Effects of the social environment on the survival and fungal resistance of ant brood

The phenotype of social animals can be influenced by genetic, maternal and environmental effects, which include social interactions during development. In social insects, the social environment and genetic origin of brood can each influence a whole suite of traits, from individual size to caste differentiation. Here, we investigate to which degree the social environment during development affects the survival and fungal resistance of ant brood of known maternal origin. We manipulated one component of the social environment, the worker/brood ratio, of brood originating from single queens of Formica selysi. We monitored the survival of brood and measured the head size and ability to resist the entomopathogenic fungus Beauveria bassiana of the resulting callow workers. The worker/brood ratio and origin of eggs affected the survival and maturation time of the brood and the size of the resulting callow workers. The survival of the callow workers varied greatly according to their origin, both in controls and when challenged with B. bassiana. However, there was no interaction between the fungal challenge and either the worker/brood ratio or origin of eggs, suggesting that these factors did not affect parasite resistance in the conditions tested. Overall, the social conditions during brood rearing and the origin of eggs had a strong impact on brood traits that are important for fitness. We detected a surprisingly large amount of variation among queens in the survival of their brood reared in standard queenless conditions, which calls for further studies on genetic, maternal and social effects influencing brood development in the social insects.

Cryptococcosis: epidemiology, fungal resistance, and new alternatives for treatment

Cryptococcosis is an important systemic mycosis and the third most prevalent disease in human immunodeficiency virus (HIV)-positive individuals. The incidence of cryptococcosis is high among the 25 million people with HIV/acquired immunodeficiency syndrome (AIDS), with recent estimates indicating that there are one million cases of cryptococcal meningitis globally per year in AIDS patients. In Cryptococcus neoformans, resistance to azoles may be associated with alterations in the target enzyme encoded by the gene ERG11, lanosterol 14α-demethylase. These alterations are obtained through mutations, or by overexpressing the gene encoding. In addition, C. gattii and C. neoformans present a heteroresistance phenotype, which may be related to increased virulence. Other species beyond C. neoformans and C. gattii, such as C. laurentii, have been diagnosed mainly in patients with immunosuppression. Infections of C. albidus have been isolated in cats and marine mammals. Recent evidence suggests that the majority of infections produced by this pathogen are associated with biofilm growth, which is also related with increased resistance to antifungal agents. Therefore, there is a great need to search for alternative antifungal agents for these fungi. The search for new molecules is currently occurring from nanoparticle drugs of plant peptide origin. This article presents a brief review of the literature regarding the epidemiology of cryptococcosis, as well as fungal resistance and new alternatives for treatment. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

New approach to study the real exposure to fungi in cork industry: nasal swabs mycobiota investigation coupled with screening on fungal resistance to azoles

The permanent contact with cork may lead to constant exposure to fungi, raising awareness as a potential occupational hazard in the cork industry.The presence of fungi belonging to the Penicillium glabrum complex has been associated with the development of respiratory diseases such as suberosis, one of the most prevalent diseases among workers from cork industries, besides occupational asthma. Azoles are used as pesticides but also the first line therapy in the treatment of Aspergillus infections; azole-resistance as been described as to have also an environmental source and is considered an emerging public health problem.The aim of this work was to characterize fungal distribution and to evaluate the presence of azole-resistant Aspergillus isolates in nose swab samples from the cork industry workers.

A single amino acid substitution in one of the lipases of Aspergillus nidulans confers resistance to the antimycotic drug undecanoic acid

A plausible approach to evaluate the inhibitory action of antifungals is through the investigation of the fungal resistance to these drugs. We describe here the molecular cloning and initial characterization of the A. nidulans lipA gene, where mutation (lipA1) conferred resistance to undecanoic acid, the most fungitoxic fatty acid in the C(7:0)-C(18:0) series. The lipA gene codes for a putative lipase with the sequence consensus GVSIS and WIFGGG as the catalytic signature. Comparison of the wild-type and LIP1 mutant strain nucleotide sequences showed a G -> A change in lipA1 allele, which results in a Glu(214) -> Lys substitution in LipA protein. This ionic charge change in a conserved LipA region, next to its catalytic site, may have altered the catalytic properties of this enzyme resulting in resistance to undecanoic acid.

