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Immunology and Infection

In Vivo-Infektion mit Leishmania amazonensis zur Bewertung der Parasitenvirulenz bei Mäusen

Published: February 20, 2020
doi:
10.3791/60617
, , , ,
1Department of Physiology, Institute of Bioscience,University of Sao Paulo

Summary

Hier stellen wir ein zusammengestelltes Protokoll zur Bewertung der Hautinfektion von Mäusen mit Leishmania amazonensisvor. Dies ist eine zuverlässige Methode zur Untersuchung der Virrulenz von Parasiten, die eine systemische Ansicht der Wirbeltier-Wirtsreaktion auf die Infektion ermöglicht.

Abstract

Leishmania spp. sind protozoische Parasiten, die Leishmanien verursachen, Krankheiten, die ein breites Spektrum klinischer Manifestationen von haut- bis viszeralen Läsionen darstellen. Derzeit sind schätzungsweise 12 Millionen Menschen weltweit mit Leishmania infiziert, und über 1 Milliarde Menschen sind von infektionsgefährdet. Leishmania amazonensis ist in Mittel- und Südamerika endemisch und führt in der Regel zur hautförmigen Form der Krankheit, die in einem Tiermodell direkt visualisiert werden kann. Daher sind L. amazonensis Stämme gute Modelle für kutane Leishmaniose-Studien, weil sie auch leicht in vitro kultiviert werden können. C57BL/6-Mäuse imitieren die l. amazonensisgetriebeneKrankheitsprogression, die beim Menschen beobachtet wurde, und gelten als eines der besten Mäusestämme modellieren für kutane Leishmaniose. Im Wirbeltierwirt bewohnen diese Parasiten Makrophagen trotz der Abwehrmechanismen dieser Zellen. Mehrere Studien verwenden In-vitro-Makrophagen-Infektionstests, um die Parasiteninfektiosität unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten. Der In-vitro-Ansatz beschränkt sich jedoch auf ein isoliertes Zellsystem, das die Reaktion des Organismus außer Acht lässt. Hier stellen wir eine in vivo murinierte Infektionsmethode zusammen, die einen systemischen physiologischen Überblick über die Wirts-Parasiten-Wechselwirkung bietet. Das detaillierte Protokoll zur In-vivo-Infektion von C57BL/6-Mäusen mit L. amazonensis umfasst die Parasitendifferenzierung in infektiöse Amastigoten, Mäusefootpad-Kutane-Impfung, Läsionsentwicklung und Parasitenlastbestimmung. Wir schlagen diese etablierte Methode als die am besten geeignete Methode für physiologische Studien des Wirts Immun- und Stoffwechselreaktionen auf hautnahe Leishmaniose vor.

Introduction

Leishmanien sind weltweit weit verbreitete parasitäre Infektionskrankheiten, die in Entwicklungsländern eine wichtige Herausforderung darstellen und von der Weltgesundheitsorganisation1,2als eine der wichtigsten vernachlässigten Tropenkrankheiten anerkannt werden. Die Leishmanien sind durch haut-, schleimhaut- und/oder viszerale Manifestationen gekennzeichnet. Kutane Leishmaniose wird in der Regel durch L. amazonensis, L. mexicana, L. braziliensis, L. guyanensis, L. major, L. tropica und L. aethiopica3verursacht. Diese Form der Krankheit ist oft Selbstheilung beim Menschen aufgrund der Induktion der schützenden zellulären Immunantwort. Jedoch, die zelluläre Immunantwort kann fehlschlagen, und die Krankheit kann zu verbreiten cutaneous Leishmaniasisfortschreiten 4,5. Aufgrund der Vielfalt unter den Leishmanien-Arten und dem genetischen Hintergrund der Wirtszeit gibt es keinen Impfstoff6,7. Behandlungsmöglichkeiten sind auch begrenzt, da die meisten der derzeit verfügbaren Medikamente entweder teuer, toxisch und/oder kann langfristige Behandlung erfordern8,9. Außerdem gab es Berichte über Arzneimittelresistenz entogen gegen die verfügbaren Behandlungen10,11.

