Problems of ante mortem diagnostics of prion diseases

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

The review presents the state-of-the-art on the problem of diagnosis of prion diseases (PD) in humans and animals with a brief description of their etiology and pathogenesis. We pointed out that understanding the nature of the etio logical agent of PD determined their zoonotic potential and led to the development of highly specific immunological diagnostic methods aimed at identifying the infectious isoform of prion protein (PrPd) as the only marker of the disease. In this regard, we briefly summarize the results of studies, including our own, concerning the conversion of normal prion protein molecules (PrPc) to PrPd, the production of monoclonal antibodies and their application as immunodiagnostic reagents for the post-mortem detection of PrPd in various formats of immunoassay. We also emphasize the issues related to the development of methods for ante mortem diagnostics of PD. In this regard, a method for amplifying amino acid sequences using quacking-induced conversion of PrPc to PrPd in real time (RTQuIC) described in details. The results of recent studies on the assessment of the sensitivity, specificity and reproducibility of this method, carried out in various laboratories around the world, are presented. The data obtained indicate that RT-QuIC is currently the most promising laboratory assay for detecting PrPd in biological material at the preclinical stage of the disease. The significant contribution of US scientists to the introduction of this method into clinical practice on the model of diagnosis of chronic wasting disease of wild Cervidae (CWD) is noted. The possible further spread of CWD in the population of moose and deer in the territories bordering with Russia, as well as the established fact of alimentary transmission of CWD to macaques, indicate the threat of the appearance of PD in our country. In conclusion, the importance of developing new hypersensitive and/or selective components of known methods for PrPd identification from the point of view of assessing the risks of creating artificial infectious prion proteins in vivo or in vitro, primarily new pathogenic isoforms (“strains”) and synthetic prions, was outlined.

Full Text

Согласно существующей классификации прионные болезни (ПБ) человека и животных, патогенетически объединённые в понятие «трансмиссивные губко­образные энцефалопатии», относят к большой группе амилоидозов, основным патогномоничным признаком которых является образование так называемых ами­лоидных бляшек, или амилоида. Главным его компо­нентом являются фибриллы - нитевидные структуры, формируемые одним из белков поражённого организ­ма, изменившим свою нативную конформацию и при­обретшим способность к агрегации, а также высокую устойчивость к клеточным протеазам [1][2][3]. Природа этиологического агента ПБ на модели скрепи овец бы­ла расшифрована в результате исследований нобелев­ского лауреата Стенли Бенджамина Прузинера (Stanley Benjamin Prusiner), который доказал инфекционность единственного белка организма, полностью лишён­ного нуклеиновых кислот и кодируемого клеточным геномом [4]. Исследователь назвал этот агент прионом (PrP). Возникновение ПБ связано с изменением пространственной структуры гликопротеина клеточ­ной мембраны PrPc, приводящим к его переходу в па­тогенную изоформу (PrPd), способную, в свою очередь, вызывать конформационную перестройку в других контактирующих с ней молекулах PrPc. Таким образом, события, происходящие при развитии данных заболе­ваний, представляются аналогичными цепным автокаталитическим реакциям [5][6].

Следует подчеркнуть, что аминокислотные по­следовательности PrPc и PrPd абсолютно идентичны, однако вследствие такого конформационного пере­хода изменяются структура и свойства молекулы. Так, во вторичной структуре функционирующей мо­лекулы PrPc преобладают α-спиральные участки - в их состав включено около 40% аминокислотных остатков, тогда как β-слои практически отсутствуют (3%). Для PrPd характерно увеличенное содержание β-структур (более 40%), состоящих из большого ко­личества аминокислотных остатков, ранее находив­шихся в составе спиралей, а также образование в раз­личных областях головного мозга агрегатов в виде спирализованных фибрилл, называемых также скре­пи-ассоциированными фибриллами (САФ) [7][8][9][10]. К наиболее изученным ПБ животных относят скрепи овец, губкообразную энцефалопатию крупного рога­того скота (ГЭ КРС), хроническую изнуряющую бо­лезнь диких копытных (ХИБ); у человека - болезнь Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ) и её новый вариант (нвБКЯ), синдром Герстманна-Штройсслера-Шейнкера (ГШШ), куру и смертельную семейную бессон­ницу. Некоторые из ПБ могут быть связаны с несколь­кими субтипами или штаммами приона, которые раз­личаются полиморфизмом в гене, кодирующем PrPc, трансмиссивностью, клиническими проявлениями, характерными нейропатологическими изменениями и/или биохимическими особенностями патогенной формы белка PrPd [11]. Различают наследственную, спорадическую и инфекционную формы ПБ, при этом б0льшую часть случаев у человека (около 85%) относят к спорадическим. Инфекционная форма ха­рактеризуется меж- и внутривидовой трансмиссией и вызывается проникновением в организм аномаль­ных изоформ приона, инициирующих конформационные изменения PrPc организма-реципиента.

