Summary

Fenotypisk analys av gnagare malaria parasit asexuella och sexuella blod stadier och Myggstadier

Published: May 30, 2019
doi:

Summary

På grund av de slående likheter av livscykeln och biologi av gnagare malariaparasiter till mänskliga malariaparasiter, gnagare malaria modeller har blivit oumbärlig för malaria forskning. Häri, standardiserade vi några av de viktigaste teknikerna som används i fenotypisk analys av vildtyp och transgena gnagare malaria arter.

Abstract

Senaste framstegen inom genetik och systembiologi teknik har främjat vår förståelse av biologi malariaparasiter på molekylär nivå. Emellertid, effektiva malariaparasiten mål för vaccin och kemoterapi utveckling är fortfarande begränsade. Detta beror till stor del på otillgängligheten av relevanta och praktiska in vivo -infektionsmodeller för humana plasmodiumarter , framför allt för p. falciparum och p. vivax. Därför har gnagare malaria arter använts i stor utsträckning som praktiskt alternativ in vivo modeller för malariavaccin, drog inriktning, immunsvar, och funktionella karakteriseringsstudier av bevarade Plasmodiumspp. gener. Faktum är att gnagare malaria modeller har visat sig vara ovärderliga, särskilt för att utforska myggnät och lever scen biologi, och var oumbärliga för immunologiska studier. Det finns dock avvikelser i de metoder som används för att utvärdera fenotyper av transgena och vildtyp asexuella och sexuella blod-scenen parasiter. Exempel på dessa avvikelser är valet av en intravenös kontra intraperitoneal infektion av gnagare med blod-Stadium parasiter och utvärderingen av manliga könscell exflagellation. Häri, vi detalj standardiserade experimentella metoder för att utvärdera fenotyper av asexuella och sexuella blod stadier i transgena parasiter som uttrycker reporter-gen eller vild-typ gnagare malaria parasitarter. Vi detalj också metoder för att utvärdera fenotyper av malaria parasit mygga stadier (könsceller, ookinetes, oocyster, och sporozoiter) inuti Anopheles mygga vektorer. Dessa metoder är detaljerade och förenklade här för dödliga och icke-dödliga stammar av p. berghei och p. yoelii men kan också tillämpas med vissa justeringar av p. chabaudi och p. vinckei gnagare malaria arter.

Introduction

Malariaparasiter orsaka hundratals miljoner malaria infektioner i människor över hela världen, med mer än 600 000 dödsfall varje år1. Mänskliga infektioner orsakas av fem malaria parasitarter, nämligen p. falciparum, p. vivax, p. ovale, p. malariaeoch p. knowlesi. De flesta kliniska malaria mortalitet orsakas av P. falciparum i Afrika söder om Sahara1. En annan mänsklig malaria parasitarter som orsakar omfattande globala komorbiditeter utanför Afrika söder om Sahara är P. vivax2. De andra tre arterna är alla mer geografiskt begränsade och orsakar godartade malaria infektioner, utom den dödliga P. knowlesi3. Otillgängligheten av relevanta och praktiska icke-humana in vivo-modeller av infektioner har alltid varit och är fortfarande ett hinder för malariavaccin och läkemedelsutveckling. Tidigare malaria drog inriktning och metaboliska studier har åberopats i stor utsträckning på aviär malaria modeller som p. gallinaceum och p. lophurae, infekterar kycklingar och änder, respektive4. Därefter infördes gnagare malaria arter successivt i olika vacciner och drog inriktning studier som in vivo-modeller. Under årens lopp har bevis för likheter av biologi och värd-parasit interaktioner av livscykelstadier av gnagare malaria modeller till mänskliga malaria arter ackumuleras.

