Metabolism of nitro drugs metronidazole and nitazoxanide in Giardia lamblia: characterization of a novel nitroreductase (GlNR2).

OBJECTIVES The protozoan parasite Giardia lamblia causes giardiasis, a persistent diarrhoea. Nitro drugs such as the nitroimidazole metronidazole and the nitrothiazolide nitazoxanide are used for the treatment of giardiasis. Nitroreductases may play a role in activating these drugs. G. lamblia contains two nitroreductases, GlNR1 and GlNR2. The aim of this work was to elucidate the role of GlNR2. METHODS Expression of GlNR2 was analysed by reverse transcription PCR. Recombinant GlNR2 was overexpressed in G. lamblia and drug susceptibility was analysed. Recombinant GlNR2 was subjected to functional assays. Escherichia coli expressing full-length or truncated GlNR1 and GlNR2 were grown in the presence of nitro compounds. Using E. coli reporter strains for nitric oxide and DNA damage responses, we analysed whether GlNR1 and GlNR2 elicited the respective responses in the presence, or absence, of the drugs. RESULTS G. lamblia trophozoites overexpressing GlNR2 were less susceptible to both nitro drugs as compared with control trophozoites. GlNR2 was a functional nitroreductase when expressed in E. coli. E. coli expressing GlNR1 was more susceptible to metronidazole under aerobic and semi-aerobic and to nitazoxanide under semi-aerobic growth conditions. E. coli expressing GlNR2 was not susceptible to either drug. In reporter strains, GlNR1, but not GlNR2, elicited nitric oxide and DNA repair responses, even in the absence of nitro drugs. CONCLUSIONS These findings suggest that GlNR2 is an active nitroreductase with a mode of action different from that of GlNR1. Thus, susceptibility to nitro drugs may depend not only on activation, but also on inactivation of the drugs by specific nitroreductases.

Development of a high- versus low-pathogenicity model of the free-living amoeba Naegleria fowleri

Species in the genus Naegleria are free-living amoebae of the soil and warm fresh water. Although around 30 species have been recognized, Naegleria fowleri is the only one that causes primary amoebic meningoencephalitis (PAM) in humans. PAM is an acute and fast progressing disease affecting the central nervous system. Most of the patients die within 1-2 weeks of exposure to the infectious water source. The fact that N. fowleri causes such fast progressing and highly lethal infections has opened many questions regarding the relevant pathogenicity factors of the amoeba. In order to investigate the pathogenesis of N. fowleri under defined experimental conditions, we developed a novel high- versus low-pathogenicity model for this pathogen. We showed that the composition of the axenic growth media influenced growth behaviour and morphology, as well as in vitro cytotoxicity and in vivo pathogenicity of N. fowleri. Trophozoites maintained in Nelson's medium were highly pathogenic for mice, demonstrated rapid in vitro proliferation, characteristic expression of surface membrane vesicles and a small cell diameter, and killed target mouse fibroblasts by both contact-dependent and -independent destruction. In contrast, N. fowleri cultured in PYNFH medium exhibited a low pathogenicity, slower growth, increased cell size and contact-dependent target cell destruction. However, cultivation of the amoeba in PYNFH medium supplemented with liver hydrolysate (LH) resulted in trophozoites that were highly pathogenic in mice, and demonstrated an intermediate proliferation rate in vitro, diminished cell diameter and contact-dependent target cell destruction. Thus, in this model, the presence of LH resulted in increased proliferation of trophozoites in vitro and enhanced pathogenicity of N. fowleri in mice. However, neither in vitro cytotoxicity mechanisms nor the presence of membrane vesicles on the surface correlated with the pathologic potential of the amoeba. This indicated that the pathogenicity of N. fowleri remains a complex interaction between as-yet-unidentified cellular mechanisms.

Genome-wide identification of pathogenicity factors of the free-living amoeba Naegleria fowleri.

BACKGROUND The free-living amoeba Naegleria fowleri is the causative agent of the rapidly progressing and typically fatal primary amoebic meningoencephalitis (PAM) in humans. Despite the devastating nature of this disease, which results in > 97% mortality, knowledge of the pathogenic mechanisms of the amoeba is incomplete. This work presents a comparative proteomic approach based on an experimental model in which the pathogenic potential of N. fowleri trophozoites is influenced by the compositions of different media. RESULTS As a scaffold for proteomic analysis, we sequenced the genome and transcriptome of N. fowleri. Since the sequence similarity of the recently published genome of Naegleria gruberi was far lower than the close taxonomic relationship of these species would suggest, a de novo sequencing approach was chosen. After excluding cell regulatory mechanisms originating from different media compositions, we identified 22 proteins with a potential role in the pathogenesis of PAM. Functional annotation of these proteins revealed, that the membrane is the major location where the amoeba exerts its pathogenic potential, possibly involving actin-dependent processes such as intracellular trafficking via vesicles. CONCLUSION This study describes for the first time the 30 Mb-genome and the transcriptome sequence of N. fowleri and provides the basis for the further definition of effective intervention strategies against the rare but highly fatal form of amoebic meningoencephalitis.

