Leishmania Promastigotes Lack Phosphatidylserine but Bind Annexin V upon Permeabilization or Miltefosine Treatment

The protozoan parasite Leishmania is an intracellular pathogen infecting and replicating inside vertebrate host macrophages. A recent model suggests that promastigote and amastigote forms of the parasite mimic mammalian apoptotic cells by exposing phosphatidylserine (PS) at the cell surface to trigger their phagocytic uptake into host macrophages. PS presentation at the cell surface is typically analyzed using fluorescence-labeled annexin V. Here we show that Leishmania promastigotes can be stained by fluorescence-labeled annexin V upon permeabilization or miltefosine treatment. However, combined lipid analysis by thin-layer chromatography, mass spectrometry and 31 P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy revealed that Leishmania promastigotes lack any detectable amount of PS. Instead, we identified several other phospholipid classes such phosphatidic acid, phosphatidylethanolamine; phosphatidylglycerol and phosphatidylinositol as candidate lipids enabling annexin V staining.

Interaction of miltefosine with intercellular membranes of stratum corneum and biomimetic lipid vesicles

Miltefosine (MT) is an alkylphospholipid approved for breast cancer metastasis and visceral leishmaniasis treatments, although the respective action mechanisms at the molecular level remain poorly understood. In this work, the interaction of miltefosine with the lipid component of stratum corneum (SC), the uppermost skin layer, was studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of several fatty acid spin-labels. In addition, the effect of miltefosine on (i) spherical lipid vesicles of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) and (ii) lipids extracted from SC was also investigated, by EPR and time-resolved polarized fluorescence methods. In SC of neonatal Wistar rats, 4% (w/w) miltefosine give rise to a large increase of the fluidity of the intercellular membranes, in the temperature range from 6 to about 50 degrees C. This effect becomes negligible at temperatures higher that ca. 60 degrees C. In large unilamelar vesicles of DPPC no significant changes could be observed with a miltefosine concentration 25% molar, in close analogy with the behavior of biomimetic vesicles prepared with bovine brain ceramide, behenic acid and cholesterol. In these last samples, a 25 mol% molar concentration of miltefosine produced only a modest decrease in the bilayer fluidity. Although miltefosine is not a feasible skin permeation enhancer due to its toxicity, the information provided in this work could be of utility in the development of a MT topical treatment of cutaneous leishmaniasis. Published by Elsevier B.V.

In Vitro and In Vivo Anti-Schistosomal Activity of the Alkylphospholipid Analog Edelfosine

Background: Schistosomiasis is a parasitic disease caused by trematodes of the genus Schistosoma. Five species of Schistosoma are known to infect humans, out of which S. haematobium is the most prevalent, causing the chronic parasitic disease schistosomiasis that still represents a major problem of public health in many regions of the world and especially in tropical areas, leading to serious manifestations and mortality in developing countries. Since the 1970s, praziquantel (PZQ) is the drug of choice for the treatment of schistosomiasis, but concerns about relying on a single drug to treat millions of people, and the potential appearance of drug resistance, make identification of alternative schistosomiasis chemotherapies a high priority. Alkylphospholipid analogs (APLs), together with their prototypic molecule edelfosine (EDLF), are a family of synthetic antineoplastic compounds that show additional pharmacological actions, including antiparasitic activities against several protozoan parasites.

Methodology/Principal Findings: We found APLs ranked edelfosine> perifosine> erucylphosphocholine> miltefosine for their in vitro schistosomicidal activity against adult S. mansoni worms. Edelfosine accumulated mainly in the worm tegument, and led to tegumental alterations, membrane permeabilization, motility impairment, blockade of male-female pairing as well as induction of apoptosis-like processes in cells in the close vicinity to the tegument. Edelfosine oral treatment also showed in vivo schistosomicidal activity and decreased significantly the egg burden in the liver, a key event in schistosomiasis.