Патогенез рассматриваемых заболеваний включает в себя деградацию нейронов, пролиферацию астроци- тов и клеток микроглии, накопление PrPd в различных отделах головного мозга, что клинически проявляет­ся в виде быстро прогрессирующей деменции, цере­бральной атаксии и заканчивается 100%-ным леталь­ным исходом [12][13]. Для некоторых ПБ характерно накопление PrPd в периферической нервной системе или лимфоидных органах; последний вариант харак­терен для выделенных от нескольких видов оленей штаммов ХИБ [14]. Так, во время продолжающейся вспышки ХИБ в Норвегии из 19 животных в провин­ции Nordfjella все оказались положительными по PrPd в лимфоидных тканях и только у 10 из них он был обнаружен в центральной нервной системе. Высокая степень накопления PrPd в лимфоидных органах, ха­рактерная для некоторых штаммов ХИБ, вероятно, яв­ляется причиной высокой контагиозности и трансмиссивности ХИБ у оленей [15].

Начиная с 80-х гг. прошлого века и по настоящее время многие аспекты этиологии и патогенеза ПБ, ме­тодология выявления и молекулярно-биологические особенности прионных белков были подробно описа­ны в зарубежной и отечественной литературе [12][16­][17]. В нашей стране в изучение этих заболеваний у животных большой вклад внесли учёные и специ­алисты ФГБНУ ФНЦ «Всероссийский научно-ис­следовательский институт экспериментальной вете­ринарии им. Я.Р. Коваленко РАН» (ВИЭВ) и ФГБУ «Федеральный центр охраны здоровья животных» (ВНИИЗЖ) [18][19][20][21][22]. Позднее, в рамках осуществле­ния международных проектов, коллектив учёных из НПО «Нарвак», НИИ вирусологии им. Д.И. Ива­новского, ГНУ «Федеральный исследовательский центр вирусологии и микробиологии» (ВНИИВиМ) и ФГБУ «ВНИИЗЖ» при участии коллег из Респу­блики Беларусь выполнил ряд исследований по полу­чению и характеристике рекомбинантных прионных белков, получению моноклональных антител (МКАТ) и их апробации в качестве иммунодиагностических реагентов для посмертного выявления PrPd животных и человека (рис. 1 а, б) [23][24][25][26][27].

 

Рис. 1. Выявление PrPd в тканях головного мозга человека методами ИГХ и иммунной электронной микроскопии [26].

а: Иммуногистохимическое окрашивание препарата полутонкого среза мозга человека (область мозжечка) больного нвБКЯ после обработки МКАТ 2С8. Наблюдаются обширная вакуолизация тканей и визуализация PrPd в составе амилоидных бляшек в виде окрашенных темных скоплений. Увеличение x600. б: Электронограмма этого же препарата после обработки МКАТ 2С8 и вторичными антителами к IgG человека, конъюгированными частицами колло­идного золота диаметром 10 нм. Результат связывания МКАТ 2C8 с агрегатами PrPd, формирующими САФ в вакуолизированной ткани мозга. Размер линии - 500 нм. Увеличение x20 000.

Fig. 1. Identification of PrPd in human brain tissue by IGC and immune electron microscopy [26].

a: Immunohistochemical staining of the preparation of a half-thin slice of the human brain (cerebellum area) of a patient with vCJD after treatment with MCAT 2C8. There are extensive tissue vacuolization and visualization of PrPd in amyloid plaques in the form of painted dark clusters. Magnification x600. b: Electronogram of the same preparation after treatment with MCAT 2C8 and secondary antibodies to human IgG by conjugated colloidal gold particles with a diameter of 10 nm. The result of binding MCAT 2C8 with PrPd units which form SAF in the vacuolized brain tissue. The line size is 500 nm. Magnification x20 000.

 

Несмотря на то что многие вопросы, связанные с ПБ, уже достаточно хорошо изучены, некоторые из них остаются в поле зрения профильных специалистов. Это, во-первых, отсутствие средств терапии и про­филактики; во-вторых, проблемы, связанные с при­жизненной диагностикой болезней. На сегодняшний день все валидированные и узаконенные методы диагностики ПБ (помимо биопробы) направлены на посмертное исследование тканей головного или спинного мозга гистологическим, иммуногисто- химическим (ИГХ), иммуноферментным (ИФА), иммунохроматографическим (ИХМ) методами и иммуноблоттингом (ИБ). При этом единственным реагентом, пригодным для выявления PrPd как един­ственного маркёра болезни, в вышеописанных фор­матах иммунологического анализа являются МКАТ, от свойств которых зависят чувствительность и спец­ифичность исследований. Впервые прижизненный (преклинический) тест для обнаружения PrPd скре­пи в периферической лимфоидной ткани был раз­работан на основе ИГХ K. O’Rourke с соавт. [28][29]. Эта уникальная методика позволяет выявлять PrPd в так называемом третьем веке - лимфоидном органе инфицированной овцы за месяцы или годы до появ­ления первых клинических признаков заболевания. Внедрение данного метода позволило осуществлять мониторинг скрепи среди поголовья живых овец и отбирать клинически здоровых взрослых особей для племенных целей. Кроме этого, этими авторами посредством типирования гена PRNP были выделены группы риска для скрепи, что также было использо­вано для селекции устойчивой к данной патологии популяции овец и коз [30]. В настоящее время под­тверждена возможность детекции PrPd в лимфоидных узлах, пейеровых бляшках, миндалинах, аппендиксе, третьем веке, что позволяет в ряде случаев выявить болезнь у животных и человека на доклинической стадии [31][32]. Необходимо подчеркнуть, что успех применения ИГХ-анализа в значительной степени за­висит от качества подготовки исследуемого материа­ла и используемых антител.

