Asymptomatic carriers of Plasmodium spp. as infection source for malaria vector mosquitoes in the Brazilian Amazon

We have described the existence of asymptomatic carriers of Plasmodium vivax and Plasmodium falciparum infections in native Amazon populations. Most of them had low parasitemias, detected only by polymerase chain reaction (PCR). Because they remain symptomless and untreated, we wanted to determine whether they could infect Anopheles darlingi Root, the main Brazilian vector, and act as disease reservoirs. Fifteen adult asymptomatic patients (PCR positive only) were selected, and experimental infections of mosquitoes were performed by direct feeding and by a membrane-feeding system. Seventeen adult symptomatic patients with high parasitemias were used as controls. We found an infection rate in An. darlingi of 1.2% for the asymptomatic carriers and 22% for the symptomatic carriers. Although the asymptomatic group infected mosquitoes at a much lower rate, these patients remain infective longer than treated, symptomatic patients. Also, the prevalence of asymptomatic infections is 4 to 5 times higher than symptomatic infections among natives. These results have implications for the malaria control program in Brazil, which focuses essentially on the treatment of symptomatic patients. © 2005 Entomological Society of America.

Diagnóstico morfológico, sorológico e molecular de Plasmodium spp. em primatas neotropicais na Ilha de São Luís, Estado do Maranhão, Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Identificação de Plasmodium spp. em primatas neotropicais e em anofelinos em municípios da região de São Luís, estado do Maranhão, Brasil

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FCAV

Rodent blood-stage Plasmodium survive in dendritic cells that infect naive mice.

Plasmodium spp. parasites cause malaria in 300 to 500 million individuals each year. Disease occurs during the blood-stage of the parasite’s life cycle, where the parasite is thought to replicate exclusively within erythrocytes. Infected individuals can also suffer relapses after several years, from Plasmodium vivax and Plasmodium ovale surviving in hepatocytes. Plasmodium falciparum and Plasmodium malariae can also persist after the original bout of infection has apparently cleared in the blood, suggesting that host cells other than erythrocytes (but not hepatocytes) may harbor these blood-stage parasites, thereby assisting their escape from host immunity. Using blood stage transgenic Plasmodium berghei-expressing GFP (PbGFP) to track parasites in host cells, we found that the parasite had a tropism for CD317+ dendritic cells. Other studies using confocal microscopy, in vitro cultures, and cell transfer studies showed that blood-stage parasites could infect, survive, and replicate within CD317+ dendritic cells, and that small numbers of these cells released parasites infectious for erythrocytes in vivo. These data have identified a unique survival strategy for blood-stage Plasmodium, which has significant implications for understanding the escape of Plasmodium spp. from immune-surveillance and for vaccine development.

As aves antárticas estão livres de hemoparasitos? Um estudo de caso de pinguins (Pygoscelis spp.) e de skuas (Catharacta spp.) antárticos da Baía do Almirantado, Ilha Rei George, Antártica.