Low-level Laser Therapy To The Mouse Femur Enhances The Fungicidal Response Of Neutrophils Against Paracoccidioides Brasiliensis.

Neutrophils (PMN) play a central role in host defense against the neglected fungal infection paracoccidioidomycosis (PCM), which is caused by the dimorphic fungus Paracoccidioides brasiliensis (Pb). PCM is of major importance, especially in Latin America, and its treatment relies on the use of antifungal drugs. However, the course of treatment is lengthy, leading to side effects and even development of fungal resistance. The goal of the study was to use low-level laser therapy (LLLT) to stimulate PMN to fight Pb in vivo. Swiss mice with subcutaneous air pouches were inoculated with a virulent strain of Pb or fungal cell wall components (Zymosan), and then received LLLT (780 nm; 50 mW; 12.5 J/cm2; 30 seconds per point, giving a total energy of 0.5 J per point) on alternate days at two points on each hind leg. The aim was to reach the bone marrow in the femur with light. Non-irradiated animals were used as controls. The number and viability of the PMN that migrated to the inoculation site was assessed, as well as their ability to synthesize proteins, produce reactive oxygen species (ROS) and their fungicidal activity. The highly pure PMN populations obtained after 10 days of infection were also subsequently cultured in the presence of Pb for trials of protein production, evaluation of mitochondrial activity, ROS production and quantification of viable fungi growth. PMN from mice that received LLLT were more active metabolically, had higher fungicidal activity against Pb in vivo and also in vitro. The kinetics of neutrophil protein production also correlated with a more activated state. LLLT may be a safe and non-invasive approach to deal with PCM infection.

Detrimental role of endogenous nitric oxide in host defence against Sporothrix schenckii

We earlier demonstrated that nitric oxide (NO) is a fungicidal molecule against Sporothrix schenckii in vitro. In the present study we used mice deficient in inducible nitric oxide synthase (iNOS(-/-)) and C57BL/6 wild-type (WT) mice treated with N omega-nitro-arginine (Nitro-Arg-treated mice), an NOS inhibitor, both defective in the production of reactive nitrogen intermediates, to investigate the role of endogenous NO during systemic sporotrichosis. When inoculated with yeast cells of S. schenckii, WT mice presented T-cell suppression and high tissue fungal dissemination, succumbing to infection. Furthermore, susceptibility of mice seems to be related to apoptosis and high interleukin-10 and tumour necrosis factor-alpha production by spleen cells. In addition, fungicidal activity and NO production by interferon-gamma (IFN-gamma) and lipopolysaccharide-activated macrophages from WT mice were abolished after fungal infection. Strikingly, iNOS(-/-) and Nitro-Arg-treated mice presented fungal resistance, controlling fungal load in tissues and restoring T-cell activity, as well as producing high amounts of IFN-gamma Interestingly, macrophages from these groups of mice presented fungicidal activity after in vitro stimulation with higher doses of IFN-gamma. Herein, these results suggest that although NO was an essential mediator to the in vitro killing of S. schenckii by macrophages, the activation of NO system in vivo contributes to the immunosuppression and cytokine balance during early phases of infection with S. schenckii.