Conclusions/Significance: Our data show that edelfosine is the most potent APL in killing S. mansoni adult worms in vitro. Edelfosine schistosomicidal activity seems to depend on its action on the tegumental structure, leading to tegumental damage, membrane permeabilization and apoptosis-like cell death. Oral administration of edelfosine diminished worm and egg burdens in S. mansoni-infected CD1 mice. Here we report that edelfosine showed promising antischistosomal properties in vitro and in vivo.

Endoplasmic reticulum targeting in Ewing’s sarcoma by the alkylphospholipid analog edelfosine

Ewing's sarcoma (ES) is the second most common bone cancer in children and young people. Edelfosine (1-O-octadecyl-2-O-methyl-rac-glycero-3-phosphocholine) is the prototype of a family of synthetic antitumor compounds, collectively known as alkylphospholipid analogs (APLs). We have found that APLs ranked edelfosine>perifosine>erucylphosphocholine>miltefosine for their capacity to promote apoptosis in ES cells. Edelfosine accumulated in the endoplasmic reticulum (ER) and triggered an ER stress response that eventually led to caspase-dependent apoptosis in ES cells. This apoptotic response involved mitochondrial-mediated processes, with cytochrome c release, caspase-9 activation and generation of reactive oxygen species. Edelfosine-induced apoptosis was also dependent on sustained c-Jun NH2-terminal kinase activation. Oral administration of edelfosine showed a potent in vivo antitumor activity in an ES xenograft animal model. Histochemical staining gave evidence for ER stress response and apoptosis in the ES tumors isolated from edelfosine-treated mice. Edelfosine showed a preferential action on ES tumor cells as compared to non-transformed osteoblasts, and appeared to be well suited for combination therapy regimens. These results demonstrate in vitro and in vivo antitumor activity of edelfosine against ES cells that is mediated by caspase activation and ER stress, and provide the proof of concept for a putative edelfosine-and ER stress-mediated approach for ES treatment.

Interacção Parasita-Hospedeiro e susceptibilidade de Leishmania infantum a fármacos