O parasitismo é uma importante força seletiva em populações, assim como a competição e a predação. Os parasitos sanguíneos podem afetar a coloração da plumagem, a seleção sexual e o sucesso reprodutivo em aves. As aves da região Antártica têm sido mencionadas na literatura como livres de hemoparasitos. A Baía do Almirantado, na Ilha Rei George, Península Antártica, é a maior Baía da região, abrigando diferentes espécies de aves durante o período reprodutivo. Dentre elas, estão duas espécies de skuas, as mais frequentes da Antártica, skua-sub-antártica (Catharacta lonnbergi) e skua-polar-do-sul (C. maccormicki) e três espécies de pinguins, pinguim-antártico (Pygoscelis antarctica), pinguim-papua (P. papua) e pinguim-de-adélia (P. adeliae). Skuas e pinguins são aves que se dispersam durante o inverno austral, podendo ser potenciais reservatórios e transmissores de parasitos, embora resultados negativos de hemoparasitos tenham sido encontrados para diversas outras aves marinhas e também para a região Antártica. O objetivo do presente trabalho foi investigar a presença de hemoparasitos em pinguins e skuas antárticos na Baía do Almirantado. Amostras de lâminas de esfregaço sanguíneo e de sangue para análises moleculares de pesquisa de Plasmodium/Haemoproteus foram coletadas em dois períodos reprodutivos, de dezembro de 2010 a março de 2011 e de dezembro de 2011 a fevereiro de 2012. Um total de 185 amostras de aves foram coletadas, incluindo 120 pinguins e 65 skuas. Skuas foram tiveram resultados negativos para hemoparasitos. As três espécies de pinguins foram positivas para Plasmodium/Haemoproteus , via técnica molecular, incluindo dois P. papua,dois P. antarctica etrês P. adeliae. Apenas um indivíduo confirmado positivo pela técnica molecular, pertencente a P. papua, foi positivo utilizando a técnica de esfregaço sanguíneo, com diagnóstico de Plasmodium sp. Não houve diferença significativa entre indivíduos machos e fêmeas das espécies parasitadas, assim como entre adultos e filhotes. As aves parasitadas (n=7), foram categorizadas abaixo do peso (n=5) e acima do peso (n=2). O presente estudo é o primeiro a relatar hemoparasitos na região Antártica e também é o primeiro registro de presença de hemoprotozoários para as três espécies de pinguins analisadas. A ausência de hemoparasitos em aves antárticas tem sido justificada pela ausência de potenciais vetores na região. Portanto, é possível que os pinguins parasitados tenham adquirido a infecção durante a dispersão por ocasião do inverno austral. No entanto, skuas antárticas também são aves migratórias, que podem atingir regiões com potenciais vetores reconhecidos, mas nunca foram diagnosticadas com hemoparasitos, o que foi reforçado pelos resultados negativos do presente estudo. Nesse caso, acredita-se que skuas, podem ter um sistema imune competente ou que a ausência de hemoparasitos nessas aves seja justificada por confinamentos filogenéticos entre parasito-hospedeiro. Entretanto, pouco se sabe sobre a existência de vetores na Antártica, rotas migratórias das aves da região e especificidade parasito-hospedeiro. Os resultados inéditos encontrados no presente estudo devem, portanto, servir como ponto de partida para o entendimento das interações parasito-hospedeiro, de forma a contribuir para a preservação do ambiente antártico.

Role of plasmodium translationally repressed gene products in malaria transmission

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Microbiologia e Parasitologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2015

Interaction of malaria parasites with host late endocytic and autophagic pathways is essential for Plasmodium liver stage development

