HSV-1 przeprogramowuje metabolizm energetyczny ludzkich neuronów jeszcze przed ich wyraźnym uszkodzeniem

Wirus opryszczki pospolitej typu 1 (HSV-1) może istotnie zmieniać sposób, w jaki ludzkie neurony wytwarzają i wykorzystują energię, zanim pojawią się wyraźne oznaki uszkodzenia komórek. Badacze wykorzystali trójwymiarowy model ludzkiej tkanki mózgowej oraz bezmarkerowe techniki obrazowania optycznego, aby przez 10 dni śledzić metabolizm zakażonych neuronów. Wyniki wskazują na początkowe zwiększenie aktywności energetycznej komórek, zmiany metabolizmu mleczanu, a w późniejszym okresie narastanie stresu oksydacyjnego i zaburzeń funkcji mitochondriów.

W artykule:

• Jak HSV-1 wpływa na metabolizm ludzkich neuronów
• Trójwymiarowy model ludzkiej tkanki mózgowej
• Wzrost zapotrzebowania energetycznego po zakażeniu
• Mleczan jako potencjalne dodatkowe źródło energii
• Stres oksydacyjny i zmiany funkcji mitochondriów
• Znaczenie wyników dla badań nad chorobami neurologicznymi

HSV-1 może zmieniać metabolizm neuronów

Wirus opryszczki pospolitej typu 1 (herpes simplex virus type 1, HSV-1), najlepiej znany jako czynnik wywołujący opryszczkę wargową, zakaża znaczną część światowej populacji i może przez dziesięciolecia pozostawać w stanie latencji w komórkach układu nerwowego. W ostatnich latach pojawiły się wyniki badań wskazujące na możliwy związek zakażenia HSV-1 z chorobami neurologicznymi, w tym z chorobą Alzheimera. Mechanizmy, poprzez które wirus mógłby wpływać na funkcjonowanie mózgu, nadal jednak nie zostały w pełni poznane.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Neurophotonics dostarcza nowych informacji na ten temat. Naukowcy wykazali, że zakażenie HSV-1 może zmieniać sposób, w jaki ludzkie neurony produkują i wykorzystują energię. Co szczególnie istotne, zaburzenia metaboliczne obserwowano, zanim w badanym modelu doszło do rozległego uszkodzenia komórek.

Eksperymenty wskazały, że zakażone neurony początkowo zwiększają aktywność metaboliczną i produkcję energii. W miarę trwania infekcji temu stanowi podwyższonej aktywności zaczynały jednak towarzyszyć cechy stresu komórkowego oraz zaburzenia funkcjonowania mitochondriów.

Jak podkreśla Maria Savvidou, badaczka z Department of Biomedical Engineering at Tufts University, uzyskane wyniki dostarczają nowych informacji na temat tego, w jaki sposób utrzymujące się zakażenie wirusowe może przebudowywać metabolizm neuronów i potencjalnie uczestniczyć w procesach związanych z chorobami neurologicznymi.

Badanie w trójwymiarowym modelu ludzkiej tkanki mózgowej

Zespół badawczy wykorzystał ludzkie neurony hodowane w trójwymiarowych rusztowaniach, które odtwarzają niektóre cechy strukturalne tkanki mózgowej. Taki model pozwala analizować zachowanie komórek w środowisku bardziej zbliżonym do przestrzennej organizacji ludzkiego mózgu niż klasyczne hodowle komórkowe prowadzone na płaskiej powierzchni.

Przygotowane struktury tkankowe eksponowano na niewielką ilość HSV-1, a następnie obserwowano przez 10 dni. Badacze mogli dzięki temu analizować zarówno rozprzestrzenianie się zakażenia, jak i następujące wraz z upływem czasu zmiany metaboliczne.

