Imaging liver-stage malaria parasites

Plasmodium parasites, the causative agents of malaria, first invade and develop within hepatocytes before infecting red blood cells and causing symptomatic disease. Because of the low infection rates in vitro and in vivo, the liver stage of Plasmodium infection is not very amenable to biochemical assays, but the large size of the parasite at this stage in comparison with Plasmodium blood stages makes it accessible to microscopic analysis. A variety of imaging techniques has been used to this aim, ranging from electron microscopy to widefield epifluorescence and laser scanning confocal microscopy. High-speed live video microscopy of fluorescent parasites in particular has radically changed our view on key events in Plasmodium liver-stage development. This includes the fate of motile sporozoites inoculated by Anopheles mosquitoes as well as the transport of merozoites within merosomes from the liver tissue into the blood vessel. It is safe to predict that in the near future the application of the latest microscopy techniques in Plasmodium research will bring important insights and allow us spectacular views of parasites during their development in the liver.

Genetic manipulation of Anopheles stephensi immunity to increase plasmodium falciparum salivary gland sporozoite infection levels

Human malaria is responsible for over 700,000 deaths a year. To stay abreast of the threat posed by the parasite, a constant stream of new drugs and vector control methods are required. This study focuses on a vaccine that has the potential to protect against parasite infection, but has been hindered by developmental challenges. In malaria prevention, live, attenuated, aseptic, Plasmodium falciparum sporozoites (PfSPZ) can be administered as a highly protective vaccine. PfSPZ are produced using adult female Anopheles stephensi mosquitoes as bioreactors. Production volume and cost of a PfSPZ vaccine for malaria are expected to be directly correlated with Plasmodium falciparum infection intensity in the salivary glands. The sporogonic development of Plasmodium falciparum in A. stephensi to fully infected salivary gland stage sporozoites is dictated by the activities of several known components of the mosquito’s innate immune system. Here I report on the use of genetic technologies that have been rarely, if ever, used in Anopheles stephensi Sda500 to increase the yield of sporozoites per mosquito and enhance vaccine production. By combining the Gal4/UAS bipartite system with in vivo expression of shRNA gene silencing, activity of the IMD signaling pathway downstream effector LRIM1, an antagonist to Plasmodium development, was reduced in the midgut, fat body, and salivary glands of A. stephensi. In infection studies using P. berghei and P. falciparum these transgenic mosquitoes consistently produced significantly more salivary gland stage sporozoites than wildtype controls, with increases in P. falciparum ranging from 2.5 to 10 fold. Using Plasmodium infection assays and qRT-PCR, two novel findings were identified. First, it was shown that 14 days post Plasmodium infection, transcript abundance of the IMD immune effector genes LRIM1, TEP1 and APL1c are elevated, in the salivary glands of A. stephensi, suggesting the salivary glands may play a role in post midgut defense against the parasite. Second, a non-pathogenic IMD signaling pathway response was observed which could suggest an alternative pathway for IMD activation. The information gained from these studies has significantly increased our knowledge of Plasmodium defense in A. stephensi and moreover could significantly improve vaccine production.

Estudio de las modificaciones conformacionales y su influencia en la actividad inmunológica de péptidos derivados de las familias de las proteínas spect-1 y -2, siap-1 y -2 de plasmodium falciparum

SPECT-1 y -2 y SIAP-1 y -2 son proteínas pertenecientes al esporozoíto de Plasmodium falciparum causante de la malaria más agresiva en los humanos. Estas proteínas están involucradas en el paso del parásito a través de las células del hospedero humano y en la invasión del hepatocito, haciéndolas blancos atractivos para ser estudiadas. Péptidos conservados de alta capacidad de unión (cHABPs) a células HeLa y HepG2 derivados de estas moléculas son no inmunogénicos porque son incapaces de generar una respuesta inmunitaria, pero son claves para el parásito porque cumplen una función importante durante la infección del hospedero humano. En este trabajo se encontró que algunos cHABPs pertenecientes a las proteínas SPECT-1 y -2, están posiblemente involucrados con la unión y formación de poros sobre la membrana de las células hospederas, ayudando al esporozoíto a abrirse paso través de las células del hospedero. Por otro lado, con el fin de cambiar el comportamiento inmunológico de cHABPs derivados de SPECT-1 y -2 y SIAP-1 y -2, se obtuvieron nuevos péptidos mediante el reemplazo de aminoácidos críticos por otros residuos cuya masa molecular sea similar, pero diferente en su polaridad. En este trabajo se reporta que dichas modificaciones promovieron cambios en la estructura secundaria (determinada por DC o 1H-RMN) de los péptidos modificados (mHABPs) cuando se comparó con la estructura de los cHABPs nativos; adicionalmente, estos mHABPs invirtieron su comportamiento inmunológico convirtiéndose en péptidos inmunogénicos inductores de anticuerpos. Lo que permite establecer la existencia de una relación entre la estructura que adoptan estos mHABPs con su actividad inmunológica. Además, algunos de los mHABPs estudiados aquí, pueden ser candidatos a ser incluidos en la vacuna contra la malaria químicamente sintetizada multi-epitope y multi-estadio que se está desarrollando en la Fundación Instituto de Inmunología de Colombia (FIDIC).

Estudio conformacional de péptidos modificados de las proteínas STARP, CelTOS, TRSP y SERA 5 de Plasmodium falciparum y su relación con una respuesta inmune en malaria

El desarrollo de una vacuna contra malaria es un área de exploración activa pero con enormes retos debido especialmente a la complejidad del ciclo del parásito. Así, es necesario bloquear las diferentes etapas de la invasión que tiene el Plasmodium falciparum y extraer de ellas la mayor información posible de la artillería que utiliza para su ataque. Para esto, péptidos de las proteínas STARP, CelTOS y TRSP (del esporozoito) y SERA 5 (del merozoito) que tienen alta afinidad de unión a células HepG2 y a glóbulos rojos respectivamente (conocidos como cHABPs), han sido modificados (conocidos como mHABPs), sintetizados y evaluados a nivel de respuesta inmune en monos Aotus así como estudiados en su conformación estructural por RMN de 1H. Los resultados muestran que los péptidos nativos no son inmunogénicos, pero pueden inducir altos títulos de anticuerpos cuando sus residuos críticos o sus vecinos son reemplazados por otro con un volumen y masa similar, pero diferente polaridad. El estudio conformacional pone de manifiesto que las estructuras de los péptidos nativos son diferentes de sus péptidos modificados ya sea que muestren regiones estructuradas más cortas o más largas o que no presenten ninguna, en comparación con sus análogos modificados altamente inmunogénicos. Las características estereoquímicas particulares en las cadenas laterales de algunos residuos de aminoácidos de estos péptidos modificados así como los rasgos fisicoquímicos parecen jugar un rol importante en la respuesta inmune apropiada cuando estos fueron inmunizados en grupos de monos Aotus confiriendo un avance al diseño de una vacuna contra malaria totalmente eficaz.