Når helvedesild vågner i hjernen

For de fleste slutter skoldkopper i barndommen. Blærerne forsvinder, feberen aftager, og livet går videre. Men virus forsvinder aldrig helt.

I stedet trækker varicella zoster-virus – virusset bag både skoldkopper og helvedesild – sig tilbage til sensoriske nerveganglier fordelt langs hele nervesystemet, fra rygsøjlen til kranienerver tæt ved hjernen. Her kan det gemme sig inde i neuroner resten af livet.

Omkring 90 procent af verdens befolkning bærer virusset resten af livet. Op mod hver tredje vil på et tidspunkt opleve, at virus genaktiveres som helvedesild. I sjældne tilfælde spreder virus sig videre til centralnervesystemet og kan give hjernebetændelse (encephalitis), hjernehindebetændelse (meningitis) eller betændelse i hjernens blodkar, hvilket kan resultere i blodprop i hjernen.

Netop det paradoks har længe fascineret forskerne. Hvordan kan næsten hele verdens befolkning bære virusset livslangt, mens kun ganske få udvikler alvorlig sygdom?

“Når næsten alle mennesker bærer virusset, men kun ganske få bliver alvorligt syge, fortæller det os, at der må findes meget præcise beskyttelsesmekanismer i vores immunsystem,” siger Trine H. Mogensen, professor i infektionsimmunologi ved Institut for Biomedicin, Aarhus Universitet, og overlæge ved Afdeling for Infektionssygdomme, Aarhus Universitetshospital.

Nu peger nye resultater på, at et molekyle inde i neuronerne kaldet RNA-polymerase III kan være en del af hjernens skjulte antivirale alarmsystem.

Sporene førte forskerne til et usædvanligt patientforløb med enæggede tvillingesøstre, der gentagne gange udviklede betændelse i hjernen efter reaktivering af varicella zoster-virus.

“Det var jo enæggede tvillinger, som begge fik reaktivering af skoldkoppevirus og betændelse i hjernen. Det pegede ret tydeligt på, at der måtte være noget genetisk, som spillede en rolle,” siger Trine H. Mogensen.

Når virus tager den forkerte vej

Varicella zoster-virus er mest kendt som årsagen til skoldkopper og helvedesild. I sjældne tilfælde kan virus dog også sprede sig til centralnervesystemet.

Normalt ligger virus i dvale i sensoriske nerver langs rygsøjlen. Hvis det reaktiveres, bevæger det sig typisk ud mod huden og giver helvedesild med smertefulde udslæt. Men i enkelte tilfælde bevæger virus sig den modsatte vej.

“Hvis virus vandrer centralt langs nerven i stedet for udad, kan det ende i rygmarvsvæsken eller hjernen,” siger Trine H. Mogensen. “Det er en alvorlig sygdom, som kan give hjerneskade, hukommelsesproblemer og kognitive følger, og der er også en vis dødelighed.”

Særligt de patienter, som udvikler disse komplikationer uden nogen oplagt forklaring, har fanget opmærksomheden.

Interessen er vokset i takt med, at forskere har opdaget, at enkelte genfejl kan øge risikoen for bestemte infektioner dramatisk uden nødvendigvis at påvirke resten af immunforsvaret.

En sjælden sygdom hos millioner af virusbærere

Hos de fleste mennesker bliver skoldkoppevirus aldrig mere end et barndomsminde eller et tilfælde af helvedesild senere i livet. Men når næsten hele befolkningen bærer virusset, kan selv meget sjældne komplikationer få betydning.

“Reaktivering ind i hjernen er måske omkring én ud af ti tusind,” siger Trine H. Mogensen. “Det lyder sjældent, men når stort set alle har virus latent i kroppen, bliver det samlet set til mange patienter.”

Behandlingsmulighederne er desuden begrænsede, og gode forsøgsmodeller mangler stadig, fordi skoldkoppevirus kun inficerer mennesker.

Manglen på gode forsøgsmodeller betyder, at patienterne selv er blevet en vigtig kilde til ny viden om sygdommen.