Der Erreger der Leishmanien ist der protozoische Parasit Leishmanien. Der Parasit stellt zwei verschiedene morphologische Formen in seinem Lebenszyklus dar: Promastigoten, die flagellated Form in Sandfliegen gefunden; und Amastigoten, die intrazelluläre Form, die in den parasitopholen Vakuolen des Säugetierwirts Makrophagen12,13gefunden wird. Die Fähigkeit von Amastigotes, trotz der Abwehrmechanismen der Makrophagen des Wirbeltierwirts einzudringen, zu überleben und zu replizieren, unterliegt vielen Studien14,15,16,17. Daher haben mehrere Forschungsgruppen In-vitro-Makrophagen-Infektionstests beschrieben, um die Auswirkungen spezifischer Umweltfaktoren sowie von Parasiten- und Wirtsgenen auf die Parasiteninfektiosität zu bewerten. Dieser Test bietet mehrere Vorteile, wie die Fähigkeit, Studien an ein Format mit hohem Durchsatz anzupassen, einen relativ kürzeren Zeitraum, um Ergebnisse zu erzielen, und eine geringere Anzahl von Labortieren, die18geopfert wurden. Die Ergebnisse von In-vitro-Assays sind jedoch begrenzt, da sie nicht immer in vivo-Studien14,19,20,21replizieren. In-vivo-Assays bieten einen systemischen physiologischen Überblick über die Wirts-Parasiten-Interaktion, die durch In-vitro-Assays nicht vollständig nachgeahmt werden kann. Zum Beispiel können immunologische Studien durch immunhistochemische Assays aus gesammelten Fußpolstergewebeabschnitten oder sogar von poplitealen Lymphknoten zur Analyse der wiedergewonnenen Immunzellen durchgeführt werden22.

Tiere werden oft als Modell für menschliche Krankheiten in der biologischen und biomedizinischen Forschung verwendet, um die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen der Krankheiten besser zu verstehen23. Im Falle der Leishmaniose beeinflussen die Route, der Ort oder die Dosis der Impfung das Krankheitsergebnis24,25,26,27. Darüber hinaus werden Anfälligkeit und Resistenz gegen die Infektion bei Menschen und Mäusen stark durch den genetischen Hintergrund des Wirts und Parasiten4,5,22,28,29,30,31reguliert. BALB/c-Mäuse sind sehr anfällig für L. amazonensis kutane Infektionen, die ein schnelles Krankheitsverlauf mit der Verbreitung der Parasiten an die Lymphknoten, Milz und Leber32zeigen. Da die Krankheit zu kutanen Metastasen fortschreiten kann, kann die Infektion tödlich sein. Im Gegensatz dazu entwickeln C57BL/6-Mäuse häufig chronische Läsionen mit anhaltenden Parasitenbelastungen in L. amazonensis-Infektions-Assays 33. Dabei wurde eine L. amazonensis-Infektion mit dieser speziellen Mausart als ein ausgezeichnetes Modell zur Untersuchung chronischer Formen der hautnaheleishmaniosen Beim Menschen angesehen, da sie das Krankheitsverlaufbesser imitiert als das BALB/c-Mäuseinfektionsmodell5,34.

Daher schlagen wir vor, dass die murine in vivo-Infektion eine nützliche Methode für Leishmanenvirulenz physiologische Studien für menschliche Krankheiten ist, die eine systemische Ansicht der Wirts-Parasiten-Interaktion ermöglichen. Bei der Begutachtung der etablierten Assays22präsentieren wir hier ein zusammengestelltes Schritt-für-Schritt-Protokoll der In-vivo-Infektion von C57BL/6-Mäusen mit L. amazonensis, das die Parasitendifferenzierung in axtische Amastigoten, Mäusefußpad-Hautimpfung, Läsionsentwicklung und Parasitenlastbestimmung umfasst. Dieses Protokoll kann an andere Mäusestämme und Leishmanienarten angepasst werden, die kutane Leishmanien verursachen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier vorgestellte Methode entscheidend für die Identifizierung neuerAnti-Leishmanie-Medikamentenziele und -impfstoffe sowie in physiologischen Studien des Wirts immun- und metabolische Reaktionen auf Leishmanien-Infektionen ist.