Do monitorowania procesów zachodzących wewnątrz komórek wykorzystano zaawansowane techniki obrazowania optycznego bazujące na naturalnej fluorescencji cząsteczek uczestniczących w metabolizmie energetycznym. Metoda nie wymagała stosowania dodatkowych barwników ani niszczenia analizowanej tkanki.

Pozwalało to wielokrotnie badać ten sam żywy model tkankowy i obserwować dynamikę odpowiedzi metabolicznej w kolejnych dniach infekcji. Jest to istotna różnica w porównaniu z metodami wymagającymi zakończenia eksperymentu i analizy materiału jedynie w pojedynczym punkcie czasowym.

Neurony szybko przechodzą w stan zwiększonej aktywności metabolicznej

HSV-1 stopniowo rozprzestrzeniał się w badanej tkance, jednak zakażone neurony przez większą część eksperymentu pozostawały żywe i zachowywały integralność. Obserwacja ta miała szczególne znaczenie, ponieważ wskazywała, że istotne zaburzenia metabolizmu mogą rozwijać się jeszcze przed pojawieniem się rozległego uszkodzenia komórek.

Już w ciągu pierwszej doby od zakażenia neurony przechodziły w nietypowo aktywny stan metaboliczny. Dane wskazywały na zwiększenie aktywności zarówno procesów związanych z glikolizą, jak i metabolizmu mitochondrialnego. Oznacza to, że obecność i namnażanie wirusa wiążą się ze znacznym obciążeniem zasobów energetycznych zakażonej komórki.

Zjawisko to można interpretować jako metaboliczne przystosowanie neuronu do nagłego wzrostu zapotrzebowania na energię. Komórka nadal pozostaje żywa, ale sposób wykorzystywania substratów energetycznych ulega zmianie.

Mleczan może być ponownie wykorzystywany jako paliwo

Jedną z najbardziej interesujących obserwacji dotyczyła mleczanu, czyli metabolitu powstającego między innymi podczas przemian glukozy. Tradycyjnie bywa on przedstawiany przede wszystkim jako produkt przemian metabolicznych, jednak współczesna fizjologia wskazuje, że może również pełnić funkcję aktywnego substratu energetycznego oraz uczestniczyć w komunikacji metabolicznej pomiędzy komórkami.

Wkrótce po zakażeniu HSV-1 neurony uwalniały zwiększone ilości mleczanu. W kolejnych etapach doświadczenia badacze zaobserwowali natomiast, że część tego mleczanu była ponownie wykorzystywana przez komórki jako alternatywne źródło energii.

Zdaniem autorów taka zmiana może pomagać neuronom w zaspokojeniu zwiększonego zapotrzebowania energetycznego związanego z infekcją. Jednocześnie długotrwałe utrzymywanie się tego odmiennego stanu metabolicznego może wiązać się z niekorzystnymi konsekwencjami dla funkcji komórek.

Wyniki nie oznaczają zatem, że wzrost wykorzystania mleczanu sam w sobie jest procesem patologicznym. W badanym modelu stanowił on raczej element szerszej adaptacji metabolicznej rozwijającej się podczas zakażenia HSV-1.

Narastanie stresu oksydacyjnego i zaburzeń mitochondrialnych

Wraz z przedłużaniem się zakażenia coraz wyraźniejsze stawały się oznaki stresu komórkowego. W 7. i 10. dniu eksperymentu neurony wykazywały cechy stresu oksydacyjnego, czyli stanu, w którym zaburzona równowaga pomiędzy powstawaniem reaktywnych form a zdolnościami systemów obronnych komórki może prowadzić do uszkadzania jej składników.

Naukowcy odnotowali również zwiększające się ilości lipofuscyny. Jest to autofluorescencyjny pigment gromadzący się między innymi w starzejących się lub poddanych przewlekłemu obciążeniu komórkach. Jej narastanie stanowiło kolejną wskazówkę, że długotrwała infekcja prowadzi do stopniowego zwiększania stresu komórkowego.

Zmiany obserwowano także w mitochondriach, czyli organellach odgrywających zasadniczą rolę w produkcji energii. Neurony nie przestawały wytwarzać energii, jednak wyniki wskazywały, że wraz z trwaniem zakażenia procesy mitochondrialne stawały się mniej zrównoważone i mogły stopniowo tracić swoją prawidłową efektywność.

Po połączeniu wielu parametrów opisujących metabolizm komórkowy naukowcy stwierdzili, że profile metaboliczne zakażonych i niezakażonych tkanek coraz bardziej różniły się wraz z upływem czasu. Największe różnice stwierdzono po 10 dniach zakażenia.

Oznacza to, że wpływ HSV-1 na metabolizm neuronów nie ograniczał się do krótkotrwałej reakcji bezpośrednio po infekcji. W badanym modelu następowało stopniowe, narastające przeprogramowanie procesów energetycznych.

Zmiany metaboliczne mogą wyprzedzać uszkodzenie komórek

Badanie wskazuje, że mleczan może pomagać neuronom dostosować się do wysokiego zapotrzebowania energetycznego podczas zakażenia, pełniąc funkcję dodatkowego substratu energetycznego. Taka adaptacja może jednak mieć swoją cenę. Długotrwałe utrzymywanie się zmienionego profilu metabolicznego było związane z narastającym stresem oksydacyjnym oraz innymi cechami dysfunkcji komórkowej.

Szczególnie istotna jest obserwacja, że zmiany te pojawiały się w czasie, gdy duża część neuronów nadal pozostawała żywa i strukturalnie zachowana. Metabolizm komórki może więc zmieniać się na stosunkowo wczesnym etapie zakażenia, zanim jego konsekwencje staną się widoczne jako znaczne uszkodzenie tkanki.

Autorzy zwracają również uwagę na wartość bezmarkerowych, nieniszczących metod obrazowania optycznego. Możliwość wielokrotnego analizowania żywej tkanki pozwala śledzić sekwencję zmian metabolicznych, zamiast porównywać wyłącznie odrębne próbki pobrane w kolejnych punktach eksperymentu.

Możliwe znaczenie dla badań nad neurodegeneracją

Wyniki mogą mieć znaczenie dla dalszych badań nad potencjalnym związkiem przewlekłych lub reaktywowanych zakażeń wirusowych z procesami zachodzącymi w chorobach neurologicznych i neurodegeneracyjnych. Stres oksydacyjny oraz dysfunkcja mitochondriów należą do zjawisk obserwowanych również w patofizjologii wielu chorób neurodegeneracyjnych.

Badanie nie dowodzi jednak, że zakażenie HSV-1 powoduje chorobę Alzheimera ani inną chorobę neurodegeneracyjną. Pokazuje natomiast jeden z możliwych mechanizmów biologicznych, poprzez który utrzymująca się obecność wirusa mogłaby wpływać na fizjologię neuronów.

W praktyce klinicznej

Uzyskane wyniki pochodzą z eksperymentalnego trójwymiarowego modelu ludzkiej tkanki mózgowej, a nie z badania klinicznego prowadzonego u pacjentów. Nie stanowią zatem podstawy do zmiany diagnostyki, profilaktyki ani leczenia zakażenia HSV-1. Ich znaczenie dotyczy przede wszystkim lepszego poznania procesów komórkowych zachodzących podczas zakażenia oraz rozwoju metod umożliwiających wykrywanie wczesnych zmian metabolicznych w żywej tkance.

Dalsze badania będą potrzebne, aby określić, w jakim stopniu obserwowane w modelu laboratoryjnym zmiany występują w ludzkim układzie nerwowym in vivo oraz czy mają rzeczywiste znaczenie dla rozwoju lub progresji chorób neurologicznych.

Źródło: Neurophotonics, „Viral reprogramming of neuronal metabolism captured by label-free imaging in a 3D human brain tissue model”
DOI: https://doi.org/10.1117/1.NPh.13.3.035004