“Patienterne lærer os noget om biologien, som vi ellers aldrig ville have opdaget,” siger Trine H. Mogensen. “Når vi finder en genetisk fejl hos en patient, får vi samtidig et vindue ind til de immunologiske mekanismer, som normalt beskytter os alle sammen.”

Det var netop den strategi, der førte til det nye studie.

Genetiske analyser af de enæggede tvillingesøstre viste, at begge bar en mutation i POLR3F, som er en del af RNA-polymerase III.

“RNA-polymerase III blev oprindeligt beskrevet som noget grundlæggende cellebiologi, men vi begynder i stigende grad at forstå, at det også fungerer som et antiviralt system, der kan registrere fremmed virus-DNA i cellen,” siger Trine H. Mogensen.

Hvordan undersøger man et virus, der kun lever i mennesker?

For at undersøge hvordan neuroner holder latent varicella zoster-virus nede, måtte forskerne forsøge at genskabe et af virologiens mest vanskelige fænomener i laboratoriet: viral latens og spontan reaktivering i menneskelige nerveceller.

Varicella zoster-virus etablerer livslang latent infektion i neuroner.

“Skoldkoppevirus inficerer faktisk kun humane celler,” siger Trine H. Mogensen. “Derfor kan vi ikke studere sygdommen i klassiske forsøgsdyr på samme måde som influenza eller coronavirus, og det er en af grundene til, at vi ved mindre om virusset ogsygdom.”

I stedet brugte forskerne en human neuroblastomcellelinje kaldet SH-SY5Y, som kan differentieres til modne neuron-lignende celler.

Ved hjælp af CRISPR/Cas9-genredigering skabte holdet celler med defekter i POLR3F – den del af RNA-polymerase III, som var muteret hos tvillingepatienterne.

Patienternes mutation blev genskabt i neuroner

For at undersøge om mutationen kunne forklare sygdommen, konstruerede forskerne menneskelige neuron-lignende celler med tilsvarende genetiske defekter og inficerede dem med varicella zoster-virus.

I stedet for helt at fjerne genet lavede forskerne heterozygote knockout-celler, som i højere grad lignede patienternes genetiske situation.

“Det var vigtigt, fordi patienterne jo ikke manglede proteinet fuldstændigt,” siger Trine H. Mogensen. “De havde mutationer, som kun delvist svækkede systemet.”

Først undersøgte forskerne almindelig akut infektion. De inficerede både normale og genetisk ændrede neuron-lignende celler med forskellige varicella zoster-virusstammer og målte virusaktivitet over tid ved hjælp af RT-qPCR.

Men den mest teknisk krævende del handlede om at modellere viral latens og reaktivering.

Sådan fik forskerne latent virus til at vågne igen

Forskergruppen havde allerede udviklet en model for latent skoldkoppevirus i sensoriske nerveceller, hvor de kunne efterligne den situation, som normalt udspiller sig over årtier i menneskets nervesystem.

For at gøre det inficerede forskerne de differentierede neuron-lignende celler samtidig med behandling med aciclovir, som hæmmer virusreplikation. Under disse forhold gik virus ind i en dvaletilstand med meget lav virusaktivitet.

Efter nogle dage fjernede forskerne den antivirale behandling.

Derefter overvågede de cellerne for tegn på, at virus begyndte at vågne igen. Til dette brugte de genetisk modificerede virus med fluorescerende markører, som fik inficerede celler til at lyse rødt og grønt, når bestemte virusgener blev aktive.

Hvert fluorescerende signal repræsenterede neuroner, hvor latent virus igen var begyndt aktiv replikation.

Særligt overgangsfasen mellem latens og reaktivering vakte interesse – det øjeblik hvor immunforsvaret enten lykkes eller fejler med at holde virus nede.

“Det kan meget vel være netop i den overgangsfase, at nervesystemets antivirale forsvar er vigtigst,” siger Trine H. Mogensen.

Fire gange flere virusopvågninger

Da forskerne sammenlignede normale neuroner med celler, der bar POLR3F-defekter, tegnede der sig et tydeligt mønster: Virusset blev vanskeligere at holde under kontrol.