I synnerhet, gnagare malaria modeller var oerhört viktigt att utforska och karakterisera biologi av mygga och pre-erytrocytiska stadier5. Det finns dock fyra gnagare malaria arter (p.berghei, p. yoelii, p. chabaudi, och p. vinckei) som har olika biologiska egenskaper, den mest anmärkningsvärda av dessa är i blodet stadier6. Gnagare malaria arter skiljer sig i Synchronicity av blod stadier, där blod stadier av p. chabaudi och p. vinckei stammar är mestadels synkrona, medan blod stadierna av p. berghei och p. yoelii är inte6 , 7. en annan anmärkningsvärd skillnad är själv klarering av blod stadier som förekommer i vissa stammar(t. ex., p. yoelii 17x-nl, p. berghei NK65, och p. vinckei lentum), medan blod infektionen av andra stammar av samma art kan vara dödliga om de lämnas obehandlade (p. yoelii 17x-L, p. berghei anka, och P. chabaudi as). Dessutom, p. yoelii 17x-nl stam och p. berghei anka stam företrädesvis invadera retikulocyter8,9,10,11, även om dessa funktioner i p. yoelii och P. berghei stammar är inte en strikt tillväxt krav12,13,14. Därför, möss behandlas med Fenylhydrazin före en infektion med blod stadier av dessa parasiter för att öka parasitemia och gametocytemia behövs för en mygga infektion för p. berghei anka stam och för p. yoelii 17x-nl15,16,17,18,19.

Skillnader i Mosquito stadier utveckling finns också bland olika gnagare malaria arter, den mest anmärkningsvärda är den temperatur och tid som krävs för optimal Mosquito stadier utveckling och sporozoite längd5,6, 20. I pre-erytrocytiska stadier av gnagare malaria arter, skillnader inkluderar gnagare arter och stam som är mest mottagliga för infektiös sporozoit Inympning, antalet sporozoiter som behövs för inympning i en mottaglig gnagare stam, däggdjursceller som behövs för in vitro-utvecklingstester för lever stadiet, och tiden för att slutföra utvecklingen av lever stadiet5,21,22,23,24,25 ,26,27,28,29,30.

Trots dessa variabilities var gnagare malariaparasiter gynnsamma modeller tidigt för tillämpningen av omvänd genetiska metoder, eftersom de var mindre tid-och resurskrävande med en hög sannolikhet för framgång31. I själva verket, gnagare malaria modeller var de bästa modellerna, och i många fall de enda modellerna, tillgängliga för många år att funktionellt karakterisera gener uttrycks i mygga och lever stadier.

Mot bakgrund av populariteten och möjligheten att omvända genetiska metoder i gnagare malaria modeller, har ett antal olika metoder utnyttjats för att analysera fenotyper av transgena parasiter livscykelstadier, särskilt blod stadier. Vissa av dessa metoder är dock inkonsekvent. till exempel, jämföra infektioner i blod-skede parasiter efter en IP-injektion (som möjligen dräneras till peritoneala lymfkörtlar och, därifrån, kan komma in i blodomloppet; därför, de injicerade parasiter inte hamna lika i blodet) , jämföra mygga överföring av kloner med olika antal seriella blod-steg överföringar eller G-nummer (som kan påverka gametocytogenesis32,33), eller jämföra transgena parasiter direkt till naiva vildtyp (WT) parasiter som aldrig utsattes för elektroporation och positivt val av läkemedel och de olika ostandardiserade utvärderingar av manliga könscell exflagellation. Därför är det viktigt att standardisera protokoll som är enkla att följa för fenotypisk analys av någon typ av transgena eller WT gnagare malariaparasiter i blodet och i mygga för att tillgodose de biologiska variabiliteterna av gnagare malaria parasitarter.

Häri, Vi rapporterar om ett standardiserat, detaljerat experimentprotokoll för fenotypisk analys av blod och myggor livscykelstadier av transgena eller vildtyp p. yoelii och p. berghei parasiter. Dessa protokoll är också tillämpliga på p. chabaudi och p. vinckei parasiter.

