Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.

Nanoimunoensaios para a detecção de antigénios da malária em amostras clínicas

Sendo a malária uma doença infecciosa que põe em risco uma elevada percentagem da população mundial, a presente dissertação apresenta o desenvolvimento de um teste de diagnóstico rápido (RDT) para a detecção da infecção. Para a detecção dos antigénios de Plasmodium falciparum (Pf), parasita da malária, foram estudadas nanopartículas de ouro (AuNPs) com dois diâmetros médios diferentes, 17nm e 48nm, funcionalizadas e conjugadas com anticorpos específicos, formando os bionanoconjugados. Este trabalho abrange dois focos de investigação, interligados, de forma a atingir-se o objectivo prosposto: i) Caracterização físico-quimica das AuNPs e dos bionanoconjugados em solução, usando a espectrocopia de UV-Visível, variando a força iónica e o pH do meio. A compreensão do comportamento e estabilidade das partículas consoante o seu diâmetro e revestimento tem em vista o melhoramento do RDT, tanto em sensibilidade como em custo; ii) Desenvolvimento do RDT usando um método que envolve uma ligação competitiva entre o antigénio e o anticorpo específico imobilizado à superfície das AuNPs. Os antigénios correspondem a biomarcadores da presença de Pf: Heat Shock Protein 70 (PfHsp70) e Histidine Rich Protein II (PfHRPII). Como superfícies para o desenvolvimento do RDT foram usados a nitrocelulose e o papel de filtro. Quanto maior é o diâmetro das AuNPs, maior é a estabilidade apresentada em solução quando aumentada a força iónica. Quando é variado o valor de pH do meio, as partículas adoptam um comportamento dependente do seu revestimento, independente do diâmetro. Os bionanoconjugados formados com AuNPs de ambos os diâmetros revelaram-se muito estáveis em solução, numa gama de forças iónicas de 0 a 0,5M de cloreto de sódio, e de pH de 2 a 7. Uma vez que a proteína Hsp70 é produzida constitutivamente em diversas células humanas, é necessário trabalhar com proteínas específicas da infecção, que nesta dissertação foi a PfHRPII. Foram efectuados testes no suporte de nitrocelulose que provaram o reconhecimento da PfHRPII pelos bionanoconjugados AuNPs-MUA-anti-PfHRPII. Estes ensaios necessitam ainda de algumas optimizações. Ensaios de Western-Blot permitiram a identificação da presença da PfHRPII em culturas infectadas, bem como a confirmação da sua ligação ao anticorpo específico, anti-PfHRPII. Um novo método de revelação é introduzido nesta técnica, efectuado através do uso dos bionanoconjugados. Este método mostrou-se promissor na medida em que é rápido, específico e de baixo custo. O principal contributo do trabalho consistiu no desenvolvimento, com sucesso, de um RDT para diagnóstico de malária, usando o antigénio PfHsp70, tendo como base a detecção colorimétrica com AuNPs de 17nm de diâmetro. Usando uma tira de nitrocelulose foi estabelecido um limite de detecção correspondente a 1600parasitas/μL, valor este considerado válido pela OMS para um correcto diagnóstico de malária. O limite de detecção obtido para as AuNPs de 48nm foi superior, não tendo trazido melhorias para o teste desenvolvido com AuNPs de menor diâmetro.

Mediadores Pró-inflamatórios como factores preditivos de malária grave em crianças

A malária é uma doença potencialmente fatal, causada pelo parasita Plasmodium e transmitida ao ser humano pela picada do mosquito Anopheles, sendo endémica em 106 países, principalmente dos trópicos. É responsável por uma grande mortalidade e morbilidade em termos globais, principalmente em crianças com menos de cinco anos, continuando por esclarecer muitos dos mecanismos que contribuem para o seu espectro de gravidade. O presente trabalho teve como objectivo geral o estudo do perfil de mediadores pró-inflamatórios como possíveis factores preditivos de malária grave, definida pelos critérios da OMS, numa amostra de crianças da vila de Bor, na Guiné-Bissau. Procedeu-se à determinação dos níveis de anticorpos totais e IgG e IgM anti- P. falciparum, determinação dos níveis de óxido nítrico (NO) e estudo do processo de activação do sistema complemento pela determinação dos níveis de anafilatoxina C5a e proteína C reactiva (CRP). Cumpriram os critérios iniciais de inclusão no estudo, treze crianças, tendo para a fase final do mesmo, sido considerados doze crianças, com uma mediana de idades de cinco anos, oriundos na sua maioria de famílias com baixo nível socioeconómico. As principais manifestações clínicas de malária grave foram a prostração, icterícia e a dispneia e todas as crianças foram tratadas com quinino endovenoso. Verificou-se um óbito. Nesta amostra de doentes, observou-se na maioria dos casos, um aumento dos mediadores inflamatórios doseados, nomeadamente as IgGs totais, IgG e IgM anti- P. falciparum, CRP, C5a e NO. Apesar do reduzido tamanho da amostra, pretendeu-se com este estudo contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos fisiopatológicos e clínicos da malária grave em crianças de uma zona endémica como é a Guiné-Bissau.