Selv under almindelig akut infektion viste de genetisk ændrede neuron-lignende celler højere virusaktivitet. Men den største forskel viste sig først, da forskerne undersøgte reaktivering.

Efter at have etableret en latent-lignende infektion og fjernet den antivirale behandling overvågede forskerne cellerne for tegn på, at virus begyndte at vågne igen.

I normale neuroner skete reaktivering af og til.

I celler med POLR3F-defekter skete det langt oftere og til højere niveauer.

Samlet viste de muterede neuron-lignende celler omkring fire gange flere spontane reaktiveringsbegivenheder, hvilket tyder på, at selv en delvis svækkelse af systemet kan gøre det vanskeligere at holde virus latent.

Et skjult alarmsystem inde i neuronerne

Fundene tyder på, at RNA-polymerase III fungerer som en slags intracellulær vagtpost, der hjælper neuroner med at opdage virusaktivitet og holde virus undertrykt, før det bryder ud i aktiv infektion.

“Det var faktisk mere markant, end vi havde forventet,” siger Trine H. Mogensen. “Det tyder på, at RNA-polymerase III ikke bare spiller en rolle under den første infektion (skoldkopper), men måske især er vigtig for at holde virus undertrykt gennem hele den latente fase.”

De enæggede tvillinger havde ikke tilbagevendende alvorlige virale infektioner generelt og heller ikke tegn på en klassisk immundefekt. Problemet opstod specifikt, når varicella zoster-virus blev reaktiveret i nervesystemet.

“Det var netop det, der gjorde patienterne så interessante,” siger Trine H. Mogensen. “De havde ikke et bredt svækket immunforsvar. De så ud til at have en meget specifik modtagelighed over for denne ene infektion.”

Dataene peger derfor på, at RNA-polymerase III fungerer som en del af et lokalt antiviralt overvågningssystem inde i neuronerne – et forsvar, som kan være med til at holde virus under kontrol gennem hele livet.

“Vi har traditionelt tænkt på neuroner som mål for infektion,” siger Trine H. Mogensen. “Men de ser også ud til at være en del af forsvaret mod infektion og alvorlig sygdom.”

Måske sover virus slet ikke

Studiet udfordrer samtidig den traditionelle opfattelse af latent virus.

“Vi har længe tænkt på latens som en slags dvale,” siger Trine H. Mogensen. “Men vores resultater passer bedre med en model, hvor virus hele tiden forsøger at bryde ud, mens neuronet hele tiden forsøger at holde det nede.”

“Det er nok mere en konstant tovtrækning mellem virus og værten,” siger Trine H. Mogensen. “Langt det meste af tiden vinder værten, og derfor mærker vi aldrig noget til det.”

Forskerne understreger dog, at neuronmodellen stadig kun er en model.

“Vi skal være forsigtige med ikke at overfortolke resultaterne,” siger Trine H. Mogensen. “Men når vi ser den samme mekanisme både hos patienterne og i cellemodellen, giver det os en stærk indikation af, at vi har fat i noget biologisk vigtigt.”

Nu begynder de svære spørgsmål

Det er endnu uklart præcist, hvordan RNA-polymerase III holder virus nede, eller hvorfor effekten ser ud til at være særlig vigtig netop i overgangen mellem latens og reaktivering.

“Det næste store spørgsmål er nu at forstå selve mekanismen,” siger Trine H. Mogensen. “Vi ved, at systemet betyder noget, og at det blandt andet involverer signalstoffet type I-interferon, som spiller en central rolle i kroppens antivirale forsvar. Nu skal vi finde ud af præcis, hvordan neuronerne bruger det til at holde virus tavst.”

Interessant nok var effekten stærkere med en klinisk virusstamme end med den laboratorietilpassede virusstamme, som forskerne brugte parallelt i eksperimenterne. Forskerne ved endnu ikke hvorfor, men fundet antyder, at naturligt cirkulerende virus muligvis interagerer anderledes med neuroners immunforsvar end laboratorievarianter.