Protocol

Alla djurförsök som beskrivs här genomfördes enligt de godkända protokollen från den institutionella djuromsorg och användning kommittén (IACUC) av Tulane University och djur etikkommittén för Bezmialem Vakif University. Alla andra experimentella protokoll och användningen av rekombinant DNA utfördes enligt de godkända protokollen från den institutionella Biosäkerhetskommittén (IBC) vid Tulane University. 1. infektion av möss med blod-skede parasiter för Parasitemia analys och …

Representative Results

Framgången med att tillämpa omvänd genetiska verktyg och tekniker för att malariaparasiter har revolutionerat området malaria forskning, med möjlighet att lägga till, ta bort eller ändra specifika genomisk segment av flera Plasmodium arter39. Viktigt, dispensable genomisk loci har identifierats och används framgångsrikt för att införa fluorescens protein markörer i gnagare och mänskliga malariaparasiter genom dubbel homolog rekombination, fö…

Discussion

Trots likheten i den allmänna biologin av deras livscykler till att mänskliga malariaparasiter, mus malaria modeller har också många olikheter till mänskliga Plasmodium arter som skulle begränsa deras användning som tillförlitlig in vivo modeller. Till exempel, med undantag för levande försvagade parasiter som vacciner, gav alla vaccin studier med subenhet och DNA och andra vacciner utmärkta resultat i musmodellen, men hos människor som lever i endemiska områden var resultaten långt ifrån…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ahmed Aly stöds av finansiering till Bezmialem Vakif universitet från det turkiska ministeriet för utveckling Grant 2015BSV036, och genom finansiering från Tulane University School of Public Health and Tropical Medicine, och genom finansiering från NIH-NIAID för R21Grant 1R21AI111058-01A1.

Materials

Heparin Sigma 375095-100KU
Xanthurenic acid Sigma D120804-5G
Hypoxanthine Sigma H9377-25G
Alsever's solution Sigma A3551-500ML
Sodium Bicarbonate Sigma S5761-500G
Phenylhydrazine Sigma P26252-5G
Glycerol Sigma G5516-500ML
Giemsa Sigma GS1L-1L
26G x 3/8 Precision Glide Needle,  Becton Dickinson 305110
1 ml TB Syringe, 26G x 3/8 Becton Dickinson 309625
1 cc Insulin Syringe, U-100 27G Becton Dickinson 329412
Isoflurane, USB Piramal 2667- 46- 7
PBS, pH 7.4 Gibco 10010049
RPMI Gibco 22400105
DMEM Gibco 11995065
Pencillin/ Streptomycin Gibco 10378016
Fetal Bovine Serum Gibco 10082147
Fiber Glass Wool Corning 3950

