Мышей заразили болезнью Альцгеймера через кишечник

Рис. 1. Накопление бета-амилоида в блуждающем нерве мышей. Разными красителями окрашены разные части нерва: синим — ядра нейронов, зеленым — отростки нейронов, красным — молекулы бета-амилоида. А — мыши из контрольной группы, В — мыши, получившие инъекцию физраствора, C и D — мыши, получившие инъекцию бета-амилоида в кишечник. Длина масштабных отрезков — 20 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в The Journal of Physiology

Болезнь Альцгеймера — самое распространенное нейродегенеративное заболевание. От него нет лекарства и, более того, ученым пока не известны даже надежные маркеры этой болезни, позволяющие диагностировать ее до проявления первых симптомов, ведь чтобы выявить главный симптом болезни Альцгеймера — бета-амилоидные бляшки, — нужно исследовать ткани головного мозга. Но если болезнь начинается не в мозге, а где-то еще, то у врачей будет возможность заметить ее на ранних стадиях и предотвратить прогрессию. Потенциальную возможность для этого установили ученые из Гонконга. В недавнем исследовании на мышах они обнаружили, что агрегаты бета-амилоида, введенные в стенку кишечника, способны проникнуть в мозг. Правда, все еще неясно, единственный ли это путь и используется ли он на самом деле.

Болезнь Альцгеймера, как и многие другие нейродегенеративные заболевания, — это «эпидемия», которая поражает головной мозг, постепенно распространяясь по нервной ткани. Начинается она, как правило, в гиппокампе и коре больших полушарий. Поэтому одним из первых симптомов болезни становятся проблемы с памятью. Затем движется по мозгу, захватывая таламус, средний мозг и, наконец, мозжечок, приводя к нарушению когнитивных и двигательных функций.

Движущей силой «эпидемии» служит пептид бета-амилоид (Aβ) — фрагмент мембранного белка АРР, который отщепляется с поверхности нейронов. Некоторые молекулы Aβ принимают неправильную форму, и на их поверхность выступают «липкие» гидрофобные участки. Такие неправильно свернутые молекулы становятся «семенами» — ядром для будущего белкового комка. Слипаясь друг с другом в нерастворимые агрегаты, они попутно заставляют и другие молекулы Aβ принимать искаженную форму, и так комок увеличивается и растет как снежный ком. В конце концов он принимает вид амилоидной бляшки (рис. 2) — внеклеточного скопления белков, по которому патолог опознает в ткани следы болезни Альцгеймера. В результате окружающие клетки оказывается под двойным ударом: помимо того что амилоид сам по себе может быть токсичен для нейронов, бляшки разрушают связи между ними и мешают транспорту веществ внутри ткани.

Рис. 2. Бета-амилоидные бляшки (крупные розовые пятна) в головном мозге пациента с болезнью Альцгеймера. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Несмотря на то что бета-амилоидные агрегаты считаются основным признаком болезни Альцгеймера, а их накопление — одной из главных ее причин, ни одна терапия, основанная на их уничтожении, пока не оказалась успешной. На момент написания этого текста большинство крупнейших мировых фармакологических компаний закрыли разработки лекарств от болезни Альцгеймера (на плаву остается только Biogen, однако данные его последних клинических испытаний тоже вызывают сомнения).

В чем причина этих неудач, пока неясно. Возможно, неверна исходная предпосылка, и амилоидные бляшки — ложная мишень, то есть они являются не причиной болезни, а ее симптомом. Но может быть, дело просто в том, что мы пытаемся вмешаться в процесс слишком поздно, когда бета-амилоидный «снежный ком» уже начал путешествие по ткани мозга, бляшки формируются, и уничтожение отдельных «снежинок» не может ни остановить «эпидемию», ни обратить нейродегенерацию. В таком случае нужно научиться распознавать симптомы болезни раньше, чем они становятся необратимыми. А поскольку ткани мозга в живом человеке анализировать трудно, маркеры ранних стадий болезни Альцгеймера ищут в более легкодоступных участках тела, например, в крови, глазах или спинномозговой жидкости — тоже, впрочем, пока тщетно.

Но что, если «эпидемия» начинается не в головном мозге, а в каком-нибудь другом органе? Мозг — не замкнутая система, в него можно попасть самыми разными способами: например, через гемато-энцефалический барьер или по входящим нервным волокнам. Если бы удалось найти внешний источник амилоидной патологии, то это, с одной стороны, объяснило бы неудачу традиционных подходов к лечению болезни Альцгеймера, а с другой — помогло бы ловить и пресекать ее в зародыше.

Эти догадки опираются на примеры других нейродегенеративных патологий, которые приходят в мозг извне. Так происходит с прионными белками, которые, подобно бета-амилоиду (точнее, это амилоид демонстрирует прионоподобное поведение), образуют в мозге «снежные комки». Патологические формы прионных белков попадают в мозг через кишечник: так, болезнь Крейтцфельда-Якоба можно подхватить через мясо коровы, а болезнь куру — через ритуальный каннибализм. В редких случаях заражение происходит через кровь — например, если человеку вводят препарат, полученный из мозга больного животного или другого человека (для болезни Альцгеймера, кстати, такие случаи тоже известны, см. Z. Jaunmuktane et al., 2015. Evidence for human transmission of amyloid-β pathology and cerebral amyloid angiopathy).

