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Perspectives
10 February 2009 Dr. Kristen Kerksiek
Infektionen und neurodegenerative Erkrankungen: Prionen und mehr
Als der deutsche Psychiater Alois Alzheimer 1906 erstmals die nach ihm benannte Krankheit beschrieb, äußerten er und seine Kollegen die Vermutung, Mikroorganismen könnten zur Entstehung der charakteristischen senilen Plaques (Amyloidablagerungen) beitragen, die im Gehirn die Funktionen beeinträchtigen. Heute, mehr als ein Jahrhundert später, bemühen sich die Wissenschaftler immer noch darum, die Alzheimer-Krankheit sowie andere neurodegenerative Erkrankungen zu verstehen und Therapieverfahren zu entwickeln; dabei stoßen manche von ihnen erneut auf den Zusammenhang mit Infektionen.
Insgesamt unterscheidet man heute mehr als 600 Krankheiten, die das Nervensystem schädigen. Wie sich eine solche Krankheit klinisch ausprägt – ob sie beispielsweise zu Bewegungsstörungen oder zu Gedächtnisverlust und Demenz führt -, hängt davon ab, welche Neuronengruppen (oder ihre Myelinscheiden) im Gehirn und Rückenmark im Einzelnen geschädigt sind. An der Mehrzahl der neurodegenerativen Erkrankungen sind offenbar anormale Proteine der Neuronen beteiligt; diese entstehen beispielsweise durch falsche Faltung der Molekülketten, eine veränderte Modifikation nach der Translation, anormale proteolytische Spaltung, anormales RNA-Spleißen, anormale Expression oder unzureichende Beseitigung des abgebauten Proteins. Ein charakteristisches Kennzeichen vieler neurodegenerativer Erkrankungen sind unlösliche Klumpen aus falsch verarbeiteten Proteinen, die sich innerhalb (Plaques) oder außerhalb (Knäuel) der Neuronen ansammeln. Zu den allgemein bekannten und umfassend erforschten Krankheiten gehören Alzheimer-, Parkinson- und Huntington-Krankheit, frontotemporale Demenz, Multiple Sklerose und amyotrophe Lateralsklerose.
Manche neurodegenerativen Erkrankungen haben ausschließlich genetische Ursachen. Die Huntington-Krankheit zum Beispiel wird von einem einzigen Gen ausgelöst und autosomal-dominant vererbt. Auch für einen kleinen Teil (weniger als fünf Prozent) der Alzheimer-Fälle („familiärer Alzheimer") ist eine Genmutation verantwortlich. Die Ursache(n) der meisten neurodegenerativen Erkrankungen sind dagegen nicht so eindeutig einzugrenzen; es dürfte sich vielmehr um einen multifaktoriellen Prozess handeln, bei den genetische Disposition und verschiedenartige Umwelteinflüsse zusammenspielen.
Einige neurodegenerative Krankheiten stehen eindeutig in Verbindung mit einem infektiösen Erreger. Das Spirochätenbakterium Treponema pallidum zum Beispiel, der Erreger der Syphilis, verursachte vor Einführung der Antibiotika bei 25 bis 35 Prozent der Patienten neurologische Symptome (Neurosyphilis); heute beobachtet man ihn am häufigsten bei HIV-infizierten Patienten. In ihrer schwersten Form führt diese Gehirn- und Rückenmarksinfektion zu chronischer Demenz und letztlich zum Tode. Verwandte Spirochäten der Spezies Borrelia, die Erreger der Lyme-Krankheit oder Borreliose, können ebenfalls das Nervensystem infizieren und verursachen dann eine fortschreitende Funktionsstörung des Gehirns (Neuroborreliose). Und die Prionen, einzigartige infektiöse Agenzien, die ausschließlich aus falsch gefalteten Proteinen bestehen, gelten allgemein als Erreger der übertragbaren spongiformen Enzephalopathien (TSEs) wie der Bovinen Spongiformen Enzephalopathie (BSE) und der Creutzfeldt-Jacob-Krankheit (CJD) des Menschen.
