本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
这位55岁的荷兰女性的大脑似乎不太正常。她的记忆力和注意力开始下降。她开始遭受头痛,并听到和看到不存在的事物。她说话困难,然后变得沉默寡言。她出现了帕金森病的迹象。
在症状出现后的27个月内,她去世了。但帕金森病并不是导致她死亡的原因。
科学家们对导致她死亡的原因感到好奇。他们没有冷冻她的大脑,而是将其浸泡在化学防腐剂甲醛中——甲醛可以使蛋白质中的氨基酸交联,“固定”它们——浸泡了整整三天。他们将其切成薄片,并将切片放入石蜡中。在显微镜下检查组织并形成意见后,他们将载玻片归档,并在室温下放置了几年。
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第二组科学家获得了载玻片,并提取了一些保存完好的干燥组织。他们将其稀释,并将溶液注射到小鼠体内。令他们惊讶的是,尽管经历了残酷的处理过程,足以杀死几乎所有的病原体,但8只注射的小鼠中有4只出现了该女性的疾病迹象。
这个最新的例子——就在今年二月发表——这种令人难以置信的生物化学耐久性几周前引起了我的注意。它强调了朊病毒的强大力量。
传染性蛋白质
朊病毒是一种引起疾病的错误折叠的蛋白质。根据其错误折叠的方式,朊病毒也可能具有传染性,而且它们通常是这样。
奇怪的是,所有已知的朊病毒疾病,除了一种之外,都是由单一哺乳动物蛋白质的变化引起的,这种蛋白质的名字有些令人困惑,名为“朊病毒蛋白”。这种蛋白质,在其健康、正确折叠的状态下,即使不是微不足道的,也相对不重要。它的完全缺失肯定不是灾难性的。
然而,在大自然中一个非常不幸的意外中,这种蛋白质在破裂时会引发大量的麻烦。当以34种已知方式之一发生突变或错误折叠时,它会变成真正的朊病毒。当朊病毒碰到正常的朊病毒蛋白时,朊病毒蛋白的形状会变态成疾病形式。就像僵尸一样,现在它也可以产生更多的朊病毒。
至少,这是生物学家斯坦利·普鲁西纳提出的朊病毒假说,他因这一想法在1997年获得了诺贝尔医学奖。随后的连锁反应驱动了正常朊病毒蛋白不断转化为朊病毒。在许多朊病毒疾病中,朊病毒的形状也驱动它们聚合成称为淀粉样蛋白的纤维(在19世纪被错误和令人困惑地命名为淀粉,因为早期的测试很难区分它们,但实际上与淀粉没有任何关系)。
淀粉样蛋白纤维在细胞外积累,它们可能会在脑组织中打孔,导致出现像瑞士奶酪一样的状况(无论有没有它们的帮助,这种情况肯定会发生)。或者它们可能以某种其他方式产生毒性,从而导致在朊病毒疾病中观察到的神经退化和脑萎缩。在变异型克雅氏病(在本帖顶部看到)的案例中,淀粉样蛋白斑块的原纤维从中心点辐射出来,使它们看起来像毛绒球。
由于未知的原因,朊病毒蛋白在哺乳动物之间具有非常相似的结构,这为它提供了跨物种捣乱的通行证。著名的朊病毒疾病包括疯牛病(又名牛海绵状脑病,当给牛喂食掺有死于朊病毒疾病羊瘙痒症的羊的饲料时感染;请注意,牛是素食主义者);库鲁病(臭名昭著地被那些在巴布亚新几内亚仪式性地食用死去的亲属大脑的人感染),以及变异型克雅氏病(由食用感染疯牛病的牛肉的人获得)。
朊病毒疾病普遍令人恐惧,因为它们都是致命的。一旦症状出现,它们会导致相对迅速的全身系统关闭,除了荷兰女性经历的症状外,还可能包括不受控制的流口水、不协调的运动和抽搐。这不是一个好的结局,而且你一定会走向死亡。
不锈钢载体
不幸的是,对于避免这种可怕的、即使不太可能发生的命运,你几乎无法控制。
朊病毒疾病最常见的是通过从父母那里遗传有缺陷的朊病毒蛋白基因、食用被朊病毒污染的食物或接受被朊病毒污染的供体组织或器官而感染的。
但是还有最后一种令人不安的传播可能性,它源于朊病毒令人难以置信的耐力。
这些力量是相当大的。根据一个说法,朊病毒可以抵抗蛋白切割酶的消化,在干燥或化学固定后可能会保持感染数年,可以在200°C的高温下存活1-2小时,并在几分钟内粘附在不锈钢上。哦,它们也抵抗电离辐射。
为什么朊病毒如此难以杀死(如果杀死对于一种邪恶的蛋白质模因来说甚至是一个正确的词)?
