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Arbeitsgruppe Prionen und Prionoide

Unkonventionelle Erreger und deren Inaktivierung

Leitung:
Michael Beekes
Vertretung:
Achim Thomzig

Aufgaben

Forschungsschwerpunkte und -Projekte

Unsere Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben den Verlauf der Infektionsausbreitung im Körper nach Aufnahme von Prionen über die Nahrung untersucht. Daneben haben wir uns mit der Diagnostik transmissibler spongiformer Enzephalopathien, der molekularen Charakterisierung ihrer unterschiedlichen Erregerstämme, sowie der Entwicklung neuer Verfahren zur Prioninaktivierung befaßt (Abb.1).
Im Mittelpunkt unserer aktuellen Arbeiten stehen die folgende Themen und Projekte:

  • Etablierung und Validierung neuer Verfahren zur Breitspektrumsdesinfektion von Bakterien, Viren, Pilzen und Prionen bei der Aufbereitung chirurgischer Instrumente und anderer Medizinprodukte.
  • Molekulare Grundlagen und Inhibition der Keimaktivität von pathologischem Prionprotein und anderen mit Proteinopathien assoziierten Eiweißen.
  • Monitoring und Prävention prion-assoziierter und möglicher anderer proteinopathischer Infektionsrisiken.
  • Entwicklung von Alternativmethoden zum Tierversuch für den sensitiven und quantitativen Nachweis von PrP-assoziierter Keimaktivität und Prion-Infektiosität.
  • Infektionserreger mit immunologischer Tarnkappe: Molekulare Mechanismen der zellulären Abwehr, chronischen Erregerpersistenz und Pathogenität bei Prionen und Brucellen.

Die Abbildungen a-f zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von Prüfkörpern (Drähten) aus medizinischem Stahl, die unbehandelt waren (a), oder mit Prion-haltigem Scrapie-Hirnhomogenat kontaminiert (b) und anschließende aufbereitet wurden (c-f). Zur Dekontamination wurden die Prüfkörper mit 1 M NaOH (c), einer Mischung aus 0.2% SDS und 0.3% NaOH (d), einer Mischung aus Peressigsäure und NaOH (e) oder 0.25% Peressigsäure (f) behandelt. Die Abbildung stammt von Lemmer et al. (2008, J Gen Virol, 89: 348-358). Die Mischung aus 0.2% SDS und 0.3% NaOH erzielte neben der sehr guten Reinigungsleistung in weiteren Prüfungen eine vollständige Inaktivierung von Prioninfektiosität, und zeigte nach Zusatz von n-Propanol auch hochwirksame Breitspektrumsaktivität gegen Bakterien, Pilze und Viren (Beekes et al., 2010, J Gen Virol, 91, 580-589).

Prionen – Unkonventionelle Erreger degenerativer Hirnerkrankungen

Prionen, die Erreger transmissibler spongiformer Enzephalopathien (TSE) wie der Scrapie, bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) oder Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) und ihrer varianten Form (vCJK) nehmen eine Sonderstellung unter den Krankheitserregern ein. Ihr infektiöses Prinzip unterscheidet sich grundlegend von Bakterien, Viren oder Pilzen. Sie bestehen hauptsächlich, wenn nicht ausschließlich aus einer fehlgefalteten und pathologisch aggregierten Isoform des wirtseigenen Prion-Proteins (PrP), die als PrPSc oder PrPTSE bezeichnet wird.

Prionen vermehren sich mutmaßlich über eine "keim"abhängige Polymerisation des Prion-Proteins (Abb. 2). Dabei verhalten sich PrPTSE-Oligomere oder -Polymere quasi als Kristallisations- oder Aggregationskeime (engl.: "seeds"), die zelluläres Prion-Protein (PrPC) rekrutieren und in fehlgefalteter Form in ihre Aggregatstruktur einbauen. Auf diese Art und Weise polymerisiert fehlgefaltetes PrP schließlich zu elektronenmikroskopisch darstellbaren faserartigen ("fibrillären") Proteinablagerungen, den sogenannten Scrapie-assozierten Fibrillen oder Prionstäbchen (Abb. 3). Wenn PrPTSE-Aggregate durch Fragmentierung in kleinere Einheiten zerfallen, führt dies zu einer Vermehrung der proteinösen "Keimaktivität" (engl.: "seeding activity") und weiteren autokatalytischen Replikation der pathologischen PrP-Konformation. (Anmerkung: In dieser Übersicht wird der Begriff "Keim“ durchgängig zur Bezeichnung  proteinöser Kristallisations- oder Aggregationskeime und ihrer "Seeding“-Aktivität verwendet, nicht im Sinne eines konventionellen mikrobiologischen Krankheitskeims).