Pesquisa de assinaturas de selecção de malária na região do gene humano TPI (triosefosfato isomerase)

A malária continua a ser a maior causa de doença e mortalidade no Mundo, sobretudo no continente Africano. Das cinco espécies do parasita causador de malária em humanos, Plasmodium falciparum é a mais letal. Em termos evolutivos a malária é um fenómeno recente com cerca de 10 000 anos, período onde tem atuado como importante pressão seletiva no genoma humano, contribuindo para a seleção de inúmeros polimorfismos que propiciam maior resistência ao protozoário parasita. Apesar da interação entre o parasita e o hospedeiro ser foco de inúmeros estudos, é bastante complexa e ainda está longe de ser totalmente compreendida, nomeadamente os fatores de suscetibilidade/resistência à infeção ou à doença. Este estudo teve como principal objetivo contribuir para o estudo dos polimorfismos eritrocitários associados à proteção contra a infeção malárica grave, centrando-se no gene TPI que codifica uma enzima glicolítica. Foi selecionada uma amostra populacional Africana (Moçambique) agrupada de acordo com a gravidade da doença (grupos clínicos). Fez-se o rastreio dos exões do gene TPI por SSCP, na busca de alterações no padrão de migração dos produtos amplificados, indiciadores de alterações na sequência nucleotídica que pudessem ser assinaturas de eventuais efeitos evolutivos exercidos pela malária; caracterizaram-se as variantes do promotor do gene TPI: -5A>G, -8G>A e -24T>G; e analisou-se o polimorfismo intrónico 2262 situado no intrão 5. Esta análise permitiu identificar o polimorfismo -8G>A como possível marcador associado à proteção contra a malária, observando-se diferenças estatisticamente significativas entre doentes com malária grave e não-grave [P = 0,032; OR = 0,230 (CI95%: 0,049-1,081)], quando associado ao haplótipo -5G/-8A/2262G. Através de um estudo de microssatélites nas regiões adjacentes ao gene TPI, estimou-se a antiguidade dos polimorfismos -5G>A e -8G>A, tendo-se obtido a idade de ~20 mil anos e ~14 mil anos, respetivamente. Ao nível bioquímico, o polimorfismo -8G>A poderá estar associado à acumulação celular de metilglioxal citotóxico, um potente inibidor da proliferação parasitária.

Estudo da Prevalência da Malária na Mulher Grávida Submetida ao Tratamento Intermitente e Preventivo com Sulfadoxina e Pirimetamina e sua Associação com Anemia

A malária é causada por parasitas de género Plasmodium e transmitida por mosquitos fêmea do género Anopheles. A doença é endémica em regiões tropicais e intertropicais e constituí uma das maiores causas de morbilidade e mortalidade principalmente no continente Africano. Segundo os dados da OMS ocorrem anualmente 300 a 500 milhões de casos clínicos e um milhão de mortes. Durante a gravidez, a malária é frequente e mais grave, com maior incidência nos países da África subsaariana. As mulheres grávidas têm maior risco de contrair a doença e muitas vezes em formas mais graves com associação à anemia. O objectivo deste estudo foi caracterizar a ocorrência dos casos de malária em mulheres grávidas submetidas ao tratamento intermitente preventivo (TIP) com a Sulfadoxina/ Pirimetamina (SP) nas Províncias de Benguela e Huíla. Neste estudo constatamos que todas as grávidas que participaram tinham tido episódios de malária antes da gravidez quer na província de Benguela tal como na província da Huíla. No total, 633 mulheres grávidas foram analisadas e apresentavam um valor de hemoglobina abaixo dos 14g/dl. A prevalência de malária em grávidas sujeitas a TIP foi significativamente menor (p< 0.01) do que nas grávidas que não a fizeram, respectivamente 4,5% e 10,0%, conforme esperado e descrito anteriormente por outros autores. Todos os casos de malária detectados corresponderam a Plasmodium falciparum, não se tendo verificado nenhuma infecção mista, de acordo com os métodos utilizados. O valor médio da hemoglobina nas grávidas foi inferior ao esperado em grávidas seguidas em consulta pré-natal, e existe uma diferença significativa entre os valores encontrados na Província de Benguela e da Huíla (significativamente mais elevados nesta última). O teste rápido Paracheck-pf detectou a presença de Plasmodium falciparum em maior número do que a microscopia óptica. Por constrangimentos logísticos, o número de amostras submetidas a teste molecular (PCR) não foi suficiente para se tirarem conclusões.