Ein höchst seltsamer „Bazillus"
Die Krankheit ist relativ selten – betroffen ist weltweit jedes Jahr nur einer unter einer Million Menschen -, aber die Symptome sind grausig: Bewegungs- und Sprachstörungen, Demenz, Gedächtnisverlust, Halluzinationen und Persönlichkeitsveränderungen. Die Patienten sterben häufig schon wenige Monate nach Einsetzen der ersten Symptome. Als der „Rinderwahnsinn" (beim Menschen die Variante der Creutzfeldt-Jacob-Krankheit, vCJD) Mitte der 1990er Jahre über Großbritannien hereinbrach, geriet die Öffentlichkeit in Panik. Schon zehn Jahre zuvor hatte BSE die Rinderherden des Landes befallen, und jeder, der in dieser Zeit Fleisch oder Fleischprodukte gegessen hatte, konnte infiziert sein. Seit 1996 sind 208 Personen aus elf verschiedenen Ländern an vCJD gestorben, über 160 davon in Großbritannien. Im Jahr 1997 erhielt Stanley B. Prusiner den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, weil er die Prionen erforscht hatte, die infektiösen Agenzien, die allgemein als Erreger der CJD gelten.
Das Kunstwort „Prion" setzt sich zusammen aus „proteinaceous" (proteinartig), „infectious" (infektiös) und der Endung –on (wie in „virion"). Prionen sind infektiös, sie sind aber keine Mikroorganismen; sie enthalten keine Nukleinsäure. Nach der Prionen-"Nur-Protein-"Theorie wird die Infektion durch völlig falsch gefaltete Formen des Prionenproteins ausgelöst (das PrPSC genannt wird, nach Scrapie, der epidemieartig auftretenden Nervenverfallskrankheit von Schafen und Ziegen). Im Reagenzglas kann PrPSC die normale, endogene Form des Proteins (PrPC für „cellular") in die anormale Form umwandeln. Im Gehirn hat diese Konformationsänderung zur Folge, dass das Protein sich ansammelt und Amyloidplaques bildet. Die Störung der normalen Gehirnstruktur bei TSEs ist durch ein löcheriges, schwammartiges Erscheinungsbild gekennzeichnet (daher die Bezeichnung „spongiform").
Die Prionen werden zwar allgemein als ganz neue Form infektiöser Agentien gefeiert, aber nicht alle Experten glauben an die Infektionsfähigkeit bösartiger Proteine. Prionen erfüllen nicht unbedingt die Kochschen Postulate; besonders problematisch ist, dass gereinigte Prionenpräparate die Krankheit nicht besonders effizient übertragen. Die Prionenforscher arbeiten aber daran, die „Lücken" ihrer Theorie zu schließen. Insbesondere Claudio Soto und seine Kollegen konnten infektiöse Prionen aus erkranktem Gehirngewebe mit einem Verfahren vermehren, das sie als protein misfolding cyclic amplification (PMCA) bezeichnen (Castilla J. et al. In vitro generation of infectious scrapie proteins. Cell 2005. 121: 195–206). Im September letzten Jahres erweiterten sie ihre Befunde. Mithilfe der PCMA konnten sie nachweisen, dass die falsche Faltung von Proteinen bestimmte Prionenstämme entstehen lässt und über ihre Artspezifität bestimmt (Castilla J. et al. Crossing the species barrier by PrP(Sc) replication in vitro generates unique infectious prions. Cell 2008. 134: 757–768). Andere Arbeitsgruppen beschäftigen sich mit der Definition von Strukturbestandteilen, die für die Faltung infektiöser Prionen notwendig sind, und analysieren die Mechanismen, durch die eine Prioneninfektion zu Gehirnschäden und Nervenverfall führt (Näheres siehe unten). Dennoch vertritt eine kleine, aber hartnäckige Minderheit nach wie vor die Theorie, dass die TSEs durch „langsame Viren" verursacht werden.
Das Urteil ist noch nicht gefallen, aber eines ist klar: Die Ursache der TSEs ist ein infektiöser Erreger, sei es nun ein Prion oder ein Virus. Bei der Untersuchung anderer Nervenverfallsleiden standen Infektionen traditionell nicht im Mittelpunkt, mittlerweile findet das Thema aber zunehmend Aufmerksamkeit. Infektionen haben Auswirkungen auf den Verlauf von Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson – Entzündungen führen zu einer Verschlimmerung der Symptome. Außerdem hat man eine ganze Reihe von Krankheitserregern mit solchen multifaktoriellen neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht.