Das Prionprotein (PrP) kann verschiedene Raumstrukturen einnehmen. Normales Prionprotein (PrPC) hat einen relativ großen Anteile an α-Helix-Struktur, steht aber in einem Konversionsgleichgewicht mit PrP-Konformationen, die stark erhöhte Anteile von β-Faltblättern aufweisen. β-Faltblattreiche PrP-Monomere können sich potentiell zu größeren intermolekularen β-Faltblattstrukturen zusammenlagern (primäre Nukleation). Entstehen solche PrP-Aggregate spontan (wie z. B. mutmaßlich bei sporadischen Formen menschlicher TSE) oder erblich bedingt (etwa infolge von Mutationen im humanen Prionprotein-Gen), bzw. werden sie von außen in den Körper eingebracht (Infektion) wirken sie wie Kristallisations- oder Aggragationskeime für die weitere, numehr relativ schnell ablaufende Anlagerung von β-faltblattreichen PrP-Monomeren (Elongation). Bei Erreichen einer kritischen Größe fragmentieren die "gewachsenen" faserartigen PrP-Aggregate und bilden neue Tochterkeime (sekundäre Nukleation). Die Strukturen von PrPC und fehlgefaltetem PrP wurden reproduziert aus Watts et al., PLoS Pathog 2:e26.

Faserartige Morphologie Proteinopathie-assoziierter Eiweißaggregate. Quelle: RKI(Abb. 3) Faserartige Morphologie Proteinopathie-assoziierter Eiweißaggregate Quelle: RKI

Die Abbildungen A-D zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von faserartig aggregiertem PrP (A), a-Synuclein (B), Aβ (C) und tau (D). Fibrilläre Ablagerungen dieser Proteine finden sich typischerweise im Gehirn von Patienten mit einer Alzheimer- (Aβ, tau), Parkinson- (a-Synuclein) oder Prionerkrankung (PrP). Die Abbildungen stammen von Özel & Diringer (Robert Koch-Institut; A), Wang et al. (1995, J Biol Chem, 270: 4854-4860; B) und Anderson & Webb (2011, BMC Biotechnol, 11:125; C, D).

Im Zusammenhang mit der Prionreplikation auftretende abnormale PrP-Isoformen entfalten über noch weitgehend unbekannte Mechanismen toxische Effekte vor allem auf Nervenzellen im Gehirn, was letztendlich zu deren Schädigung oder Untergang und zur Ausprägung klinischer TSE-Symptome führt. Prionkrankheiten können bisher nicht kausal behandelt werden und verlaufen stets tödlich.  

Durch keimaktive PrPTSE-Aggregate kann sich die PrP-Fehlfaltung und -Polymerisation auf unterschiedlichen Ebenen in betroffenen Organismen fortpflanzen: 1.von Molekül zu Molekül, 2.zwischen Zellen und 3. in Geweben. Aufgrund ihrer Fähigkeit, 4. eine krankheitsverursachende Proteinfehlfaltung und -Aggregation auch zwischen Tieren, vom Tier auf den Menschen, sowie zwischen Menschen zu übertragen, sind Prionen genuine Infektionserreger.

Prionartige Phänomene bei der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit sowie anderen Proteinopathien

In den vergangenen Jahren sind in einer wachsenden Zahl von Publikationen Prion-ähnliche Phänomene auch im Zusammenhang mit anderen Proteinopathien (Proteinfaltungs- und -Aggregationskrankheiten) wie z. B. der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit berichtet worden.

Neuropathologisch sind für die Alzheimer-Krankheit zwei Merkmale im Gehirn betroffener Patienten kennzeichnend, extrazelluläre senile Plaques und intrazelluläre neurofibrilläre Bündel. Während senile Plaques β-Amyloid-Protein (Aβ) aus aggregierten Teilstücken des zellulären Amyloid-Vorläuferproteins (engl. "Amyloid Precursor Protein", APP) enthalten, bestehen neurofibrilläre Bündel zu einem wesentlichen Teil aus fehlgefaltetem, zusammengelagerten tau-Protein. Auch Patienten mit der Parkinson-Krankheit zeigen im Gehirn auffällige Proteinablagerungen. Dazu zählen zytoplasmatische Einschlüsse in Nervenzellen, die sogenannten "Lewy-Körperchen", aus fehlgefaltetem, aggregierten a-Synuclein und anderen Protein-Komponenten. Bei elektronenmikroskopischer Betrachtung zeigen die in senilen Plaques, neurofibrilären Bündeln und Lewy-Körperchen abgelagerten Eiweiße ebenfalls einen faserartigen Aufbau (Abb.3 zeigt neben PrP- gereinigte a-Synuclein-, Aβ- und tau-Fibrillen).   