В последние годы появляются варианты методов фактически прижизненной диагностики, столь необ­ходимые в первую очередь для человека. Среди боль­шого количества прототипов таких тест-систем сле­дует выделить 2 наиболее перспективных, в основе которых лежит единый принцип белковой амплифи­кации. Как только идея о белковой природе возбуди­теля ПБ была в целом принята научным сообществом, начался поиск возможностей воспроизведения наблю­даемой in vivo конверсии клеточной формы прионно- го белка PrPc в патогенную PrPd при взаимодействии с патогенной затравкой. Первым в 2001 г. был разра­ботан метод циклической амплификации патогенной изоформы приона (циклическая амплификация мисфолдинга белка, ЦАМБ) на субстрате гомогената мозга хомяка, содержащего клеточную изоформу прио- на PrPc, путём сё конверсии в аномальную изоформу in vitro [33]. Данный способ, получивший название метода белковой конверсии (Protein misfolding assay, PMA; Protein misfolding cyclic amplification, PMCA), основан на схожем с методикой полимеразной цепной реакции (ПЦР) принципе: если в образце присутству­ет (даже в ничтожно малых количествах) PrPd, то при добавлении в образец PrPc происходит конверсия по­следней в PrPd. Агрегаты PrPd подвергают фрагмента- ции/соникации, и образовавшиеся в результате этого его фрагменты, в свою очередь, служат матрицей для конверсии PrPc в PrPd. Таким образом, в результате циклической амплификации содержание PrPd в образ­це многократно возрастает, а результаты реакции оце­нивают методом ИБ по конечной точке. Эта методика применима для обнаружения PrPd не только в тканях мозга, но и в крови [34]. Одним из её недостатков яв­ляется возможность спонтанной конверсии субстра­та в амилоидную форму в образцах, не содержащих PrPd. Кроме того, существенным отрицательным мо­ментом является необходимость использования в ка­честве субстрата гомогената мозга, что накладывает на ЦАМБ как этические, так и связанные с вопросами биобезопасности ограничения.

Дальнейшим усовершенствованием ЦАМБ ста­ло использование рекомбинантного белка в каче­стве субстрата конверсии, что частично устраняло эти недостатки. В результате была разработана но­вая технология, названная методом амплификации аминокислотных последовательностей с использо­ванием индуцированной вибрацией конверсии PrPc в PrPd (индуцированная вибрацией конверсия, ИВК; quaking-induced conversion, QuIC) [35]. Модификаци­ей методики ИВК стала возможность детекции нако­пления амилоидной формы белка в режиме реально­го времени (ИВК-РВ; quaking-induced conversion real time, QuIC-RT) [36]. В настоящее время ИВК-РВ яв­ляется одним из самых перспективных подходов к об­наружению PrPd и наиболее подходящей диагностиче­ской процедурой для использования в повседневной клинической практике с целью выявления сверхма­лых концентраций PrPd в образце. Метод отличают простота, воспроизводимость, возможность исследо­вать большие объёмы материала, что важно при мо­ниторинговых исследованиях. Вместо обработки уль­тразвуком используется периодическое встряхивание планшета с образцами; единственным прибором для регистрации результатов реакции является термостатируемый плашечный флуориметр, подключённый к персональному компьютеру. Благодаря использова­нию флуоресцентного красителя тиофлавина Т (ThT), избирательно связывающегося с амилоидной формой прионного белка, наблюдение за конверсией суб­страта возможно в реальном времени, что позволяет оценить относительное содержание PrPd в исследуе­мых образцах (рис. 2). По чувствительности ИВК-РВ оказалась сравнимой с биопробой на восприимчивых животных; линейный диапазон чувствительности ме­тода оценивают в 10-3—10-8 мкг PrPd [37][38]. Экспери­ментальные данные, полученные с использованием разных субстратов, показали, что прионы некоторых видов животных могут подвергаться конверсии под воздействием достаточно широкого спектра извест­ных природных штаммов PrPd. Это обстоятельство диктовало необходимость поиска универсального субстрата конверсии, каковым оказался прион рыжей полёвки (Myodes glareolus). Далее было установлено, что её рекомбинантный PrPc способен к конверсии под воздействием всех известных к настоящему вре­мени штаммов PrPd [39].

 

Рис. 2. Методология постановки и проведения реакций ЦАМБ и ИВК-РВ.

Fig. 2. Methodology of staging and conducting of PMCA and QuIC-RT reactions.

 

Результат реакции ИВК-РВ позволяет в реальном времени анализировать флуоресцентную эмиссию после серии циклов встряхивания; этот процесс по­добен протеканию удалить количественной ПЦР-РВ. В современной практике метод применяется для вы­явления PrPd не только в гомогенатах мозговых тка­ней: он адаптирован также для исследования спин­номозговой жидкости, слюны и мочи оленей, зара­жённых ХИБ [40][41]. На протяжении последних лет опубликовано много работ по сравнительной оценке методик ЦАМБ и ИВК-РВ при выявлении PrPd в раз­личных тканях и биологических жидкостях челове­ка и животных (ликворе, крови, моче, слюне, фека­лиях, назальных смывах и др.) с целью диагностики БКЯ, нвБКЯ, ГЭ КРС, скрепи овец и ХИБ оленьих (Cervidae). Например, чувствительность ИВК^В при выявлении PrPd в тканях мозга коз в 10 000 раз превышала аналогичный показатель, установленный для ИБ и ИФА [38]. Недавно представлены данные об успешном прижизненном обнаружении PrPd при помощи ИВК-РВ в коже человека и животных [42]. Результаты исследований на БКЯ человека показа­ли, что чувствительность метода ИВК-РВ составля­ет 73-96%, а специфичность достигает 100%. В ря­де случаев при изучении спинномозговой жидкости и назальных смывов от людей с клиническими при­знаками спорадической БКЯ показатели чувствитель­ности и специфичности рассматриваемой методики составили 100%. Такие же высокие значения этих ха­рактеристик установлены при исследовании оленей и лосей на ХИБ, в то время как в ходе обследования людей людей в отношении нвБКЯ, синдромов ГШШ и фатальной семейной бессонницы величины были ниже [43].

