Liver accumulation of Plasmodium chabaudi-infected red blood cells and modulation of regulatory T Cell and dendritic cell responses

It is postulated that accumulation of malaria-infected Red Blood Cells (iRBCs) in the liver could be a parasitic escape mechanism against full destruction by the host immune system. Therefore, we evaluated the in vivo mechanism of this accumulation and its potential immunological consequences. A massive liver accumulation of P. c. chabaudi AS-iRBCs (PciRBCs) was observed by intravital microscopy along with an over expression of ICAM-1 on day 7 of the infection, as measured by qRT-PCR. Phenotypic changes were also observed in regulatory T cells (Tregs) and dendritic cells (DCs) that were isolated from infected livers, which indicate a functional role for Tregs in the regulation of the liver inflammatory immune response. In fact, the suppressive function of liver-Tregs was in vitro tested, which demonstrated the capacity of these cells to suppress naive T cell activation to the same extent as that observed for spleen-Tregs. On the other hand, it is already known that CD4+ T cells isolated from spleens of protozoan parasite-infected mice are refractory to proliferate in vivo. In our experiments, we observed a similar lack of in vitro proliferative capacity in liver CD4+ T cells that were isolated on day 7 of infection. It is also known that nitric oxide and IL-10 are partially involved in acute phase immunosuppression; we found high expression levels of IL-10 and iNOS mRNA in day 7-infected livers, which indicates a possible role for these molecules in the observed immune suppression. Taken together, these results indicate that malaria parasite accumulation within the liver could be an escape mechanism to avoid sterile immunity sponsored by a tolerogenic environment.

A study of the anti-plasmodium activity of angiotensin II analogs

Controlling the dissemination of malaria requires the development of new drugs against its etiological agent, a protozoan of the Plasmodium genus. Angiotensin II and its analog peptides exhibit activity against the development of immature and mature sporozoites of Plasmodium gallinaceum. In this study, we report the synthesis and characterization of angiotensin II linear and cyclic analogs with anti-plasmodium activity. The peptides were synthesized by a conventional solid-phase method on Merrifield's resin using the t-Boc strategy, purified by RP-HPLC and characterized by liquid chromatography/ESI (+) MS (LC-ESI(+)/MS), amino acid analysis, and capillary electrophoresis. Anti-plasmodium activity was measured in vitro by fluorescence microscopy using propidium iodine uptake as an indicator of cellular damage. The activities of the linear and cyclic peptides are not significantly different (p < 0.05). Kinetics studies indicate that the effects of these peptides on plasmodium viability overtime exhibit a sigmoidal profile and that the system stabilizes after a period of 1 h for all peptides examined. The results were rationalized by partial least-square analysis, assessing the position-wise contribution of each amino acid. The highest contribution of polar amino acids and a Lys residue proximal to the C-terminus, as well as that of hydrophobic amino acids in the N-terminus, suggests that the mechanism underlying the anti-malarial activity of these peptides is attributed to its amphiphilic character.

Plantas peludas, ¿Por qué y para qué?

Ponente perteneciente a The BIG Van Theroy

Charakterisierung der biologischen Funktion der Plasmodium falciparum Calcium-abhängigen Proteinkinase 1

Im Rahmen dieser Arbeit wurden biologische Funktionen einer Proteinkinase des Erregers der Malaria tropica, genauer der „Plasmodium falciparum calcium dependent protein kinase 1“ (PfCDPK1), in parasitären Blutstadien untersucht.rnUm Einblicke in die Funktion der Kinase, die sie in den extrazellulären Kompartimenten des Parasiten übernimmt, zu gewinnen, wurden sechs Proteine untersucht, die dasselbe Translokationsignal wie PfCDPK1 besitzen. Es konnte gezeigt werden, dass fünf der untersuchten Proteine mit der PfCDPK1 im Bereich der parasitophoren Vakuole sowie des tubovesikulären Systems co-lokalisiert sind. Deletionsmutanten, denen das Translokationssignal fehlte, sowie ein Peptid, das lediglich aus diesem bestand, bestätigten, dass die Translokation in die extrazellulären Kompartimente von keinen weiteren Faktoren, außer dem Signalmotiv abhängt. Mit PfCAP und PfRKIP konnten zwei Regulatoren der PfCDPK1 identifiziert werden. PfARM, Pfrab_5b sowie PfGAP45 sind Substrate der PfCDPK1. Mit Hilfe von massenspektrometrischen Messungen wurde der Phosphorylierungsstatus der untersuchten Proteine durch die PfCDPK1 sowie der Autophosphorylierungsstatus der Kinase bestimmt, um Rückschlüsse auf regulatorische Prozesse ziehen zu können.rnDie Phosphorylierung von PfGAP45 durch die PfCDPK1 steht vermutlich mit dem Invasionsprozess des Parasiten in direktem Zusammenhang, da gezeigt wurde, dass eine Hemmung der Kinase mit PP1 einen 90%igen Rückgang an neu infizierten Erythrozyten zur Folge hatte.rnrn