Mere overordnet tyder fundene på, at livslang viral latens måske ikke kun afhænger af immunceller, der patruljerer nervesystemet, men også af antivirale forsvarsmekanismer indbygget direkte i neuronerne selv.

Kan den nye viden bruges til at forebygge sygdom?

På længere sigt kan den nye viden måske få betydning for behandling.

I dag angriber de antivirale lægemidler primært virusset direkte efter reaktivering. Men hvis forskerne lærer at forstå de mekanismer, der naturligt holder latent virus nede, kan det måske blive muligt at styrke kroppens egne forsvarssystemer, før sygdommen opstår.

“Vi har faktisk kun ét lægemiddel mod skoldkoppevirus, aciclovir,” siger Trine H. Mogensen. “Det virker bedst meget tidligt i sygdomsforløbet, så der er et stort behov for at forstå mekanismerne bedre.”

Den viden kan også få betydning for familier med arvelige dispositioner.

“De familier, hvor vi finder de her genfejl, kan vi faktisk tilbyde genetisk rådgivning, vaccination eller forebyggende behandling,” siger Trine H. Mogensen. “Nogle af de gener, vi har identificeret gennem denne forskning, er allerede blevet inkluderet på internationale anbefalingslister over gener, man bør undersøge hos patienter med alvorlige herpesvirusinfektioner i centralnervesystemet.”

Her bliver grundforskningen pludselig meget konkret.

“Det er meget tilfredsstillende, når vi faktisk har noget at bringe tilbage til patienterne,” siger hun. “Nogle familier bliver faktisk lettede, når vi kan fortælle dem, at andre familiemedlemmer ikke har arvet den samme genetiske disposition.”

Perspektiver langt ud over helvedesild

Perspektiverne rækker sandsynligvis også ud over skoldkoppevirus.

Mange herpesvirus kan gemme sig i kroppen resten af livet, og forskerne begynder i stigende grad at se latens som en aktiv proces snarere end en passiv dvale.

“Jeg tror, at vi tidligere har undervurderet, hvor meget der foregår under overfladen,” siger Trine H. Mogensen. “Der kan foregå en løbende kamp mellem virus og værten, som vi først nu begynder at forstå.”

Hvis den fortolkning er korrekt, kan indsigterne fra studiet blive relevante for forståelsen af, hvordan mennesker lever med kroniske virusinfektioner gennem hele livet. De kan måske også bidrage til forskningen i Alzheimers sygdom og andre former for demens. Flere studier har vist, at personer vaccineret mod varicella zoster-virus ser ud til at have lavere risiko for at udvikle demens.

Hvorfor næsten alle holder virus i skak

Forskerne understreger dog, at genetiske forklaringer kun er en del af billedet.

“Det er ikke sådan sort-hvidt,” siger Trine H. Mogensen. “Genetikken er én faktor, men der er også virusstammer, hormoner, fysiologi og miljøpåvirkninger, som påvirker risikoen.”

Næste skridt er derfor ikke blot at forstå RNA-polymerase III bedre, men at kortlægge de mange andre forsvarssystemer, som sandsynligvis arbejder skjult inde i neuronerne.

“Vi ser sandsynligvis kun en lille del af billedet,” siger Trine H. Mogensen. “Der findes formentlig mange flere mekanismer, som hjælper med at holde virus under kontrol gennem et helt liv, og som kan bidrage til sygdom, hvis de svækkes af genetiske defekter.”

De fleste mennesker bærer potentielt farlige herpesvirus i kroppen i årtier uden nogensinde at mærke noget til dem.

“Det fascinerende er jo, at næsten alle mennesker lever med de her virus hele livet,” siger Trine H. Mogensen. “Og alligevel bliver langt de fleste aldrig alvorligt syge. Det fortæller os, at kroppens immunsystem er utrolig godt til at opretholde balancen.”

Studiet peger dermed på, at den fredelige sameksistens mellem mennesker og herpesvirus måske ikke skyldes, at virus sover, men at nervecellerne aktivt holder det i skak gennem hele livet.