Referências

  1. Who/Unicef Report. Malaria Mdg Target Achieved Amid Sharp Drop in Cases and Mortality, but 3 Billion People Remain at Risk. Neurosciences (Riyadh). 21, 87-88 (2016).
  2. Naing, C., Whittaker, M. A., Nyunt Wai, V., Mak, W. J. Is Plasmodium vivax malaria a severe malaria?: a systematic review and meta-analysis. PLoS Neglected Tropical Diseases. 8, e3071 (2014).
  3. Millar, S. B., Cox-Singh, J. Human infections with Plasmodium knowlesi–zoonotic malaria. Clinical Microbiology and Infection: The Official Publication of the European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases. 21, 640-648 (2015).
  4. Spry, C., Kirk, K., Saliba, K. J. Coenzyme A biosynthesis: an antimicrobial drug target. FEMS Microbiology Reviews. 32, 56-106 (2008).
  5. Aly, A. S., Vaughan, A. M., Kappe, S. H. Malaria parasite development in the mosquito and infection of the mammalian host. Annual Review of Microbiology. 63, 195-221 (2009).
  6. Stephens, R., Culleton, R. L., Lamb, T. J. The contribution of Plasmodium chabaudi to our understanding of malaria. Trends in Parasitology. 28, 73-82 (2012).
  7. Bagnaresi, P., et al. Unlike the synchronous Plasmodium falciparum and P. chabaudi infection, the P. berghei and P. yoelii asynchronous infections are not affected by melatonin. International Journal of General Medicine. 2, 47-55 (2009).
  8. Cromer, D., Evans, K. J., Schofield, L., Davenport, M. P. Preferential invasion of reticulocytes during late-stage Plasmodium berghei infection accounts for reduced circulating reticulocyte levels. International Journal for Parasitology. 36, 1389-1397 (2006).
  9. Jayawardena, A. N., Mogil, R., Murphy, D. B., Burger, D., Gershon, R. K. Enhanced expression of H-2K and H-2D antigens on reticulocytes infected with Plasmodium yoelii. Nature. 302, 623-626 (1983).
  10. Okada, H., et al. A transient resistance to blood-stage malaria in interferon-gamma-deficient mice through impaired production of the host cells preferred by malaria parasites. Frontiers in Microbiology. 6, 600 (2015).
  11. Walliker, D., Sanderson, A., Yoeli, M., Hargreaves, B. J. A genetic investigation of virulence in a rodent malaria parasite. Parasitology. 72, 183-194 (1976).
  12. Deharo, E., Coquelin, F., Chabaud, A. G., Landau, I. The erythrocytic schizogony of two synchronized strains of plasmodium berghei, NK65 and ANKA, in normocytes and reticulocytes. Parasitology Research. 82, 178-182 (1996).
  13. Fahey, J. R., Spitalny, G. L. Virulent and nonvirulent forms of Plasmodium yoelii are not restricted to growth within a single erythrocyte type. Infection and Immunity. 44, 151-156 (1984).
  14. Srivastava, A., et al. Host reticulocytes provide metabolic reservoirs that can be exploited by malaria parasites. PLoS Pathogens. 11, e1004882 (2015).
  15. Hart, R. J., et al. Genetic Characterization of Plasmodium Putative Pantothenate Kinase Genes Reveals Their Essential Role in Malaria Parasite Transmission to the Mosquito. Scientific Reports. 6, 33518 (2016).
  16. Hart, R. J., Ghaffar, A., Abdalal, S., Perrin, B., Aly, A. S. Plasmodium AdoMetDC/ODC bifunctional enzyme is essential for male sexual stage development and mosquito transmission. Biology Open. 5, 1022-1029 (2016).
  17. Hart, R. J., Lawres, L., Fritzen, E., Ben Mamoun, C., Aly, A. S. Plasmodium yoelii vitamin B5 pantothenate transporter candidate is essential for parasite transmission to the mosquito. Scientific Reports. 4, 5665 (2014).
  18. Ramakrishnan, C., et al. Laboratory maintenance of rodent malaria parasites. Methods in Molecular Biology. 923, 51-72 (2013).
  19. Hart, R. J., Abraham, A., Aly, A. S. I. Genetic Characterization of Coenzyme A Biosynthesis Reveals Essential Distinctive Functions during Malaria Parasite Development in Blood and Mosquito. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 7, 260 (2017).
  20. Vanderberg, J. P., Yoeli, M. Effects of temperature on sporogonic development of Plasmodium berghei. The Journal of Parasitology. 52, 559-564 (1966).
  21. Vaughan, A. M., Aly, A. S., Kappe, S. H. Malaria parasite pre-erythrocytic stage infection: gliding and hiding. Cell Host & Microbe. 4, 209-218 (2008).
  22. Briones, M. R., Tsuji, M., Nussenzweig, V. The large difference in infectivity for mice of Plasmodium berghei and Plasmodium yoelii sporozoites cannot be correlated with their ability to enter into hepatocytes. Molecular and Biochemical Parasitology. 77, 7-17 (1996).
