Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

Oxidative stress in gastric mucosa of asymptomatic humans infected with Helicobacter pylori: effect of bacterial eradication.

BACKGROUND: Inducible nitric oxide synthase (iNOS) and interleukin 8 (IL-8) are positive in approximately 50% of Helicobacter pylori-related diseases but it is not clear whether oxidative stress is also present in H. pylori asymptomatic humans. Our aim was to study the expression of iNOS, superoxide dismutase, catalase and IL-8 production in H. pylori-infected asymptomatic humans, and to investigate the effect of eradication of H. pylori. MATERIALS AND METHODS: Biopsies of corpus and antrum of asymptomatic H. pylori positive and negative humans served for determination of the gastritis score and H. pylori status; iNOS was measured by reverse transcriptase polymerase chain reaction and immunohistochemistry and superoxide dismutase and catalase by immunohistochemistry. IL-8 in biopsies was assessed by enzyme-linked immunosorbent assay. RESULTS: Immunostaining of iNOS, catalase and superoxide dismutase was significantly associated with H. pylori infection and was localized to inflammatory cells. IL-8 concentrations were greater in the H. pylori positive than H. pylori negative group and decreased after bacterial eradication. A decrease in staining for iNOS and catalase was observed after H. pylori eradication. CONCLUSIONS: INOS and antioxidant enzymes are present in gastric biopsies of asymptomatic H. pylori positive humans. Eradication caused a significant decrease in staining for iNOS and catalase. These results indicate that oxidative stress occurs in asymptomatic patients and can be modulated by H. pylori eradication.

Molecular detection of enteropathogenic Escherichia coli in asymptomatic captive psittacines

Psittaciformes are one of the most endangered groups of birds, and several Brazilian species are classified between vulnerable and critically endangered. It is thus necessary to identify agents that cause infections in captive wild animals and to assess the risks posed thereof and to design interventions to minimize the possibility of disease outbreaks, leading to the conservation of endangered species. The purpose of this study was to identify enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) cloacal isolates from asymptomatic psittacines in captivity and evaluate the distribution of the EPEC pathotype. Cloacal swabs were obtained from 46 asymptomatic birds, and resulting isolates were tested by polymerase chain reaction (PCR) for the presence of the attaching and effacing gene (eae) and bundle-forming pilus structural gene (bfpA) of EPEC. Samples from several species were tested, and three samples were found to be positive for the eae and bfpA genes and characterized as typical EPEC. This is the first report of this pathotype in asymptomatic psittacines. Although certain E. coli strains are more pathogenic than others, various factors should be considered when determining the potential of E. coli isolates to cause disease in captive psittacines. Birds that are positive for the EPEC (typical) strain could be zoonotic sources of infection, and may have acquired these strains through contact with humans or domestic animals. These findings may also be valuable for the long-term management of endangered species ex situ as one EPEC sample was isolated from a Red-tailed Amazon (Amazona brasiliensis).

Analysis of hematologic and serum chemistry values of Spheniscus magellanicus with molecular detection of avian malarial parasites (Plasmodium spp.)

Magellanic penguins (Spheniscus magellanicus) routinely migrate from their breeding colonies to Southern Brazil often contracting diseases during this migration, notably avian malaria, which has been already reported in Brazil and throughout the world. Detection of Plasmodium spp. in blood smears is the routine diagnostic method of avian malaria, however it has a low sensitivity rate when compared to molecular methods. Considering the negative impact of avian malaria on penguins, the aim of this study was to detect the presence of Plasmodium spp. in Magellanic penguins using Polymerase Chain Reaction (PCR) and by verifying clinical, hematological, and biochemical alterations in blood samples as well as to verify the likely prognosis in response to infection. Blood samples were obtained from 75 penguins to determine packed cell volume (PCV), red blood cell (RBC) and white blood cell (WBC) counts, mean corpuscular volume (MCV), uric acid, total protein, albumin, globulin and aspartate aminotransferase (AST) activity levels. Whole blood samples were used for PCR assays. Plasmodium spp. was detected in 32.0% of the specimens using PCR and in 29.3% using microscopic analyses. Anorexia, diarrhea and neurological disorders were more frequent in penguins with malaria and a significant weight difference between infected and non-infected penguins was detected. PCV and MCV rates showed no significant difference. RBC and WBC counts were lower in animals with avian malaria and leukopenia was present in some penguins. Basophil and lymphocyte counts were lower in infected penguins along with high monocyte counts. There was no significant difference in AST activities between infected and non-infected animals. There was a significant increase in uric acid values, however a decrease in albumin values was observed in infected penguins. Based on this study, we concluded that Plasmodium spp. occurs in Magellanic penguins of rehabilitation centers in Southeastern Brazil, compromising the weight of infected animals with clinical alterations appearing in severe cases of this disease. It was also noted that, although the hematological abnormalities presented by these animals may not have been conclusive, leukopenia, monocytosis and the decrease of basophils and lymphocytes revealed an unfavorable prognosis, and Plasmodium spp. infections may progress with elevated uric acid concentration and low albumin levels.

Reproductive efficiency of asymptomatic Theileria equi carriers mares submitted to an embryo transfer program

This study aimed to assess and evaluate the effects of Theileria equi infection on embryonic recovery, gestation and early embryonic loss. Thirteen Mangalarga Marchador Theileria equi positive donors (diagnosed through nested-PCR) and 40 embryos receptors were used. Donors were submitted to two embryo collections in two consecutive estrous cycles (GId); after, the same mares were treated with imidocarb dipropionate (1.2mg/kg IM.) in order to collect more embryos in two more estrous cycles (GIId). Receptors were divided into two groups (control and with treated) with 20 animals each, where one group was the control (GIr) and the other one (GIIr) treated with 1.2mg/kg IM of imidocarb dipropionate assessing the gestation rate at 15, 30, 45 and 60 days. After 52 embryo collections, the embryonic recovery rates were 53.84% (14/26) and 65.38% (17/26) (p> 0.05) for GId and GIId, respectively. The gestation rate was 70% (14/20) (p>0.05) at 15, 30, 45 and 60 days in group GIr and for GIIr was 85% (17/20) (p>0.05) at 15 days, 80% (16/20) (p>0.05) at 30, 45 and 60 days. The treatment with imidocarb dipropionate did not cause significant improvement in the reproductive efficiency at an ET program.

Outcome of human papillomavirus infection among men in the Finnish Family HPV Study

Ihmisen papilloomaviruksen taudinkuva suomalaisperheiden seurantatutkimuksen mieskohortissa Tieto ihmisen papilloomaviruksen (HPV) yhteydestä eri anatomisten alueiden sairauksien syntyyn on lisännyt mielenkiintoa miehen papilloomavirustulehduksen taudinkulun selvittämiseksi. Tämä väitöskirjatyö on osa suomalaista seurantatutkimusta, jossa tutkitaan HPVinfektioiden tartuntareittejä 329 perheessä. Väitöstyössä keskitytään tutkimukseen osallistuneiden 131 miehen aineistoon. Suun limakalvonäytteet otettiin seitsemässä aikapisteessä. Lisäksi otettiin sukuelinalueen näytteet kahdella seurantakäynnillä. Riskitekijöitä kartoittava kyselytutkimus teetettiin tutkimuksen alkutilanteessa sekä viimeisellä seurantakäynnillä. Oireettomat HPV infektiot olivat alkutilanteessa yleisiä molemmilla sukupuolilla (miesten suu 18,3 % ja sukuelinalue 35,9 %, naisten suu 17,2 % ja kohdunsuu 18,8 %), mutta HPV:n genotyyppien vastaavuus partnerien välillä oli vähäinen. Naisen, mutta ei miehen, seksuaalinen riskikäyttäytyminen oli yhteydessä pariskunnan HPV tyyppien vastaavuuteen. Partnerin ja siviilisäädyn vaihtaminen lisäsivät miehen riskiä saada uusia HPV infektioita. Miehen suun limakalvonäytteistä löytyi kaikkiaan 17 eri HPV tyyppiä. Suun HPV-tulehduksen esiintyvyys vaihteli eri aikapisteissä 15 %:sta 31 %:iin. Uusien HPV tulehdusten ilmaantumisaika vaihteli 3,9 ja 25,7 kuukauden välillä. Suun HPV infektio parani valtaosalla miehistä. Suun krooninen HPV-infektio todettiin 14 %:lla miehistä. Näiden infektioiden keskimääräinen kesto vaihteli 6.0:sta 30.7:ään kuukauteen. Tupakointi lisäsi korkean riskin HPV tyyppien aiheuttamien suun kroonisten infektioiden riskiä, kun taas aikaisemmin sairastetut sukuelinten kondyloomat suojasivat siltä. Tuloksemme osoittavat, että miehen oireeton HPV tulehdus on yleinen suussa ja sukuelinten alueella. Vakaa parisuhde suojaa uusilta HPV tulehduksilta. Tupakoinnilla on keskeinen merkitys suun HPV-infektion kroonistumisessa.

Characterization of Plasmodium falciparum glutamate dehydrogenase-soluble antigen

The major aim of this study was to characterize a soluble Plasmodium falciparum antigen from the plasma of malaria-infected humans and Plasmodium falciparum culture supernatants, using immunoabsorbent techniques and Western blotting. An Mr 60-kDa protein was isolated from the plasma of patients with Plasmodium falciparum malaria by affinity chromatography using rabbit anti-Proteus spp GDH(NADP+) serum as ligand. This protein, present in plasma of patients with acute Plasmodium falciparum infection, in Plasmodium falciparum culture supernatants, and in immune complexes, was tested with Plasmodium falciparum malaria hyperimmune serum from patients living in hyperendemic areas and rabbit anti-Proteus spp GDH(NADP+) serum prepared in the laboratory. In this report, we describe the results of a study showing that parasite GDH(NADP+) can be used to detect the presence of Plasmodium falciparum. It appears that this technique permits the chromatographic detection of a Plasmodium falciparum excretion antigen that may be used in the production of monoclonal antibodies to improve immunodiagnostic assays for the detection of antigenemia, and opens the possibility of its use as a non-microscopic screening method.

Mathematical modeling and optimal control of malaria

Malaria continues to infect millions and kill hundreds of thousands of people worldwide each year, despite over a century of research and attempts to control and eliminate this infectious disease. Challenges such as the development and spread of drug resistant malaria parasites, insecticide resistance to mosquitoes, climate change, the presence of individuals with subpatent malaria infections which normally are asymptomatic and behavioral plasticity in the mosquito hinder the prospects of malaria control and elimination. In this thesis, mathematical models of malaria transmission and control that address the role of drug resistance, immunity, iron supplementation and anemia, immigration and visitation, and the presence of asymptomatic carriers in malaria transmission are developed. A within-host mathematical model of severe Plasmodium falciparum malaria is also developed. First, a deterministic mathematical model for transmission of antimalarial drug resistance parasites with superinfection is developed and analyzed. The possibility of increase in the risk of superinfection due to iron supplementation and fortification in malaria endemic areas is discussed. The model results calls upon stakeholders to weigh the pros and cons of iron supplementation to individuals living in malaria endemic regions. Second, a deterministic model of transmission of drug resistant malaria parasites, including the inflow of infective immigrants, is presented and analyzed. The optimal control theory is applied to this model to study the impact of various malaria and vector control strategies, such as screening of immigrants, treatment of drug-sensitive infections, treatment of drug-resistant infections, and the use of insecticide-treated bed nets and indoor spraying of mosquitoes. The results of the model emphasize the importance of using a combination of all four controls tools for effective malaria intervention. Next, a two-age-class mathematical model for malaria transmission with asymptomatic carriers is developed and analyzed. In development of this model, four possible control measures are analyzed: the use of long-lasting treated mosquito nets, indoor residual spraying, screening and treatment of symptomatic, and screening and treatment of asymptomatic individuals. The numerical results show that a disease-free equilibrium can be attained if all four control measures are used. A common pitfall for most epidemiological models is the absence of real data; model-based conclusions have to be drawn based on uncertain parameter values. In this thesis, an approach to study the robustness of optimal control solutions under such parameter uncertainty is presented. Numerical analysis of the optimal control problem in the presence of parameter uncertainty demonstrate the robustness of the optimal control approach that: when a comprehensive control strategy is used the main conclusions of the optimal control remain unchanged, even if inevitable variability remains in the control profiles. The results provide a promising framework for the design of cost-effective strategies for disease control with multiple interventions, even under considerable uncertainty of model parameters. Finally, a separate work modeling the within-host Plasmodium falciparum infection in humans is presented. The developed model allows re-infection of already-infected red blood cells. The model hypothesizes that in severe malaria due to parasite quest for survival and rapid multiplication, the Plasmodium falciparum can be absorbed in the already-infected red blood cells which accelerates the rupture rate and consequently cause anemia. Analysis of the model and parameter identifiability using Markov chain Monte Carlo methods is presented.

Effects of autacoid inhibitors and of an antagonist on malaria infection in mice

The effects of p-chlorophenylalanine, an inhibitor of serotonin synthesis, indomethacin, an inhibitor of prostaglandin synthesis, cyproheptadine, a serotonin, bradykinin and histamine antagonist, were assessed separately and in combination with chloroquine (CQ) in Vom strains of Swiss albino mice (18-22 g) of either sex infected intraperitoneally with 1 x 10(7) Plasmodium yoelii nigeriensis-induced malaria. As prophylactic, these agents reduced from 31.9 ± 4.5 to 16.1 ± 8.1% the level of parasitemia relative to control but had no appreciable activity as curative agents when administered subcutaneously once daily for 4 days after 72 h of parasites innoculum in vivo. However, CQ alone and the combination of these agents with CQ in curative and prophylactic treatments significantly reduced (from 50.3 ± 5.8 to 4.9 ± 0.75%) the level of parasitemia (P < 0.05), which was taken only once 72 h after the parasites innoculum. The prophylactic result was shown to produce better results than the curative treatment. The data indicate that inhibitors and an antagonist can reduce the parasitemia load (the extent of damage and the severity of infection) as well as enhance the effects of CQ when combined with it for malaria therapy. The study reveals that the production of autacoids in established infection renders autacoid inhibitors and an antagonist ineffective for radical cure in malarial mice; however, selective inhibition of local hormones implicated in the pathological manifestations of malaria infection by autacoid inhibitors and an antagonist may be a possible pathway to reduce the severity of infection and the associated tissue damage and to enhance the efficacy of available anti-malarials.

Cytoadhesion of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes and the infected placenta: a two-way pathway

Malaria is undoubtedly the world's most devastating parasitic disease, affecting 300 to 500 million people every year. Some cases of Plasmodium falciparum infection progress to the deadly forms of the disease responsible for 1 to 3 million deaths annually. P. falciparum-infected erythrocytes adhere to host receptors in the deep microvasculature of several organs. The cytoadhesion of infected erythrocytes to placental syncytiotrophoblast receptors leads to pregnancy-associated malaria (PAM). This specific maternal-fetal syndrome causes maternal anemia, low birth weight and the death of 62,000 to 363,000 infants per year in sub-Saharan Africa, and thus has a poor outcome for both mother and fetus. However, PAM and non-PAM parasites have been shown to differ antigenically and genetically. After multiple pregnancies, women from different geographical areas develop adhesion-blocking antibodies that protect against placental parasitemia and clinical symptoms of PAM. The recent description of a new parasite ligand encoded by the var2CSA gene as the only gene up-regulated in PAM parasites renders the development of an anti-PAM vaccine more feasible. The search for a vaccine to prevent P. falciparum sequestration in the placenta by eliciting adhesion-blocking antibodies and a cellular immune response, and the development of new methods for evaluating such antibodies should be key priorities in mother-child health programs in areas of endemic malaria. This review summarizes the main molecular, immunological and physiopathological aspects of PAM, including findings related to new targets in the P. falciparum var gene family. Finally, we focus on a new methodology for mimicking cytoadhesion under blood flow conditions in human placental tissue.

Cardiac and pulmonary alterations in symptomatic and asymptomatic dogs infectednaturally with Leishmania (Leishmania) chagasi

Fifteen symptomatic and seven asymptomatic dogs infected naturally with Leishmania chagasi were examined in order to identify the presence of parasites and changes in heart and lung. Histopathological, cytological, and immunohistochemical analyses were performed on samples of heart and lung tissues. An inflammatory reaction characterized by inflammatory mononuclear, perivascular and intermuscular infiltrates was observed in both symptomatic and asymptomatic animals on histopathological analysis of the heart. In the lung, there was thickening of the alveolar septa due to congestion, edema, inflammatory infiltrate, and fibroblast proliferation. A focal reaction was observed although a diffuse reaction was present in both groups. On cytological examination, heart and lung imprints revealed amastigotes in two symptomatic animals and heart imprints were found in 1 asymptomatic dog. Immunoperoxidase staining showed amastigotes in the lung and heart of only 1 of 6 symptomatic animals examined. Within the ethical principles and limits of this research, it can be inferred that the study of heart and lung alterations in canine visceral leishmaniasis is increasingly important for understanding the problem related to humans. Dogs with visceral leishmaniasis were a good experimental model, since infection was caused by the same agent and the animals developed clinical, pathological and immunological alterations similar to those observed in humans.

Prévalence et facteurs de risque de l'infection par Coxiella Burnettii chez les ruminants d'élevage au Québec

Coxiella burnetii est une bactérie zoonotique affectant un grand nombre d’espèces animales. Chez les ruminants domestiques, l’infection est généralement asymptomatique, mais parfois associée à des problèmes reproducteurs. Néanmoins, le cycle de transmission de l’infection chez ceux-ci demeure peu connu. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude auprès de fermes bovines, ovines et caprines dans deux régions administratives du Québec afin d’estimer les prévalences de cette infection et d’identifier les facteurs de risque, aux niveaux individuel et troupeau, associés à la positivité. Nous avons estimé une prévalence de positivité au niveau troupeau de 44.6 % (IC95%=33.0-56.6) chez les bovins, de 70.8 % (IC95% =48.9-87.4) chez les ovins et de 66.7 % (IC95% =22.3-95.7) chez les caprins. Une association a été observée chez les troupeaux bovins entre leur positivité et la densité de petits ruminants par kilomètre carré dans un rayon de cinq kilomètres entourant la ferme. Chez les petits ruminants, une association avec la positivité des troupeaux a été observée avec la taille des troupeaux et la présence d’un chien sur la ferme. Au niveau individuel, le nombre de jours en lait ainsi que l’âge des petits ruminants étaient associés à la positivité, et ce dernier facteur était modulé par l’accès des animaux au pâturage. Aucun agrégat spatial de fermes positives n’a été détecté chez aucune des trois espèces. L’infection par Coxiella burnetii est donc fréquente dans les troupeaux de ruminants domestiques québécois et semble associée à certaines pratiques de régie et à la présence, ou proximité, d’autres animaux domestiques.