Похожие механизмы удалось найти и у близкого «родственника» болезни Альцгеймера — болезни Паркинсона. Белок, который ее вызывает (и тоже ведет себя как прион), — альфа-синуклеин — считают виновником того, что у больных нарушается работа кишечника. А в экспериментах на мышах нити альфа-синуклеина, которые животным вводили в мускулатуру кишечника, через месяц оказывались в головном мозге (см. S. Kim et al., 2019. Transneuronal propagation of pathologic α-synuclein from the gut to the brain models parkinson’s disease). Поэтому группа исследователей из Гонконга поставила своей целью выяснить, возможна ли и для бета-амилоида миграция из кишечника в мозг.

Для этого они вводили меченый флуоресцентными молекулами бета-амилоид в слизистую оболочку желудка и разных участков кишечника молодых мышей. Это позволило отслеживать распространение введенных молекул бета-амилоида по организму мышей in vivo буквально в прямом эфире. Оказалось, что уже через три часа после инъекции бета-амилоид начал проникать в подслизистую оболочку, в которой находятся мышцы и отростки нейронов, иннервирующих кишечник (рис. 3).

Рис. 3. Кишечник мышей через три часа после введения помеченных флуоресцентными красителями молекул бета-амилоида. Бета-амилоид светится красным, синим окрашены ядра клеток. А — срез кишечника, желтые стрелки указывают направление миграции амилоида. В, С — амилоид распространяется по подслизистой оболочке стенки кишечника. Изображение из обсуждаемой статьи в The Journal of Physiology

На третий день меченые молекулы можно было разглядеть еще только вокруг укола, через неделю область с ними начала медленно расползаться, а к концу первого месяца она захватила желудок и тощую кишку целиком (рис. 4).

Рис. 4. Путешествие флуоресцентного бета-амилоида по кишечнику мыши. Красный цвет соответствует максимальной интенсивности свечения помеченных молекул бета-амилоида. А и В — состояние через три часа после инъекции, С — через три дня, D — через неделю, E и F — через месяц. Изображение из обсуждаемой статьи в The Journal of Physiology

Через год после начала эксперимента бета-амилоид добрался и до мозга — бляшки нашли в волокнах блуждающего нерва, а также в гиппокампе, миндалине и коре больших полушарий. Амилоидные агрегаты удалось обнаружить и вокруг сосудов головного мозга. Этот симптом известен как церебральная ангиопатия, и он встречается у большинства пациентов с болезнью Альцгеймера, хоть и не служит диагностическим критерием (рис. 5).

Рис. 5. Церебральная ангиопатия в головном мозге человека. Амилоидные бляшки показаны коричневым. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Через год авторы работы обнаружили у мышей и другие симптомы патологии. Они набрали вес (стали в среднем на 4,6 г тяжелее, чем их сородичи из контрольной группы) и стали на 20% больше есть. А вот отходов производили столько же, из чего исследователи сначала сделали вывод, что у мышей была нарушена работа кишечника. Тем не менее, с кишечником у мышей оказалось все в порядке, за исключением замедленных сокращений тощей кишки. Но это объяснимо: при болезни Альцгеймера, в отличие от болезни Паркинсона, кишечные симптомы возникают нечасто.

Зато у животных появились отклонения в когнитивных функциях. Например, когда им предлагали запомнить два объекта, а потом один из них заменяли на новый, они не уделяли ему больше внимания, чем знакомому. Это, по мнению авторов, говорит о проблемах с долговременной памятью.

Симптомы, которые авторы работы наблюдали у мышей, не в полной мере воспроизводят человеческую болезнь Альцгеймера. Однако стоит иметь в виду, что мыши не болеют ей сами по себе, а похожую на нее патологию удавалось вызвать только у трансгенных животных, которые производили аномально много белка-предшественника амилоида APP. В обсуждаемой работе использовали обычных животных, не склонных к агрегации амилоида, поэтому не удивительно, что и симптомы болезни у них проявились лишь частично. Тем не менее, исследователям удалось впервые показать, что бета-амилоид, подобно прионным белкам и альфа-синуклеину, может проникать в головной мозг из кишечника.

После этой работы остаются открытыми как минимум два важных вопроса. Во-первых, возможна ли такая миграция бета-амилоида у людей и происходит ли она в действительности у пациентов с болезнью Альцгеймера? Или все-таки это путь, который может быть реализован теоретически, но не встречается на практике? Во-вторых, какую именно дорогу использует бета-амилоид? Тот факт, что его удалось обнаружить в блуждающем нерве, подсказывает, что он может распространяться по чувствительным волокнам, которые идут из кишечника в мозг. По крайней мере, именно так «передвигается» альфа-синуклеин, и его миграцию можно предотвратить, если эти волокна перерезать. Но может быть и так, что бета-амилоид мигрирует в мозг через кровь (известно, например, что его способны пронести в мозг макрофаги, см. A. F. Cintron et al., 2015. Transport of cargo from periphery to brain by circulating monocytes) — подобно, опять же, альфа-синуклеину и прионам. А если окажется, что для распространения из кишечника в мозг существуют разные пути, то это значит, что единым биомаркером для начинающейся болезни Альцгеймера обойтись не удастся, и придется искать такие маркеры в нескольких местах организма одновременно.

Источник: Y. Sun, N. R. Sommerville, J. Y. H. Liu, M. P. Ngan, D. Poon, E. D. Ponomarev, Z. Lu, J. S. C. Kung, J. A. Rudd. Intra‐gastrointestinal amyloid‐β1–42 oligomers perturb enteric function and induce Alzheimer's disease pathology // The Journal of Physiology. 2020. DOI: 10.1113/JP279919.

Полина Лосева