Первые результаты по воспроизводимости ме­тодики ИВК-РВ также были обнадёживающими. Так, 25 образцов спинномозговой жидкости, в которой присутствовал PrPd, были протестированы в 11 иссле­довательских центрах, причём в качестве субстрата использовались различные рекомбинантные PrPc; оборудование для проведения анализа также было различным. Несмотря на это, данные, полученные в разных лабораториях, почти полностью совпадали [44]. Высокая воспроизводимость результатов, по­лученных с помощью ИВК-PВ, была подтверждена в ещё одном исследовании на БКЯ [45]. В последние годы эта реакция достаточно широко используется научными лабораториями, занимающимися диагно­стикой ПБ человека и животных, и является наиболее перспективным способом прижизненной диагнос­тики ПБ с точки зрения разработки коммерческой тест-системы [46]. Рядом учреждений ведутся целе­направленные работы для стандартизации компонен­тов и протоколов, оценки чувствительности и специ­фичности ИВК-РВ на охарактеризованной панели образцов [47]. В этой связи необходимо отметить значительный вклад в разработку и усовершенство­вание этой методики американских исследователей, занимающихся проблемой контроля и мониторин­га ХИБ. Распространение этой высококонтагиозной и трансмиссивной формы ПБ оленей на значитель­ной части территории СТА и Канады происходит из очага, обнаруженного в 60-е гг. прошлого столетия в Колорадо, нанося при этом большой экономический ущерб разводящим оленей коммерческим ранчо [46]. До недавнего времени ХИБ оставалась эндемичной для Северной Америки, однако в 2016 г. вспышка бо­лезни независимого происхождения произошла сре­ди северных оленей в Норвегии [48], и, несмотря на попытки локализовать и ликвидировать очаг, заболе­вание продолжает распространяться в популяции жи­вотных и в настоящее время. Одновременно с этим многолетние исследования по оценке возможности заражения ХИБ макак алиментарным путём дали по­ложительный результат [49].

Рядом исследователей делались попытки увеличить чувствительность ИВК-РВ, добавляя дополнитель­ные этапы при постановке реакции. В частности, для усиления конверсии были разработаны методики, сочетающие ИВК-РВ с иммунопреципитацией [50] и магнитной экстракцией, при которой происходит осаждение агрегатов PrPd при помощи магнитного захвата оксидом железа [51]. Однако эти этапы суще­ственно осложняют проведение реакции и зачастую не приводят к желаемым результатам.

Таким образом, необходимость определения сверх­низких летальных концентраций PrPd на доклиниче­ской стадии болезни в крови и других биологических жидкостях организма животных и человека стимули­ровала во всех областях науки интенсивное развитие принципиально новых методов изучения возбудителей особо опасных и редких инфекций. Среди множества потенциальных разработок в области прижизненной диагностики ПБ в настоящее время наиболее перспек­тивным с точки зрения внедрения в лабораторную практику является метод ИВК-РВ. Он апробирован во многих лабораториях для исследований различного биологического материала от человека и животных на доклинической стадии ПБ и становится перспектив­ным и безопасным для операторов. К одной из основ­ных проблем его использования относится невозмож­ность верифицировать и подтвердить амплификацию прионов известными традиционными методиками (ИФА, ИГХ, ИБ и т.п.), учитывая, что необходимый уровень детекции должен составлять аттограммы ве­щества (1 аг = 10-18 г) PrPd. Кроме того, отсутствует еди­ный регламент приготовления субстрата реакции, что приводит к ошибкам при сопоставлении результатов, полученных разными лабораториями. Вместе с тем в настоящее время продолжается работа по созданию унифицированных позитивных и негативных стан­дартов, важность которой сложно переоценить. Так, N.J. Haley с соавт. (2018) в своём обзоре подчёркива­ют, что для эффективной реализации метода ИВК-РВ необходима унификация 2 принципиально различных контролей: технических (в том числе положительный и отрицательный гомогенаты мозга, а также субстрат для амплификации) и матрикс-специфических биоло­гических контролей, полученных из репрезентативных положительных и отрицательных источников: целевые ткани, биологические жидкости и образцы объектов окружающей среды. Эти же исследователи отмечают, что уже имеется возможность стандартизации реком­бинантного PrPc-субстрата, дополнительно обеспечи­вающая лучшую воспроизводимость результатов при постановке реакции в различных лабораторных уч­реждениях [52]. 

