Standaard membraanvoedingstest voor de detectie van Plasmodium falciparum-infectie in Anopheles Mosquito Vectors
Summary
De standaard membraanvoedingstest (SMFA) wordt beschouwd als de gouden standaard voor de beoordeling en identificatie van potentiële antimalariaverbindingen. Dit kunstmatige voedingssysteem wordt gebruikt om muggen te infecteren om de effecten van dergelijke verbindingen op de intensiteit en prevalentie van de Plasmodium falciparum-parasiet verder te evalueren.
Abstract
Malaria blijft een van de meest verwoestende ziekten ter wereld en tot op heden is de Afrikaanse regio nog steeds verantwoordelijk voor 94% van alle gevallen wereldwijd. Deze parasitaire ziekte vereist een protozoaire parasiet, een Anopheles-muggenvector en een gewervelde gastheer. Het geslacht Anopheles omvat meer dan 500 soorten, waarvan er 60 bekend staan als vectoren van de parasiet. Het geslacht Plasmodium-parasiet bestaat uit 250 soorten, waarvan er 48 betrokken zijn bij de overdracht van ziekten. Bovendien heeft de Plasmodium falciparum-parasiet de afgelopen jaren bijgedragen aan naar schatting 99,7% van de malariagevallen in Afrika ten zuiden van de Sahara.
Gametocyten maken deel uit van het seksuele stadium van de parasiet en worden ingenomen door de vrouwelijke mug bij het voeden met een geïnfecteerde menselijke gastheer. Verdere ontwikkeling van de parasiet in de mug wordt versterkt door gunstige omgevingsomstandigheden in het midden van de mug. Hier vindt de fusie van de vrouwelijke en mannelijke gameten plaats en ontstaan de beweeglijke ookineten. De ookineten komen het midgut-epitheel van de mug binnen en volwassen ookineten vormen oöcysten, die op hun beurt beweeglijke sporozoïeten produceren. Deze sporozoïeten migreren naar de speekselklieren van de mug en worden geïnjecteerd als een mug een bloedmaaltijd neemt.
Voor het ontdekken van geneesmiddelen werden muggen kunstmatig geïnfecteerd met met gametocyten geïnfecteerd bloed in de standaard membraanvoedingstest (SMFA). Om infectie in de mug op te sporen en/of de werkzaamheid van antimalariamiddelen te beoordelen, werden de midguts van de vrouwelijke muggen na infectie verwijderd en gekleurd met mercurochroom. Deze methode werd gebruikt om de visuele detectie van oöcysten onder de microscoop te verbeteren voor de nauwkeurige bepaling van oöcystenprevalentie en -intensiteit.
Introduction
Malaria, bekend als een van de meest destructieve ziekten wereldwijd, vormt nog steeds een grote bedreiging voor verschillende landen – vooral die in de Afrikaanse regio – en draagt bij aan ongeveer 95% van de gevallen wereldwijd1. Deze ziekte wordt veroorzaakt door een protozoaire parasiet en samen met zijn Anopheles-muggenvector kunnen deze boosdoeners grote schade toebrengen aan de menselijke gastheer2. Meer specifiek is de falciparumsoort van het geslacht Plasmodium-parasiet verantwoordelijk voor naar schatting 99% van de malariagevallen in Afrika ten zuiden van de Sahara1. Daarnaast kunnen verschillende belangrijke Anopheles-muggenvectoren (waaronder An. gambiae Giles, An. arabiensis Patton, An. coluzzii Coetzee & Wilkerson sp.n. en An. funestus Giles) de schuld krijgen van meer dan 95% van de parasietoverdracht wereldwijd 3,4,5,6,7,8 . Om het ideale parasiet-vector gezelschap vast te stellen, moet de muggenvector vatbaar zijn voor de parasiet en in staat zijn om deze over te brengen9. Bovendien moeten zowel de vector als de parasiet fysieke barrières overwinnen om de perfecte infectieuze combinatie te vormen – de muggenvector moet de ontwikkeling van parasieten kunnen ondersteunen en de parasiet moet het vermogen hebben om de afweermechanismen van de gastheer te overwinnen10,11.