Eine Lanze für Viren?
Zu den prominentesten Vertretern der Theorie, dass Viren bei TSEs eine Rolle spielen, gehörte die Arbeitsgruppe von Laura Manuelidis an der Yale University. Die Merkmale der TSEs passen zu Krankheiten, die bekanntermaßen von so genannten „langsamen“ Viren verursacht werden – gemeint ist damit das Tempo der Krankheitsverlaufs (Inkubationszeit von Monaten oder Jahren, langsamer, langwieriger klinischer Verlauf). Außerdem sind die virusähnlichen Partikel, die man aus Scrapie- oder CJD-infizierten Zellen isoliert hat, mit 25 bis 35 Nanometern so groß, dass sie Nukleinsäure mit einer Länge von einer bis vier Kilobasen enthalten könnten – solche Moleküle hat man in infektiösen Präparationen von TSE-Gewebe gefunden.
Artikel: Manuelidis L, Yu ZX, Barquero N und Mullins B. Cells infected with scrapie and Creutzfeldt-Jakob disease agents produce intracellular 25-nm virus-like particles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007. 104: 1965–1970.
Übersichtsartikel: Manuelidis L. A 25 ml virion is the likely cause of transmissible spongiform encephalopathies. J. Cell. Biochem. 2007. 100: 897–915.
Kommentar: Penman S. Looking Glass Science. 2007. J. Cell. Biochem. 101: 1071–1073.
Alzheimer und Co.
Obwohl die Alzheimer-Krankheit (AD) seit Langem eingehend erforscht wird, gibt es bisher nur wenig definitive Erkenntnisse über ihre Ursache und keine wirksame Therapie. Der größte Risikofaktor ist das Alter: Nach dem 65. Lebensjahr verdoppelt sich das Erkrankungsrisiko ungefähr alle fünf Jahre. Signifikante Zusammenhänge wurden aber auch zwischen Alzheimer und vielen anderen Faktoren gefunden, darunter Kopfverletzungen, Kindheitserlebnisse, Kontakt mit Metallen (Aluminium, Zink), Ernährung und Herz-Kreislauf-Gesundheit (Blutdruck, Cholesterin, Diabetes). Mit anderen Worten: Die Ursache ist unbekannt – die Krankheit tritt sporadisch auf.
Der zweitgrößte bisher identifizierte Risikofaktor nach dem Alter ist das e4-Allel des Gens APOE. Dieses Gen hat drei allgemein verbreitete Allele (e2, e3, e4) und codiert das Apolipoprotein E, ein Protein, das neben anderen Funktionen das Cholesterin im Blut durch den Organismus transportiert. Ungefähr 25 bis 30 Prozent der Gesamtbevölkerung tragen das Allel e4, man findet es aber bei rund 40 Prozent der Patienten mit der sporadischen, spät einsetzenden Form der Alzheimer-Krankheit. Am höchsten (bis zu zwanzigmal größer) ist das Risiko für Personen mit zwei e4-Allelen (e4/e4); bei ihnen bricht die Krankheit häufig auch früher aus als bei solchen mit nur einem (e2/e4 oder e3/4) oder gar keinem e4-Allel. Natürlich erkranken viele Menschen trotz des e4-Allels nicht an Alzheimer, und umgekehrt sind auch Personen betroffen, die das Allel nicht tragen. Dennoch ist es ein auffälliger Befund, der offensichtlich auch in Verbindung mit einem infektiösen Erreger steht, nämlich mit dem Herpes-simplex-Virus des Typs 1 (HSV-1).
HSV1, das neurotrope Virus, das Herpes verursacht, ist ein nahezu allgegenwärtiger Begleiter der Menschen. Bei einem großen Teil älterer Menschen (und einem kleineren Teil der Jüngeren) kann man latente HSV1-DNA im Gehirngewebe nachweisen, aber für sich betrachtet scheint dieser Befund in keinem Zusammenhang mit dem ApoE4-Genotyp oder der Alzheimer-Krankheit zu stehen. Ein hohes Alzheimer-Risiko konnte man jedoch nachweisen, wenn HSV1 das Gehirn von Personen mit dem ApoE4-Genotyp infiziert. Der Zusammenhang wurde durch neuere Forschungsergebnisse weiter untermauert.