RESUMO: A Malária é causada por parasitas do género Plasmodium, sendo a doença parasitária mais fatal para o ser humano. Apesar de, durante o século passado, o desenvolvimento económico e a implementação de diversas medidas de controlo, tenham permitido erradicar a doença em muitos países, a Malária continua a ser um problema de saúde grave, em particular nos países em desenvolvimento. A Malária é transmitida através da picada de uma fêmea de mosquito do género Anopheles. Durante a picada, os esporozoítos são injetados na pele do hospedeiro, seguindo-se a fase hepática e obrigatória do ciclo de vida. No fígado, os esporozoítos infetam os hepatócitos onde se replicam, dentro de um vacúolo parasitário (VP) e de uma forma imunitária silenciosa, em centenas de merozoitos. Estas novas formas do parasita são as responsáveis por infetar os eritrócitos, iniciando a fase sanguínea da doença, onde se os primeiros sintomas se manifestam, tais como a característica febre cíclica. A fase hepática da doença é a menos estudada e compreendida. Mais ainda, as interações entre o VP e os organelos da células hospedeira estão ainda pouco caracterizados. Assim, neste estudo, as interações entre os organelos endocíticos e autofágicos da célula hospedeira e o VP foram dissecados, observando-se que os anfisomas, que são organelos resultantes da intersecção do dois processos de tráfego intracelular, interagem com o parasita. Descobrimos que a autofagia tem também uma importante função imunitária durante a fase hepática inicial, ao passo, que durante o desenvolvimento do parasita, já numa fase mais tardia, o parasita depende da interação com os endossomas tardios e anfisomas para crescer. Vesiculas de BSA, EGF e LC3, foram, também, observadas dentro do VP, sugerindo que os parasitas são capazes de internalizar material endocítico e autofágico do hospedeiro. Mais ainda, mostramos que esta interação depende da cinase PIKfyve, responsável pela conversão do fosfoinositidio-3-fosfato no fosfoinositidio-3,5-bifosfato, uma vez que inibindo esta cinase o parasita não é capaz de crescer normalmente. Finalmente, mostramos que a proteína TRPML1, uma proteína efetora do fosfoinositidio-3,5-bifosfato, e envolvida no processo de fusão das membranas dos organelos endocíticos e autofágicos, também é necessária para o crescimento do parasita. Desta forma, o nosso estudo sugere que a membrana do VP funde com vesiculas endocíticas e autofágicas tardias, de uma forma dependente do fositidio-3,5-bifosfato e do seu effetor TRPML1, permitindo a troca de material com a célula hospedeira. Concluindo, os nossos resultados evidenciam que o processo autofágico que ocorre na célula hospedeira tem um papel duplo durante a fase hepática da malaria. Enquanto numa fase inicial os hepatócitos usam o processo autofágico como forma de defesa contra o parasita, já durante a fase de replicação o VP funde com vesiculas autofágicas e endocíticas de forma a obter os nutrientes necessários ao seu desenvolvimento.--------- ABSTRACT: Malaria, which is caused by parasites of the genus Plasmodium, is the most deadly parasitic infection in humans. Although economic development and the implementation of control measures during the last century have erradicated the disease from many areas of the world, it remains a serious human health issue, particularly in developing countries. Malaria is transmitted by female mosquitoes of the genus Anopheles. During the mosquito blood meal, Plasmodium spp. sporozoites are injected into the skin dermis of the vertebrate host, followed by an obligatory liver stage. Upon entering the liver, Plasmodium parasites infect hepatocytes and silently replicate inside a host cell-derived parasitophorous vacuole (PV) into thousands of merozoites. These new parasite forms can infect red blood cells initiating the the blood stage of the disease which shows the characteristic febrile malaria episodes. The liver stage is the least characterized step of the malaria infection. Moreover, the interactions between the Plasmodium spp. PV and the host cell trafficking pathways are poorly understood. We dissected the interaction between Plasmodium parasites and the host cell endocytic and autophagic pathways and we found that both pathways intersect and interconnect in the close vicinity of the parasite PV, where amphisomes are formed and accumulate. Interestingly, we observed a clearance function for autophagy in hepatocytes infected with Plasmodium berghei parasites at early infection times, whereas during late liver stage development late endosomes and amphisomes are required for parasite growth. Moreover, we found the presence of internalized BSA, EGF and LC3 inside parasite vacuoles, suggesting that the parasites uptake endocytic and autophagic cargo. Furthermore, we showed that the interaction between the PV and host traffic pathways is dependent on the kinase PIKfyve, which converts the phosphoinositide PI(3)P into PI(3,5)P2, since PIKfyve inhibition caused a reduction in parasite growth. Finally, we showed that the PI(3,5)P2 effector protein TRPML1, which is involved in late endocytic and autophagic membrane fusion, is also required for parasite development. Thus, our studies suggest that the parasite parasitophorous vacuole membrane (PVM) is able to fuse with late endocytic and autophagic vesicles in a PI(3,5)P2- and TRPML1-dependent manner, allowing the exchange of material between the host cell and the parasites, necessary for the rapid development of the latter that is seen during the liver stage of infection. In conclusion, we present evidence supporting a specific and essential dual role of host autophagy during the course of Plasmodium liver infection. Whereas in the initial hours of infection the host cell uses autophagy as a cell survival mechanism to fight the infection, during the replicative phase the PV fuses with host autophagic and endocytic vesicles to obtain nutrients required for parasite growth.

FRET peptides reveal differential proteolytic activation in intraerythrocytic stages of the malaria parasites Plasmodium berghei and Plasmodium yoelii

Malaria is still a major health problem in developing countries. It is caused by the protist parasite Plasmodium, in which proteases are activated during the cell cycle. Ca(2+) is a ubiquitous signalling ion that appears to regulate protease activity through changes in its intracellular concentration. Proteases are crucial to Plasmodium development, but the role of Ca(2+) in their activity is not fully understood. Here we investigated the role of Ca(2+) in protease modulation among rodent Plasmodium spp. Using fluorescence resonance energy transfer (FRET) peptides, we verified protease activity elicited by Ca(2+) from the endoplasmatic reticulum (ER) after stimulation with thapsigargin (a sarco/endoplasmatic reticulum Ca(2+)-ATPase (SERCA) inhibitor) and from acidic compartments by stimulation with nigericin (a K(+)/H(+) exchanger) or monensin (a Na(+)/H(+) exchanger). Intracellular (BAPTA/AM) and extracellular (EGTA) Ca(2+) chelators were used to investigate the role played by Ca(2+) in protease activation. In Plasmodium berghei both EGTA and BAPTA blocked protease activation, whilst in Plasmodium yoelii these compounds caused protease activation. The effects of protease inhibitors on thapsigargin-induced proteolysis also differed between the species. Pepstatin A and phenylmethylsulphonyl fluoride (PMSF) increased thapsigargin-induced proteolysis in P. berghei but decreased it in P. yoelii. Conversely. E64 reduced proteolysis in P. berghei but stimulated it in P. yoelii. The data point out key differences in proteolytic responses to Ca(2+) between species of Plasmodium. (C) 2011 Australian Society for Parasitology Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Characterization of a conserved rhoptry-associated leucine zipper-like protein in the malaria parasite Plasmodium falciparum