Bioinformatische Identifizierung und Charakterisierung von Zyklin-abhängigen Kinasen und Zyklinen des Parasiten Eimeria tenella und deren Nutzung im rationalen Wirkstoffdesign

Parasiten der Apicomplexa umfassen sowohl humanpathogene, als auch tierpathogene Protozoen. Beispiele für wichtige Vertreter human- und tierpathogener Parasiten sind Plasmodium falciparum und Eimeria tenella. E. tenella verursacht die Kokzidiose des Hühnchens, eine Darmerkrankung die weltweit für Verluste in einer geschätzten Höhe von bis zu 3 Milliarden US$ verantwortlich zeichnet. Eine prophylaktische Vakzinierung gegen diese Krankheit ist ökonomisch meist ineffizient, und eine Behandlung mit Kokzidiostatika wird durch häufige Resistenzbildung gegen bekannte Wirkstoffe erschwert. Diese Situation erfordert die Entwicklung neuer kostengünstiger Alternativen. Geeignete Zielproteine für die Entwicklung neuartiger Arzneistoffe zur Behandlung der Kokzidiose sind die Zyklin-abhängigen Kinasen (CDKs), zu denen auch die CDK-related Kinase 2 (EtCRK2) aus E. tenella gehört. Diese Proteine sind maßgeblich an der Regulation des Zellzyklus beteiligt. Durch chemische Validierung mit dem CDK Inhibitor Flavopiridol konnte nachgewiesen werden, dass ein Funktionsverlust von CDKs in E. tenella die Vermehrung des Parasiten in Zellkultur inhibiert. E. tenella CDKs sind daher als Zielproteine für die Entwicklung einer Chemotherapie der Kokzidiose geeignet. Mittels bioinformatischer Tiefenanalysen sollten CDK Proteine im Parasiten E. tenella identifiziert werden. Das Genom von E. tenella liegt in Rohfassung vor [ftp://ftp.sanger.ac.uk]. Jedoch waren zum Zeitpunkt dieser Arbeiten viele Sequenzen des Genoms noch nicht annotiert. Homologe CDK Proteine von E. tenella konnten durch den Vergleich von Sequenzinformationen mit anderen Organismen der Apicomplexa identifiziert und analysiert werden. Durch diese Analysen konnten neben der bereits bekannten EtCRK2, drei weitere, bislang nicht annotierte CDKs in E. tenella identifiziert werden (EtCRK1, EtCRK3 sowie EtMRK). Darüber hinaus wurde eine Analyse der entsprechenden Zykline – der Aktivatoren der CDKs – bezüglich Funktion und Struktur, sowie eine Datenbanksuche nach bisher nicht beschriebenen Zyklinen in E. tenella durchgeführt. Diese Suchen ergaben vier neue potentielle Zykline für E. tenella, wovon EtCYC3a als Aktivator der EtCRK2 von María L. Suárez Fernández (Intervet Innovation GmbH, Schwabenheim) bestätigt werden konnte. Sequenzvergleiche lassen vermuten, dass auch EtCYC1 und EtCYC3b in der Lage sind, EtCRK2 zu aktivieren. Außerdem ist anzunehmen, dass EtCYC4 als Aktivator der EtCRK1 fungiert. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Suche und Optimierung nach neuen Inhibitoren von CDKs aus E. tenella. In vorangegangenen Arbeiten konnten bereits Inhibitoren der EtCRK2 gefunden werden [BEYER, 2007]. Mittels Substruktur- und Ähnlichkeitssuchen konnten im Rahmen dieser Arbeit weitere Inhibitoren der EtCRK2 identifiziert werden. Vier dieser Strukturklassen erfüllen die Kriterien einer Leitstruktur. Eine dieser Leitstrukturen gehört zur Strukturklasse der Benzimidazol-Carbonitrile und ist bislang nicht als Inhibitor anderer Kinasen beschrieben. Diese neu identifizierte Leitstruktur konnte in silico weiter optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Bindungsenergien von Vertretern dieser Strukturklasse berechnet, um einen wahrscheinlichen Bindemodus vorherzusagen. Für die weiterführende in silico Optimierung wurde eine virtuelle kombinatorische Substanzbibliothek dieser Klasse erstellt. Die Auswahl geeigneter Verbindungen für eine chemische Synthese erfolgte durch molekulares Docking unter Nutzung von Homologiemodellen der EtCRK2. Darüber hinaus wurde ein in silico Screening nach potentiellen Inhibitoren der PfMRK und EtMRK durchgeführt. Dabei konnten weitere interessante virtuelle Hit-Strukturen aus einer Substanzdatenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen gefunden werden. Durch dieses virtuelle Screening konnten jeweils sieben Verbindungen als virtuelle Hits der PfMRK sowie der EtMRK identifiziert werden. Die Häufung von Strukturklassen mit bekannter CDK Aktivität deutet darauf hin, dass während des virtuellen Screenings eine Anreicherung von CDK Inhibitoren stattgefunden hat. Diese Ergebnisse lassen auf eine Weiterentwicklung neuer Wirkstoffe gegen Kokzidiose und Malaria hoffen.