RESUMO As leishmanioses são doenças causadas por um protozoário intracelular pertencente à ordem Kinetoplastida, da família Trypanosomatidae, do género Leishmania. Os parasitas são transmitidos aos hospedeiros vertebrados por dípteros pertencentes à sub-família Phlebotominae. Devido à inexistência de vacinas a quimioterapêutica continua a representar o único mecanismo de prevenção e controlo. Os fármacos de primeira linha para o tratamento da leishmaniose visceral continuam a ser os antimoniais pentavalentes e a anfotericina B (AMB). A AMB lipossómica está a ser cada vez mais utilizada como 1ª linha. O conhecimento do(s) mecanismo(s) utilizados pelos parasitas, responsáveis pela resistência, é fundamental de modo a permitir o desenvolvimento de novos fármacos anti-Leishmania que possam substituir e/ou complementar os fármacos existentes, de uma forma eficaz assim como contribuir para o desenvolvimento de metodologias para avaliar e monitorizar a resistência. Espera-se do modelo animal a reprodução da infecção na Natureza. Os modelos canino e murino têm ajudado na compreensão dos mecanismos responsáveis pela patogénese e pela resposta imunitária à infecção por Leishmania. Sendo o cão o principal hospedeiro da infecção por L. infantum e o principal reservatório doméstico da leishmaniose visceral humana, procedeu-se à caracterização da evolução da infecção experimental em canídeos de raça Beagle através da análise clínica, hematológica, histopatológica, parasitária, assim com através da resposta imunitária desenvolvida. As alterações hematológicas observadas foram as associadas à leishmaniose visceral: anemia, leucopenia, trombocitopenia com aumento das proteínas totais e da fracção gama-globulina, e diminuição da albumina. Histologicamente observou-se nos órgãos viscerais uma reacção inflamatória crónica, acompanhada por vezes da formação de granulomas ricos em macrófagos. Apesar de todos os animais terem ficado infectados (confirmado pela presença do parasita nos vários tecidos e órgãos recolhidos na necrópsia), os únicos sinais clínicos observados transitoriamente foram adenopatia e alopécia. As técnicas moleculares foram significativamente mais eficazes na detecção do parasita do que os métodos parasitológicos convencionais. As amostras não invasivas (sangue periférico e conjuntiva) mostraram ser significativamente menos eficazes na detecção de leishmanias. No nosso modelo experimental não se observou a supressão da resposta celular ao antigénio parasitário e confirmou-se que, apesar de não protectora, a resposta humoral específica é pronunciada e precoce. A bipolarização da resposta imunitária Th1 ou Th2, amplamente descrita nas infecções experimentais por L. major no modelo murino, não foram observadas neste estudo. O facto dos animais não evidenciarem doença apesar do elevado parasitismo nos órgãos viscerais poderá estar relacionado com a expressão simultânea de citocinas de ambos os tipos Th1 e Treg, no baço, fígado, gânglio, medula óssea e sangue periférico. Neste estudo também se caracterizou o efeito da saliva do vector Phlebotomus perniciosus na infecção experimental de murganhos BALB/c com estirpes de L. infantum selvagem e tratada com AMB, inoculadas por via intradérmica. A visceralização da infecção ocorreu após a utilização da via de administração do inóculo que mais se assemelha ao que ocorre na Natureza. Apesar da disseminação dos parasitas nos animais co-inoculados com extracto de uma glândula salivar ter sido anterior à do grupo inoculado apenas com parasitas, não se detectaram diferenças significativas na carga parasitária, entre os três grupos, ao longo do período de observação pelo que, embora a saliva do vector esteja descrita como responsável pela exacerbação da infecção, tal não foi observado no nosso estudo. O aumento de expressão de citocinas esteve relacionado com o aumento do parasitismo mas, tal como no modelo canino, não se observou bipolarização da resposta imunitária. Os animais dos três grupos infectados parecem ter desenvolvido nos diferentes órgãos uma resposta mista dos tipos Th1 e Th2/Treg. Contudo, verificou-se a predominância da expressão Th1 (TNF-α), no fim do período de observação, o que pode estar relacionado com a resolução da infecção. Por outro lado, a presença de parasitas na pele dos animais inoculados com a estirpe L. infantum tratada com AMB permite colocar a hipótese da existência de parasitas resistentes na Natureza e destes poderem ser transmitidos. Após se ter verificado que a estirpe de L. infantum tratada com AMB tinha a capacidade de infectar e visceralizar no modelo murino, analisou-se o seu comportamento em dois dos principais vectores de L. infantum, Lutzomyia longipalpis e P. perniciosus. Os parasitas tratados com AMB apresentaram uma menor capacidade de permanecerem no interior do vector assim como um desenvolvimento mais lento apontando para uma menor capacidade de transmissão das estirpes resistentes a este fármaco, pelo que o tratamento com AMB poderá ser favorável à prevenção e controlo através da interrupção do ciclo de vida do parasita. De modo a determinar in vitro a susceptibilidade de Leishmania aos diferentes fármacos utilizados na terapêutica da leishmaniose humana e canina (Glucantime®, Fungizone®, miltefosine e alopurinol) comparou-se o sistema de promastigotas axénicos com o sistema amatigota-macrófago. Verificou-se que, para as estirpes estudadas, os resultados de ambos os sistemas não apresentavam diferenças significativas sendo a utilização do primeiro mais vantajosa ao ser menos moroso e de mais fácil execução. Seleccionaram-se estirpes quimio-resistentes in vitro, por exposição prolongada a doses crescentes de AMB, tendo-se verificado que os parasitas tratados, apresentaram uma menor susceptibilidade do que os não tratados à acção dos fármacos estudados, com excepção do alopurinol. A diminuição da susceptibilidade das estirpes aos fármacos utilizados poderá facilitar a dispersão de parasitas multiresistentes. Sendo a apoptose um dos mecanismos utilizados pelos parasitas para evitar a indução de uma resposta imune por acção de compostos anti- Leishmania, determinou-se o número de amastigotas apoptóticos assim como a produção de TNF-α e IL-10 pelos macrófagos tratados. Concluiu-se que os compostos conseguiram suprimir a produção de IL-10, inibidora da activação dos macrófagos, contudo nem a produção da citocina pro-inflamatória TNF- α nem a apoptose pareceram ser os principais mecanismos responsáveis à sobrevivência dos parasitas ao contacto com os fármacos.