Значимой проблемой при рутинных исследовани­ях полевых образцов в существующих лабораторных системах ИВК-РВ остаётся дискриминация слабопо­ложительных образцов с низким содержанием PrPd и случаев спонтанной конверсии субстрата. Помимо этого, серьёзное препятствие для перехода проце­дуры ИВК-РВ из научных учреждений в диагности­ческие подразделения заключается в отсутствии не­инфекционного положительного контроля реакции. Наряду с этим продолжаются поиски оптимальных условий и подходов к её постановке, которые позво­лили бы увеличить специфичность метода [53].

В настоящее время исследования в области разра­ботки новых сверхчувствительных и/или селектив­ных компонентов известных методик идентификации прионов и других этиологических агентов «конформационных» заболеваний представляют особую важ­ность с точки зрения оценки рисков, возникающих в последние годы при создании искусственных, в том числе инфекционных прионных белков in vitro в ряде лабораторий. Об опасных вариантах появления в хо­де подобных экспериментов патогенных прионных изоформ и спонтанно возникающих для них «новых» межвидовых барьерах типа животное-животное, жи­вотное-человек одними из первых предупреждали специалисты лабораторий переливания крови «Крас­ного Креста» США, отвечающие за трансфузионную безопасность у людей. В первую очередь эти опасе­ния были связаны с методом ЦАМБ, использующим ультразвуковую дезинтеграцию полученных первич­ных комплексов для последующего масштабирова­ния стартового количества исследуемого патогенного материала [54][55]. Подобные синтетические прионы, в том числе и изоформы прионного белка человека, уже получены в системах белковой амплификации. В описанном случае в качестве матрицы был исполь­зован рекомбинантный PrPc, затравкой служила про­ба, полученная от человека со спорадической формой БКЯ, с добавлением в среду кофактора реакции - ганглиозида GM. Полученный синтетический при- он оказался инфекционным для трансгенных мышей (PrP+) и вызывал у них неврологические расстройства после 224 и 459 дней эксперимента [56]. Аналогичные опыты проведены в отношении возбудителей ХИБ оленьих и нвБКЯ человека. В частности, Barria M.A. c соавт. (2018) удалось in vitro методом ЦАМБ кон­вертировать PrPc человека в его патогенную изофор­му, используя прионы поражённых ХИБ оленей как матрицу для амплификации [57]. Исходя из этого со­временные методы автоматизированной амплифика­ции прионных белков (прежде всего ЦАМБ) можно рассматривать как один из возможных путей возник­новения новых патогенных изоформ («штаммов») прионов. К другим путям возможного происхожде­ния различных «штаммов» PrPd относят: природный (естественный); экспериментальный в опытах in vivo по межвидовой передаче PrPd между животны­ми (включая высших приматов) и в опытах in vitro - моделирование конверсии PrPc в PrPd, включая даль­нейшую олигомеризацию мономеров прионных бел­ков в полимерные структуры вплоть до получения протофибрилл и амилоидоподобных фибрилл, обла­дающих свойством инфекционности [58]. Тем не ме­нее вполне очевидно, что вышеописанные методи­ки амплификации прионов не только внесут вклад в диагностику ПБ и будут способствовать улучшению понимания их патогенеза, но в будущем, возможно, смогут найти более широкое применение - например, для прижизненной диагностики других амилоидозов, обусловленных конформационными переходами бел­ков при отличных от ПБ заболеваниях, таких как бо­лезни Альцгеймера и Паркинсона [59].

×

About the authors

S. L. Kal’nov

FSBI «National Research Centre of Epidemiology and Microbiology named after honorary academician N.F. Gamaleya» of the Ministry of Health of Russia

Email: kalnov.sergei@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3130-4790

Ph.D., Senior Scientist 

123098, Moscow

Ph.D., Senior Scientist  Russian Federation

O. A. Verkhovsky

ANO «Diagnostic and Prevention for Human and Animal Diseases Research Institute»

Email: info@dpri.ru
ORCID iD: 0000-0003-0784-9341

Ph.D., D.Sci. (Biol.)., Prof., President 

Moscow, 123098

Russian Federation

V. V. Tsibezov

FSBI «National Research Centre of Epidemiology and Microbiology named after honorary academician N.F. Gamaleya» of the Ministry of Health of Russia

Email: tsibezov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2150-5764

Ph.D., Leading Researcher

123098, Moscow

Russian Federation

K. P. Alekseev

FSBI «National Research Centre of Epidemiology and Microbiology named after honorary academician N.F. Gamaleya» of the Ministry of Health of Russia

Email: kalekseev@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9536-3127

PhD, Senior Scientist

123098, Moscow

Russian Federation

D. A. Chudakova

School of Biological sciences, University of Auckland

Email: kitsyne1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9354-6824

Research fellow

Auckland 1010

New Zealand

I. E. Filatov

FSBI «National Research Centre of Epidemiology and Microbiology named after honorary academician N.F. Gamaleya» of the Ministry of Health of Russia

Email: filat69rus@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5274-224X

graduate student, Laboratory of Molecular Diagnostics

123098, Moscow

Russian Federation

T. V. Grebennikova

FSBI «National Research Centre of Epidemiology and Microbiology named after honorary academician N.F. Gamaleya» of the Ministry of Health of Russia

Author for correspondence.
Email: t_grebennikova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6141-9361