High gradient magnetic separation (HGMS) of erythrocytes infected with plasmodium falciparum

This thesis was undertaken to explore possible applications of high gradient magnetic separation (HGMS) for the separation of RBCs infected with Plasmodium falciparum, with the dual aim of establishing a novel and superior method for isolating late-stage infected cells, and of obtaining synchronized cell cultures.rnThe presented work presents protocols for HGMS of parasitized RBCs that fulfil these aims. Late-stage parasitized cell can be isolated essentially devoid of contamination with non-infected and ring-stage infected cells. Such an easy method for a highly quantitative and qualitative purification has not yet been reported. Synchronous cultures can be obtained both following depletion of late-stage infected cells, and following isolation of the latter. The quality of synchronization cultures matches that of sorbitol lysis, the current standard method for malaria culture synchronization. An advantage of HGMS is the avoidance of osmotic stress for RBCs. The new methods further have the appeal of high reproducibility, cost-effectiveness, and simple protocol.rnIt should be possible to take the methods beyond Plasmodium infected RBCs. Most magnetic separation techniques in the sector of biomedical research employ columns with a hydrophilic polymer-coated matrix. Our procedure employs an optimized buffer system. Polymer coating becomes unnecessary and uncoated columns are available at a fraction of the cost.

Von der geographischen Analyse über die Bestandsaufnahme der anzutreffenden Krankheiten und der Anwendung traditioneller Medizin zu einem geomedizinischen Informationssystem am Beispiel einer Bergregion im Kabupaten Sikka (Insel Flores, Indonesien)

