je na amyloid-β. Myszy te wyrażają te geny na bardzo wysokim poziomie i zaczynają rozwijać blaszki miażdżycowe, gdy mają zaledwie dwa miesiące.
Neurogenetyk Rudolph Tanzi i jego koledzy z Massachusetts General Hospital w Charlestown wykorzystali model mysi 5xFAD do zbadania dawno niewidzianego pomysłu, który pojawił się pewnego piątkowego popołudnia w 2008 r., gdy trwała tradycyjna „godzina piwa” – znana pracownikom i studentom jako „godzina korekty nastawienia”.
Tanzi szukał genów ryzyka Alzheimera w nowych danych z genomiki człowieka i zdziwił się, widząc gen dla CD33, białka szeroko wyrażanego we wrodzonym układzie odpornościowym. Poszedł obok, by zapytać swojego przyjaciela i kolegę Roba Moira, co sądzi o dziwnym pomyśle, że wrodzony układ odpornościowy może być kandydatem na gen Alzheimera.
Moir, neuronaukowiec, był zajęty badaniem nowości w ogólnej literaturze z dziedziny nauk przyrodniczych i natknął się na artykuł o peptydach przeciwdrobnoustrojowych, które występują w wielu szlakach wrodzonej odporności. „Stary, spójrz na to,” zawołał do Tanziego. Jego komputer wyświetlił tabelę opisującą peptydy, z których wszystkie miały podobną długość do amyloidu-β i podobne właściwości. „Czy myślisz, że amyloid-β może być peptydem antybakteryjnym?” zapytał. Tanzi nie zawahał się. „Sprawdźmy to!”
Moir pobiegł z tym pomysłem. „Był jak pies z kapciem, nie chciał puścić”, wspomina Tanzi.
W tym momencie nikt nie zastanawiał się zbytnio nad tym, czy amyloid-β może pełnić jakąś szczególną rolę, pomimo faktu, że jest on wysoce konserwowany u różnych gatunków – co jest silnym wskaźnikiem przydatności biologicznej. Sekwencja ma co najmniej 400 milionów lat i jest obecna u około dwóch trzecich wszystkich kręgowców. Może to było coś więcej niż tylko zły facet, spekulowali. Może to miał dobry-guy funkcji, pułapki mikrobów, które znajdują drogę do mózgu i zatrzymując je od powodowania choroby. Ten system może pójść źle, gdy mózg się starzeje i traci zdolność do skutecznego usuwania amyloidów.
Tanzi, który specjalizował się w mikrobiologii, poprosił studentkę studiów podyplomowych Stephanie Soscia, aby szybko przyjrzała się, czy amyloid-β może zabić osiem wspólnych mikroorganizmów wywołujących choroby w probówce, w tym Streptococcus pneumoniae i Escherichia coli. Mogła, odkryła – przynajmniej tak skutecznie, jak znane peptydy przeciwdrobnoustrojowe.
Prześcigali się z tym faktem do prasy5 w 2010 roku, a w ciągu następnych lat Moir przewodniczył serii dokładniejszych eksperymentów, aby zbadać to, co teraz nazywali swoją hipotezą ochrony przeciwdrobnoustrojowej. Wstrzyknęli bakterię Salmonella typhimurium bezpośrednio do mózgów myszy 5xFAD tworzących blaszki miażdżycowe i stwierdzili, że przeżyły one dłużej niż nietransgeniczne, pozbawione blaszek miażdżycowych myszy. Podobne wyniki uzyskali u robaków nicieni, używając patogennego grzyba Candida albicans. W obu przypadkach amyloidy tworzyły lepkie sieci, które pochłaniały i rozbrajały patogeny6 (patrz 'Jak mikroby mogły zasiać blaszki miażdżycowe’).
Źródła: Ref. 9; Nature 559, S4-S7 (2018).
Wtedy zespół zwrócił uwagę na wirusy opryszczki, które pojawiły się jako ludzkie patogeny najczęściej związane z chorobą Alzheimera. Wstrzyknięto HSV1 do mózgów młodych myszy 5xFAD i normalnych myszy. W ciągu trzech tygodni mózgi myszy transgenicznych były usiane blaszkami amyloidowymi. Kiedy zespół powtórzył eksperyment ze śmiertelną dawką HSV1, transgeniczne myszy żyły dłużej niż kontrolne – a blaszki pojawiły się w ich mózgach w ciągu niezwykłych dwóch dni7. „To była niesamowita rzecz do zobaczenia,” mówi Tanzi.