the liver endoplasmic reticulum in malaria liver infection

Malaria, a disease caused by Plasmodium, represents a major health problem with a still disconcertingly high mortality rate (655 000 malaria deaths were estimated by the World Health Organization in 2012), mainly in Africa [1]. After a bite by an infected Anopheles mosquito occurs, Plasmodium sporozoites reach their target organ, the liver, within minutes. After traversing several hepatocytes, the parasite invades a final one and establishes a parasitophorous vacuole, where it replicates exponentially generating thousands of infective merozoites, the red blood cell infectious forms that are released in the blood stream. The liver stage is the first obligatory phase of malaria infection and, although no symptoms are associated with it, it is absolutely crucial to the establishment of a successful infection.(...)

Unraveling maternal and fetal genetic factors protecting from Pregnancy Associated Malaria in the mouse

Malaria is one of the most devastating diseases in the world. In Plasmodium endemic regions, pregnant women are among the most vulnerable groups. Pregnancy Associated Malaria (PAM) threatens both maternal and foetal lives. Despite differences between human and mouse placentas PAM mouse models recapitulate key pathological features of human PAM. Here we describe new PAM models of mid gestation infection in the C57BL/6 mouse.(...)

A Natural Protective Mechanism Against Malaria

Malaria is an infectious disease of humans and other animals including birds, reptiles and most mammals. It is transmitted via the inoculation of Plasmodium sporozoites into the skin through the bite of an infected female Anopheles mosquito. Although every year, around 700.000 lives are perished, mainly children under the age of 3-5 years old, to Plasmodium infection this deadly parasite has a relatively low efficiency of transmission from mosquitoes into humans.(...)

Os Sistemas de Informação Geográfica e Detecção Remota na Determinação das Regiões de Risco por Malária na Guiné-Bissau

A malária é uma doença infecciosa complexa, que resulta do “vírus” plasmodium, e manifesta-se sob cinco tipos distintos de espécies protozoários (plasmodium vivax, plasmodium ovale, plasmodium falciparum, plasmodium malariae e plasmodium Knowlesi), atacando sobretudo os glóbulos vermelhos. Considerada a quinta maior causa de morte por doenças infecciosas em todo o mundo após doenças respiratórias, VIH/SIDA, doenças diarreicas e tuberculose, no continente africano, a malária é considerada a segunda causa do aumento da mortalidade, após VIH/SIDA. No caso particular da Guiné-Bissau, esta constitui a principal causa do incremento da morbilidade e da mortalidade naquele país, onde, em 2012 foram notificados 129.684 casos de paludismo, dos quais 370 resultaram em óbitos. Partindo da realidade acima constatada, em particular, da complexidade e o impacto global da doença associada a uma forte mortalidade e morbilidade, concluiu-se ser necessário abordar esta temática, utilizando os SIG e a DR no sentido de determinar as regiões de elevado risco. Entendeu-se serem necessárias novas abordagens e novas ferramentas de análise dos dados epidemiológicos e consequentemente novas metodologias que possibilitem a determinação de áreas de risco por malária. O presente estudo, pretende demonstrar o papel dos SIG e DR na determinação das regiões de risco por malária. A metodologia utilizada centrou-se numa abordagem quantitativa baseada na hierarquização das variáveis. Pretende-se, assim abordar os impactos da malária e simultaneamente demonstrar as potencialidades dos SIG e das ferramentas de Análise Espacial no estudo da disseminação da mesma na Guiné-Bissau.