Im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit zur Durchsetzung des »Menschenrecht Gesundheit« wurde ein geomedizinisches Informationssystem erstellt, das auf die nordexponierten Bergdörfer zwischen 350 m ü. NN und 450 m ü. NN des Kabupaten Sikka auf der Insel Flores in Indonesien anwendbar ist. Es wurde eine Analyse der Zeit-Raum-Dimension der Gesundheitssituation in Wololuma und Napun Lawan - exemplarisch für die nordexponierten Bergdörfer - durchgeführt. Im Untersuchungsraum wurden Gesundheitsgefahren und Gesundheitsrisiken analysiert, Zonen der Gefahren herausgearbeitet und Risikoräume bewertet. Trotz eines El Niño-Jahres waren prinzipielle Bezüge der Krankheiten zum jahreszeitlichen Rhythmus der wechselfeuchten Tropen zu erkennen. Ausgehend von der Vermutung, dass Krankheiten mit spezifischen Klimaelementen korrelieren, wurden Zusammenhänge gesucht. Für jede Krankheit wurden Makro-, Meso- und Mikrorisikoräume ermittelt. Somit wurden Krankheitsherde lokalisiert. Die Generalisierung des geomedizinischen Informationssystems lässt sich auf der Makroebene auf die nordexponierten Bergdörfer zwischen 350 m ü. NN und 450 m ü. NN des Kabupaten Sikka übertragen. Aus einer Vielzahl von angetroffenen Krankheiten wurden sechs Krankheiten selektiert. Aufgrund der Häufigkeitszahlen ergibt sich für das Gesundheitsrisiko der Bevölkerung eine Prioritätenliste:rn- Dermatomykosen (ganzjährig)rn- Typhus (ganzjährig)rn- Infektionen der unteren Atemwege (Übergangszeit)rn- Infektionen der oberen Atemwege (Übergangszeit)rn- Malaria (Regenzeit)rn- Struma (ganzjährig)rnDie Hauptrisikogruppe der Makroebene ist die feminine Bevölkerung. Betroffen sind weibliche Kleinkinder von null bis sechs Jahren und Frauen ab 41 Jahren. Die erstellten Karten des zeitlichen und räumlichen Verbreitungsmusters der Krankheiten und des Zugangs zu Gesundheitsdienstleistungen dienen Entscheidungsträgern als Entscheidungshilfe für den Einsatz der Mittel zur Primärprävention. Die Geographie als Wissenschaft mit ihren Methoden und dem Zeit-Raum-Modell hat gezeigt, dass sie die Basis für die interdisziplinäre Forschung darstellt. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zur Gesundheitsforschung im Untersuchungszeitraum 2009 hat sich bewährt und muss weiter ausgebaut werden. Die vorgeschlagenen Lösungsmöglichkeiten dienen der Minimierung des Gesundheitsrisikos und der Gesundheitsvorsorge. Da die Systemzusammenhänge der Ätiologie der einzelnen Krankheiten sehr komplex sind, besteht noch immer sehr großer Forschungsbedarf. rnDas Ergebnis der vorliegenden Untersuchung zeigt, dass Wasser in jeder Form die primäre Ursache für das Gesundheitsrisiko der Bergdörfer im Kabupaten Sikka auf der Insel Flores in Indonesien ist.rnDer Zugang zu Wasser ist unerlässlich für die Verwirklichung des »Menschenrecht Gesundheit«. Das Recht auf Wasser besagt, dass jeder Mensch Zugang zu nicht gesundheitsgefährdendem, ausreichendem und bezahlbarem Wasser haben soll. Alle Staaten dieser Erde sollten sich dieser Forderung verpflichtet fühlen.rn

Essays on geography and diseases

This dissertation explores how diseases contributed to shape historical institutions and how health and diseases are still affecting modern comparative development. The overarching goal of this investigation is to identify the channels linking geographic suitability to diseases and the emergence of historical and modern insitutions, while tackling the endogenenity problems that traditionally undermine this literature. I attempt to do so by taking advantage of the vast amount of newly available historical data and of the richness of data accessible through the geographic information system (GIS). The first chapter of my thesis, 'Side Effects of Immunities: The African Slave Trade', proposes and test a novel explanation for the origins of slavery in the tropical regions of the Americas. I argue that Africans were especially attractive for employment in tropical areas because they were immune to many of the diseases that were ravaging those regions. In particular, Africans' resistance to malaria increased the profitability of slaves coming from the most malarial parts of Africa. In the second chapter of my thesis, 'Caste Systems and Technology in Pre-Modern Societies', I advance and test the hypothesis that caste systems, generally viewed as a hindrance to social mobility and development, had been comparatively advantageous at an early stage of economic development. In the third chapter, 'Malaria as Determinant of Modern Ethnolinguistic Diversity', I conjecture that in highly malarious areas the necessity to adapt and develop immunities specific to the local disease environment historically reduced mobility and increased isolation, thus leading to the formation of a higher number of different ethnolinguistic groups. In the final chapter, 'Malaria Risk and Civil Violence: A Disaggregated Analysis for Africa', I explore the relationship between malaria and violent conflicts. Using georeferenced data for Africa, the article shows that violent events are more frequent in areas where malaria risk is higher.