HSV1 jest tak rozpowszechniony, że ponad połowa ludzi na całym świecie jest jego nosicielami w swoich ciałach. Ale Moir chciał również przetestować wpływ HHV-6, który znajduje się nawet w 10% zdrowych mózgów – aczkolwiek często na niskim poziomie i z nieznanym skutkiem. Myszy są odporne na zakażenie HHV-6, więc zespół Moira badał skutki działania wirusa w trójwymiarowej hodowli ludzkich komórek nerwowych, która modeluje niektóre aspekty choroby Alzheimera. Normalnie, ten mini organoid mózgu zaczyna gromadzić blaszki amyloidowe i splątki tau po sześciu tygodniach w hodowli. Ale, jak naukowcy widzieli u myszy, blaszki pojawiły się zaledwie dwa dni po dodaniu wirusa7.
Moir i Tanzi poszli dalej, aby zbadać wpływ wirusów opryszczki na tworzenie się splątków tau w organoidach i czy splątki mogą blokować rozprzestrzenianie się wirusów w dół neuronów. Moir zmarł w grudniu 2019 roku po krótkiej chorobie, ale Tanzi mówi, że jego grupa nadal kontynuuje tę linię pracy.
Wynikiem jego eksperymentów proof-of-concept do tej pory, jak mówi, jest to, że „jeśli robisz amyloid-β, lepiej przetrwasz infekcję”. Ale przyznaje, że rzeczywisty dowód – widząc, jak infekcja wyzwala kaskadę amyloidu, aby spowodować chorobę – jest bardzo odległy. „Nie zobaczyliśmy jeszcze dymiącego pistoletu”. I nikt jeszcze nie wie, czy właściwości antybakteryjne amyloidu-β są rzeczywiście rozmieszczone jako część normalnego procesu fizjologicznego u ludzi, mówi, lub jak znaczące byłyby one w ogólnej palecie mechanizmów obronnych w mózgu. Infekcja może być jednym ze sposobów uderzenia zapałki, która prowadzi do pożaru Alzheimera, tak jak rzadkie mutacje genetyczne do.
Wiemy, że cokolwiek uderza w zapałkę na początku choroby może już nie być w pobliżu do czasu śmierci osoby, laboratorium Tanziego rozwija techniki izolacji i analizy poszczególnych blaszek miażdżycowych, aby zobaczyć, czy ślady mikrobów są uwięzione wewnątrz. To rodzaj archeologicznego wykopu, mówi.
Badania wspierające
Praca Tanziego nie została jeszcze odtworzona niezależnie, ale inne eksperymenty dostarczyły poszlakowego wsparcia dla hipotezy ochrony antybakteryjnej. Na przykład naukowcy z firmy biotechnologicznej Genentech w South San Francisco w Kalifornii wykazali, że mutacja w genie znanym jako PILRA, który jest wyrażany w różnych komórkach odpornościowych, jest związana ze zmniejszonym ryzykiem wystąpienia choroby Alzheimera8. Gen ten tworzy białko, które pomaga wirusowi opryszczki i innym wirusom wnikać do neuronów, a badacze twierdzą, że mutacja może zapobiegać temu wnikaniu.
I co najbardziej intrygujące, praca z 2020 roku9 z laboratorium biologa chemicznego Yue-Ming Li w Memorial Sloan Kettering Cancer Center w Nowym Jorku przedstawia mechanizm, który może łączyć neurozapalenie z produkcją amyloidu-β. Zespół Li odkrył, że białko o nazwie IFITM3 włącza się, gdy wirusy przedostają się do mózgu. Białko to wiąże się z jednym z enzymów tworzących amyloid, zwanym γ-sekretazą, i zwiększa produkcję amyloidu.