Gametocyten, het geslachtsstadium van de P. falciparumparasiet, spelen een cruciale rol bij het verbinden van de vector- en parasietpartners12. Seksuele ontwikkeling vindt plaats in vivo en gametocytogenese beschrijft het proces van de differentiatie van volwassen gametocyten in beweeglijke mannelijke microgameten en vrouwelijke macrogameten13. Een ander proces dat plaatsvindt in de mug is exflagellation – het proces waarbij de mannelijke gametocyt transformeert in gameten en tevoorschijn komt uit de rode bloedcellen die tijdens een bloed maaltijd worden opgenomen11. Het exflagelatieproces wordt verder gesuggereerd om te worden versterkt door een gunstige verandering in de omgeving van de mug midgut14. Na exflagellation wordt een zygote gevormd door de fusie van de mannelijke en vrouwelijke gameten13. Uit de zygote ontstaat een beweeglijk ookineet en verplaatst zich van het bloedmeel naar het epitheel van de mug midgut13. Hier rijpt de ookineet en wordt een oöcyst gevormd, die op zijn beurt beweeglijke sporozoïeten13,15 produceert. De sporozoïeten migreren vervolgens naar de speekselklieren van de mug en terwijl de mug een bloedmaaltijd van zijn gastheer neemt, worden deze sporozoïeten in de bloedbaan van de gastheer geïnjecteerd15.
Malariabestrijdingsinterventies, waarbij vectorcontrolestrategieën en het gebruik van effectieve antimalariamiddelen worden gecombineerd, zijn cruciaal geworden in de strijd tegen deze ziekte15. Met een toename van parasiet- en muggenresistentie neemt de urgentie voor de identificatie van nieuwe antimalariaverbindingen toe16. Daarom is de in vivo evaluatie van transmissieblokkerende verbindingen belangrijk16. Na de ontwikkeling van dergelijke effectieve transmissieblokkerende geneesmiddelen is de SMFA gebruikt om te beoordelen of deze verbindingen de seksuele ontwikkeling van P. falciparum in de Anopheles-mug 17,18,19 remmen. Deze test heeft sinds de jaren 1970-1980 erkenning gekregen als de gouden standaard voor het evalueren van transmissieblokkering 20,21. Deze test biedt een goedkoper alternatief dan andere assays zoals RT-qPCR, waarvoor gespecialiseerde apparatuur nodig is. Verder zijn er geen patiënten nodig om de experimenten uit te voeren. Deze test omvat ook de levering van gametocyt-geïnduceerd bloed aan vrouwelijke muggen, die vervolgens worden ontleed om te evalueren of oöcystontwikkeling aanwezig is21. Dit maakt gametocytenkwantificering en de detectie van misvormde oöcysten mogelijk vanwege de verbindingen22. Om een verbinding als effectief te classificeren, moeten de prevalentie (het aandeel muggen dat ten minste één oöcyst in het midgut herbergt) en het aantal oöcysten (intensiteit) in het muggenmiddendarm worden geëvalueerd om infectieremming 17,21,22 te beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om dit protocol met succes uit te voeren, moet aandacht worden besteed aan elke stap, ook al kan het een vervelend en moeizaam proces zijn. Een van de belangrijkste stappen is ervoor te zorgen dat de gametocytencultuur van goede kwaliteit is en dat deze bestaat uit volwassen gametocyten, met de juiste man/vrouw-verhouding, voordat de SMFA23,24 wordt gestart. Tijdens de SMFA is het ook cruciaal om de gametocytencultuur op de juiste temperatuur te houden om te voor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Graag Onze erkentelijkheid betuigen. Lyn-Mari Birkholtz en Dr. Janette Reader van de afdeling Biochemie, Genetica en Microbiologie, Instituut voor Duurzame Malariabestrijding, aan de Universiteit van Pretoria, voor het kweken en leveren van de gametocytencultuur. De parasiestam is verkregen van deze laatste afdeling (geen onderdeel van deze publicatie). Het Department of Science and Innovation (DSI) en de National Research Foundation (NRF); South African Research Chairs Initiative (UID 64763 tot LK en UID 84627 tot LMB); de NRF Communities of Practice (UID 110666 aan LMB en LK); en de South African Medical Research Council Strategic Health Innovation Partnerships (SHIP) zijn ook erkend voor fondsen van de DSI.
Materials
| Bovine intestine/ | Butchery | ||
| Compound MMV1581558 | MMV | Pandemic response box | |
| Dissecting needles | WRIM | Custom made | |
| falcon tube | Lasec | ||
| Glass feeders | Glastechniek Peter Coelen B.V. | ||
| Graphpad Prism (8.3.0) | Graphpad | ||
| Mercurochrome | Merck (Sigma-Aldrich) | 129-16-8 | |
| Microscope slides | Merch (Sigma-Aldrich) | S8902 | |
| Parafilm | Cleansafe | ||
| PBS tablets | ThermoFisher Scientific | BP2944 | |
| Perspex biosafety cabinet | Wits University | Made by the contractors at Wits | |
| Plastic cups (350 mL) | Plastic Land |
References
- World Malaria Report. World Health Organization Available from: https://www.who.int/publications/i/item/9789240040496 (2021)
- Takken, W., Verhulst, N. O. Host preferences of blood feeding mosquitoes. Annual Review of Entomology. 58, 433-453 (2013).