Cholesterol starvation induces differentiation of the intestinal parasite Giardia lamblia.

Giardia lamblia, like most human intestinal parasitic protozoa, sustains fundamental morphological and biochemical changes to survive outside the small intestine of its mammalian host by differentiating into an infective cyst. However, the stimulus that triggers this differentiation remains totally undefined. In this work, we demonstrate the induction of cyst formation in vitro when trophozoites are starved for cholesterol. Expression of cyst wall proteins was detected within encystation-specific secretory vesicles 90 min after the cells were placed in lipoprotein-deficient TYI-S-33 medium. Four cloned lines derived from two independent Giardia isolates were tested, and all formed cysts similarly. Addition of cholesterol, low density or very low density lipoproteins to the lipoprotein-deficient culture medium, inhibited the expression of cyst wall proteins, the generation of encystation-specific vesicles, and cyst wall biogenesis. In contrast, high density lipoproteins, phospholipids, bile salts, or fatty acids had little or no effect. These results indicate that cholesterol starvation is necessary and sufficient for the stimulation of Giardia encystation in vitro and, likely, in the intestine of mammalian hosts.

Transfection and continuous expression of heterologous genes in the protozoan parasite Entamoeba histolytica.

To provide tools for functional molecular genetics of the protozoan parasite Entamoeba histolytica, we investigated the use of the prokaryotic neomycin phosphotransferase (NEO) gene as a selectable marker for the transfection of the parasite. An Escherichia coli-derived plasmid vector was constructed (pA5'A3'NEO) containing the NEO coding region flanked by untranslated 5' and 3' sequences of an Ent. histolytica actin gene. Preceding experiments had revealed that amoebae are highly sensitive to the neomycin analogue G418 and do not survive in the presence of as little as 2 micrograms/ml. Transfection of circular pA5'A3'NEO via electroporation resulted in Ent. histolytica trophozoites resistant to G418 up to 100 micrograms/ml. DNA and RNA analyses of resistant cells indicated that (i) the transfected DNA was not integrated into the amoeba genome but was segregated episomally, (ii) in the amoebae, the plasmid replicated autonomously, (iii) the copy number of the plasmid and the expression of NEO-specific RNA were proportional to the amount of G418 used for selection, and (iv) under continuous selection, the plasmid was propagated over an observation period of 6 months. Moreover, the plasmid could be recloned into E. coli and was found to be unrearranged. To investigate the use of pA5'A3'NEO to coexpress other genes in Ent. histolytica, a second marker, the prokaryotic chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene under control of an Ent. histolytica lectin gene promoter was introduced into the plasmid. Transfection of the amoebae with this construct also conferred G418 resistance and, in addition, allowed continuous expression of CAT activity in quantities corresponding to the amount of G418 used for selection. When selection was discontinued, transfected plasmids were lost as indicated by an exponential decline of CAT activity in trophozoite extracts.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Identification of differentially expressed genes in a Giardia lamblia WB C6 clone resistant to nitazoxanide and metronidazole.

OBJECTIVES The characterization of differential gene expression in Giardia lamblia WB C6 strain C4 resistant to metronidazole and nitazoxanide using microarray technology and quantitative real-time PCR. METHODS In a previous study, we created and characterized the G. lamblia WB C6 clone C4 resistant to nitazoxanide and metronidazole. In this study, using a microarray-based approach, we have identified open-reading frames (ORFs) that were differentially expressed in C4 when compared with its wild-type WB C6. Using quantitative real-time PCR, we have validated the expression patterns of some of those ORFs, focusing on chaperones such as heat-shock proteins in wild-type and C4 trophozoites. In order to induce an antigenic shift, trophozoites of both strains were subjected to a cycle of en- and excystation. Expression of selected genes and resistance to nitazoxanide and metronidazole were investigated after this cycle. RESULTS Forty of a total of 9115 ORFs were found to be up-regulated and 46 to be down-regulated in C4 when compared with wild-type. After a cycle of en- and excystation, resistance of C4 to nitazoxanide and metronidazole was lost. Resistance formation and en-/excystation were correlated with changes in expression of ORFs encoding for major surface antigens such as the variant surface protein TSA417 or AS7 ('antigenic shift'). Moreover, expression patterns of the cytosolic heat-shock protein HSP70 B2, HSP40, and of the previously identified nitazoxanide-binding proteins nitroreductase and protein disulphide isomerase PDI4 were correlated with resistance and loss of resistance after en-/excystation. C4 trophozoites had a higher thermotolerance level than wild-type trophozoites. After en-/excystation, this tolerance was lost. CONCLUSIONS These results suggest that resistance formation in Giardia to nitazoxanide and metronidazole is correlated with altered expression of genes involved in stress response such as heat-shock proteins.