Zahlreiche experimentelle Daten sprechen inzwischen dafür, dass auch der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit sowie weiteren Proteinopathien als gemeinsames mechanistisches Prinzip eine  keimabhängige Polymerisation wirtseigener Proteine (wie tau oder α-Synuclein) oder Proteinfragmente (wie Aβ) zugrunde liegt. Demnach wären keimaktive Eiweißpartikel auf molekularer und (inter)zellulärer Ebene für die Entstehung von Alzheimer-, Parkinson- und anderen proteinopathischen Erkrankungen essentiell (mit)verantwortlich, und in dieser Hinsicht als proteinöse Krankheitserreger aufzufassen.   

In der Fachliteratur und Presse wird im Licht der aktuellen Befundlage zunehmend diskutiert, bis zu welchem Grade Prionkrankheiten für andere Proteinopathien beispielgebend sind. Dies gilt nicht zuletzt im Hinblick auf die Frage, ob Alzheimer-und Parkinson-Erkrankungen sowie andere bisher als nicht übertragbar angesehene Proteinopathien durch vermehrungsfähige pathologische Eiweißkeime auch zwischen Individuen übertragen werden können. Ob keimaktive Proteinaggregate beispielsweise aus Aβ, tau oder  α-Synuclein als prion-ähnliche Infektionserreger wirken und Alzheimer- oder Parkinson-Erkrankungen sowie andere Proteinopathien übertragen können, müssen zukünftige Studien erweisen.

Laufende Drittmittelvorhaben:

  1. Bundesministerium für Gesundheit (BMG): "Entwicklung materialverträglicher, routinefähiger Verfahren zur simultanen Desinfektion von Bakterien, Viren, Pilzen und Prionen an chirurgischen Instrumenten einschließlich thermolabiler Medizinprodukte".
  2. Alberta Prion Research Institute (APRI): "Comprehensive risk assessment of chronic wasting disease".
  3. Fondation Alliance BioSecure (FABS): "Probing the chemistry and conformational change underlying autocatalytic self-propagation of misfolded prion protein“.

Stand: 29.06.2012

Ausgewählte Publikationen

  • Wagenführ K, Beekes M (2012): Perspective – Harnessing prions as test agents for the development of broad-range disinfectants.
    Prions 6 (1): 1-6. mehr

  • Daus ML, Beekes M (2012): Chronic wasting disease: Fingerprinting the culprit in risk assessments.
    Prion 6 (1): 17-22. mehr

  • Pritzkow S, Wagenführ K, Daus ML, Boerner S, Lemmer K, Thomzig A, Mielke M, Beekes M (2011): Quantitative Detection and Biological Propagation of Scrapie Seeding Activity In Vitro Facilitate Use of Prions as Model Pathogens for Disinfection.
    PLoS ONE 6 (5): e20384. doi:10.1371/journal.pone.0020384. mehr

  • Daus ML, Breyer J, Wagenführ K, Wemheuer WM, Thomzig A, Schulz-Schaeffer WJ, Beekes M (2011): Presence and Seeding Activity of Pathological Prion Protein (PrP) in Skeletal Muscles of White-Tailed Deer Infected with Chronic Wasting Disease.
    PLoS One 6 (4): e18345. mehr

  • Beekes M, Lemmer K, Thomzig A, Joncic M, Tintelnot K, Mielke M (2010): Fast broad-range disinfection of bacteria, fungi, viruses and prions.
    J. Gen. Virol. 91 (2): 580-589. Epub 2009 Oct 28. mehr

  • Kratzel C, Krüger D, Beekes M (2007): Prion propagation in a nerve conduit model containing segments devoid of axons.
    J. Gen. Virol. 88 (12): 3479-3485. mehr

  • Lasch P, Beekes M, Schmitt J, Naumann D (2007): Detection of preclinical scrapie from serum by infrared spectroscopy and chemometrics.
    Anal. Bioanal. Chem. 387 (5): 1791-1800. mehr

  • Beekes M (2007): Prions and prion diseases.
    FEBS Journal (2007, 274): 575. mehr

  • Beekes M , McBride PA (2007): The spread of prions through the body in naturally acquired transmissible spongiform encephalopathies.
    FEBS J. 274 (3): 588-605. mehr

  • Beekes M, Zerr I, Groschup MH (2007): Prion Research: Past, present, and future.
    Veterinary Microbiology (2007, 123): 285-286. mehr