- Gillies, M. T., Coetzee, M. Supplement to the Anophelinae of Africa south of the Sahara Afrotropical region. Publications of the South African Institute for Medical Research. 55, 1 (1987).
- Gillies, M. T., De Meillon, B. The Anophelinae of Africa south of the Sahara. Publications of the South African Institute for Medical Research. 54, (1968).
- Antonio-Nkondjio, C., et al. Complexity of the malaria vectorial system in Cameroon: contribution of secondary vectors to malaria transmission. Journal of Medical Entomology. 43, 1215-1221 (2006).
- Sinka, M. E., et al. The dominant Anopheles vectors of human malaria in Africa, Europe and the Middle East: occurrence data, distribution maps and bionomic précis. Parasites and Vectors. 3, 117 (2010).
- Coetzee, M., Hunt, R. H., Wilkerson, R., Della Torre, A., Coulibaly, M. B., Besansky, N. J. Anopheles coluzzii and Anopheles amharicus, new members of the Anopheles gambiae complex. Zootaxa. 3619, 246-274 (2013).
- Kyalo, D., Amratia, P., Mundia, C. W., Mbogo, C. M., Coetzee, M., Snow, R. W. A geo-coded inventory of anophelines in the Afrotropical Region south of the Sahara: 1898-2016. Wellcome Open Research. 2, 57 (2017).
- Cohuet, A., Harris, C., Robert, V., Fontenille, D. Evolutionary forces on Anopheles: What makes a malaria vector. Trends in Parasitology. 309, (2009).
- Weathersby, A. B. The role of the stomach wall in the exogenous development of Plasmodium gallinaceum as studies by means of haemocoel injections of susceptible and refractory mosquitoes. The Journal of Infectious Diseases. 91, 198-205 (1952).
- Ally, A. S. I., Vaughan, A. M., Kappe, S. H. I. Malaria parasite development in the mosquito and infection of the mammalian host. The Annual Review of Microbiology. 63, 195-221 (2009).
- Delves, M. J., et al. Male and female Plasmodium falciparum mature gametocytes show different responses to antimalarial drugs. American Society for Microbiology Journal. , (2013).
- Sinden, R. E. Sexual development of malarial parasites in their mosquito vector. Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene. 75, (1981).
- Garcia, G. E., Wirtz, R. A., Barr, J. R., Woolfitt, A. Xanthurenic acid induces gametogenesis in Plasmodium, the malaria parasite. Journal of Biological Chemistry. 15, 12003-12005 (1998).
- Oaks, S. C., Mitchell, V. S., Pearson, G. W., et al. . Malaria: Obstacles and Opportunities. , (1991).
- Le Manach, C., et al. Identification and profiling of a novel Diazaspirol[3.4]octane chemical series active against multiple stages of the human malaria parasite Plasmodium falciparum and optimization efforts. Journal of Medicinal Chemistry. 64, 2291-2309 (2021).
- Cibulskis, R. E., et al. Malaria: global progress 2000-2015 and future challenges. Infect Diseases of Poverty. 5, 61 (2016).
- Smith, T. A., Chitnis, N., Briet, O. J., Tanner, M. Uses of mosquito-stage transmission-blocking vaccines against Plasmodium falciparum. Trends in Parasitology. 27, 190-196 (2011).
- Boyd, M. F., Boyd, M. F. Epidemiology: factors related to the definitive host. Malariology. , 608-697 (1949).
- Ponnudurai, T., van Gemert, G. J., Bensink, T., Lensen, A. H., Meuwissen, J. H. Transmission blockade of Plasmodium falciparum: its variability with gametocyte numbers and concentration of antibody. Transactions of The Royal Society of Tropical Medicine. 81, 491-493 (1987).
- Rutledge, L. C., Ward, R. A., Gould, D. J. Studies on the feeding response of mosquitoes to nutritive solutions in a new membrane feeder. Mosquito News. 24 (4), (1964).
- Reader, J., et al. Multistage and transmission-blocking targeted antimalarials discovered from the open-source MMV Pandemic Response Box. Nature Communications. 12, 269 (2021).
