Вирус простого герпеса 1-го типа (ВПГ-1), принадлежащий к семейству Herpesviridae, является широко распространенным нейротропным вирусом, поражающим значительную часть населения мира, как симптоматически, так и бессимптомно.
После заражения вирус передается преимущественно через прямой контакт со слизистыми оболочками или кожей, где он первоначально инфицирует эпителиальные клетки. После первичной репликации ВПГ-1 проникает в сенсорные нейроны посредством ретроградного аксонального транспорта к телам нейронных клеток в ганглиях, таких как тройничный или дорсальный корешковый ганглий, где он устанавливает пожизненную латентность в нейронном ядре, характеризующуюся подавленной репликацией и экспрессией ограниченного набора транскриптов, связанных с латентностью. Эти транскрипты способствуют персистенции вируса, ингибируя апоптоз, подавляя экспрессию литических генов посредством ремоделирования хроматина и модификаций гистонов, и модулируя иммунитет хозяина, также влияя на нейронный гомеостаз.
Это уникальное латентное состояние позволяет ВПГ-1 сохраняться в иммунопривилегированной среде и реактивироваться в ответ на стресс, ультрафиолетовое излучение, лихорадку или иммуносупрессию, что приводит к антероградному транспорту вируса в периферические ткани и рецидиву клинических симптомов. Хотя реактивация часто протекает субклинически, повторные эпизоды или плохо контролируемая репликация вируса все чаще связываются с нейродегенеративными процессами, такими как болезнь Альцгеймера (БА), деменция и рассеянный склероз. Предполагается, что при реактивации ВПГ-1 усугубляет воспаление и способствует накоплению белков, связанных с БА. Несколько исследований также описывают участие ВПГ-1 в развитии рассеянного склероза, увеличивая накопление миелиновых обломков и активных форм кислорода при одновременном снижении подвижности митохондрий в демиелинизированных аксонах.
Инфекция ВПГ-1 связана с широким спектром метаболических нарушений, влияющих на основные клеточные функции. В частности, было показано, что вирус изменяет активность митохондрий, нарушает окислительно-восстановительный баланс, сдвигает гликолитический поток и модулирует ключевые сигнальные и метаболические пути. Эти исследования основывались на двухмерных (2D) культурах, которым не хватало структурной и функциональной сложности ткани головного мозга. В результате, как ВПГ-1 влияет на метаболизм нейронов в физиологически значимом контексте, особенно во времени, остается неясным. Этот пробел подчеркивает необходимость динамических, высокоточных подходов для мониторинга вызванных вирусом метаболических изменений в живых нейронах в моделях, которые лучше имитируют функцию головного мозга, таких как трехмерные (3D) ткани головного мозга человека. Фиксация этой временной динамики имеет ключевое значение для различения ранних, потенциально обратимых изменений от долгосрочного ремоделирования, связанного с персистирующей дисфункцией. Это особенно важно для нервной системы, где хронический метаболический дисбаланс может способствовать прогрессирующему повреждению нейронов и нейродегенерации.
Исследование, опубликованное в журнале Neurophotonics, проливает свет на этот вопрос, показывая, как ВПГ-1 изменяет способ производства и использования энергии человеческими нейронами. Используя лабораторную модель ткани человеческого мозга, исследователи обнаружили, что ВПГ-1 быстро перестраивает клеточный метаболизм. Инфицированные нейроны первоначально увеличивают выработку энергии, но со временем эта повышенная активность сопровождается признаками стресса и нарушением функции митохондрий. По словам соавтора исследования Марии Саввиду, «наши результаты дают новое понимание того, как стойкая вирусная инфекция может изменять метаболизм нейронов и потенциально способствовать процессам, связанным с неврологическими заболеваниями».
Исследователи выращивали человеческие нейроны в трехмерных каркасах, имитирующих некоторые структуры мозговой ткани. Это позволило им изучать инфекцию в условиях, которые больше напоминают человеческий мозг, чем традиционные клеточные культуры, выращиваемые на плоских поверхностях. Ткани подвергались воздействию низких концентраций ВПГ-1 и наблюдались в течение 10 дней. Для отслеживания процессов внутри клеток ученые использовали передовые методы оптической визуализации, основанные на естественном свете, излучаемом молекулами, участвующими в производстве энергии. Это позволило проводить многократные измерения одной и той же живой ткани с течением времени, что позволило исследователям зафиксировать динамический метаболический ответ на инфекцию, а не полагаться на единичные измерения. Вирус распространялся по ткани с течением времени, но инфицированные нейроны оставались в основном живыми и неповрежденными на протяжении всего эксперимента. Это важное открытие, поскольку оно показало, что существенные метаболические изменения могут происходить даже до того, как станет очевидным обширное повреждение клеток.
Одно из наиболее поразительных изменений касалось лактата, молекулы, образующейся при расщеплении клетками глюкозы для получения энергии. Лактат часто рассматривается как метаболический побочный продукт, но исследование предполагает, что он может играть более активную роль. Вскоре после заражения нейроны выделяли повышенное количество лактата. Позже нейроны повторно использовали часть этого лактата в качестве альтернативного источника энергии, помогая удовлетворить возросшие в связи с инфекцией энергетические потребности. Данные визуализации показали, что инфицированные нейроны перешли в необычайно активное метаболическое состояние в течение суток после заражения. Они увеличили активность в обоих основных энергетических путях клетки, что указывает на то, что вирус предъявляет существенные требования к ресурсам клетки.
По мере продолжения инфекции признаки клеточного стресса становились все более очевидными. К 7-му и 10-му дням нейроны показали признаки окислительного стресса — состояния, при котором вредные реактивные молекулы могут накапливаться и повреждать клеточные компоненты. Исследователи также обнаружили повышение уровня липофусцина, аутофлуоресцентного пигмента, который имеет тенденцию накапливаться в стареющих или подверженных стрессу клетках. Митохондрии клеток, часто описываемые как «энергетические станции» клетки, также демонстрировали признаки изменения функции. Хотя нейроны продолжали вырабатывать энергию, данные указывали на то, что этот процесс со временем становился менее сбалансированным и потенциально менее эффективным. Когда исследователи объединили несколько измерений клеточного метаболизма, они обнаружили, что инфицированные и неинфицированные ткани становились все более разными по мере развития эксперимента. Наибольшие различия появились через 10 дней после заражения, что указывает на то, что ВПГ-1 вызывает постепенное, но существенное изменение метаболизма нейронов.
Исследование предполагает, что лактат может помочь нейронам адаптироваться к потребностям вирусной инфекции, выступая в качестве альтернативного источника энергии, однако эта адаптация может иметь свою цену. Длительная зависимость от этого измененного метаболического состояния была связана с растущим окислительным стрессом и другими признаками клеточной дисфункции. По словам исследователей, эта работа демонстрирует ценность неинвазивной визуализации для изучения того, как вирусы влияют на живую ткань головного мозга. Выявляя метаболические изменения, которые появляются до того, как произойдет серьезное повреждение клеток, этот подход может помочь ученым выявлять ранние признаки неврологических заболеваний и лучше понимать связь между хроническими вирусными инфекциями и здоровьем мозга.