Desenvolvimento de um teste de diagnóstico rápido para a deteção de malária em amostras clínicas

A malária é uma doença infeciosa transmitida através da picada de um mosquito fêmea Anopheles infetado com o parasita protozoário do género Plasmodium (P.), sendo o P. falciparum a espécie mais mortal. É responsável pela morte de milhares de pessoas por ano, nomeadamente nos países em vias desenvolvimento, países esses que não detêm as condições necessárias para a prática da microscopia ótica em larga escala, que continua nos dias de hoje a ser a técnica de eleição para o diagnóstico da doença. A conceção de testes de baixo custo e de fácil utilização tais como os testes de diagnóstico rápido (TDR) são uma mais-valia no diagnóstico deste tipo de doenças. A presente dissertação centra-se no desenvolvimento de um TDR num formato competitivo, baseado em nanopartículas de ouro (AuNP) funcionalizadas com ácido mercaptoundecanoico (MUA) ou com o pentapétido Cys-Ala-Leu-Asn-Asn (CALNN) e conjugadas com um anticorpo monoclonal anti-PfHRP2 que reconhece especificamente a proteína rica em histidina 2 produzida pelo P. falciparum (PfHRP2). Para isso, utilizou-se uma tecnologia inovadora na conceção do TDR, a tecnologia lab on paper, que utiliza o papel Whatman nº1. Os estudos de estabilidade de AuNP funcionalizadas com citrato de sódio, MUA ou CALNN por variação da força iónica e pH do meio mostraram que o pentapéptido CALNN é o agente de revestimento mais resistente a oscilações de força iónica, comparativamente com o citrato de sódio e o MUA e que apenas as AuNP revestidas com citrato de sódio atingiram o ponto de agregação ao pKa da molécula de revestimento. Os principais resultados obtidos aquando do desenvolvimento do TDR revelaram que o valor de diluição ótima de anticorpo anti-IgG (solução mãe a 11 mg.mL-1) imobilizado na linha de controlo é de 1:40 e 1:90, utilizando para deteção os bionanoconjugados AuNP-MUA-Anticorpo e AuNP-CALNN-Anticorpo, respetivamente. Com a aplicação da solução AuNP-CALNN-Anticorpo visualizou-se o aparecimento de cor vermelha na linha de teste, o que demonstra a deteção do antigénio pelos bionanoconjugados. A deteção ocorreu com a aplicação de 2,5 μL de PfHRP2 a 1,5 mg.mL-1. Numa análise global após a aplicação de culturas de sangue não infetadas ou infetadas com o parasita da malária, obteve-se cor na linha de controlo com uma diluição de 1:20 do anticorpo anti-IgG imobilizado. Em relação à linha de teste, na presença de culturas não infetadas, obteve-se sinal na mesma aplicando bionanoconjugados AuNP-MUA-Anticorpo e 2,5 μL de PfHRP2 a 2,6 mg.ml-1.

Mediadores Pró-inflamatórios como factores preditivos de malária grave em crianças

A malária é uma doença potencialmente fatal, causada pelo parasita Plasmodium e transmitida ao ser humano pela picada do mosquito Anopheles, sendo endémica em 106 países, principalmente dos trópicos. É responsável por uma grande mortalidade e morbilidade em termos globais, principalmente em crianças com menos de cinco anos, continuando por esclarecer muitos dos mecanismos que contribuem para o seu espectro de gravidade. O presente trabalho teve como objectivo geral o estudo do perfil de mediadores pró-inflamatórios como possíveis factores preditivos de malária grave, definida pelos critérios da OMS, numa amostra de crianças da vila de Bor, na Guiné-Bissau. Procedeu-se à determinação dos níveis de anticorpos totais e IgG e IgM anti- P. falciparum, determinação dos níveis de óxido nítrico (NO) e estudo do processo de activação do sistema complemento pela determinação dos níveis de anafilatoxina C5a e proteína C reactiva (CRP). Cumpriram os critérios iniciais de inclusão no estudo, treze crianças, tendo para a fase final do mesmo, sido considerados doze crianças, com uma mediana de idades de cinco anos, oriundos na sua maioria de famílias com baixo nível socioeconómico. As principais manifestações clínicas de malária grave foram a prostração, icterícia e a dispneia e todas as crianças foram tratadas com quinino endovenoso. Verificou-se um óbito. Nesta amostra de doentes, observou-se na maioria dos casos, um aumento dos mediadores inflamatórios doseados, nomeadamente as IgGs totais, IgG e IgM anti- P. falciparum, CRP, C5a e NO. Apesar do reduzido tamanho da amostra, pretendeu-se com este estudo contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos fisiopatológicos e clínicos da malária grave em crianças de uma zona endémica como é a Guiné-Bissau.