Protocol

Alle experimentellen Verfahren wurden vom Tierpflege- und Verwendungsausschuss des Instituts für Biowissenschaften der Universität Von Sao Paulo (CEUA 342/2019) genehmigt und in Übereinstimmung mit den Empfehlungen und den Richtlinien für die Pflege und Verwendung von Labortieren des Bundesstaates Sao Paulo (Lei Estadual 11.977, de 25/08/2005) und der brasilianischen Regierung (Lei Federal 11.794, de 08/10/2008). Alle in den Abschnitten 1-5 beschriebenen Schritte sollten aseptisch in laminaren Strömungsschränken du…

Representative Results

Leishmania protozoan Parasiten existieren in zwei Entwicklungsformen während ihres Lebenszyklus in wirbellosen und Wirbeltier wirte: Promastigoten, die proliferative Formen im Lumen der weiblichen Sandfliege gefunden; und Amastigoten, die proliferativen Formen, die in den parasitophorischen Vakuolen der Säugetier-Wirtszellen gefunden werden. Promastigoten haben einen langgestreckten Körper von etwa 1,5 m Breite und 20 m Länge, wobei ein Flagellum typischerweise aus der vorder…

Discussion

Der in diesem Protokoll beschriebene In-vivo-Infektionstest ermöglicht es jedem Forscher, in vivo kutane Leishmaniose unter Berücksichtigung der Wirts-Parasiten-Interaktion in einem systemischen Szenario zu bewerten. Diese Assays wurden von vielen Gruppen22,24,27,29,31,32,34,<su…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken Prof. Dr. Niels Olsen Saraiva Cémara vom Tierzentrum des Instituts für Biomedizinische Wissenschaften der Universität von Sao Paulo für die Unterstützung und Prof. Dr. Silvia Reni Uliana für die Bereitstellung der Glasgewebemühle. Diese Arbeit wurde von der Sao Paulo Research Foundation (FAPESP – MFLS’ Grant 2017/23933-3) unterstützt.

Materials

96-well plate Greiner bio-ne 655180 A flat-bottom plate for limiting dilution assay
adenine Sigma A8626 Supplement added to M199 cell culture media
caliper Mitutoyo 700-118-20 A caliper to measure the thickness of footpad
cell culture flask Corning 353014 A 25 cm2 volume cell culture flask to cultivate Leishmania parasite
centrifuge Eppendorf 5804R An equipament used for separating samples based on its density
CO2 incubator 34 °C Thermo Scientific 3110 An incubator for amastigotes differentiation
ethanol Merck K50237083820 A disinfectant for general items
fetal bovine serum Gibco 12657-029 Supplement added to M199 cell culture media
glass tissue grinder tube Thomas Scientific 3431 E04 A tube to collect and disrupt infected footpad tissue
glucose Synth G1008.01.AH Supplement added to M199 cell culture media
GraphPad Prism Software GraphPad A software used to plot the data and calculate statistical significance
hemin Sigma H-2250 Supplement added to M199 cell culture media
HEPES Promega H5303 Supplement added to M199 cell culture media
incubator 25 °C Fanem 347CD An incubator for promastigotes cultivation
inverted microscope Nikon TMS An equipament used to visual analyze the promastigote and amastigote cultures
isoflurane An inhalant anesthetics for mice (3-5%)
laminar flow cabinet Veco VLFS-09 A biosafety cabinet used for aseptical work area
M199 cell culture media Gibco 31100-035 A cell culture media for Leishmania cultivation
microcentrifuge tube Axygen MCT150C A microtube used for sample collection, processing and storage
multichanel pipette Labsystems F61978 A multichannel pipette used for limiting dilution assay
NaHCO3 Merck 6329 Supplement added to M199 cell culture media
NaOH Sigma S8045 Supplement added to M199 cell culture media
Neubauer chamber HBG 2266 A hemocytometer to count the parasite suspension
optical microscope Nikon E200 An optical equipament used to count parasite
parafilm Bemis 349 A flexible and resistant plastic to seal the plate
penicillin/streptomycin Gibco 15140122 Supplement added to M199 cell culture media
Petri dishes TPP 93100 A sterile dish to dissect the footpad tissue
pipetman kit Gilson F167360 A micropipette kit containing four pipettors (P2 P20 P200 P1000)
scale Quimis BG2000 An equipament used to weigh collected footpad lesions
scalpel Solidor 10237580026 A scalpel to cut and collect footpad tissue
serological pipette 10 mL Nest 327001 A sterile pipette used for transfering mililiter volumes
tips Axygen A pipette tip used for transfering microliter volumes
Trypan blue Gibco 15250-061 A dye used to count viable parasites
trypticase peptone Merck Supplement added to M199 cell culture media
tuberculin syringe BD 305945 A syringe with 27G needle to inoculate the parasite suspension
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Aoki, J. I., Hong, A., Zampieri, R. A., Floeter-Winter, L. M., Laranjeira-Silva, M. F. In Vivo Infection with Leishmania amazonensis to Evaluate Parasite Virulence in Mice. J. Vis. Exp. (156), e60617, doi:10.3791/60617 (2020).
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