ArchivDeutsches Ärzteblatt14/1996Rinderwahn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit: Neue Erkenntnisse der Prionforschung

MEDIZIN: Kongressberichte und -notizen

Rinderwahn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit: Neue Erkenntnisse der Prionforschung

Giese, Armin; Schulz-Schaeffer, J.; Windl, Otto; Kretzschmar, A.

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LNSLNS Prion-Krankheiten sind übertragbare neurodegenerative Krankheiten, die zu spongiformer (schwammförmiger) Auflockerung des Neuropils, ausgedehntem Nervenzellverlust und schließlich zum Tod des erkrankten Organismus führen. Zu den Prion-Krankheiten des Menschen zählen die meist sporadisch auftretende Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJD) und familiäre Formen, das Gerstmann-Sträussler-ScheinkerSyndrom (GSS) und die tödliche familiäre Schlaflosigkeit (fatal familial insomnia, FFI), sowie die durch Kannibalismus übertragene Kuru-Krankheit, die heute überwiegend von medizinhistorischem Interesse ist. In vergangenen Jahrzehnten wurde als infektiöses Agens der spongiformen Enzephalopathien ein "slow-virus" postuliert. Die in den letzten Jahren gesammelten experimentellen Daten unterstützen jedoch im wesentlichen die Prion-Hypothese. Diese Hypothese besagt in ihrem Kern, daß ein körpereigenes zelluläres Protein (PrPC) seine Konformation in der Weise ändert, daß es als PrPSc Teil des infektiösen Agens, des Prions, wird und selbst die Konformationsänderung von PrPC zu PrPSc hervorruft. PrPSc ist relativ proteaseresistent und wird in Gehirnen erkrankter Organismen abgelagert (Kretzschmar HA, Dahme E: Die spongiforme Enzephalopathien und die Prionhypothese. Dt. Ärztebl. 1990; 87: A-2797-2802 [Heft 38] und Weber T, Poser S, Kretzschmar HA: Prionkrankheiten – heutiger Wissensstand. Dt. Ärztebl. 1994; 91: A-3021-3030 [Heft 44]). Seit dem Auftreten der ersten Fälle der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) (dem sogenannten "Rinderwahn") in Großbritannien vor etwa zehn Jahren hat die Erforschung der transmissiblen spongiformen Enzephalopathien (Prion-Krankheiten) großes wissenschaftliches und öffentliches Interesse erfahren. Die neuesten Erkenntnisse zur Epidemiologie, Ätiologie und Pathogenese dieser Krankheitsgruppe wurden auf einem internationalen Symposium unter dem Titel "Prion diseases – epidemiology, biochemistry and molecular biology" am 26. und 27. Oktober 1995 in Göttingen diskutiert.