Recent insights into the mucosal reactions associated with Giardia lamblia infections.

Giardia lamblia is an intestinal protozoan parasite infecting humans and various other mammalian hosts. The most important clinical signs of giardiasis are diarrhoea and malabsorption. Giardia lamblia is able to undergo continuous antigenic variation of its major surface antigen, named VSP (variant surface protein). While intestinal antibodies, and more specifically anti-VSP IgA antibodies, were proven to be involved in modulating antigenic variation of the parasite the participation of the local antibody response in control of the parasite infection is still controversial. Conversely, previous studies based on experimental infections in mice showed that cellular immune mechanisms are essential for elimination of the parasite from its intestinal habitat. Furthermore, recent data indicated that inflammatory mast cells have a potential to directly, or indirectly, interfere in duodenal growth of G. lamblia trophozoites. However, this finding was challenged by other reports, which did not find a correlation between intestinal inflammation and resistance to infection. Since intestinal infiltration of inflammatory cells and/or CD8+T-cells were demonstrated to coincide with villus-shortening and crypt hyperplasia immunological reactions were considered to be a potential factor of pathogenesis in giardiasis. The contribution of physiological factors to pathogenesis was essentially assessed in vitro by co-cultivation of G. lamblia trophozoites with epithelial cell lines. By using this in vitro model, molecular (through surface lectins) and mechanical (through ventral disk) adhesion of trophozoites to the epithelium was shown to be crucial for increased epithelial permeability. This phenomenon as well as other Giardia-induced intestinal abnormalities such as loss of intestinal brush border surface area, villus flattening, inhibition of disaccharidase activities, and eventually also overgrowth of the enteric bacterial flora seem to be involved in the pathophysiology of giardiasis. However, it remains to be elucidated whether at least part of these pathological effects are causatively linked to the clinical manifestation of the disease.

Quantitative assessment of sense and antisense transcripts from genes involved in antigenic variation (vsp genes) and encystation (cwp 1 gene) of Giardia lamblia clone GS/M-83-H7.

Antigenic variation of the intestinal protozoan parasite Giardia lamblia is caused by an exchange of the parasite's variant surface protein (VSP) coat. Many investigations on antigenic variation were performed with G. lamblia clone GS/M-83-H7 which produces surface antigen VSP H7. To generate novel information on giardial vsp gene transcription, vsp RNA levels were assessed by quantitative reverse transcription-(RT)-PCR in both axenic VSP H7-type trophozoites and subvariants obtained after negative selection of GS/M-83-H7 trophozoites by treatment with a cytotoxic, VSP H7-specific monoclonal antibody. Our investigation was not restricted to the assessment of the sense vsp transcript levels but also included an approach aimed at the detection of complementary antisense vsp transcripts within the two trophozoite populations. We found that sense vsp H7 RNA predominated in VSP H7-type trophozoites while sense RNA from only one (vsp IVg) of 8 subvariant vsp genes totally analysed predominated in subvariant-type trophozoites. Interestingly, the two trophozoite populations exhibited a similar relative distribution regarding the vsp H7 and vsp IVg antisense RNA molecules. An analogous sense versus antisense RNA pattern was also observed when the transcripts of gene cwp 1 (encoding cyst wall protein 1) were investigated. Here, both types of RNA molecules only appeared after cwp 1 had been induced through in vitro encystation of the parasite. These findings for the first time demonstrated that giardial antisense RNA production did not occur in a constitutive manner but was directly linked to complementary sense RNA production after activation of the respective gene systems.

Experimental infections of neonatal mice with cysts of Giardia lamblia clone GS/M-83-H7 are associated with an antigenic reset of the parasite.