  • Beekes M, Zerr I, Groschup MH (2007): Prion Research: Past, present, and future.
    Veterinary Microbiology (2007, 123): 285-286. mehr

  • Thomzig A, Cardone F, Krüger D, Pocchiari M, Brown P, Beekes M (2006): Pathological prion protein in muscles of hamsters and mice infected with rodent-adapted BSE or vCJD.
    J. Gen. Virol. 87 (1): 251-254. mehr

  • Birkmann E, Schafer O, Weinmann N, Dumpitak C, Beekes M, Jackman R, Thorne L, Riesner D (2006): Detection of prion particles in samples of BSE and scrapie by fluorescence correlation spectroscopy without proteinase K digestion.
    Biol. Chem. 387 (1): 95-102. mehr

  • Appel TR, Lucassen R, Groschup MH, Joncic M, Beekes M, Riesner D (2006): Acid inactivation of prions: efficient at elevated temperature or high acid concentration.
    J. Gen. Virol. 87 (5): 1385-1394. mehr

  • Spassov S, Beekes M, Naumann D (2006): Structural differences between TSEs strains investigated by FT-IR spectroscopy.
    Biochim. Biophys. Acta 1760 (7): 1138-1149 Epub 2006 Mar 27. mehr

  • Kretlow A, Wang Q, Kneipp J, Lasch P, Beekes M, Miller L, Naumann D (2006): FTIR-microspectroscopy of prion-infected nervous tissue.
    Biochim. Biophys. Acta 1758 (7): 948-959, Epub Jun 7. mehr

  • Piening N, Weber P, Hogen T, Beekes M, Kretzschmar HA, Giese A (2006): Photo-induced crosslinking of prion protein oligomers and prions.
    Amyloid 13 (2): 67-77. mehr

  • Weber P, Giese A, Piening N, Mitteregger G, Thomzig A, Beekes M, Kretzschmar HA (2006): Cell-free formation of misfolded prion protein with authentic prion infectivity.
    Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (43): 15818-15823. Epub 2006 Oct 9. mehr

  • Dumpitak C, Beekes M, Weinmann N, Metzger S, Winklhofer KF, Tatzelt J, Riesner D (2005): The polysaccharide scaffold of PrP 27-30 is a common compound of natural prions and consists of alpha-linked polyglucose.
    Biol. Chem. 386 (11): 1149-1155. mehr

  • Thomzig A, Spassov S, Friedrich M, Naumann D, Beekes M (2004): Discriminating scrapie and BSE isolates by infrared spectroscopy of pathological prion protein.
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  • Schmitz M, Schlomm M, Hasan B, Beekes M et al. (2010): Codon 129 polymorphism and the E200K mutation do not affect the cellular prion protein isoform composition in the cerebrospinal fluid from patients with Creutzfeldt-Jakob disease.
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  • Beekes M (2010): Die variante Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK): Epidemiologie und Schutzmaßnahmen gegen eine Übertragung von Mensch zu Mensch.
    Bundesgesundheitsblatt Gesundheitsforschung Gesundheitsschutz 53 (6): 597-605. Epub May 8. mehr

  • Krüger D, Thomzig A, Lenz G, Kampf K, McBride PA, Beekes M (2009): Faecal shedding, alimentary clearance and intestinal spread of prions in hamsters fed with scrapie.
    Vet. Res. 40 (1): 4, Epub 2008 Oct 3. mehr

  • Cardone F, Thomzig A, Schulz-Schaeffer WJ, Valanzano A, Sbriccoli M, Abdel-Haq H, Graziano S, Puopolo M, Brown P, Beekes M, Pocchiari M (2009): PrPTSE in muscle-associated lymphatic tissue during the preclinical stage of mice orally-infected with BSE.
    J. Gen. Virol. 90 (10): 2563-2568. Epub 17 Jun. mehr

  • Lemmer K, Mielke M, Kratzel C, Joncic M, Oezel M, Pauli G, Beekes M (2008): Decontamination of surgical instruments from prions. II. In vivo findings with a model system for testing the removal of scrapie infectivity from steel surfaces.
    J. Gen. Virol. 89 (1): 348-358. mehr

  • Kretlow A, Wang Q, Beekes M, Naumann D, Miller LM (2008): Changes in protein structure and distribution observed at pre-clinical stages of scrapie pathogenesis.
    Biochim. Biophys. Acta 1782 (10): 559-565, Epub Jun 14. mehr

  • Thomzig A, Schulz-Schaeffer WJ, Wrede A, Wemheuer WM, Brenig B, Kratzel C, Lemmer K, Beekes M (2007): Accumulation of pathological prion protein PrPSc in the skin of animals with experimental and natural scrapie.
    PLoS Pathogens 3 (e66): 0659-0667(doi: 10.1371/journal.ppat.0030066). mehr