Epidemiologie der Prion-Krankheiten
Im Rahmen einer europäischen Multicenterstudie wurden von den nationalen Arbeitsgruppen einheitliche klinische und neuropathologische Kriterien zur CJD-Inzidenzermittlung definiert:
1 Sichere Erkrankung: neuropathologisch oder durch biochemischen Nachweis von PrPSc gesicherte Fälle. Der immunhistochemische Prionproteinnachweis gilt als Standard.
1 Die wahrscheinliche Erkrankung verläuft über eine progressive Demenz und typische EEG-Veränderungen sowie mindestens zwei der folgenden vier Kriterien: a) Myoklonien, b) visuelle oder zerebelläre Symptome, c) pyramidale/extrapyramidale Störungen oder d) akinetischer Mutismus. Aus den epidemiologischen CJDStudiengruppen der Länder Großbritannien, Frankreich, Italien, Holland und Deutschland lagen die Inzidenzzahlen für 1993 und 1994 vor. Die Inzidenz in Deutschland betrug 0,59 (im Jahr 1993) und 0,76 (im Jahr 1994) Erkrankungsfälle pro Million Einwohner. Die Werte liegen im Rahmen der Inzidenzzahlen der anderen europäischen Länder von 0,53 bis 1,04. Der leichte Anstieg der ermittelten Inzidenzen ist am ehesten auf verbesserte Erfassung zurückzuführen. Wie R. G. Will (Edinburgh) in einer detaillierten Analyse darstellte, basiert der beobachtete Inzidenzanstieg in Großbritannien auf einer
verbesserten Erfassung der CJD-Erkrankungsfälle vorwiegend bei über 75jährigen Patienten. Acht Prozent der CJD-Patienten boten initial das klinische Bild eines Schlaganfalls. Bei etlichen dieser Patienten wurde die Diagnose erst durch postmortale neuropathologische Untersuchungen mit immunhistochemischem Nachweis des Prionproteins gestellt. J. W. Ironside (Edinburgh) berichtete über zwei besonders junge, neuropathologisch gesicherte, sporadische Erkrankungsfälle in England, eine 16jährige Jugendliche und einen 18jährigen Mann. CJD-Erkrankungen bei unter 20jährigen sind in der Literatur schon vor dem Auftreten der BSE beschrieben, sie müssen jedoch als große Seltenheit gelten. Das jetzige gleichzeitige Auftreten zweier Fälle in England rechtfertigt sicherlich keine Rückschlüsse auf die Übertragbarkeit von BSE auf den Menschen. Eine genaue Beobachtung der Epidemiologie der CJD in den kommenden Jahren wird jedoch für die letztendliche Beurteilung dieser Fälle wichtig sein. Dazu wird in Deutschland seit 1993 eine vom Bundesministerium für Gesundheit epidemiologische Studie von der Neurologischen Klinik und dem Institut für Neuropathologie der Universität Göttingen durchgeführt. Differenzierte Fall-Kontrollstudien in England R. G. Will (Edinburgh) und Deutschland S. Poser, (Göttingen) haben bislang keinen Zusammenhang zwischen Lebens- und Ernährungsgewohnheiten und dem Auftreten sporadischer Creutzfeldt-Jakob-Erkrankungen ergeben. In der englischen Untersuchung wurde der Verzehr von Kalbfleisch und Wild in der Gruppe der CJD-Patienten etwas häufiger angegeben. Ein auffällig erhöhtes Erkrankungsrisiko für Landwirte, in der Landwirtschaft oder Schlachtereien arbeitende Personen fand sich nicht. Ebenso bestand kein erkennbarer Zusammenhang zu Operationen (insbesondere ophthalmologische oder neurochirurgische Eingriffe) oder Bluttransfusionen. Drei Prozent der bekannten französischen CJD-Fälle waren iatrogen durch Gabe von gepooltem menschlichem Wachstumshormon (hGH) induziert, das aus Hypophysen von Verstorbenen gewonnen war. D. Dormont (Fontenay-aux-Roses) erläuterte, daß das klinische Bild dieser Patienten dem der Kuru-Erkrankung ähnelt: Die zerebelläre Ataxie steht im Vordergrund, eine Demenz tritt erst präfinal auf. Bei der neuropathologischen Untersuchung sind Plaques im Kleinhirn, Hippocampus, Thalamus und Striatum immunhistochemisch erkennbar. Alle untersuchten Patienten wiesen eine Homozygotie am Codon 129 des Prionproteingens auf, während bei 44 Prozent der Bevölkerung eine Methionin/Valin-Heterozygotie besteht. Auch bei sporadischer CJD finden sich vermehrt homozygote Patienten bezüglich dieses natürlichen Polymorphismus. Das Einzelrisiko, an CJD zu erkranken, ist für einen homozygoten gegenüber einem heterozygoten Menschen jedoch nur geringfügig erhöht, so daß der alleinigen Feststellung der Homozygotie an dieser Position kein differentialdiagnostischer Wert beizumessen ist. J. Wilesmith, (Central Vetinary Laboratory, Weybridge, Großbritannien), stellte dar, daß die Zahl der BSE-erkrankten Rinder in England seit 1993 jedes Jahr um 50 Prozent zurückgegangen ist. Nachdem die epidemiologische Forschung scrapieinfizierte Schlachtabfälle und Knochenmehl in Rinderfutter als Infektionsquelle der Erkrankung ermittelt hatte, war Mitte 1988 ein Verbot der Verfütterung tierischer Eiweiße an Wiederkäuer erlassen worden. Fall­kontroll­studien haben bisher keinen Hinweis ergeben, daß bei Rindern eine intrauterine oder horizontale Übertragung von BSE stattfindet.


