Dissecting the molecular interaction between hepatocytes and Plasmodium liver parasites

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

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.

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.

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.

Estudo da influência da flora intestinal do mosquito Anopheles sp. no estabelecimento da infecção por Plasmodium Berghei

A malária é uma doença infecciosa com um efeito devastador nas áreas afectadas. É provocada pelo protozoário Plasmodium e transmitida pelo insecto vector do género Anopheles. As fêmeas hematófagas ao alimentar-se de um hospedeiro infectado vão dar continuidade ao ciclo de vida do parasita e transmiti-lo a um novo hospedeiro na próxima refeição sanguínea. O intestino médio dos mosquitos é um órgão imunocompetente, onde a presença de microrganismos vai activar o sistema imunitário, determinando a sua capacidade vectorial. Novas abordagens de controlo biológico de doenças transmitidas por vectores parecem ganhar terreno. P. aeruginosa é uma bactéria Gram-negativa, potencialmente patogénica, em especial as estirpes produtoras de muco, sendo um microrganismo modelo em estudos de biofilmes. Estes são caracterizados por conferir tolerância a antibióticos e resistência ao sistema imune do hospedeiro. Com este trabalho pretendeu-se analisar o efeito da influência da flora bacteriana, nomeadamente isolados de Pseudomonas aeruginosa produtores de muco e não produtores, presentes no tracto digestivo de Anopheles sp. e a sua relação com a infecção por P. berghei. Com este estudo é possível afirmar a existência de uma proporcionalidade directa entre a taxa de infecção por P. berghei e a ausência da Microbiota. A presença de Pseudomonas produtoras de muco no intestino médio dos mosquitos demonstrou conferir algum grau de protecção no estabelecimento da infecção, bem como na intensidade da mesma. Contudo, mais estudos necessitam ser realizados e com um maior número de mosquitos, de forma a ultrapassar as limitações impostas pelo tratamento antibacteriano. Possivelmente, a sobreposição de respostas imunes anti-bacterianas e anti-Plasmodium, vão provocar um incremento no sistema imune e limitação das infecções por Plasmodium. Biofilmes bacterianos têm demonstrado a capacidade de aderir e inibir o crescimento de protozoários Uma melhor compreensão do papel da flora microbiana face ao sistema de defesa do hospedeiro poderá contribuir para o desenvolvimento de novas estratégias de controlo da transmissão da malária.