Social evolution and defences against pathogens in ants

Pathogens represent a threat to all organisms, which generates a coevolutionary arms race. Social insects provide an interesting system to study host-pathogen interactions, because their defences depend on both the individual and collective responses, and involve genetic, physiological, behavioral and organizational mechanisms. In this thesis, I studied the evolutionary ecology of the resistance of ant queens and workers to natural fungal pathogens. Mechanisms that increase within-colony genetic diversity, like polyandry and polygyny, decrease relatedness among colony mates, which reduces the strength of selection for the evolution and maintenance of altruistic behavior. A leading hypothesis posits that intracolonial genetic diversity is adaptive because it reduces the risk of pathogen transmission. In chapter 1, I examine individual resistance in ant workers of Formica selysi, a species that shows natural variation in colony queen number. I discuss how this variation might be beneficial to resist natural fungal pathogens in groups. Overall my results indicate that there is genetic variation for fungal resistance in workers, a requirement for the 'genetic diversity for pathogen resistance' hypothesis. However I was not able to detect direct evidence that group diversity improves the survival of focal ants or reduces pathogen transmission. Thus, although the coexistence of multiple queens increases the within-colony variance in worker resistance, it remains unclear whether it protects ant colonies from pathogens and whether it is comparable to polyandry in other social insects. Traditionally, it was thought that the immune system of invertebrates lacked memory and specificity. In chapter 2, I investigate individual immunity in ant queens and show that they may be able to adjust their pathogen defences in response to their current environment by means of immune priming, which bears similarities with the adaptive immunity of vertebrates. However, my results indicate that the expression of immune priming in ant queens may be influenced by factors like mating status, mating conditions or host species. In addition, I showed that mating increases pathogen resistance in çhe two ant species that I studied (F. selysi and Lasius niger). This raises the question of how ant queens invest heavily in both maintenance and reproduction, which I discuss in the context of the evolution of social organization. In chapter 3,1 investigate if transgenerational priming against a fungal pathogen protects the queen progeny. I failed to detect this effect, and discuss why the detection of transgenerational immune priming in ants is a difficult task. Overall, this thesis illustrates some of the individual and collective mechanisms that likely played a role in allowing ants to become one of the most diverse and ecologically successful groups of organisms. -- Les pathogènes représentent une menace pour tous les organismes, ce qui a engendré l'évolution d'une course aux armements. Les insectes sociaux sont un système intéressant permettant d'étudier les interactions hôtes-pathogènes, car leurs défenses dépendent de réponses aussi bien individuelles que collectives, et impliquent des mécanismes génétiques, physiologiques, comportementaux et organisationnels. Dans cette thèse, j'ai étudié l'écologie évolutive de la résistance des reines et des ouvrières de fourmis exposées à des champignons pathogènes. Les facteurs augmentant la diversité génétique à l'intérieur de la colonie, comme la polyandrie et la polygynie, diminuent la parenté, ce qui réduit la pression de sélection pour l'évolution et la maintenance des comportements altruistes. Une hypothèse dominante stipule que la diversité génétique à l'intérieur de la colonie est adaptative car elle réduit le risque de transmission des pathogènes. Dans le chapitre 1, nous examinons la résistance individuelle à des pathogènes fongiques chez les ouvrières de Formica selysi, une espèce présentant une variation naturelle dans le nombre de reines par colonie. Nous discutons aussi de la possibilité que ces variations individuelles augmentent la capacité du groupe à résister à des champignons pathogènes. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent une variation génétique dans la résistance aux champignons chez les ouvrières, un prérequis à l'hypothèse que la diversité génétique du groupe augmente la résistance aux pathogènes. Cependant, nous n'avons pas pu détecter une preuve directe que la diversité du groupe augmente la survie de fourmis focales ou réduise la transmission des pathogènes. Ainsi, bien que la coexistence de plusieurs reines augmente la variance dans la résistance des ouvrières à l'intérieur de la colonie, la question de savoir si cela protège les colonies de fourmis contre les pathogènes et si cela est comparable à la polyandrie chez d'autres insectes sociaux reste ouverte. Traditionnellement, il était admis que le système immunitaire des invertébrés ne possédait pas de mémoire et était non-spécifique. Dans le chapitre 2, nous avons étudié l'immunité individuelle chez des reines de fourmis. Nous avons montré que les reines pourraient être capables d'ajuster leurs défenses contre les pathogènes en réponse à leur environnement, grâce à une pré-activation du système immunitaire (« immune priming ») ressemblant à l'immunité adaptative des vertébrés. Cependant, nos résultats indiquent que cette pré-activation du système immunitaire chez les reines dépend du fait d'être accouplée ou non, des conditions d'accouplement, ou de l'espèce. De plus, nous avons montré que l'accouplement augmente la résistance aux pathogènes chez les deux espèces que nous avons étudié (F. selysi et Lasius niger). Ceci pose la question de la capacité des reines à investir fortement aussi bien dans la maintenance que dans la reproduction, ce que nous discutons dans le contexte de l'évolution de l'organisation sociale. Dans le chapitre 3, nous étudions si la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire [« trans-generational immune priming ») protège la progéniture de la reine contre un champignon pathogène. Nous n'avons par réussi à détecter cet effet, et discutons des raisons pour lesquelles la détection de la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire chez les fourmis est une tâche difficile. Dans l'ensemble, cette thèse illustre quelques-uns des mécanismes individuels et collectifs qui ont probablement contribué à la diversité et à l'important succès écologique des fourmis.

Développement de nouvelles formulations d’antifongiques et évaluation de l’activité sur Candida spp. et Aspergillus spp.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat avaient pour but de mettre au point des nouvelles formulations d’antifongiques sous forme de nanoparticules polymériques (NP) en vue d’améliorer l’efficacité et la spécificité des traitements antifongiques sur des souches sensibles ou résistantes de Candida spp, d’Aspergillus spp et des souches de Candida albicans formant du biofilm. Dans la première partie de ce travail, nous avons synthétisé et caractérisé un polymère à base de polyester-co-polyéther branché avec du poly(éthylène glycol) (PEG-g-PLA). En plus d’être original et innovant, ce co-polymère a l’avantage d’être non-toxique et de posséder des caractéristiques de libération prolongée. Trois antifongiques couramment utilisés en clinique et présentant une biodisponibilité non optimale ont été choisis, soient deux azolés, le voriconazole (VRZ) et l’itraconazole (ITZ) et un polyène, l’amphotéricine B (AMB). Ces principes actifs (PA), en plus des problèmes d’administration, présentent aussi d’importants problèmes de toxicité. Des NP polymériques encapsulant ces PA ont été préparées par une technique d’émulsion huile-dans-l’eau (H/E) suivie d’évaporation de solvant. Une fois fabriquées, les NP ont été caractérisées et des particules de d’environ 200 nm de diamètre ont été obtenues. Les NP ont été conçues pour avoir une structure coeur/couronne avec un coeur constitué de polymère hydrophobe (PLA) et une couronne hydrophile de PEG. Une faible efficacité de chargement (1,3% m/m) a été obtenue pour la formulation VRZ encapsulé dans des NP (NP/VRZ). Toutefois, la formulation AMB encapsulée dans des NP (NP/AMB) a montré des taux de chargement satisfaisants (25,3% m/m). En effet, le caractère hydrophobe du PLA a assuré une bonne affinité avec les PA hydrophobes, particulièrement l’AMB qui est le plus hydrophobe des agents sélectionnés. Les études de libération contrôlée ont montré un relargage des PA sur plusieurs jours. La formulation NP/AMB a été testée sur un impacteur en cascade, un modèle in vitro de poumon et a permis de démontrer le potentiel de cette formulation à être administrée efficacement par voie pulmonaire. En effet, les résultats sur l’impacteur en cascade ont montré que la majorité de la formulation s’est retrouvée à l’étage de collecte correspondant au niveau bronchique, endroit où se situent majoritairement les infections fongiques pulmonaires. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous avons testé les nouvelles formulations d’antifongiques sur des souches planctoniques de Candida spp., d’Aspergillus spp. et des souches de Candida albicans formant du biofilm selon les procédures standardisées du National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS). Les souches choisies ont démontré des résistances aux azolés et aux polyènes. Les études d’efficacité in vitro ont permis de prouver hors de tout doute que les nouvelles formulations offrent une efficacité nettement améliorée comparée à l’agent antifongique libre. Pour mettre en lumière si l’amélioration de l’efficacité antifongique était due à une internalisation des NP, nous avons évalué le comportement des NP avec les cellules de champignons. Nous avons procédé à des études qualitatives de microscopie de fluorescence sur des NP marquées avec de la rhodamine (Rh). Tel qu’attendu, les NP ont montré une localisation intracellulaire. Pour exclure la possibilité d’une simple adhésion des NP à la surface des levures, nous avons aussi confirmé leur internalisation en microscopie confocale de fluorescence. Il est important de noter que peu d’études à ce jour ont mis l’accent sur l’élaboration de nouvelles formulations d’antifongiques à base de polymères non toxiques destinées aux traitements des mycoses, donnant ainsi une grande valeur et originalité aux travaux effectués dans cette thèse. Les résultats probants obtenus ouvrent la voie vers une nouvelle approche pour contourner les problèmes de résistances fongiques, un problème de plus en plus important dans le domaine de l’infectiologie.

Classificação de fungicidas de acordo com o mecanismo de ação proposto pelo FRAC

Pós-graduação em Agronomia (Proteção de Plantas) - FCA

Efetividade da terapia fotodinâmica na inativação de Candida spp

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Anti-Trichophyton Activity of Protocatechuates and Their Synergism with Fluconazole

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A curcumin-loaded liquid crystal precursor mucoadhesive system for the treatment of vaginal candidiasis

Women often develop vaginal infections that are caused primarily by organisms of the genus Candida. The current treatments of vaginal candidiasis usually involve azole-based antifungals, though fungal resistance to these compounds has become prevalent. Therefore, much attention has been given to molecules with antifungal properties from natural sources, such as curcumin (CUR). However, CUR has poor solubility in aqueous solvents and poor oral bioavailability. This study attempted to overcome this problem by developing, characterizing, and evaluating the in vitro antifungal action of a CUR-loaded liquid crystal precursor mucoadhesive system (LCPM) for vaginal administration. A low-viscosity LCPM (F) consisting of 40% wt/wt polyoxpropylene-(5)-polyoxyethylene-(20)-cetyl alcohol, 50% wt/wt oleic acid, and 10% wt/wt chitosan dispersion at 0.5% with the addition of 16% poloxamer 407 was developed to take advantage of the lyotropic phase behavior of this formulation. Notably, F could transform into liquid crystal systems when diluted with artificial vaginal mucus at ratios of 1:3 and 1:1 (wt/wt), resulting in the formation of F30 and F100, respectively. Polarized light microscopy and rheological studies revealed that F behaved like an isotropic formulation, whereas F30 and F100 behaved like an anisotropic liquid crystalline system (LCS). Moreover, F30 and F100 presented higher mucoadhesion to porcine vaginal mucosa than F. The analysis of the in vitro activity against Candida albicans revealed that CUR-loaded F was more potent against standard and clinical strains compared with a CUR solution. Therefore, the vaginal administration of CUR-loaded LCPMs represents a promising platform for the treatment of vaginal candidiasis.

Genetische Kartierung und QTL-Analyse agronomischer Eigenschaften der Weinrebe unter besonderer Berücksichtigung der Pilzresistenz

153 Nachkommen einer Kreuzung aus der pilzresistenten Rebsorte ‘Regent‘ und ‘Lemberger‘ als klassischer pilzsensitiver Sorte zeigen quantitative Merkmalsvariation bezüglich der Resistenz gegen Plasmopara viticola und Uncinula necator sowie für weitere Eigenschaften, die z.B. das Eintreten der Beerenreife betreffen. Auf dem Weg über die genetische Kartierung mit molekularen Markern und der Lokalisierung von QTL-Effekten konnten Hinweise auf weinbaulich relevante Genomregionen gewonnen werden; dies liefert z.B. die Basis für markergestützte Selektion bei Zuchtvorhaben mit dem Resistenzträger ‘Regent’ (vgl. auch FISCHER et al., 2004). Ein Major-QTL für die Resistenz gegen den Echten Mehltau Uncinula necator sowie zwei Major QTL für die Resistenz gegen den Erreger des Falschen Mehltau, Plasmopara viticola, traten mit hoher Signifikanz auf drei verschiedenen Kopplungsgruppen von ‘Regent‘ auf. Auch Regionen mit Relevanz für das Eintreten der Beerenreife wurden beschrieben. Über die Isolierung, Sequenzierung und anschließende Analyse einzelner Markerfragmente mit Methoden der Bioinformatik ist es gelungen, ein putatives T10P12.4-Ortholog der Weinrebe (ein thioredoxinähnliches Protein) in enger Kopplung zu einem Major-QTL-Maximum für Plasmopara viticola-Resistenz zu identifizieren, das als Kandidat für die Beteiligung an der Pathogenantwort in Frage kommt. Es konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die eingesetzten Methoden der Kartierung und QTL-Analyse unter Verwendung PCR-basierter Markertypen wie SSR und AFLP und einer beschleunigten Analyse über computergestützte Kapillargelelektrophorese in vertretbarem Zeitrahmen bis zur Isolation potentieller Schlüsselgene führen können. Die grundsätzliche Eignung der QTL-Analyse als effizientes Werkzeug gezielter Züchtungsplanung für den Weinbau bestätigte sich. Ihre Anwendung im Rahmen der vorliegenden Dissertation hat die Basis für die Nutzung von QTL-Information bei dem Vergleich etablierter und der Entwicklung neuer Sorten gelegt und zum Verständnis von Prozessen beigetragen, die den betrachteten Eigenschaften wie der Pilzresistenz möglicherweise zu Grunde liegen. Ein großer Teil der gewonnenen Daten bringt auch die Untersuchungen anderer Kultivare voran und ist intervarietal übertragbar. Darüber hinaus haben sich Chancen für vergleichende Studien zwischen der Weinrebe einerseits und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie weiteren Kulturpflanzen andererseits abgezeichnet. Die Hinweise auf die zentrale Rolle und universelle Natur des Redox-Signalling haben interessante Perspektiven zum Verständnis organismenübergreifender physiologischer Zusammenhänge eröffnet. Dies betrifft z.B. auch die Reaktion auf Verwundung oder die Pathogenantwort.

A second Candida albicans resistance gene (Carg2) regulates tissue damage, but not fungal clearance, in sub-lethal murine systemic infection

The severity of systemic infection with the yeast Candida albicans has been shown to be under complex genetic control. C57/L mice carry an allele that is associated with an increase in tissue destruction when compared with C57BI/6 mice; however, the gene affects only the severity of tissue lesions, and does not influence the magnitude of the fungal burden in either kidney or brain. Studies in [C57/L x C57BI/6]F1 hybrid mice, and [C57/L x C57BI/6]F1 x C57/L backcross mice, demonstrated that the gene behaves as a simple Mendelian co-dominant. (C) 1998 Academic Press.

Antifungal resistance and new strategies to control fungal infections.

Despite improvement of antifungal therapies over the last 30 years, the phenomenon of antifungal resistance is still of major concern in clinical practice. In the last 10 years the molecular mechanisms underlying this phenomenon were extensively unraveled. In this paper, after a brief overview of currently available antifungals, molecular mechanisms of antifungal resistance will be detailed. It appears that major mechanisms of resistance are essential due to the deregulation of antifungal resistance effector genes. This deregulation is a consequence of point mutations occurring in transcriptional regulators of these effector genes. Resistance can also follow the emergence of point mutations directly in the genes coding antifungal targets. In addition we further describe new strategies currently undertaken to discover alternative therapy targets and antifungals. Identification of new antifungals is essentially achieved by the screening of natural or synthetic chemical compound collections. Discovery of new putative antifungal targets is performed through genome-wide approaches for a better understanding of the human pathogenic fungi biology.