Transgene Mäuse als Tiermodell
Nahezu alle wesentlichen Fragen der Prionkrankheiten werden mit Studien an transgenen Mäusen untersucht, die veränderte oder artfremde Prionproteingene tragen. S. Prusiner (San Francisco) und J. Collinge (London) berichteten über ihre Bemühungen, durch die Einführung des menschlichen PrP-Gens in Mäuse ein Tiermodell für das Studium der Prionkrankheiten des Menschen zu etablieren. Im Labor von S. Prusiner war es nicht möglich, diese transgenen Mäuse mit verschiedenen menschlichen Prionisolaten effizient zu infizieren. Wurde jedoch das eingeführte Transgen so manipuliert, daß Teile des menschlichen Gens durch die entsprechenden Regionen des Mausgens ersetzt wurden, waren die Mäuse durch eine ganze Reihe von Prionisolaten zu infizieren, die in normalen Mäusen keinerlei Krankheiten auslösen. Die Inkubationszeiten lagen zwischen 200 und 300 Tagen und waren damit wesentlich kürzer als in Primaten. Das Risiko der Übertragung der Rinderkrankheit BSE auf den Menschen läßt sich mit diesen transgenen Mäusen ebenfalls untersuchen. Im Gegensatz zu S. Prusiner gelang J. Collinge mit einem menschlichen Prionisolat die Infektion von transgenen Mäusen, die das unveränderte humane PrP-Gen trugen. Er inokulierte diesen Mäusen im weiteren auch das BSE-Agens. Die Tiere erkrankten nach einer Inkubationszeit von 500 Tagen, einer Zeit, nach der normale Mäuse ebenfalls erste Krankheitszeichen zeigen. Die Einführung des menschlichen Gens hatte demnach keinen beschleunigenden Einfluß auf den Ausbruch der Krankheit. Die weitere Untersuchung der BSE-infizierten transgenen Mäuse ergab, daß nicht das transgene PrPC des Menschen, sondern das endogene PrPC der Maus in PrPSc umgewandelt worden war. Dies ist ein Hinweis darauf, daß die Speziesbarriere zwischen Rind und Mensch größer sein könnte als die zwischen Rind und Maus. Die experimentellen Untersuchungen sind noch nicht abgeschlossen, zum Beispiel wurden keine Ergebnisse von Infektionsversuchen an transgenen Mäusen mit chimären human-murinen PrP-Genen vorgestellt, und J. Collinge betonte, daß noch einige andere Faktoren neben dem humanen Prionprotein an der Empfänglichkeit des Menschen für BSE beteiligt sein können.
Einer dieser zusätzlichen Faktoren könnte ein bislang nur postuliertes "Protein X" sein, dessen Existenz sich gemäß S. Prusiner ebenfalls aus Studien mit transgenen Tieren ableiten läßt und das an der Umwandlung des normalen PrP in die pathogene Form beteiligt sein soll. Chaperone sind Proteine, die an der dreidimensionalen Faltung von anderen Proteinen beteiligt sind, und es wird vermutet, daß sie auch bei der pathologischen Umfaltung des PrP eine Rolle spielen könnten. J. Tatzelt (San Francisco) berichtete über Ergebnisse mit Scrapie infizierten Neuroblastomzellen, in denen sich im Gegensatz zu nichtinfizierten Zellen einige Chaperone nicht wie gewöhnlich durch zellulären Streß regulieren lassen. Möglicherweise werden sie von akkumulierendem PrPSc requiriert. S. Weiss (München) berichtete, daß er unter Verwendung des yeast-twohybrid-Systems auf mehrere Proteine gestoßen sei, die mit PrPC interagieren; eines dieser Proteine sei ein Chaperon. Die Analyse der zellulären Komponenten, die mit Prionprotein in der Zelle in Wechselwirkung treten, wird sicher einer der Schwerpunkte der Prionforschung der nächsten Jahre sein.