Li i jego zespół przyjrzeli się okazom z banków mózgów i odkryli, że ekspresja genu IFITM3 wzrastała wraz z wiekiem. Była ona również wyższa w mózgach osób z chorobą Alzheimera niż w mózgach osób z grupy kontrolnej. Co więcej, w eksperymentach z hodowanymi komórkami mózgowymi odkryli, że cząsteczka wzmacniająca stan zapalny, cytokina zwana interferonem, zwiększała poziom zarówno IFITM3, jak i amyloidu-β (w próbkach ludzkich mózgów, gdziekolwiek znaleźli więcej IFITM3, znaleźli też więcej interferonu). To wszystko sugeruje, mówią, że białko może działać jako pośrednik między zapaleniem a procesem tworzenia amyloidu.
Li bada teraz, czy IFITM3 może stać się biomarkerem, który pomógłby w podjęciu decyzji, którzy pacjenci mogą być rekrutowani do badań klinicznych terapii przeciwzapalnych lub leków, które celują w γ-sekretazę. On również bada, czy białko może stać się użytecznym celem dla rozwoju leków.
Wyniki są „dużym krokiem naprzód”, mówi de Strooper, ponieważ ujawniają rodzaj kaskady, która charakteryzuje wiele złożonych chorób, w tym raka. Proces „może być wywołany albo przez mutacje, które powodują rodzinną chorobę Alzheimera, co prowadzi do większej ilości amyloidu, który napędza stan zapalny, albo przez infekcję, która prowadzi do stanu zapalnego, który napędza nadprodukcję peptydów amyloidowych”, mówi.
Jeśli to prawda, mówi, to miałoby to ważne implikacje dla leczenia Alzheimera, ponieważ blokowanie produkcji amyloidu-β może oznaczać, że infekcje nagle stanowią większe zagrożenie dla mózgu. „Ale jest to całkowicie spekulacyjne, i to zależy, jak ważne amyloid-β może okazać się w globalnej linii obrony mózgu.”
Niektórzy badacze są nadal sceptyczni, że infekcje mają główną rolę w Alzheimera. Neurobiolog John Hardy w University College London, który dzielił 2018 Brain Prize z de Strooperem i innymi za pracę nad Alzheimerem, mówi, że „postawiłby 5 funtów, ale nie 500 funtów” na teorię ochrony przeciwdrobnoustrojowej będącą w porządku. „Ale nie sądzę, że będzie to możliwe do udowodnienia i nie sądzę, że pozostało wiele do wyjaśnienia na temat Alzheimera poza genetyką” – mówi. A neurobiolog Tara Spires-Jones z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii mówi, że chociaż dane do tej pory pozwalają na możliwość, że infekcja jest zalążkiem niektórych przypadków Alzheimera poprzez tworzenie stanu zapalnego, normalny proces starzenia się może być również wyjaśnieniem. Starzenie się, podkreśla, jest największym czynnikiem ryzyka dla rozwoju Alzheimera. „W mojej osobistej opinii, ogólny stan zapalny w mózgu, który przychodzi wraz ze starzeniem się jest bardziej prawdopodobne, aby być przyczyną.”
Given odpowiednie modele, jednak niektórzy naukowcy uważają, że teoria infekcji może być możliwe do udowodnienia, nawet jeśli może to być trudne do wykazania, jaka część przypadków Alzheimera zostały spreparowane przez mikroba. Jacobson jest zachwycona nowymi możliwościami i ma nadzieję na opracowanie modelu marmozety do testowania teorii infekcji, ponieważ ten mały ssak naczelny naśladuje patologię Alzheimera u ludzi bardziej dokładnie niż inne modele. Tanzi planuje wykorzystać mysz, której geny amyloidu zostały zamienione na ich ludzkie odpowiedniki i która dzięki temu wykazuje ekspresję ludzkiego amyloidu-β na normalnym, fizjologicznym poziomie. Innym kluczowym krokiem będzie dla niezależnych laboratoriów replikacja istniejących ustaleń.
Jak dla nagrody Norinsa, 40 wnioskodawców do tej pory przedłożyło prace w nadziei na odejście z nagrodą pieniężną w marcu, kiedy wyniki wyzwania zostaną ogłoszone. Norins jest świadomy ogromu zadania. Dowód, że zarazek powoduje Alzheimera, mówi, będzie „najtrudniejszy dowód, aby zapewnić”.