Essays on Ethnic Diversity and Development

This dissertation consists of three papers. The first paper "Ethnicity, Migration and Conflict: Evidence from Contemporary South Africa” exploits some of the institutional changes intervened in South Africa during the end of apartheid to investigate the relationship between ethnic diversity and conflict. I find within-ethnic polarization to be significantly related to the intensity of armed confrontations among black-dominated groups. My investigation thus gives strong and robust empirical support to the theoretical arguments which identify ethnic diversity as one of the determinants of civil conflict. The second chapter, "Pre-Colonial Centralization, Colonial Activities and Development in Latin America", investigates the hypothesis that pre-colonial ethnic institutions shaped contemporary regional development in Latin America. I document a strong and positive relationship between pre-colonial centralization and regional development. Results are in line with the view that highly centralized pre-colonial societies acted as a persistent force of agglomeration of economic activities and a strong predictor of colonial state capacity. The results provide a first evidence of the existence of a link between pre-colonial centralization, colonial institutional arrangements and contemporary economic development. The third paper "Bite and Divide: Malaria and Ethnic Diversity” investigates the role of malaria as a fundamental determinant of modern ethnic diversity. This paper explores the hypothesis, that a large exposure to malaria has fostered differential interactions that reduced contacts between groups and increased interactions within them Results document that malaria increases the number of ethnic groups at all levels of spatial disaggregation and time periods (exploiting historical and current ethnic diversity). Regressions' results show that endogamous marriages are more frequent in areas with higher geographic suitability to malaria. The results are in line with the view that malaria increases intra-ethnic interactions while decreasing inter-ethnic ones.

Structure-activity relationship and mechanism of action studies of manzamine analogues for the control of neuroinflammation and cerebral infections

Structure-activity relationship studies were carried out by chemical modification of manzamine A (1), 8-hydroxymanzamine A (2), manzamine F (14), and ircinal isolated from the sponge Acanthostrongylophora. The derived analogues were evaluated for antimalarial, antimicrobial, and antineuroinflammatory activities. Several modified products exhibited potent and improved in vitro antineuroinflammatory, antimicrobial, and antimalarial activity. 1 showed improved activity against malaria compared to chloroquine in both multi- and single-dose in vivo experiments. The significant antimalarial potential was revealed by a 100% cure rate of malaria in mice with one administration of 100 mg/kg of 1. The potent antineuroinflammatory activity of the manzamines will provide great benefit for the prevention and treatment of cerebral infections (e.g., Cryptococcus and Plasmodium). In addition, 1 was shown to permeate across the blood-brain barrier (BBB) in an in vitro model using a MDR-MDCK monolayer. Docking studies support that 2 binds to the ATP-noncompetitive pocket of glycogen synthesis kinase-3beta (GSK-3beta), which is a putative target of manzamines. On the basis of the results presented here, it will be possible to initiate rational drug design efforts around this natural product scaffold for the treatment of several different diseases.

Chronicle of a death foretold: Plasmodium liver stage parasites decide on the fate of the host cell

Protozoan parasites of the genus Plasmodium are the causative agents of malaria. Despite more than 100 years of research, the complex life cycle of the parasite still bears many surprises and it is safe to say that understanding the biology of the pathogen will keep scientists busy for many years to come. Malaria research has mainly concentrated on the pathological blood stage of Plasmodium parasites, leaving us with many questions concerning parasite development within the mosquito and during the exo-erythrocytic stage in the vertebrate host. After the discovery of the Plasmodium liver stage in the middle of the last century, it remained understudied for many years but the realization that it represents a promising target for vaccination approaches has brought it back into focus. The last decade saw many new and exciting discoveries concerning the exo-erythrocytic stage and in this review we will discuss the highlights of the latest developments in the field.