Scrapiestämme und ihre molekulare Analyse
Die Existenz verschiedener Stämme des Scrapieerregers im Schaf wird von einzelnen Arbeitsgruppen weiterhin als Argument gegen die Prionhypothese ins Feld geführt, da die Diversität der Stämme nur durch die Anwesenheit von RNA oder DNA als informationstragendem Molekül erklärbar sei. Scrapiestämme unterscheiden sich im wesentlichen durch die Ausprägung bestimmter pathologischer Phänomene und unterschiedlich langer Inkubationszeit bei der Übertragung auf Mäuse. Beim Versuch, den Scrapiestamm zu finden, der zum BSE-Erreger wurde, machte die Gruppe um
M. Bruce (Edinburgh) einige hochinteressante Entdeckungen. Zum einen wies der BSE-Erreger Eigenschaften auf, die bislang in keinem Scrapiestamm beim Schaf gefunden wurden. Es ist zu vermuten, daß bei der Überschreitung der Speziesbarriere eine wesentliche Veränderung des Erregers stattgefunden hat. Zum anderen behielt BSE selbst nach Passage durch sieben verschiedene Spezies seine charakteristischen Stammeigenschaften. Der BSE-Stamm ist demnach ungewöhnlich dominant. Dies macht die Frage, ob Menschen durch BSE infiziert wurden, experimentell zugänglich. Es wurden daher Prionisolate von Personen, die in Großbritannien an CJD verstorben waren und auf Grund ihrer beruflichen Exposition oder des ungewöhnlichen Krankheitsverlaufes als potentiell BSE-infiziert betrachtet werden können, zur Stammidentifizierung in Mäuse inokuliert. Diese Versuche sind noch nicht abgeschlossen. Sollten sich die Prionen dieser CJD-Fälle nicht von denen BSE-infizierter Rinder unterscheiden, wäre dies ein starker Hinweis auf eine Übertragung der BSE auf den Menschen.
Die molekulare Natur der Stammdiversität ist noch immer strittig. R. Marsh (Madison, Wisconsin) und Mitarbeiter konnten jedoch zeigen, daß sich das PrPSc zweier Stämme der Prionkrankheit bei Nerzen in biophysikalischer Hinsicht deutlich voneinander unterscheidet. Diese Charakteristika bleiben über mehrere Passagen stabil und könnten den unterschiedlichen Eigenschaften beider Stämme zugrunde liegen. Eine weitere Bestätigung erfuhren diese Analysen durch den Einsatz beider Stämme in einem zellfreien System, das durch die Gruppe um B. Caughey (Hamilton, Montana) etabliert worden war. Hierbei wird im Reagenzglas PrPC in PrPSc umgewandelt. Dazu muß allerdings eine große Menge PrPSc vorliegen. Wurde nun
PrPSc eines der beiden Nerzisolate in diesem System vorgegeben, entstand aus PrPC stammspezifisch modifiziertes PrPSc. Noch konnte nicht gezeigt werden, daß in diesem In-vitro-System alleine durch die Veränderung des PrP auch Infektiösität entstanden ist und diese sich zudem von Stamm zu Stamm unterschiedlich verhält.