  23. Hollingdale, M. R., Leland, P., Leef, J. L., Beaudoin, R. L. The influence of cell type and culture medium on the in vitro cultivation of exoerythrocytic stages of Plasmodium berghei. The Journal of Parasitology. 69, 346-352 (1983).
  24. House, B. L., Hollingdale, M. R., Sacci, J. B., Richie, T. L. Functional immunoassays using an in vitro malaria liver-stage infection model: where do we go from here?. Trends in Parasitology. 25, 525-533 (2009).
  25. Khan, Z. M., Vanderberg, J. P. Role of host cellular response in differential susceptibility of nonimmunized BALB/c mice to Plasmodium berghei and Plasmodium yoelii sporozoites. Infection and Immunity. 59, 2529-2534 (1991).
  26. Most, H., Nussenzweig, R. S., Vanderberg, J., Herman, R., Yoeli, M. Susceptibility of genetically standardized (JAX) mouse strains to sporozoite- and blood-induced Plasmodium berghei infections. Military Medicine. 131 (Suppl), 915-918 (1966).
  27. Nussenzweig, R., Herman, R., Vanderberg, J., Yoeli, M., Most, H. Studies on sporozoite-induced infections of rodent malaria. 3. The course of sporozoite-induced Plasmodium berghei in different hosts. The American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 15, 684-689 (1966).
  28. Silvie, O., Franetich, J. F., Boucheix, C., Rubinstein, E., Mazier, D. Alternative invasion pathways for Plasmodium berghei sporozoites. International Journal for Parasitology. 37, 173-182 (2007).
  29. Tarun, A. S., et al. Protracted sterile protection with Plasmodium yoelii pre-erythrocytic genetically attenuated parasite malaria vaccines is independent of significant liver-stage persistence and is mediated by CD8+ T cells. The Journal of Infectious Diseases. 196, 608-616 (2007).
  30. Weiss, W. R., Good, M. F., Hollingdale, M. R., Miller, L. H., Berzofsky, J. A. Genetic control of immunity to Plasmodium yoelii sporozoites. The Journal of Immunology. 143, 4263-4266 (1989).
  31. Philip, N., Orr, R., Waters, A. P. Transfection of rodent malaria parasites. Methods in Molecular Biology. 923, 99-125 (2013).
  32. Janse, C. J., Ponzi, M., Sinden, R. E., Waters, A. P. Chromosomes and sexual development of rodent malaria parasites. Memorias do Instituto Oswaldo Cruz. 89 (Suppl), 43-46 (1994).
  33. Sinha, A., et al. A cascade of DNA-binding proteins for sexual commitment and development in Plasmodium. Nature. 507, 253-257 (2014).
  34. Malleret, B., et al. A rapid and robust tri-color flow cytometry assay for monitoring malaria parasite development. Scientific Reports. 1, 118 (2011).
  35. Aly, A. S., Matuschewski, K. A malarial cysteine protease is necessary for Plasmodium sporozoite egress from oocysts. The Journal of Experimental Medicine. 202, 225-230 (2005).
  36. Aly, A. S., Lindner, S. E., MacKellar, D. C., Peng, X., Kappe, S. H. SAP1 is a critical post-transcriptional regulator of infectivity in malaria parasite sporozoite stages. Molecular Microbiology. 79, 929-939 (2011).
  37. Aly, A. S., et al. Targeted deletion of SAP1 abolishes the expression of infectivity factors necessary for successful malaria parasite liver infection. Molecular Microbiology. 69, 152-163 (2008).
  38. Ozaki, L. S., Gwadz, R. W., Godson, G. N. Simple centrifugation method for rapid separation of sporozoites from mosquitoes. The Journal of Parasitology. 70, 831-833 (1984).
  39. de Koning-Ward, T. F., Gilson, P. R., Crabb, B. S. Advances in molecular genetic systems in malaria. Nature Reviews. Microbiology. 13, 373-387 (2015).
  40. Janse, C. J., Ramesar, J., Waters, A. P. High-efficiency transfection and drug selection of genetically transformed blood stages of the rodent malaria parasite Plasmodium berghei. Nature Protocols. 1, 346-356 (2006).
  41. Lin, J. W., et al. A novel ‘gene insertion/marker out’ (GIMO) method for transgene expression and gene complementation in rodent malaria parasites. PLoS One. 6, e29289 (2011).
  42. Manzoni, G., et al. A rapid and robust selection procedure for generating drug-selectable marker-free recombinant malaria parasites. Scientific Reports. 4, 4760 (2014).
check_url/pt/55688?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Aly, A. S., Deveci, G., Yilmaz, I., Abraham, A., Golshan, A., Hart, R. J. Phenotypic Analysis of Rodent Malaria Parasite Asexual and Sexual Blood Stages and Mosquito Stages. J. Vis. Exp. (147), e55688, doi:10.3791/55688 (2019).

View Video