One of the key processes in the pathobiology of the malaria parasite is the invasion and subsequent modification of the human erythrocyte. In this complex process, an unknown number of parasite proteins are involved, some of which are leading vaccine candidates. The majority of the proteins that play pivotal roles in invasion are either stored in the apical secretory organelles or located on the surface of the merozoite, the invasive stage of the parasite. Using transcriptional and structural features of these known proteins, we performed a genomewide search that identified 49 hypothetical proteins with a high probability of being located on the surface of the merozoite or in the secretory organelles. Of these candidates, we characterized a novel leucine zipper-like protein in Plasmodium falciparum that is conserved in Plasmodium spp. This protein is expressed in late blood stages and localizes to the rhoptries of the parasite. We demonstrate that this Plasmodium sp.-specific protein has a high degree of conservation within field isolates and that it is refractory to gene knockout attempts and thus might play an important role in invasion.

Identification and disruption of the gene encoding the third member of the low-molecular-mass rhoptry complex in Plasmodium falciparum

The low-molecular-mass rhoptry complex of Plasmodium falciparum consists of three proteins, rhoptry-associated protein 1 (RAP1), RAP2, and RAP3. The genes encoding RAP1 and RAP2 are known; however, the RAP3 gene has not been identified. In this study we identify the RAP3 gene from the P. falciparum genome database and show that this protein is part of the low-molecular-mass rhoptry complex. Disruption of RAP3 demonstrated that it is not essential for merozoite invasion, probably because RAP2 can complement the loss of RAP3. RAP3 has homology with RAP2, and the genes are encoded on chromosome 5 in a head-to-tail fashion. Analysis of the genome databases has identified homologous genes in all Plasmodium spp</i>., suggesting that this protein plays a role in merozoite invasion. The region surrounding the RAP3 homologue in the Plasmodium yoelii genome is syntenic with the same region in P. falciparum; however, there is a single gene. Phylogenetic comparison of the RAP2/3 protein family from Plasmodium spp</i>. suggests that the RAP2/3 duplication occurred after divergence of these parasite species.

Marcadores de estresse oxidativo em pacientes com malária por Plasmodium vivax, durante o tratamento com primaquina e cloroquina

No Brasil, o P. vivax representa a maioria dos casos de malária, totalizando quase 90% dos registros nos estados da Amazônia Legal. Vários estudos objetivaram compreender a relação do estresse oxidativo nos pacientes infectados pelo Plasmodium spp com as respostas clínica e parasitológica, pois o papel protetor ou deletério das espécies reativas de oxigênio e nitrogênio geradas por diferentes mecanismos no decurso da infecção é controverso na fisiopatogenia da malária humana. Entretanto, não há estudos que associem os danos oxidativos e as defesas antioxidantes do hospedeiro na malária vivax não complicada na Amazônia. Portanto, o objetivo deste estudo foi avaliar marcadores de estresse oxidativo no decorrer da fase aguda da malária por P. vivax, caracterizando o envolvimento das vias redox, a resposta do hospedeiro humano e a influência da quimioterapia, a fim de testar as hipóteses que os biomarcadores de estresse oxidativo não são alterados no decurso da fase aguda da malária vivax não complicada e a introdução da quimioterapia não contribui para o estresse oxidativo nestes sujeitos. Foi realizado estudo quantitativo longitudinal de casos constituídos por 38 sujeitos com malária por P. vivax adultos, de ambos os gêneros, os quais foram analisados antes, durante e após a instituição da terapia (D0, D2 e D7), comparados a grupo controle de 15 voluntários saudáveis, pareados por gênero e idade. Foram determinados por técnicas espectrofotométricas os teores de metemoglobina, a peroxidação lipídica, a capacidade antioxidante não enzimática total, a atividade da superóxido dismutase, os níveis eritrocitários de glutationa reduzida e da glutationa total plasmática. Comparado ao grupo controle, de maneira significativa, os teores de glutationa reduzida (p=0,004) foram inferiores e a peroxidação lipídica (p<0,001) foi superior, respectivamente. Entretanto, alterações significativas não foram observadas nos teores de metemoglobina, na capacidade antioxidante não enzimática total e na atividade da superóxido dismutase comparados ao grupo controle. Entretanto, com o decorrer do tratamento foram notados aumento significativo dos teores de metemoglobina (p<0,001) e da atividade da superóxido dismutase (p=0,038); porém os níveis de glutationa reduzida eritrocitária estava reduzidos (p=0,007). Além disso, não houve alterações significativas nos níveis da capacidade antioxidante não enzimática total e da glutationta total plasmática com a introdução dos antimaláricos. O nível de estresse oxidativo não foi obtido, uma vez que não foi significativa a correlação da peroxidação lipídica com a capacidade antioxidante não enzimática total durante o tratamento. Conclui-se que o aumento da peroxidação lipídica resultante do dano oxidativo foi contraposto pelo consumo de glutationa eritrocitária antes da introdução da terapia, sugerindo a participação das vias redox na malária vivax não complicada. A instituição da quimioterapia, provavelmente, interferiu no ciclo redox intraeritrocitário, o que foi caracterizado pelo continuo aumento da metemoglobina e da atividade da superóxido dismutase, bem como pela redução dos teores de glutationa reduzida nos eritrócitos.