Pathogenese der Prionkrankheiten
Ein wesentliches Charakteristikum der spongiformen Enzephalopathien ist der Untergang von Nervenzellen und die Proliferation von Gliazellen. Bezüglich pathogenetischer Zusammenhänge zwischen der Akkumulation der pathologischen Form des Prionproteins (PrPSc) und dem Nervenzelltod wurden von mehreren Arbeitsgruppen neue Ergebnisse vorgestellt. Zunehmende Bedeutung gewinnen hier Zellkulturexperimente mit einem neurotoxischen Peptidfragment aus dem Prionprotein (PrP106–126), das in vitro neuronalen Zelltod durch Apoptose und Gliazellproliferation hervorruft T. Tagliavini (Mailand), wobei diese Eigenschaft vom Aggregationszustand des Peptides abhängig ist J. Hope (Edingburgh). H. A. Kretzschmar (Göttingen) stellte Versuche vor, in denen gezeigt wurde, daß der toxische Effekt dieses Peptides in Zellkultur an zwei wesentliche Voraussetzungen gebunden ist: Zum einen ist die Toxizität von zellulärer PrPC-Expression, zum anderen von der Gegenwart von Mikroglia-Zellen abhängig. Auch in vivo, nach experimenteller Scrapie-Infektion von Mäusen, läßt sich zeigen, daß Nervenzellen durch Apoptose zugrunde gehen.
Die Bedeutung der zellulären Prionprotein-Expression für die Vermittlung des toxischen Effektes von
PrPSc-Ablagerungen wurde auch von A. Aguzzi (Zürich) hervorgehoben. Diese Arbeitsgruppe präsentierte Experimente, in denen Mäusen, denen das Prionprotein fehlt, fetales Prionprotein-exprimierendes Hirngewebe ins Gehirn implantiert wurde. Nach intrazerebraler Infektion dieser Tiere kam es zu massiven pathologischen Veränderungen und einem ausgeprägten Nervenzellverlust in diesen Transplantaten, während das umgebende Hirngewebe keinerlei Schäden zeigte, obwohl auch hier deutliche PrPSc-Ablagerungen nachweisbar waren.
Weitere Vorträge befaßten sich mit der Zellbiologie des Prionproteins. PrPC ist ein extrazelluläres Protein, das über einen Glycosyl-phosphatidylinositol-(GPI)-Anker an die Zellmembran gebunden ist. Gemäß den Ergebnissen von A. Taraboulos (Jerusalem) ist es in bestimmten Mikrodomänen der Membran, den sogenannten "rafts", lokalisiert, die auch bei der Umwandlung in die pathologische Form eine Rolle spielen könnten. D. A. Harris (Saint Louis, Missouri) zeigte dagegen eine Assoziation mit einer anderen Membrandomäne, den "clathrin-coated-pits". Zusätzlich berichtete er von Experimenten, in denen Prionprotein-Varianten mit Mutationen, wie sie bei erblichen Prionerkrankungen des Menschen gefunden wurden, in Zellkultur exprimiert wurden. Diese veränderten Proteine zeigten eine veränderte Membranassoziation und eine relative Proteaseresistenz, wie sie auch bei PrPSc beobachtet werden können. Es ist noch nicht geklärt, ob auf diese Weise eine Infektiosität zu erzeugen ist. Hinsichtlich der physikochemischen Charakterisierung von PrPC und PrPSc wurden aktuelle Ergebnisse von M. Baldwin (San Francisco) vorgestellt. Ein Unterschied zwischen diesen beiden Formen durch kovalente Modifikation konnte bisher nicht identifiziert werden. Hingegen gibt es inzwischen umfangreiche Daten, die Konformationsunterschiede belegen J. Safar, (Bethesda, Maryland). D. Riesner (Düsseldorf) berichtete von dem Versuch, PrPSc in gleichzeitig löslicher und infektiöser Form zu gewinnen, eine entscheidende Voraussetzung für weiterführende Strukturanalysen. Ein wesentliches Ergebnis dieser Versuche war die Beobachtung, daß Proteaseresistenz und Infektiosität der gewonnenen Fraktionen nicht aneinander gekoppelt waren. Die detaillierte Analyse der infektiösen Fraktionen soll nun weitere Aufschlüsse über die Struktur des infektiösen Agens liefern.
Zusätzlich zu den 26 Vorträgen wurden insgesamt 60 Poster präsentiert, die Anlaß zur Diskussion der Ergebnisse zahlreicher Arbeitsgruppen in persönlichen Gesprächen gaben. 200 Gäste nahmen an diesem Symposium teil. Es wurde von Hans Kretzschmar, Institut für Neuropathologie der Georg-August-Universität Göttingen, und Detlev Riesner, Institut für Physikalische Biologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, organisiert.


Armin Giese
Dr. med. Walter J. Schulz-Schaeffer
Dr. rer. nat. Otto Windl
Prof. Dr. Hans A. Kretzschmar
Institut für Neuropathologie
Universität Göttingen
Robert-Koch-Straße 40
37075 Göttingen


Die Verfasser dieses Berichtes werden in Kürze, voraussichtlich in Heft 15 des Deutschen Ärzteblattes, eine Interpretation der von der Arbeitsgruppe in Edinburgh vorgestellten Erkenntnisse publizieren.

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