Ph.D., D.Sci. (Biol.). Prof., Corresponding Member of RAS, Head of Laboratory

123098, Moscow

Russian Federation

References

  1. Gambetti P., Russo C. Human brain amyloidosis. Nephrol. Dial. Transplant. 1998; 13(Suppl. 7): 33–40. https://doi.org/10.1093/ndt/13.suppl_7.33.
  2. Lachmann H.J., Hawkins P.N. Systemic amyloidosis. Curr. Opin. Pharm. 2006; 6(2): 214–20. https://doi.org/10.1016/j.coph.2005.10.005.
  3. McKinley M.P., Prusiner S.B. Ultrastructural Studies of Prions. In: Chesebro B.W., ed. Transmissible Spongiform Encephalopathies: Current Topics in Microbiology and Immunology. Berlin, Heidelberg: Springer; 1991. https://doi.org/10.1007/978-3-642-76540-7_5.
  4. Prusiner S.B. Novel proteinaceous infection particles cause scrapie. Science. 1982; 216(4542): 136–44. https://doi.org/10.1126/science.6801762.
  5. Laurent M. Autocatalytic processes in cooperative mechanisms of prion diseases. FEBS Lett. 1997; 407(1): 1–6. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(97)00310-4.
  6. Bieschke J., Weber P., Sarafoff N., Beekes M., Giese A., Kretzschmar H. Autocatalytic self-propagation of misfolded prion protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004; 101(33): 12207–11. https://doi.org/10.1073/pnas.0404650101.
  7. Harris D.A. Cellular biology of prion diseases. Clin. Microbiol. Rev. 1999; 12(3): 429–44.
  8. Hegde R.S., Mastrianni J.A., Scott M.R., DeFea K.A., Tremblay P., Torchia M., et al. A transmembrane form of the prion protein in neurodegenerative disease. Science. 1998; 279(5352): 827–34. https://doi.org/10.1126/science.279.5352.827.
  9. Mead S. Prion disease genetics. Eur. J. Hum. Genet. 2006; 14(3): 273–81. https://doi.org/10.1038/sj.ejhg.5201544.
  10. Bessen R.A., Kocisko D.A., Raymond G.J., Nandan S., Lansbury P.T., Caughey B. Non-genetic propagation of strain-specific properties of scrapie prion protein. Nature. 1995; 375(6533): 698–700. https://doi.org/10.1038/375698a0.
  11. Collinge J., Clarke A.R. A general model of prion strains and their pathogenicity. Science. 2007; 318(5852): 930–6. https://doi.org/10.1126/science.1138718.
  12. Prusiner S.B. Prions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998; 95(23): 13363–83. https://doi.org/10.1073/pnas.95.23.13363.
  13. Baskakov I.V., Breydo L. Converting the prion protein: what makes the protein infectious. Biochim. Biophys. Acta. 2007; 1772(6): 692–703. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2006.07.007.
  14. Benestad S.L., Telling G.C. Chronic wasting disease: an evolving prion disease of cervids. Handb. Clin. Neurol. 2018; 153: 135–51. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63945-5.00008-8.
  15. Sakudo A. Chronic wasting disease: current assessment of transmissibility. Curr. Issues Mol. Biol. 2020; 36: 13–22. https://doi.org/10.21775/cimb.036.013.
  16. Зуев В.А., Завалишин И.А., Ройхель В.М. Прионные болезни человека и животных. Руководство для врачей. М.: Медицина; 1999.
  17. Зуев В.А. Медленные инфекции человека и животных. Вопросы вирусологии. 2014; 59(5): 5–12.
  18. Надточей Г.А., Шубин В.А., Юров К.П., Коромыслов Г.Ф. Экспериментальные прионные инфекции у животных. Труды Всероссийского НИИ экспериментальной ветеринарии им. Я.Р. Коваленко. 1999; 72: 299–305.
  19. Рыбаков С.С. Скрепи и другие прионные болезни животных и человека. Владимир: Фолиант; 2003.
  20. Рыбаков С.С. Губкообразная энцефалопатия крупного рогато- го скота. Владимир: Фолиант; 2007.
  21. Надточей Г.А. Прионные инфекции: диагностика, профилактика и меры борьбы. Бюллетень Всесоюзного ордена Ленина научно-исследовательского института экспериментальной ветеринарии им. Я.Р. Коваленко. 1996; 77: 5–10.
  22. Суворов В.С., Шубин В.А., Надточей Г.А., Юров К.П., Санджаев Д.Д. Патоморфологическая дифференциация прионных инфекций: скрепи овец и губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота. Труды Всероссийского НИИ экспериментальной ветеринарии им. Я.Р. Коваленко. 2003; 73: 60–3.
  23. Кальнов С.Л., Григорьев В.Б., Алексеев К.П., Власова А.Н., Гибадулин Р.А., Покидышев А.Н. и др. Получение и характеристика полноразмерного рекомбинантного PrPc белка крупного рогатого скота. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2006; 141(1): 68–71.
  24. Grigorjev V.B., Kal’nov S.L., Pokidyshev A.N., Tsibezov V.V., Balandina M.V., Gibadulin R.A., et al. Fibrillization of recombinant bovine prion protein (rec-PrP) in vitro. Dokl. Biochem. Biophys. 2008; 420: 112–4. https://doi.org/10.1134/S1607672908030046.
