Герпетический энцефалит (ГЭ), вызванный вирусом простого герпеса 1 типа (ВПГ-1), — одно из самых тяжелых вирусных заболеваний головного мозга. Без раннего противовирусного лечения ГЭ часто приводит к смерти, и даже при лечении нередко оставляет серьезные неврологические последствия.
Посмертные исследования мозга у пациентов с ГЭ показывают характерные признаки поражения: участки некроза со скоплением лейкоцитов.
ВПГ-1 поражает прежде всего эпителиальные клетки на поверхности слизистых оболочек. Оттуда вирус проникает в чувствительные нейроны, где может сохраняться в неактивном состоянии. В редких случаях он распространяется дальше по нервным путям в центральную нервную систему и вызывает герпетический энцефалит.
У детей ГЭ чаще развивается при первом заражении ВПГ-1, а у взрослых — при реактивации вируса.
Роль врожденного иммунного ответа при вирусной инфекции
Врожденный иммунный ответ обеспечивает быструю защиту от вируса, но одновременно может вызывать избыточное воспаление, повреждающее ткани. Врожденный иммунный ответ начинается с активации рецепторов распознавания образов (PRR), которые обнаруживают характерные молекулы вирусов и других микроорганизмов. Один из ключевых защитных механизмов, запускаемых PRR, — выработка интерферонов I типа (ИФН). Интерфероны подавляют размножение вируса, активируя гены ISG, ограничивающие вирусную репликацию.
Параллельно активируется воспалительный каскад: клетки выделяют цитокины TNFα, IL-1β и IL-6. Они привлекают лейкоциты к месту инфекции, стимулируют высвобождение дегенеративных ферментов и запускают гибель зараженных клеток.
Вирус простого герпеса 1 типа может распознаваться несколькими типами PRR, включая TLR2, TLR3, TLR9, RIG-I, MDA5, cGAS, AIM2 и NLRP3, — в зависимости от типа клетки. Их активация приводит к включению двух основных сигнальных путей: через транскрипционные факторы IRF3 и NF-κB. Первый отвечает за выработку интерферонов и активацию противовирусных генов, второй — за усиление воспалительной реакции. Все известные рецепторы PRR способны активировать NF-κB, а часть из них — TLR3, RIG-I, MDA5 и cGAS — дополнительно активируют путь IRF3-ИФН, обеспечивая комплексный противовирусный ответ.
Врожденный иммунный контроль вируса простого герпеса 1 типа в головном мозге
Эксперименты на мышах с генетическими дефектами пути ИФН-I показали, что интерфероны I типа необходимы для сдерживания ВПГ-1 в головном мозге. На ранних стадиях инфекции ключевую роль играет сигнальный путь cGAS-STING в микроглии — он обеспечивает быструю выработку ИФН. В дальнейшем противовирусное действие реализуется через рецепторы интерферонов в нейронах и астроцитах, которые активируют защитные механизмы.
Интересно, что у мышей с нарушениями в генах TLR2 или адапторного белка NLRP3 ASC улучшалась выживаемость при герпетическом энцефалите. У таких мышей был снижен уровень воспалительных цитокинов и ослаблен приток лейкоцитов в центральную нервную систему.
Эти данные показывают, что врожденный иммунный ответ должен быть строго сбалансирован: он необходим для контроля вируса, но чрезмерная активация воспалительных путей может усугублять повреждение мозга. Однако механизмы, поддерживающие этот баланс и нарушающиеся при герпетическом энцефалите, пока остаются недостаточно изученными.
Генетические механизмы предрасположенности к герпетическому энцефалиту
За последние 10-15 лет исследования редких генетических вариантов у пациентов с герпетическим энцефалитом значительно углубили понимание того, какие врожденные механизмы защищают человека от этого заболевания.
Наиболее часто выявляются генетические мутации, нарушающие выработку или функцию интерферонов I типа. К таким генам относятся TLR3, UNC93B1, TRIF, TRAF3, TBK1, NEMO, IRF3, IFNAR1, STAT1 и STAT2.
В одном из описанных случаев у ребенка с герпетическим энцефалитом была обнаружена мутация IRF3 R285Q, приводящая к потере функции этого гена. У клеток крови и фибробластов этого ребенка наблюдалась сниженная активация гена IFNB при заражении ВПГ-1, однако восстановление нормального варианта IRF3 в клетках полностью устраняло этот дефект. Это подтвердило прямую связь между генетическими нарушениями и повышенной восприимчивостью к ГЭ.
Несмотря на значительный прогресс в выявлении таких мутаций, остается неясным, каким образом врожденные дефекты системы ИФН способствуют развитию и тяжести герпетического энцефалита.
Мышиная модель герпетического энцефалита с мутацией IRF3 R285Q
Датские ученые создали трансгенную мышь, несущую вариант гена IRF3 R285Q, аналогичный человеческой мутации, связанной с врожденным дефектом ответа ИФН. Эта модель позволяет исследовать патогенез герпетического энцефалита в условиях, близких к человеческим.
В отличие от мышей с полным нокаутом этого гена, трансгенные мыши сохраняют экспрессию белка IRF3, что отражает более сложную клиническую ситуацию у пациентов — частичную потерю функции IRF3 или воздействие измененного IRF3, которое нарушает работу нормального.
Мутация IRF3 R285Q ослабляет ответ ИФН и повышает риск герпетического энцефалита
Ученые исследовали, как мутация IRF3 R285Q влияет на противовирусный ответ клеток мозга. Из стволовых клеток пациента с герпетическим энцефалитом были получены микроглия, астроциты и корковые нейроны. Микроглия и астроциты показали сниженный, но не полностью утраченный ответ IFNB при заражении ВПГ-1. Это сопровождалось снижением ранней, но не поздней экспрессии ISG15. Что касается нейронов, они вообще не реагировали на вирус ответом ИФН-ISG — как и контрольные нейроны.
Микроглия и астроциты трансгенных мышей с мутацией IRF3 R278Q также демонстрировали ослабленный ответ ИФН, а нейроны коры головного мозга мышей не повышали экспрессию Ifnb при инфекции ВПГ-1 in vitro.
После заражения ВПГ-1 у трансгенных мышей развивалось тяжелое воспаление мозга, сходное с герпетическим энцефалитом у человека. Тяжесть заболевания у трансгенных мышей с мутацией IRF3 R278Q была сопоставима с таковой у мышей с нокаутом Irf3. У мышей наблюдались выраженные симптомы, повреждение гематоэнцефалического барьера и высокая смертность.
Мутация повышала чувствительность к вирусам герпеса 1 и 2 типа, но не к вирусу гриппа, что согласуется с данными о ребенке с герпетическим энцефалитом — у него не было тяжелых гриппозных инфекций. Таким образом, мутация IRF3 R278Q нарушает выработку интерферонов в клетках мозга и делает его восприимчивым к ГЭ.
Мутация IRF3 R278Q усиливает репликацию вируса простого герпеса в центральной нервной системе
После заражения ВПГ-1 у гомозиготных мышей Irf3R278Q/R278Q наблюдалось замедленное подавление вируса в глазах и тройничных ганглиях и почти десятикратное увеличение его количества в стволе мозга по сравнению с мышами дикого типа. Гетерозиготные мыши Irf3WT/R278Q также имели повышенную вирусную нагрузку в стволе мозга, но не в тройничных ганглиях.
Иммунофлуоресцентное окрашивание и микроскопия выявили более крупные очаги инфекции, усиленное привлечение иммунных клеток и признаки клеточной гибели. В микроглии и астроцитах Irf3R278Q/R278Q, как и в клетках пациента с аналогичной мутацией, наблюдалась повышенная вирусная репликация, тогда как нейроны оставались относительно устойчивыми.
Таким образом, мутация IRF3 R278Q ослабляет контроль над ВПГ-1 как на периферии, так и в ЦНС, что способствует развитию ГЭ.
Усиленный воспалительный ответ при мутации IRF3 R278Q
У мышей Irf3R278Q/R278Q после заражения вирусом простого герпеса 1 типа отмечались нормальные уровни экспрессии транскриптов для Ifnb и ISG Mx1, но значительное повышение провоспалительных цитокинов Tnfa, Il1b, Il6 и Ccl2 в стволе мозга. Микроглия оказалась преобладающим типом клеток, реагирующих на ВПГ-1 с экспрессией Ifnb и зависящих от пути NF-κB провоспалительных цитокинов Tnfa, Il6 и Ccl2, поскольку экспрессия генов была в значительной степени устранена после истощения микроглии.
Чтобы определить роль NF-κB в экспрессии цитокинов, ученые обрабатывали смешанные культуры клеток мозга мышей ингибиторами NF-κB BMS-345541 и PDTC или физиологическим раствором для контроля и инфицировали их ВПГ-1. Tnfa, Il6 и Ccl2 были заблокированы лечением BMS-345541, а лечение PDTC блокировало Tnfa и Il6, но не Ccl2. Последнее можно объяснить тем, что экспрессия Ccl2 обладает высокой чувствительностью к NF-κB и, возможно, требует более сильного подавления NF-κB для блокировки экспрессии.
Микроглия гомозиготных мышей Irf3R278Q/R278Q и гетерозиготных мышей Irf3WT/R278Q требовала в 100 и 10 раз соответственно больше вируса, чтобы вызвать уровень экспрессии Ifnb, сопоставимый с нормой, однако экспрессия Tnfa/TNFA была значительно выше.