Transmission of the protozoan parasite Giardia lamblia from one to another host individuum occurs through peroral ingestion of cysts which, following excystation in the small intestine, release two trophozoites each. Many studies have focused on the major surface antigen, VSP (for variant surface protein), which is responsible for the antigenic variability of the parasite. By using trophozoites of G. lamblia clone GS/M-83-H7 (expressing VSP H7) and the neonatal mouse model for experimental infections, we quantitatively assessed the process of antigenic variation of the parasite on the transcriptional level. In the present study, variant-specific regions identified on different GS/M-83-H7 vsp sequences served as targets for quantitative reverse transcription-PCR to monitor alterations in vsp mRNA levels during infection. Respective results demonstrated that antigenic switching of both the duodenal trophozoite and the cecal cyst populations was associated with a massive reduction in vsp H7 mRNA levels but not with a simultaneous increase in transcripts of any of the subvariant vsp genes analyzed. Most importantly, we also explored giardial variant-type formation and vsp mRNA levels after infection of mice with cysts. This infection mode led to an antigenic reset of the parasite in that a VSP H7-negative inoculum "converted" into a population of intestinal trophozoites that essentially consisted of the original VSP H7 type. This antigenic reset appears to be associated with excystation rather than with a selective process which favors expansion of a residual population of VSP H7 types within the antigenically diversified cyst inoculum. Based on these findings, the VSP H7 type has to be regarded as a predominant variant of G. lamblia clone GS/M-83-H7 which (re-)emerges during early-stage infection and may contribute to an optimal establishment of the parasite within the intestine of the experimental murine host.

Use of a novel DNA melting profile assay for the identification of PCR-amplified genomic sequences encoding for variant-specific surface proteins from the clonal GS/M-83-H7 line of Giardia lamblia.

During infections, Giardia lamblia undergoes a continuous change of its major surface antigens, the variant-specific surface proteins (VSPs). Many studies on antigenic variation have been performed using G. lamblia clone GS/M-83-H7, which expresses surface antigen VSP H7. The present study was focused on the identification and characterization of vsp gene sequences within the genome of the clonal G. lamblia GS/M-83-H7 line. For this purpose, we applied a PCR which specifically amplified truncated sequences from the 3'-terminal region of the vsp genes. Upon cloning, most of the vsp gene amplification products were shown to be approximately identical in size and thus could not be distinguished from each other by conventional gel electrophoresis. In order to pre-estimate the sequence complexity within the large panel of vsp clones isolated, we elaborated a novel concept which facilitated our large-scale genetic screening approach: PCR products from cloned DNA molecules were generated and then subjected to a DNA melting profile assay based on the use of the LightCycler Instrument. This high-throughput assay system proved to be well suited to monitor sequence differences between the amplification products from closely related vsp genes and thus could be used for the primary, sequence-related discrimination of the corresponding clones. After testing 50 candidates, vsp clones could be divided into five groups, each characterized by an individual DNA melting profile of the corresponding amplification products. Sequence analysis of some of these 50 candidates confirmed data from the aforementioned assay in that clones were demonstrated to be identical within, but different between, the distinct groups. The nucleotide and deduced amino acid sequences of five representative vsp clones showed high similarities both among each other and also with the corresponding gene segment of the variant-specific surface antigen (VSP H7) expressed by the original GS/M-83-H7 variant type. Furthermore, three of the genomic vsp sequences turned out to be identical to vsp sequences that represented previously characterized transcription products from in vivo- or in vitro-switched GS/M-83-H7 trophozoites. In conclusion, the DNA melting profile assay seems to be a versatile tool for the PCR-based genotyping of moderately or highly diversified sequence orthologues.

Analysis of Acanthamoeba polyphaga surface carbohydrate exposure by FITC-lectin binding and flourescence evaluation

Aims: Characterization of the representative protozoan Acanthamoeba polyphaga surface carbohydrate exposure by a novel combination of flow cytometry and ligand-receptor analysis. Methods and Results: Trophozoite and cyst morphological forms were exposed to a panel of FITC-lectins. Population fluorescence associated with FITC-lectin binding to acanthamoebal surface moieties was ascertained by flow cytometry. Increasing concentrations of representative FITC-lectins, saturation binding and determination of K d and relative Bmax values were employed to characterize carbohydrate residue exposure. FITC-lectins specific for N-acetylglucosamine, N-acetylgalactosamine and mannose/glucose were readily bound by trophozoite and cyst surfaces. Minor incremental increases in FITC-lectin concentration resulted in significant differences in surface fluorescence intensity and supported the calculation of ligand-binding determinants, Kd and relative B max, which gave a trophozoite and cyst rank order of lectin affinity and surface receptor presence. Conclusions: Trophozoites and cysts expose similar surface carbohydrate residues, foremost amongst which is N-acetylglucosamine, in varying orientation and availability. Significance and Impact of the Study: The outlined versatile combination of flow cytometry and ligand-receptor analysis allowed the characterization of surface carbohydrate exposure by protozoan morphological forms and in turn will support a valid comparison of carbohydrate exposure by other single-cell protozoa and eucaryotic microbes analysed in the same manner.