  25. Кальнов С.Л., Верховский О.А., Алипер Т.И. Прионные болезни животных. В кн.: Львов Д.К., ред. Руководство по вирусологии. Вирусы и вирусные инфекции человека и животных. М.: МИА; 2013: 910–21.
  26. Покидышев А.Н. Характеристика рекомбинантного прионного белка крупного рогатого скота (Bos taurus) и разработка методов выявления патологической изоформы прионов: Дис. … канд. биол. наук. М.; 2009.
  27. Григорьев В.Б., Покидышев А.Н., Кальнов С.Л., Клименко С.М. Методы диагностики прионных заболеваний. Вопросы вирусологии. 2009; 54(5): 4–9.
  28. O’Rourke K.I., Baszler T.V., Parish S.M., Knowles D.P. Preclinical detection of PrPSc in nictitating membrane lymphoid tissue of sheep. Vet. Rec. 1998; 142(18): 489–91. https://doi.org/10.1136/vr.142.18.489.
  29. O’Rourke K.I., Baszler T.V., Besser T.E., Miller J.M., Cutlip R.C., Wells G.A., et al. Preclinical diagnosis of scrapie by immunohistochemistry of third eyelid lymphoid tissue. J. Clin. Microbiol. 2000; 38(9): 3254–9. https://doi.org/10.1128/JCM.38.9.3254-3259.2000.
  30. Spraker T.R., VerCauteren K.C., Gidlewski T., Schneider D.A., Munger R., Balachandran A., et al. Antemortem detection of PrPCWD in pre-clinical, ranch-raised Rocky Mountain Elk (Cervus elaphus nelsoni) by biopsy of the rectal mucosa. J. Vet. Diagn. Invest. 2009; 21(1): 15–24. https://doi.org/10.1177/104063870902100103.
  31. Andréoletti O., Berthon P., Marc D., Sarradin P., Grosclaude J., van Keulen L., et al. Early accumulation of PrPsc in gut-associated lymphoid and nervous tissues of susceptible sheep from a Romanov flock with natural scrapie. J. Gen. Virol. 2000; 81(12): 3115–26. https://doi.org/10.1099/0022-1317-81-12-3115.
  32. Hilton D.A., Ghani A.C., Conyers L., Edwards P., McCardle L., Ritchie D., et al. Accumulation of prion protein in tonsil and appendix: review of tissue samples. Brit. Med. J. 2002; 325(7365): 633–4. https://doi.org/10.1136/bmj.325.7365.633.
  33. Saborio G.P., Permanne B., Soto C. Sensitive detection of pathological prion protein by cyclic amplification of protein misfolding. Nature. 2001; 411(6839): 810–3. https://doi.org/10.1038/35081095.
  34. Saa P., Castilla J., Soto C. Presymptomatic detection of prions in blood. Science. 2006; 313(5783): 92–4. https://doi.org/10.1126/science.1129051.
  35. Atarashi R., Wilham J.M., Christensen L., Hughson A.G., Moore R.A., Johnson L.M., et al. Simplified ultrasensitive prion detection by recombinant PrP conversion with shaking. Nat. Methods. 2008; 5(3):211–2. https://doi.org/10.1038/nmeth0308-211.
  36. Atarashi R., Sano K., Satoh K., Nishida N. Real-time quaking-induced conversion: a highly sensitive assay for prion detection. Prion. 2011; 5(3): 150–3. https://doi.org/10.4161/pri.5.3.16893.
  37. Henderson D.M., Davenport K.A., Haley N.J., Denkers N.D., Mathiason C.K., Hoover E.A. Quantitative assessment of prion infectivity in tissues and body fluids by real-time quaking-induced conversion. J. Gen. Virol. 2015; 96(Pt. 1): 210–9. https://doi.org/10.1099/vir.0.069906-0.
  38. Dassanayake R.P., Orrú C.D., Hughson A.G., Caughey B., Graça T., Zhuang D., et al. Sensitive and specific detection of classical scrapie prions in the brains of goats by real-time quaking-induced conversion. J. Gen. Virol. 2016; 97(3): 803–12. https://doi.org/10.1099/jgv.0.000367.
  39. Orrú C.D., Groveman B.R., Raymond L.D., Hughson A.G., Nonno R., Zou W., et al. Bank vole prion protein as an apparently universal substrate for RT-QuIC-based detection and discrimination of prion strains. PLoS Pathog. 2015; 11(6): e1004983. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004983.
  40. Favole A., Mazza M., Vallino Costassa E., D’Angelo A., Lombardi G., Marconi P., et al. Early and pre-clinical detection of prion seeding activity in cerebrospinal fluid of goats using real-time quaking- induced conversion assay. Sci. Rep. 2019; 9(1): 6173. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42449-7.
  41. Davenport K.A., Hoover C.E., Denkers N.D., Mathiason C.K., Hoover E.A. Modified protein misfolding cyclic amplification overcomes real-time quaking-induced conversion assay inhibitors in deer saliva to detect Chronic Wasting Disease prions. J. Clin. Microbiol. 2018; 56(9): e00947-18. https://doi.org/10.1128/JCM.00947-18.
  42. Mammana A., Baiardi S., Rossi M., Franceschini A., Donadio V., Capellari S., et al. Detection of prions in skin punch biopsies of Creutzfeldt-Jakob disease patients. Ann. Clin. Translat. Neurol. 2020; 7(4): 559–64. https://doi.org/10.1002/acn3.51000.