没有人确切知道。一位专家假设,因为我们的消毒方法一直针对DNA和RNA——所有真正的生物都拥有的分子——它们在设计上对蛋白质的效果不如对生物有效。
朊病毒本身的结构也可能赋予它们超自然的生存能力。只有3%的朊病毒蛋白由β折叠组成,这是一种常见的折叠。但是43%的朊病毒是以这种方式折叠的。据推测,如此大的比例使蛋白质高度耐受降解。将朊病毒聚集到链状淀粉样蛋白纤维中也可能保护它们免受攻击。
无论原因是什么,简而言之,朊病毒是很好的幸存者。这可能就是为什么神经外科设备即使经过标准消毒后仍可能具有传染性的原因。
至少有2例朊病毒疾病患者是通过植入的深度电极感染的,这些电极之前曾在克雅氏病患者身上使用过,但用苯“不充分”清洗过,并用70%的酒精和甲醛消毒过,并在植入前闲置了2年。至少有其他九例自发性克雅氏病似乎很可能是在不充分消毒的医疗设备中感染的。
从医疗设备中去除朊病毒实际上需要什么,最好被描述为充其量是破坏性的,最坏的情况是严厉的,并且通常涉及大量的氢氧化钠或漂白剂(这对不锈钢非常不利)、热量和压力,但即使这些措施也不能100%确定完成任务。世界卫生组织建议完全处理掉任何可疑的受污染设备。
自大多数疑似手术传播病例发生以来,标准消毒程序已经有所改进。应该大力强调的是,强烈怀疑或确诊的手术朊病毒传播病例数量很少。
但是,由于朊病毒疾病的潜伏期可能长达数十年,因此患有朊病毒疾病的患者在接受手术时并不总是知道自己生病了,而且医院仍然没有常规使用针对朊病毒推荐的极端消毒方案,风险依然存在。多年来,许多人因此暴露,这是一个令人担忧的事件,《大众科学》编辑菲尔·山姆几年前就曾撰文报道过。
朊病毒比我们意识到的更常见吗?
朊病毒持久的传染力本身就令人不安,但一些科学家开始怀疑更可怕的事情。
朊病毒的聚集形成淀粉样蛋白。但是,淀粉样蛋白也由称为β-淀粉样蛋白、tau蛋白和α-突触核蛋白的蛋白质形成。您可能认识这些名称。这些蛋白质在淀粉样蛋白中——作为斑块、缠结和路易体——的积累是阿尔茨海默病和帕金森病的标志性症状,也可能是其病因。这些淀粉样蛋白,像朊病毒一样,“像胶水一样”粘附在手术器械上,并且在标准消毒程序中存活下来。它们也令人不安地难以“杀死”。
唯一使这些淀粉样蛋白不被认为是朊病毒的是传染性。但是最近,至少有一组科学家发现了间接的、有争议的——而且令人作呕的——证据,表明来自患有这些疾病的患者的淀粉样蛋白可能具有传染性。如果阿尔茨海默病可以通过手术设备传播怎么办?朊病毒疾病很少见。阿尔茨海默病和帕金森病并非如此。
鉴于其可怕的含义,并且尽管花费了大量资金和精力,我认为现在是外科医生开始非常认真地对待这种可能性的时候了。如果说朊病毒教会了我什么,那就是你永远不应该低估地球上最厉害的蛋白质聚合物的能力。
参考文献
Race, Brent, Katie Williams, Andrew G. Hughson, Casper Jansen, Piero Parchi, Annemieke JM Rozemuller, and Bruce Chesebro. "与朊病毒蛋白突变 Y226X 和 G131V 相关的家族性人类朊病毒疾病可传播给表达人类朊病毒蛋白的转基因小鼠。"Acta neuropathologicacommunications 6, no. 1 (2018): 13.