Acanthamoeba polyphaga trophozoite binding of representative fungal single cell forms

Acanthamoeba polyphaga trophozoites bind yeast cells of Candida albicans isolates within a few hours, leaving few cells in suspension or still attached to trophozoite surfaces. The nature of yeast cell recognition, mediated by an acanthamoebal trophozoite mannose binding protein is confirmed by experiments utilizing concentration dependent mannose hapten blocking. Similarly, acapsulate cells of Cryptococcus neoformans are also bound within a relatively short timescale. However, even after protracted incubation many capsulate cells of Cryptococcus remain in suspension, suggesting that the capsulate cell form of this species is not predated by acanthamoebal trophozoites. Further aspects of the association of Acanthamoeba and fungi are apparent when studying their interaction with conidia of the biocontrol agent Coniothyrium minitans. Conidia which readily bind with increasing maturity of up to 42 days, were little endocytosed and even released. Cell and conidial surface mannose as determined by FITC-lectin binding, flow cytometry with associated ligand binding analysis and hapten blocking studies demonstrates the following phenomena. Candida isolates and acapsulate Cryptococcus expose most mannose, while capsulate Cryptococcus cells exhibit least exposure commensurate with yeast cellular binding or lack of trophozoites. Conidia of Coniothyrium, albeit in a localized fashion, also manifest surface mannose exposure but as shown by Bmax values, in decreasing amounts with increasing maturity. Contrastingly such conidia experience greater trophozoite binding with maturation, thereby questioning the primacy of a trophozoite mannose-binding-protein recognition model.

Acanthamoebal surface properties and the modulation of phagocytosis

The surface nature of Acanthamoeba trophozoites and cysts was investigated with respect to cell surface charge, hydrophobicity and surface carbohydrate composition. Particulate microelectrophoresis revealed a marked negative charge for both morphological forms, though less for cyst surfaces. Hydrophobicity was determined by adhesion to n-hexadecane and indicated a relatively low hydrophobic nature of both forms, though less so for cysts. Surface carbohydrate composition was studied by the use of fluorescent lectins and flow cytometry, using a ligand-receptor approach for further in depth analysis of binding of particular lectins. These studies showed trophozoite and cyst surfaces to be rich in N-acetylglucosamine, N-acteylneuraminic acid, mannose and glucose, with the addition of N-acetylgalactosamine on cysts. The importance of such surface properties was investigated with respect to phagocytosis of polystyrene latex microspheres, of different surface types and size. Investigations into the optimum conditions of uptake of beads indicated a preference for a medium devoid of nutrients, such as saline, though temperature was not a factor. An amoebal predilection for beads of lower charge and greater hydrophobicity was demonstrated. Furthermore, a preference for the largest bead size used (2.0 m) was observed. The influence of either Con A or mannose or glucose on bead association was apparently limited. The fate of foreign DNA ingested by Acanthamoeba appeared to indicate that such DNA was destroyed, as it could not be detected following extraction procedures and PCR amplification.

Characterization of Acanthamoeba-microsphere association by multiparameter flow cytometry and confocal microscopy

Background: Acanthamoebae, in common with other protozoa, readily endocytose particulate material, which in turn may lead to the spread of infectious disease. Methods: Evaluation and quantification of plain and carboxylate FITC-microsphere association with acanthamoebal trophzoites was undertaken using a combination of flow cytometry and confocal microscopy. Trophozoites from strains and species of Acanthamoeba were exposed to plain and carboxylate FITC-microspheres. Microsphere size and aspects such as trophozoite starvation, maturity, and exposure to metabolic inhibitors were assessed. Results: All species and strains of Acanthamoeba readily endocytosed plain and carboxylate microspheres. Starving trophozoites significantly increased binding and potential ingestion of microspheres, whereas trophozoites of increasing maturity lost such abilities. Trophozoites showed a significant preference for 2.0- and 3.0-μm-diameter microspheres when compared with other sizes, which in turn could occupy much of the cytoplasm. The physiological inhibitors sodium azide, 2,4-clinitrophenol, and cytochalasin B reduced microsphere association with trophozoites; however, some microspheres still bound and associated with trophozoites after inhibitor exposure, a manifestation of both active and inactive agent involvement in microsphere endocytosis. Conclusions: Even though the origins of microsphere binding by acanthamoebal trophozoite remains shrouded, the combination of flow cytometry and confocal microscopy supported synergistic quantification and qualification of trophozoite-microsphere endocytosis. © 2006 International Society for Analytical Cytology.