  43. Bongianni M., Orrú C.D., Groveman B.R., Sacchetto L., Fiorini M., Tonoli G., et al. Diagnosis of human prion disease using real-time quaking-induced conversion testing of olfactory mucosa and cerebrospinal fluid samples. JAMA Neurol. 2017; 74(2): 155–62. https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2016.4614.
  44. McGuire L.I., Poleggi A., Poggiolini I., Suardi S., Grznarova K., Shi S., et al. Cerebrospinal fluid real-time quaking-induced conversion is a robust and reliable test for sporadic Creutzfeldt-Jakob disease: An international study. Ann. Neurol. 2016; 80(1): 160–5. https://doi.org/10.1002/ana.24679.
  45. Cramm M., Schmitz M., Karch A., Mitrova E., Kuhn F., Schroeder B., et al. Stability and reproducibility underscore utility of RT-QuIC for diagnosis of Creutzfeldt-Jakob disease. Mol. Neurobiol. 2016; 53(3): 1896–904. https://doi.org/10.1007/s12035-015-9133-2.
  46. Haley N.J., Donner R., Henderson D.M., Tennant J., Hoover E.A., Manca M., et al. Cross-validation of the RT-QuIC assay for the antemortem detection of chronic wasting disease in elk. Prion. 2020; 14(1): 47–55. https://doi.org/10.1080/19336896.2020.1716657.
  47. Hwang S., Tatum T., Lebepe-Mazur S., Nicholson E.M. Preparation of lyophilized recombinant prion protein for TSE diagnosis by RTQuIC. BMC Res. Notes. 2018; 11(1): 895. https://doi.org/10.1186/s13104-018-3982-5.
  48. Koutsoumanis K., Allende A., Alvarez-Ordoñez A., Bolton D., Bover-Cid S., Chemaly M., et al. Update on chronic wasting disease (CWD). EFSA J. 2019; 17(11): e05863. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2019.5863.
  49. Schaetzl H. One Health Workshop Series 2020: Chronic Wasting Disease. Zoonotic potential of CWD. Available at: https://ucalgary.zoom.us/rec/play/hja-r64RAavwd07Wv9-D4QAly-36SAILGC_QNqu6j2f6c2F4WhsgM-opx5x56pIDu41zgUwR4moiOAkPf.9-DQ27JE9yCVhyA-?startTime=1602079098000.
  50. Orrú C.D., Wilham J.M., Raymond L.D., Kuhn F., Schroeder B., Raeber A.J., et al. Prion disease blood test using immunoprecipitation and improved quaking-induced conversion. mBio. 2011; 2(3):e00078-11. https://doi.org/10.1128/mBio.00078-11.
  51. Denkers N.D., Henderson D.M., Mathiason C.K., Hoover E.A. Enhanced prion detection in biological samples by magnetic particle extraction and real-time quaking-induced conversion. J. Gen. Virol. 2016; 97(8): 2023–9. https://doi.org/10.1099/jgv.0.000515.
  52. Haley N.J., Richt J.A., Davenport K.A., Henderson D.M., Hoover E.A., Manca M., et al. Design, implementation, and interpretation of amplification studies for prion detection. Prion. 2018; 12(2): 73–82. https://doi.org/10.1080/19336896.2018.1443000.
  53. Metrick M.A., do Carmo Ferreira N., Saijo E., Hughson A.G., Kraus A., Orrú C.D., et al. Million-fold sensitivity enhancement in proteopathic seed amplification assays for biospecimens by Hofmeister ion comparisons. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019; 116(46): 23029–39. https://doi.org/10.1073/pnas.1909322116.
  54. Saa P., Cervenakova L. Protein misfolding cyclic amplification (PMCA): Current status and future directions. Virus Res. 2015; 207:47–61. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2014.11.007.
  55. Seed C.R., Hewitt P.E., Dodd R.Y., Houston F., Cervenakova L. Creutzfeldt-Jakob disease and blood transfusion safety. Vox Sang. 2018; 113(3): 220–31. https://doi.org/10.1111/vox.12631.
  56. Kim C., Xiao X., Chen S., Haldiman T., Smirnovas V., Kofskey D., et al. Artificial strain of human prions created in vitro. Nat. Commun. 2018; 9(1): 2166. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04584-z.
  57. Barria M.A., Libori A., Mitchell G., Head M.W. Susceptibility of human prion protein to conversion by Chronic Wasting Disease prions. Emerg. Infect. Dis. 2018; 24(8): 1482–9. https://doi.org/10.3201/eid2408.161888.
  58. Зуев В.А., Кальнов С.Л., Куликова Н.Ю., Гребенникова Т.В. Современное состояние проблемы прионных болезней и причины их опасности для человека и животных. Вопросы вирусологии. 2020; 65(2): 71–6. https://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-2-71-76.
  59. Saijo E., Groveman B.R., Kraus A., Metrick M., Orrú C.D., Hughson A.G., et al. Ultrasensitive RT-QuIC seed amplification assays for disease-associated Tau, α‑synuclein, and prion aggregates. Methods Mol. Biol. 2019; 1873: 19–37. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8820-4_2.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Kal’nov S.L., Verkhovsky O.A., Tsibezov V.V., Alekseev K.P., Chudakova D.A., Filatov I.E., Grebennikova T.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС77-77676 от 29.01.2020.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies