Summary

Un<em> In Vitro</em> Modèle de mesure de réponses immunitaires contre le paludisme dans le contexte du VIH co-infection

Published: October 06, 2015
doi:

Summary

Human co-infection is difficult to replicate in vitro. However, human malaria parasites can readily be cultured in vitro, as can freshly isolated human peripheral blood mononuclear cells naturally infected with HIV. This provides an excellent model for studying early immune responses to malaria parasites in the context of HIV co-infection.

Abstract

Malaria and HIV co-infection is a growing health priority. However, most research on malaria or HIV currently focuses on each infection individually. Although understanding the disease dynamics for each of these pathogens independently is vital, it is also important that the interactions between these pathogens are investigated and understood.

We have developed a versatile in vitro model of HIV-malaria co-infection to study host immune responses to malaria in the context of HIV infection. Our model allows the study of secreted factors in cellular supernatants, cell surface and intracellular protein markers, as well as RNA expression levels. The experimental design and methods used limit variability and promote data reliability and reproducibility.

All pathogens used in this model are natural human pathogens (Plasmodium falciparum and HIV-1), and all infected cells are naturally infected and used fresh. We use human erythrocytes parasitized with P. falciparum and maintained in continuous in vitro culture. We obtain freshly isolated peripheral blood mononuclear cells from chronically HIV-infected volunteers. Every condition used has an appropriate control (P. falciparum parasitized vs. normal erythrocytes), and every HIV-infected donor has an HIV uninfected control, from which cells are harvested on the same day. This model provides a realistic environment to study the interactions between malaria parasites and human immune cells in the context of HIV infection.

Introduction

Co-infection, l'infection par de multiples infections simultanées, est la norme dans les milieux naturels. Co-infection peut avoir un impact majeur sur la pathologie de la maladie et sur la prise en charge clinique de chaque infection. Dans le cadre de la co-infection, le vaccin et l'efficacité des médicaments, ainsi que des tests de diagnostic, peut être eu une incidence négative (revue pt 1). Cependant, malgré son importance, la majorité des recherches de l'agent pathogène considère seulement les infections simples.

Le paludisme et le VIH-1 (VIH) sont les principales causes de morbidité et de mortalité dans le monde. Les zones de paludisme endémique et VIH partagent un large chevauchement géographique, en mettant des millions de personnes à risque de co-infection et par conséquent un risque de maladie clinique plus sévère 2 – 10. Les deux maladies interagissent négativement. Chez les personnes infectées par le VIH, la hausse des charges virales de VIH et des diminutions temporaires de CD4 + lymphocytes T peut être vu lors d'une infection par le paludisme, tandis quepaludisme charges parasitaires et risque de paludisme clinique et grave sont plus élevés dans les individus co-infectés 2,3,5,7,8,10. Les mécanismes par lesquels le VIH augmente la gravité du paludisme ne sont pas entièrement comprises et justifient une enquête plus approfondie.

Nous décrivons ici une méthode par laquelle le paludisme et la co-infection VIH peut être étudiée de vitro. Plus précisément, cette méthode permet à l'examen des réponses immunitaires spécifiques contre le paludisme dans le contexte de l'infection à VIH. Notre protocole décrit un système polyvalent de co-culture en utilisant des cellules mononucléaires de sang périphérique fraîchement isolées (PBMC) isolées de donneurs infectés chroniquement par le VIH in vitro et en culture P. falciparum parasité érythrocytes (PfRBC). L'impact du traitement antirétroviral sur ces réponses peut également être examiné en utilisant PBMC recueillies de façon prospective du VIH (+) donateurs pré- et post-traitement.

Nous avons utilisé ce système pour étudier l'impact de l'infection à VIHsur les réponses immunitaires innées spécifiques au paludisme 11,12, et ont pu déterminer que IFN-y et TNF réponses spécifiques au paludisme sont altérées dans les cellules NK, les cellules NKT, yô cellules du VIH (+) donateurs pré- et post-traitement antirétroviral VIH T . En outre, nous avons été en mesure d'utiliser ce système pour déterminer que les fonctions monocytaires sont également affaiblies par le VIH (+) les bailleurs de fonds, mais récupérer post-VIH thérapie antirétrovirale.

Protocol

Ce protocole exige le recrutement de donateurs pour le sérum et RBC à être utilisés pour la culture du parasite, et le VIH (+) et non infectés donateurs pour CMSP isolement. Institutional Review Board doivent approuver toutes les études et tous les donateurs doivent fournir un consentement éclairé avant le prélèvement de sang. ATTENTION: Travailler avec des échantillons de sang humain et parasites du paludisme humain nécessite des mesures de précaution. Toujours porter une blous…

Representative Results

Les graphiques représentent les niveaux de la production d'IFNy par les cellules NKT (figure 2), en utilisant CD56 + CD3 + γδ- portes pour obtenir la population de cellules NKT (données non présentées). Les cellules ont été cultivées pendant 72 heures avant la coloration. Une fois colorées, 100.000 cellules CD3 + ont été acquis sur le cytomètre de flux pour obtenir une population suffisamment large de NK, NKT et les cellules yô (cellules d'intérêt). Un minimum de 5600 cellules NK…

Discussion

Notre protocole a été optimisé afin d'étudier plus réaliste la co-infection VIH-de paludisme in vitro. Tout d'abord, les globules rouges humains frais et le sérum sont nécessaires pour la culture du parasite du paludisme. Ceci est essentiel pour obtenir une population saine des parasites du paludisme. Lysats parasite ne peut pas être remplacé par des parasites vivants que la production de cytokines est beaucoup plus rapide et intense lors de l'utilisation en direct P. falciparum in…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

C.A.M.F. and L.S. participated in protocol design, acquisition and analysis of data, and drafting of the article.

The authors wish to thank Dr. Kain, Dr. Loutfy, Dr. Wasmuth, and Dr. Ayi for their contributions.

C.F. was supported by a CTN/Ontario HIV Treatment Network (OHTN) postdoctoral fellowship. L.S. is supported by an OHTN Junior Investigator Development Award. The present work was supported by a Canadian Institutes of Health Research (CIHR) operating grant (MOP-13721 and 115160), and a CIHR New Investigator Catalyst grant.

Materials

alanine Sigma A7377
antibodies (see other table)
BD Cytofix/Cytoperm with BD GolgiPlug BD 555028 includes brefeldin A, cytofix/cytoperm buffer and perm/wash buffer
BD Vacutainer ACD Solution A BD 364506
BD Vacutainer Sodium Heparin BD 17-1440-02
DPBS (no calcium, no magnesium) Corning 21-031-CV
Fetal Bovine Serum Sigma F1051 heat inactivate before use
Ficoll-Paque PLUS GE Healthcare 17-1440-02
gentamycin (10mg/ml) Gibco 15710-064
Hema3 Staining Set Fisher 122-911
HEPES Fisher BP310-500
hypoxanthine Sigma H9636
Ionomycin Sigma I3909
MEM non-essential amino acids (10mM) Gibco 11140
PMA Sigma P8139
RPMI-1640 powder Life-Technologies 31800-022
RPMI-1640 with L-glutamine and HEPES Thermo Scientific SH30255.01
sodium bicarbonate (powder, cell culture) Sigma S5761
Sodium Pyruvate (100mM) Gibco 11360
Tris (Trizma base) Sigma T6066
Trizol Ambion 15596018
Trypan Blue (0.4%) Gibco 15250-061
BD CompBead BD 552843, 552845 depends on antibodies used
Parasite Gas Mixture By special order 3% CO2, 1% O2, balance N2

Referências

  1. Graham, A. L., Cattadori, I. M., Lloyd-Smith, J. O., Ferrari, M. J., Bjørnstad, O. N. Transmission consequences of coinfection: cytokines writ large. Trends in parasitology. 23 (6), 284-291 (2007).
  2. French, N., et al. Increasing rates of malarial fever with deteriorating immune status in HIV-1-infected Ugandan adults. AIDS (London, England). 15 (7), 899-906 (2001).
  3. Hoffman, I. F., et al. The effect of Plasmodium falciparum malaria on HIV-1 RNA blood plasma concentration. AIDS (London, England). 13 (4), 487-494 (1999).
  4. Kamya, M. R., et al. Effect of HIV-1 infection on antimalarial treatment outcomes in Uganda: a population-based study. The Journal of infectious diseases. 193 (1), 9-15 (2006).
  5. Kublin, J. G., et al. Effect of Plasmodium falciparum malaria on concentration of HIV-1-RNA in the blood of adults in rural Malawi: a prospective cohort study. Lancet. 365 (9455), 233-240 (2005).
  6. Mermin, J., et al. Effect of co-trimoxazole prophylaxis, antiretroviral therapy, and insecticide-treated bednets on the frequency of malaria in HIV-1-infected adults in Uganda: a prospective cohort study. Lancet. 367 (9518), 1256-1261 (2006).
  7. Patnaik, P., et al. Effects of HIV-1 serostatus, HIV-1 RNA concentration, and CD4 cell count on the incidence of malaria infection in a cohort of adults in rural Malawi. The Journal of infectious diseases. 192 (6), 984-991 (2005).
  8. Whitworth, J., et al. Effect of HIV-1 and increasing immunosuppression on malaria parasitaemia and clinical episodes in adults in rural Uganda: a cohort study. Lancet. 356 (9235), 1051-1056 (2000).
  9. Xiao, L., Owen, S. M., Rudolph, D. L., Lal, R. B., Lal, A. A. Plasmodium falciparum antigen-induced human immunodeficiency virus type 1 replication is mediated through induction of tumor necrosis factor-alpha. The Journal of infectious diseases. 177 (2), 437-445 (1998).
  10. Francesconi, P., et al. HIV, malaria parasites, and acute febrile episodes in Ugandan adults: a case-control study. AIDS (London, England). 15 (18), 2445-2450 (2001).
  11. Finney, C. A. M., et al. HIV infection deregulates Tim-3 expression on innate cells: combination antiretroviral therapy results in partial restoration. Journal of acquired immune deficiency syndromes. 63 (2), 161-167 (2013).
  12. Finney, C. A. M., et al. HIV infection deregulates innate immunity to malaria despite combination antiretroviral therapy. AIDS (London, England). 27 (3), 325-335 (2013).
  13. Ljungstrom, I., et al. . Methods in Malaria Research. , (2013).
  14. Heid, C. A., Stevens, J., Livak, K. J., Williams, P. M. Real time quantitative PCR. Genome Res. 6 (10), 986-994 (1996).
  15. Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2-DDCT method. Methods. 25 (4), 402-408 (2001).
  16. Hensmann, M., Kwiatkowski, D. Cellular basis of early cytokine response to Plasmodium falciparum. Infection and immunity. 69 (4), 2364-2371 (2001).
  17. Artavanis-Tsakonas, K., Riley, E. M. Innate immune response to malaria: rapid induction of IFN-gamma from human NK cells by live Plasmodium falciparum-infected erythrocytes. J Immunol. 169 (6), 2956-2963 (2002).
  18. Lambros, C., Vanderberg, J. P. Synchronization of Plasmodium falciparum erythrocytic stages in culture. The Journal of parasitology. 65 (3), 418-420 (1979).
  19. Ludlow, L. E., et al. HIV-1 inhibits phagocytosis and inflammatory cytokine responses of human monocyte-derived macrophages to P. falciparum infected erythrocytes. PloS one. 7 (2), e32102 (2012).
  20. Weinberg, A., et al. Viability and functional activity of cryopreserved mononuclear cells. Clinical and diagnostic laboratory immunology. 7 (4), 714-716 (2000).
  21. Fowke, K. R., Behnke, J., Hanson, C., Shea, K., Cosentino, L. M. Apoptosis: a method for evaluating the cryopreservation of whole blood and peripheral blood mononuclear cells. Journal of immunological. 244 (1-2), 139-144 (2000).
  22. Jeurink, P. V., Vissers, Y. M., Rappard, B., Savelkoul, H. F. J. T cell responses in fresh and cryopreserved peripheral blood mononuclear cells: kinetics of cell viability, cellular subsets, proliferation, and cytokine production. Cryobiology. 57 (2), 91-103 (2008).
  23. Kvarnström, M., Jenmalm, M. C., Ekerfelt, C. Effect of cryopreservation on expression of Th1 and Th2 cytokines in blood mononuclear cells from patients with different cytokine profiles, analysed with three common assays: an overall decrease of interleukin-4. Cryobiology. 49 (2), 157-168 (2004).
  24. Venkataraman, M. Effects of cryopreservation of immune responses. XI. Heightened secretion of tumor necrosis factor-alpha by frozen human peripheral blood mononuclear cells. Cryobiology. 34 (3), 276-283 (1997).
  25. Venkataraman, M. Effects of cryopreservation on immune responses. X. Decrease in interleukin-12 production by frozen human peripheral blood mononuclear cells is mediated by the endogenously hypersecreted interleukin-10. Cryobiology. 33 (5), 581-588 (1996).
  26. Reimann, K. A., Chernoff, M., Wilkening, C. L., Nickerson, C. E., Landay, A. L. Preservation of lymphocyte immunophenotype and proliferative responses in cryopreserved peripheral blood mononuclear cells from human immunodeficiency virus type 1-infected donors: implications for multicenter clinical trials. The ACTG Immunology Advanced. Clinical and diagnostic laboratory immunology. 7 (3), 352-359 (2000).
  27. Bennett, S., Breit, S. N. Variables in the isolation and culture of human monocytes that are of particular relevance to studies of HIV. Journal of leukocyte biology. 56 (3), 236-240 (1994).

Play Video

Citar este artigo
Finney, C., Serghides, L. An In Vitro Model for Measuring Immune Responses to Malaria in the Context of HIV Co-infection. J. Vis. Exp. (104), e52969, doi:10.3791/52969 (2015).

View Video