Die Argumente dafür, dass HSV1 in die Entstehung der Alzheimer-Krankheit verwickelt ist, werden immer gewichtiger; es ist mit Abstand der stichhaltigste Zusammenhang zwischen einem infektiösen Erreger und einer multifaktoriellen neurodegenerativen Erkrankung.
Das Allel von ApoE4 begünstigt den lytischen Zyklus von HSV1 und versetzt das Virus damit möglicherweise in die Lage, im Gehirn eine größere Aktivität zu entfalten. (Miller RM und Federoff HJ. Isoform-specific effects of ApoE on HSV immediate early gene expression and establishment of latency. Neurobiol. Aging 2008. 29: 71–77
In Gehirngewebe von Alzheimer-Patienten enthalten 90 Prozent der Plaques HSV1-DNA, und der größte Teil der Virus-DNA befindet sich in den Amyloidplaques; in einem „gealterten“ Gehirn ohne Alzheimer-Krankheit ist die Kopplung der Virus-DNA an die Plaques wesentlich schwächer. (Wozniak MA, Mee AP und Itzhaki RF. Herpes simplex virus type 1 DNA is located within Alzheimer‘s disease amyloid plaques. J. Pathol. 2009 217:131–138)
ApoE ist im Gehirn an der proteolytischen Beseitigung des Peptids Beta-Amyloid beteiligt, dem Hauptbestandteil der Alzheimer-Plaques; im Vergleich zu den Isoformen ApoE2 und ApoE3 kann ApoE4 das Beta-Amyloid weniger gut abbauen und beseitigen. (Jiang Q et al. ApoE promotes the proteolytic degradation of Abeta. Neuron. 2008. 58: 681–693)
Es ist aber nicht der Einzige. Verschiedene Arten von Chlamydia (insbesondere C. pneumoniae), Mycoplasma, Borrelia und Brucella – und andere – wurden mit einer ganzen Reihe von Krankheiten in Verbindung gebracht, so mit Alzheimer, Parkinson, Multipler Sklerose und amyotropher Lateralsklerose (Näheres in dem unten aufgeführten Übersichtsartikel von Nicolson). Bei Krankheiten, die durch so viele Umweltfaktoren beeinflusst werden, kann man für die absehbare Zukunft nicht mit der Entwicklung einer „magischen Kugel“ rechnen, aber wenn man Mikroorganismen identifiziert, die zu Nervenverfallskrankheiten beitragen, eröffnen sich neue Wege zu einer Therapie und damit zu verbesserter Hilfe für Millionen Menschen.
Weiterführende Literatur:
Ein neuerer Übersichtsarikel über Krankheitserreger und Nervenverfallsleiden: Nicolson, GL. Chronic bacterial and viral infections in neurodegenerative and neurobehavioral diseases. LabMedicine. 2008 39(5): 291-299. (http://labmed.ascpjournals.org/)
Verschiedene Modelle für den Mechanismus, durch den infektiöses Prionenprotein (PrPSc) Gehirnschäden und Nervenzerstörung verursacht, werden erörtert in einem Übersichtsartikel von C. Soto (Endoplasmic reticulum stress, PrP trafficking, and neurodegeneration. Dev. Cell 2008 15 :339–341.)
Von C. Soto stammt auch ein aufschlussreicher Kommentar zu einem kürzlich erschienenen Artikel über die Strukturvoraussetzungen für infektiöse Prionen (Originalartikel: Sigurdsson CJ, et al. De novo generation of a transmissible spongiform encephalopathy by mouse transgenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009. 106: 304–309; Kommentar: Constraining the loop, releasing prion infectivity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009 106: 10–11).
Erläuterungen zu dem hypothetischen Zusammenhang zwischen Krankheitserregern und spät einsetzender Alzheimer-Krankheit sowie Links zu einigen interessanten Artikeln finden sich unter http://www.alzforum.org/res/for/journal/detail.asp?liveID=65#{5976B70D-206A-40A7-AC4D-A62F88C6F2F5}
Mehrere Übersichtsartikel über die potenzielle Rolle von Krankheitserregern erschienen in der Maiausgabe 2008 des Journal of Alzheimer’s Disease.