Étude du rôle de l'interleukine-32 dans l'infection à VIH-1

Les progresseurs lents du VIH-1 sont de rares sujets asymptomatiques pendant plusieurs années sans thérapie antirétrovirale. Parmi ces sujets à progression lente vers le SIDA, il est possible qu’un sous-groupe perde le contrôle de leur infection après plusieurs années de contrôle. Notre laboratoire a analysé l’expression différentielle de différentes protéines et voies moléculaires associées à la perte de contrôle de l’infection: l’interleukine-32 (IL-32) est une cytokine pro-inflammatoire dont le niveau des isoformes alpha et delta a significativement diminué chez les progresseurs lents lors de la perte de contrôle. Par ailleurs, des études antérieures ont attribué, de façon intrigante, à l’IL-32 aussi bien des propriétés anti-VIH-1 que des propriétés immunosuppressives induisant un environnement propice à la réplication du VIH-1. Ce projet de maitrise s’est penché sur l’implication de l’IL-32 dans la progression de l’infection à VIH-1 avec un accent particulier sur les progresseurs lents. Nous avons principalement mesuré les niveaux d’IL-32 des sujets séropositifs comparativement aux sujets VIH négatif et estimé les fonctions de cette cytokine à travers des études longitudinales et de corrélation. Nous avons observé que l’IL-32 total demeure plus élevé chez les séropositifs comparativement aux sujets VIH négatif. Également, l’infection par le VIH-1 entraine une augmentation du niveau d’IL-32 total. De plus, après une année de thérapie antirétrovirale, les taux plasmatiques d’IL-32 total demeurent significativement plus élevés que ceux des sujets VIH négatif. Comme attendu, le taux d’IL-32 total augmente lors de la perte de contrôle de l’infection chez les progresseurs lents. Une forte concentration plasmatique d’IL-32 total coïncide avec: 1) une augmentation du taux plasmatique de sCD14 et de la cytokine pro-inflammatoire IL-6, 2) une baisse du compte cellulaire CD4 et une augmentation de la charge virale. Un taux plasmatique élevé de CCL5 pourrait prédire une faible concentration d’IL-32 total. L’isoforme alpha de l’IL-32 est plus élevée dans le plasma des sujets VIH négatif tandis que l’IL-32 gamma semble induire un environnement pro-inflammatoire et immunosuppressif. Il ressort à l’issue de ces observations que l’augmentation de l’IL-32 total est associée à la progression de l’infection à VIH-1 et pourrait constituer un biomarqueur permettant d’apprécier le pronostic de cette infection.

"Genetic Diversity and Selection in Three Plasmodium vivax Merozoite Surface Protein 7 (Pvmsp-7) Genes in a Colombian Population"

A completely effective vaccine for malaria (one of the major infectious diseases worldwide) is not yet available; different membrane proteins involved in parasite-host interactions have been proposed as candidates for designing it. It has been found that proteins encoded by the merozoite surface protein (msp)-7 multigene family are antibody targets in natural infection; the nucleotide diversity of three Pvmsp-7 genes was thus analyzed in a Colombian parasite population. By contrast with P. falciparum msp-7 loci and ancestral P. vivax msp-7 genes, specie-specific duplicates of the latter specie display high genetic variability, generated by single nucleotide polymorphisms, repeat regions, and recombination. At least three major allele types are present in Pvmsp-7C, Pvmsp-7H and Pvmsp-7I and positive selection seems to be operating on the central region of these msp-7 genes. Although this region has high genetic polymorphism, the C-terminus (Pfam domain ID: PF12948) is conserved and could be an important candidate when designing a subunit-based antimalarial vaccine.

Characterizing PvARP, a novel Plasmodium vivax antigen

Background Plasmodium vivax continues to be the most widely distributed malarial parasite species in tropical and sub-tropical areas, causing high morbidity indices around the world. Better understanding of the proteins used by the parasite during the invasion of red blood cells is required to obtain an effective vaccine against this disease. This study describes characterizing the P. vivax asparagine-rich protein (PvARP) and examines its antigenicity in natural infection. Methods The target gene in the study was selected according to a previous in silico analysis using profile hidden Markov models which identified P. vivax proteins that play a possible role in invasion. Transcription of the arp gene in the P. vivax VCG-1 strain was here evaluated by RT-PCR. Specific human antibodies against PvARP were used to confirm protein expression by Western blot as well as its subcellular localization by immunofluorescence. Recognition of recombinant PvARP by sera from P. vivax-infected individuals was evaluated by ELISA. Results VCG-1 strain PvARP is a 281-residue-long molecule, which is encoded by a single exon and has an N-terminal secretion signal, as well as a tandem repeat region. This protein is expressed in mature schizonts and is located on the surface of merozoites, having an apparent accumulation towards their apical pole. Sera from P. vivax-infected patients recognized the recombinant, thereby suggesting that this protein is targeted by the immune response during infection.