Таким образом, функциональный дефицит IRF3 снижает контроль над вирусом и усиливает NF-κB-зависимое воспаление в мозге.
Увеличение доли воспалительных моноцитов при мутации IRF3 R278Q
Анализ мозга мышей Irf3R278Q/R278Q, инфицированных вирусом простого герпеса 1 типа, показал изменение состава иммунных клеток. У этих мышей отмечалось увеличение активированных моноцитарных макрофагов, демонстрирующих высокую экспрессию MHC-II и других маркеров активации, и уменьшение доли моноцитарных дендритных клеток, по сравнению с нормой.
Основную массу инфильтрирующих клеток составляли моноциты. Кроме того, моноциты и нейтрофилы показали самую высокую экспрессию врожденных иммунных сенсоров, связанных с инфекцией ВПГ-1. Один из подтипов моноцитов был особенно многочисленным у мышей Irf3R278Q/R278Q и Irf3-/-, что являлось общим признаком высокой вирусной нагрузки в мозге.
Воспалительные моноциты при мутации IRF3 R278Q связаны с повреждением клеток мозга
Особая популяция воспалительных моноцитов, увеличение которой было признаком высокой вирусной нагрузки, активировала гены, связанные с миграцией лейкоцитов, презентацией антигена и ответом на бактерии, но не с противовирусной защитой.
Эти моноциты характеризовались высокой экспрессией Tlr2 (но не других PRR, чувствительных к ВПГ-1), активацией путей NF-κB и ИФНγ, но не экспрессировали высокие уровни ISG. Моноциты взаимодействовали с клетками мозга — нейронами, астроцитами, олигодендроцитами и эндотелиальными клетками — через цитокиновые и апоптотические сигнальные пути, включая TNF и TRAIL, которые могут вызывать гибель нейронов и нарушение целостности гематоэнцефалического барьера.
Таким образом, обогащенная популяция воспалительных моноцитов, подвергшаяся воздействию высоких уровней вируса и ИФНγ в мозге, инфицированном ВПГ-1, запускает NF-κB-зависимую программу и усиливает повреждение мозга при герпетическом энцефалите.
Блокада NF-κB уменьшает тяжесть герпетического энцефалита при мутации IRF3 R278Q
Так как у мышей Irf3R278Q/R278Q наблюдалось чрезмерное воспаление, связанное с активацией NF-κB, ученые проверили, снижает ли блокада этого пути тяжесть заболевания.
Мышей лечили ингибитором NF-κB PDTC, способным проникать через гематоэнцефалический барьер, начиная с 3-го дня после заражения вирусом герпеса 1 типа. Лечение заметно ослабляло симптомы: уменьшались потеря массы, выраженность неврологических признаков и смертность. При этом вирусная нагрузка в мозге не снижалась, но уровень провоспалительного цитокина IL6 уменьшался.
Комбинация PDTC с противовирусным препаратом ацикловиром усиливала защитный эффект. Однако только ацикловир не смог значительно улучшить исход заболевания, хотя и снизил вирусную нагрузку.
Чтобы в полной мере имитировать пациента с ГЭ, ученые также лечили гетерозиготных мышей Irf3WT/R278Q с помощью PDTC. Только PDTC значительно облегчал течение заболевания, измеряемое по шкале симптомов и снижению массы тела, но лишь незначительно влиял на выживаемость. Комбинация PDTC с ацикловиром почти полностью предотвращала развитие симптомов.
PDTC не является селективным ингибитором NF-κB, поэтому ученые дополнительно протестировали высокоселективный ингибитор IκB киназы (IKK) BMS-345541 — он значительно улучшал показатели симптомов и уменьшал потерю веса, но не повышал выживаемость.
В целом результаты показывают, что тяжесть герпетического энцефалита при мутации IRF3 R278Q связана с чрезмерной активацией NF-κB-зависимого воспаления, а его блокада смягчает течение заболевания.
Вывод
После заражения вирусом простого герпеса 1 типа у мышей с мутацией IRF3 R278Q наблюдалась неспособность контролировать инфекцию, что приводило к распространению вируса в центральную нервную систему. Это сопровождалось усиленной выработкой микроглией воспалительных цитокинов под действием фактора NF-κB и способствовало привлечению специфической субпопуляции моноцитов, которая дополнительно усиливала воспаление через пути ИФНγ и NF-κB. Блокада NF-κB снижала уровень воспаления и облегчала течение заболевания.
Полученные данные показывают, что раннее нарушение баланса между противовирусным и воспалительным ответом в мозге может приводить к иммунопатологии, вызванной активацией пути NF-κB, при герпетическом энцефалите. Подавление патологических воспалительных механизмов при сохранении противовирусных — перспективная стратегия лечения ГЭ в сочетании с противовирусной терапией.