Ca(2+)-activated transbilayer movement of plasma membrane phospholipids in Leishmania donovani during ionomycin or thapsigargin stimulation

The protozoan parasite Leishmania causes serious infections in humans all over the world. After being inoculated into the skin through the bite of an infected sandfly, Leishmania promastigotes must gain entry into macrophages to initiate a successful infection. Specific, surface exposed phospholipids have been implicated in Leishmania-macrophage interaction but the mechanisms controlling and regulating the plasma membrane lipid distribution remains to be elucidated. Here, we provide evidence for Ca(2+)-induced phospholipid scrambling in the plasma membrane of Leishmania donovani. Stimulation of parasites with ionomycin increases intracellular Ca(2+) levels and triggers exposure of phosphatidylethanolamine at the cell surface. We found that increasing intracellular Ca(2+) levels with ionomycin or thapsigargin induces rapid transbilayer movement of NBD-labelled phospholipids in the parasite plasma membrane that is bidirectional, independent of cellular ATP and not specific to the polar lipid head group. The findings suggest the presence of a Ca(2+)-dependent lipid scramblase activity in Leishmania parasites. Our studies further show that lipid scrambling is not activated by rapid exposure of promastigotes to higher physiological temperature that increases intracellular Ca(2+) levels. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

The in vivo susceptibility of Leishmania donovani to sodium stibogluconate is drug specific and can be reversed by inhibiting glutathione biosynthesis

Resistance to pentavallent antimonial (Sb-v) agents such as sodium stibogluconate (SSG) is creating a major problem in the treatment of visceral leishmaniasis. In the present study the in vivo susceptibilities of Leishmania donovani strains, typed as SSG resistant (strain 200011) or SSG sensitive (strain 200016) on the basis of their responses to a single SSG dose of 300 mg of Sb-v/kg of body weight, to other antileishmanial drugs were determined. In addition, the role of glutathione in SSG resistance was investigated by determining the influence on SSG treatment of concomitant treatment with a nonionic surfactant vesicle formulation of buthionine sulfoximine (BSO), a specific inhibitor of the enzyme gamma-glutamylcysteine synthetase which is involved in glutathione biosynthesis, and SSG, on the efficacy of SSG treatment. L. donovani strains that were SSG resistant (strain 200011) and SSG sensitive (strain 200016) were equally susceptible to in vivo treatment with miltefosine, paromomycin and amphotericin B (Fungizone and AmBisome) formulations. Combined treatment with SSG and vesicular BSO significantly increased the in vivo efficacy of SSG against both the 200011 and the 200016 L. donovani strains. However, joint treatment that included high SSG doses was unexpectedly associated with toxicity. Measurement of glutathione levels in the spleens and livers of treated mice showed that the ability of the combined therapy to inhibit glutathione levels was also dependent on the SSG dose used and that the combined treatment exhibited organ-dependent effects. The SSG resistance exhibited by the L. donovani strains was not associated with cross-resistance to other classes of compounds and could be reversed by treatment with an inhibitor of glutathione biosynthesis, indicating that clinical resistance to antimonial drugs should not affect the antileishmanial efficacies of alternative drugs. In addition, it should be possible to identify a treatment regimen that could reverse antimony resistance.