The macromolecular complex of ICP and falcipain-2 from Plasmodium: preparation, crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis

The malaria parasite Plasmodium depends on the tight control of cysteine-protease activity throughout its life cycle. Recently, the characterization of a new class of potent inhibitors of cysteine proteases (ICPs) secreted by Plasmodium has been reported. Here, the recombinant production, purification and crystallization of the inhibitory C-terminal domain of ICP from P. berghei in complex with the P. falciparum haemoglobinase falcipain-2 is described. The 1:1 complex was crystallized in space group P4(3), with unit-cell parameters a = b = 71.15, c = 120.09 A. A complete diffraction data set was collected to a resolution of 2.6 A.

Strain-specific spleen remodelling in Plasmodium yoelii infections in Balb/c mice facilitates adherence and spleen macrophage-clearance escape

Knowledge of the dynamic features of the processes driven by malaria parasites in the spleen is lacking. To gain insight into the function and structure of the spleen in malaria, we have implemented intravital microscopy and magnetic resonance imaging of the mouse spleen in experimental infections with non-lethal (17X) and lethal (17XL) Plasmodium yoelii strains. Noticeably, there was higher parasite accumulation, reduced motility, loss of directionality, increased residence time and altered magnetic resonance only in the spleens of mice infected with 17X. Moreover, these differences were associated with the formation of a strain-specific induced spleen tissue barrier of fibroblastic origin, with red pulp macrophage-clearance evasion and with adherence of infected red blood cells to this barrier. Our data suggest that in this reticulocyte-prone non-lethal rodent malaria model, passage through the spleen is different from what is known in other Plasmodium species and open new avenues for functional/structural studies of this lymphoid organ in malaria.

Organelle segregation into Plasmodium liver stage merozoites

The liver stage of the Plasmodium parasite remains one of the most promising targets for intervention against malaria as it is clinically silent, precedes the symptomatic blood stage and represents a bottleneck in the parasite life cycle. However, many aspects of the development of the parasite during this stage are far from understood. During the liver stage, the parasite undergoes extensive replication, forming tens of thousands of infectious merozoites from each invading sporozoite. This implies a very efficient and accurate process of cytokinesis and thus also of organelle development and segregation. We have generated for the first time Plasmodium berghei double-fluorescent parasite lines, allowing visualization of the apicoplast, mitochondria and nuclei in live liver stage parasites. Using these we have seen that in parallel with nuclear division, the apicoplast and mitochondrion become two extensively branched and intertwining structures. The organelles then undergo impressive morphological and positional changes prior to cell division. To form merozoites, the parasite undergoes cytokinesis and the complex process of organelle development and segregation into the forming daughter merozoites could be analysed in detail using the newly generated transgenic parasites.

Mechanism of malarial haem detoxification inhibition by chloroquine

The haem detoxification pathway of the malaria parasite Plasmodium falciparum is a potential biochemical target for drug development. Free haem, released after haemoglobin degradation, is polymerized by the parasite to form haemozoin pigment. Plasmodium falciparum histidine-rich protein-2 (Pfhrp-2) has been implicated as the catalytic scaffold for detoxification of haem in the malaria parasite. Previously we have shown that a hexapeptide repeat sequence (Ala-His-His-Ala-Ala-Asp), which appears 33 times in Pfhrp-2, may be the major haem binding site in this protein. The haem binding studies carried out by ourselves indicate that up to 18 equivalents of haem could be bound by this protein with an observed K(d) of 0.94 microM. Absorbance spectroscopy provides evidence that chloroquine is capable of extracting haem bound to Pfhrp-2. This was supported by the K(d) value, of 37 nM, observed for the haem-chloroquine complex. The native PAGE studies reveal that the formation of the haem-Pfhrp-2 complex is disrupted by chloroquine. These results indicate that chloroquine may be acting by inhibiting haem detoxification/binding to Pfhrp-2. Moreover, the higher affinity of chloroquine for haem than Pfhrp-2 suggests a possible mechanism of action for chloroquine; it may remove the haem bound to Pfhrp-2 and form a complex that is toxic to the parasite.