- Bousema, T., et al. Mosquito feeding assays for natural infections. PLoS One. 7 (8), (2012).
- Churcher, T., et al. Measuring the blockade of malaria transmission – An analysis of the standard membrane feeding assay. International Journal for Parasitology. 42, 1037-1044 (2012).
- Medley, G. F., et al. Heterogeneity in patterns of malarial oocyst infections in the mosquito vector. Parasitology. 106, 441-449 (1993).
- Miura, K., et al. Transmission-blocking activity is determined by transmission reducing activity and number of control oocysts in Plasmodium falciparum standard membrane-feeding assay. Vaccine. 34, 4145-4151 (2016).
- Sattabongkot, J., Maneechai, N., Rosenberg, R. Plasmodium vivax: gametocyte infectivity of naturally infected Thai adults. Parasitology. 102 (01), 27-31 (1991).
- Vallejo, A. F., Garcia, J., Amado-Garavito, A. B., Arevalo-Herrera, M., Herrera, S. Plasmodium vivax gametocyte infectivity in sub-microscopic infections. Malaria Journal. 15 (1), 48 (2016).
- Ponnudurai, T., Lensen, A. H. W., van Gemert, G. J. A., Bolmer, M. G., Meuwissen, J. H. E. Feeding behavior and sporozoite ejection by infected Anopheles stephensi. Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene. 85, 175-180 (1991).
- Miura, K., et al. Qualification of standard membrane-feeding assay with Plasmodium falciparum malaria and potential improvements for future assays. PLoS One. 8, 57909 (2013).
- Griffin, P., et al. Safety and reproducibility of a clinical trial system using induced blood stage Plasmodium vivax infection and its potential as a model to evaluate malaria transmission. PLoS Neglected Tropical Diseases. 10, 0005139 (2016).
- Delves, M. J., Sinden, R. E. A semi-automated method for counting fluorescent malaria oocysts increases the throughput of transmission blocking studies. Malaria Journal. 9, 35 (2010).
- vander Kolk, M., et al. Evaluation of the standard membrane feeding assay (SMFA) for the determination of malaria transmission-reducing activity using empirical data. Parasitology. 130, 13-22 (2005).
- van der Kolk, M., de Vlas, S. J., Sauerwein, R. W. Reduction and enhancement of Plasmodium falciparum transmission by endemic human sera. International Journal for Parasitology. 36, 1091-1095 (2006).
- Singh, M., et al. Plasmodium’s journey through the Anopheles mosquito: A comprehensive review. Biochimie. 181, 176-190 (2021).
- Vos, M. W., et al. A semi-automated luminescence based standard membrane feeding assay identifies novel small molecules that inhibit transmission of malaria parasites by mosquitoes. Scientific Reports. 5, 18704 (2015).
- Azevedo, R., et al. Bioluminescence method for in vitro screening of Plasmodium transmission-blocking compounds. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 61, (2017).
- Okell, L. C., Bousema, T., Griffin, J. T., Ouedraogo, A. L., Ghani, A. C., Drakeley, C. J. Factors determining the occurrence of submicroscopic malaria infections and their relevance for control. Nature Communications. 3, 1237 (2012).
- Pasay, C. J., et al. Piperaquine monotherapy of drug-susceptible Plasmodium falciparum infection results in rapid clearance of parasitemia but is followed by the appearance of gametocytemia. The Journal of Infectious Diseases. 214, 105-113 (2016).
- Stone, W. J., et al. A scalable assessment of Plasmodium falciparum transmission in the standard membrane-feeding assay, using transgenic parasites expressing green fluorescent protein-luciferase. The Journal of Infectious Diseases. 210, 1456-1463 (2014).
- Hasan, A. U., et al. Implementation of a novel PCR based method for detecting malaria parasites from naturally infected mosquitoes in Papua New Guinea. Malaria Journal. 8, 182 (2009).
- Stone, W. J., et al. The relevance and applicability of oocyst prevalence as a read-out for mosquito feeding assays. Scientific Reports. 3, 3418 (2013).
- Marquart, L., Baker, M., O’Rourke, P., McCarthy, J. S. Evaluating the pharmacodynamic effect of antimalarial drugs in clinical trials by quantitative PCR. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 59, 4249-4259 (2015).
- McCarthy, J. S., et al. tolerability, pharmacokinetics, and activity of the novel long-acting antimalarial DSM265: a two-part first-in-human phase 1a/1b randomised study. TheLancet Infectious Diseases. 17, 626-635 (2017).