  • Seidel B, Thomzig A, Buschmann A, Groschup MH, Peters R, Beekes M, Terytze K (2007): Scrapie agent (Strain 263K) can transmit disease via the oral route after persistence in soil over years.
    PloS ONE 2 (e435): 1-8 (doi:10.1371/journal.pone.0000435). mehr

  • Kratzel C, Krüger D, Beekes M (2007): Relevance of the regional lymph node in scrapie pathogenesis after peripheral infection of hamsters.
    BMC Vet. Res. 3 (1): 22, Epub Sep 25. mehr

  • Kratzel C, Mai J, Madela K, Beekes M, Krüger D (2007): Propagation of scrapie in peripheral nerves after footpad infection in normal and neurotoxin exposed hamsters.
    Vet. Res. 38: 127-139. mehr

  • Weber P, Giese A, Piening N, Mitteregger G, Thomzig A, Beekes M, Kretzschmar HA (2007): Generation of genuine prion infectivity by serial PMCA.
    Vet. Microbiol. 123 (4): 346-357, Epub Apr 7 (doi: 10.1016/j.vetmic.2007.03.004). mehr

  • Lemmer K, Mielke M, Pauli G, Beekes M (2004): Decontamination of surgical instruments from prion proteins: in vitro studies on the detachment, destabilization and degradation of PrPSc bound to steel surfaces.
    J. Gen. Virol. 85: 3805-3816. mehr

  • Bieschke J, Weber P, Sarafoff N, Beekes M, Giese A, Kretzschmar H (2004): Autocatalytic self-propagation of misfolded prion protein.
    PNAS U.S.A. 101: 12207-12211. mehr

  • Thomzig A, Schulz-Schaeffer W, Kratzel C, Mai J, Beekes M (2004): Preclinical deposition of pathological prion protein PrPSc in muscles of hamsters orally exposed to scrapie.
    J. Clin. Invest. 113: 1465-1472. mehr

  • Thomzig A, Kratzel C, Lenz G, Krüger D, Beekes M (2003): Widespread PrPSc accumulation in muscles of hamsters orally infected with scrapie.
    EMBO Reports 4 (5): 530-533. mehr

  • Lasch P, Schmitt J, Beekes M, Udelhoven T, Eiden M, Fabian H, Petrich W, Naumann D (2003): Antemortem identification of bovine spongiform encephalopathy from serum using infrared spectroscopy.
    Anal. Chem. 75 (23): 6673-6678. mehr

  • Kneipp J, Beekes M, Lasch P, Naumann D (2002): Molecular changes of preclinical scrapie can be detected by infrared spectroscopy.
    J. Neurosci. 22: 2989-2997. mehr

  • Schmitt J, Beekes M, Brauer A, Udelhoven T, Lasch P, Naumann D (2002): Identification of scrapie infection from blood serum by Fourier transform infrared spectroscopy.
    Anal. Chem. 74 (15): 3865-3868. mehr

  • McBride PA, Schulz-Schäffer WJ, Donaldson M, Bruce M, Diringer H, Kretzschmar HA, Beekes M (2001): Early spread of scrapie from the gastrointestinal tract to the central nervous system involves autonomic fibers of the splanchnic and vagus nerves.
    J. Virol. 75: 9320-9327. mehr

  • Beekes M, McBride PA (2000): Early accumulation of pathological PrP in the enteric nervous system and gut-associated lymphoid tissue of hamsters orally infected with scrapie.
    Neurosci. Lett. 278 (3): 181-184. mehr

  • Beekes M, McBride P A, Baldauf E (1998): Cerebral targeting indicates vagal spread of infection in hamsters fed with scrapie.
    J. Gen. Virol. 79: 601-607. mehr

  • Baldauf E, Beekes M, Diringer H (1997): Evidence for an alternative direct route of access for the scrapie agent to the brain bypassing the spinal cord.
    J. Gen. Virol. 78: 1187-1197. mehr

  • Beekes M, Baldauf E, Diringer (1996): Sequential appearance and accumulation of pathognomonic markers in the central nervous system of hamsters orally infected with scrapie.
    J Gen Virol (1996, 77): 1925-1934. mehr

  • Beekes M, Baldauf E, Caßens S, Diringer, Keyes P, Scott AC, Wells GAH, Brown P, Gibbs CJ, Gajdusek DC (1995): Western blot mapping of disease-specific amyloid in various animal species and humans with transmissible spongiform encephalopathies using a high-yield purification method.
    J Gen Virol (1995, 76): 2567-2576. mehr

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