Differences in host species relationships and biogeographic influences produce contrasting patterns of prevalence, community composition and genetic structure in two genera of avian malaria parasites in southern Melanesia

1. Host-parasite interactions have the potential to influence broadscale ecological and evolutionary processes, levels of endemism, divergence patterns and distributions in host populations. Understanding the mechanisms involved requires identification of the factors that shape parasite distribution and prevalence. 2. A lack of comparative information on community-level host-parasite associations limits our understanding of the role of parasites in host population divergence processes. Avian malaria (haemosporidian) parasites in bird communities offer a tractable model system to examine the potential for pathogens to influence evolutionary processes in natural host populations. 3. Using cytochrome b variation, we characterized phylogenetic diversity and prevalence of two genera of avian haemosporidian parasites, Plasmodium and Haemoproteus, and analysed biogeographic patterns of lineages across islands and avian hosts, in southern Melanesian bird communities to identify factors that explain patterns of infection. 4. Plasmodium spp. displayed isolation-by-distance effects, a significant amount of genetic variation distributed among islands but insignificant amounts among host species and families, and strong local island effects with respect to prevalence. Haemoproteus spp. did not display isolation-by-distance patterns, showed marked structuring of genetic variation among avian host species and families, and significant host species prevalence patterns. 5. These differences suggest that Plasmodium spp. infection patterns were shaped by geography and the abiotic environment, whereas Haemoproteus spp. infection patterns were shaped predominantly by host associations. Heterogeneity in the complement and prevalence of parasite lineages infecting local bird communities likely exposes host species to a mosaic of spatially divergent disease selection pressures across their naturally fragmented distributions in southern Melanesia. Host associations for Haemoproteus spp. indicate a capacity for the formation of locally co-adapted host-parasite relationships, a feature that may limit intraspecific gene flow or range expansions of closely related host species.

Host cell remodelling and protein trafficking

Inside their respective vertebrate hosts, Plasmodium spp spend most of their life residing within hepatocytes and erythrocytes, with large-scale infection of the latter responsible for the clinical symptoms associated with malaria. These parasites extensively remodel these host cells for a variety of purposes relating to both pathogenesis and maintaining growth. Remodelling of the erythrocytic stage has been most intensively studied in P. falciparum and is the subject of this chapter. To help remodel their hosts these parasites export hundreds of proteins into the erythrocytic compartment. This principally alters the architecture of the erythrocyte, rendering the host membrane more permeable to solutes and nutrients, and also increasing the rigidity and adhesiveness of the infected erythrocyte. Moreover, because erythrocytes lack a secretory apparatus, the parasite must also export many additional proteins to help traffic other proteins to their correct destination within the host cell. The functions of some of these exported proteins will be discussed as will recent progress that has been made in unravelling how exported proteins gain access to the host compartment.

Advances in molecular genetic systems in malaria

Robust tools for analysing gene function in Plasmodium parasites, which are the causative agents of malaria, are being developed at an accelerating rate. Two decades after genetic technologies for use in Plasmodium spp. were first described, a range of genetic tools are now available. These include conditional systems that can regulate gene expression at the genome, transcriptional or protein level, as well as more sophisticated tools for gene editing that use piggyBac transposases, integrases, zinc-finger nucleases or the CRISPR-Cas9 system. In this Review, we discuss the molecular genetic systems that are currently available for use in Plasmodium falciparum and Plasmodium berghei, and evaluate the advantages and limitations of these tools. We examine the insights that have been gained into the function of genes that are important during the blood stages of the parasites, which may help to guide the development and improvement of drug therapies and vaccines.

Diagnóstico sorológico e molecular de agentes transmitidos por artrópodes em aves carnívoras

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FCAV