A influência do metabolismo redox na transmissão da doença de Chagas / The influence of the redox metabolism upon the transmission of Chagas disease

As formas epimastigotas de Trypanosoma cruzi proliferam e se diferenciam no interior de diferentes compartimentos do trato digestivo dos triatomíneos. Esses ambientes antagônicos, no que diz respeito à concentração de nutrientes, pH e status redox, constituem um desafio para o protozoário por conterem moléculas e fatores capazes de deflagrar diferentes sinalizações e respostas no parasito. Por isso, testamos a influência de produtos abundantes do metabolismo do vetor e de status redox distintos, frente aos processos de proliferação e diferenciação in vivo e in vitro. Como exemplo temos o heme e a hemozoína, subprodutos da digestão da hemoglobina, e o urato, rico na urina dos insetos. O heme é uma importante molécula em todos os seres vivos. Nosso grupo mostrou seu papel na proliferação in vitro de T. cruzi e que esse sinal é governado pela enzima redox-sensível CaMKII (Lara et al., 2007; Souza et al., 2009). Esse efeito parece depender de uma sinalização redox, onde o heme e não seus análigos induz a formação de EROs, modulando a atividade da CaMKII (Nogueira et al, 2011). Apesar de gerar espécies reativas de oxigênio (EROs) em formas epimastigotas, o heme não alterou a ultraestrutura desses parasitos mostrando uma adaptação a ambientes oxidantes. Além disso, a adição de FCCP inibiu a formação de EROs mitocondrial, diminuindo a proliferação dos parasitos. Em contrapartida, a AA aumentou drasticamente a produção de EROs mitocondrial levando à morte dos epimastigotas. Estes resultados confirmam a hipótese de regulação redox do crescimento de epimastigotas...

Trypanosoma cruzi epimastigotes proliferate and differentiate inside different compartments of the triatomines gut. These environments are antagonic in terms of nutrient content, pH and redox status. All these factors represent a challenge to the protozoan due to the presence of molecules and factors which are able to induce different signals to the parasite. Thus, we tested the influence of abundant metabolism products of the vector, with distinct redox status, in the proliferation and metacyclogenesis in vitro and in vivo. These molecules are heme and hemozoin, both byproducts of hemoglobin digestion, and urate, present in the urine of insects. Heme is a ubiquitous molecule present in all living organisms. Our group studied its role in T. cruzi growth in vitro, showing that this signal is governed by the redox-sensitive enzyme CaMKII (Lara et al., 2007; Souza et al., 2009). Indeed, it seems to rely on a redox signaling pathway in which heme, but not its analogs, induces ROS formation, thus modulating CaMKII activity (Nogueira et al., 2011). Although it induces ROS in epimastigotes, the heme molecule had no deleterious effect upon the parasites ultrastructure, suggesting an adaptation to oxidative environments. In addition, FCCP inhibited mitochondrial ROS formation, then decreasing the parasite proliferation. On the other hand, AA drastically increased mitochondrial ROS production leading to cell death. These results corroborate the hypothesis of redox regulation of epimastigotes proliferation. Hemozoin (β- hematin) formation is an elegant strategy to minimize the toxic effect of heme in hematophagous insects. However, β-hematin had no influence upon the proliferation or metacyclogenesis in vitro. Also, urate, GSH and NAC impaired epimastigote proliferation. These effects were partially reversed when the antioxidants were incubated along with heme...

Prevalence and intensity of infection, metacyclogenesis and nuclear phenotypes in Panstrongylus megistus (Burmeister, 1835) after ingestion of Trypanosoma cruzi (Chagas, 1909) II and subjection to heat shock / Prevalência e intensidade de infecção, metaciclogênese e fenótipos nucleares em Panstrongylus megistus (Burmeister, 1835) após ingestão de Trypanosoma cruzi (Chagas, 1909) II e choque de temperatura

This study aimed to contribute to our knowledge of the parasite-vector interaction associated with Trypanosoma cruzi (Chagas, 1909) infection in Panstrongylus megistus (Burmeister, 1835), an important vector of Chagas' disease in Brazil. The prevalence and intensity of T. cruzi infection, the incidence of metacyclogenesis and the frequency of nuclear phenotypes in Malpighian tubules were investigated in nymphs of P. megistus, reared at 28 °C and subjected to heat shock (40 °C, 1 hour) two days after infection with T. cruzi II (Y strain). Following the 45-day post-infection period, the frequency of epimastigotes was much higher than that of trypomastigotes in both heat-shocked and non-shocked insects, and the prevalence of infection was not altered by heat shock. Fewer epimastigotes and trypomastigotes were found in the infected insects subjected to the heat shock, indicating that the multiplication and metacyclogenesis of the parasites were affected by the stress. In infected specimens heat shock promoted an increased frequency of cell nuclei with heterochromatin decondensation, a cell survival response to stress, and did not affect insect survival. The effects of infection and heat shock, especially on the multiplication and metacyclogenesis of T. cruzi, and the observed resistance to heat shock developed by P. megistus nymphs are suggestive that they should be considered when adequate conditions for rearing these infected insects in the laboratory are pursued.

O presente estudo teve como objetivo contribuir para o conhecimento sobre a interação parasita-vetor associada à infecção por Trypanosoma cruzi (Chagas, 1909) em Panstrongylus megistus (Burmeister, 1835), importante vetor da doença de Chagas no Brasil. A prevalência e a intensidade da infecção por T. cruzi, a incidência de metaciclogênese e a frequência de fenótipos nucleares presentes em túbulos de Malpighi foram investigadas em ninfas de P. megistus criadas à temperatura de 28 °C e submetidas a choque térmico por 1 hora a 40 °C, dois dias após alimentação em camundongos infectados com T. cruzi II (linhagem Y). A análise realizada 45 dias pós-infecção revelou que tanto nos insetos submetidos ao choque térmico como nos respectivos controles a frequência de epimastigotos se apresentava muito maior do que a dos tripomastigotos; a prevalência da infecção não foi alterada pelo choque térmico. Menos epimastigotos e tripomastigotos foram encontrados nos insetos submetidos ao choque térmico, indicando que a multiplicação e a metaciclogênese dos parasitas possam ser afetadas com o estresse. Nos espécimes infectados, o choque térmico induziu aumento na frequência de núcleos com descompactação da heterocromatina, uma resposta de sobrevivência celular ao estresse, e não afetou a sobrevivência propriamente dita do inseto. Os efeitos da infecção e do choque térmico, especialmente sobre a multiplicação e a metaciclogênese de T. cruzi, e a resistência ao choque térmico desenvolvidos pelas ninfas de P. megistus são indicativos de que devam ser considerados quando se buscam condições adequadas de criação em laboratório de insetos infectados.

Active transcription and ultrastructural changes during Trypanosoma cruzi metacyclogenesis

The differentiation of proliferating epimastigote forms of Trypanosoma cruzi , the protozoan parasite that causes Chagas’ disease, into the infective and non-proliferating metacyclic forms can be reproduced in the laboratory by incubating the cells in a chemically-defined medium that mimics the urine of the insect vector. Epimastigotes have a spherical nucleus, a flagellum protruding from the middle of the protozoan cell, and a disk-shaped kinetoplast - an organelle that corresponds to the mitochondrial DNA. Metacyclic trypomastigotes have an elongated shape with the flagellum protruding from the posterior portion of the cell and associated with a spherical kinetoplast. Here we describe the morphological events of this transformation and characterize a novel intermediate stage by three-dimensional reconstruction of electron microscope serial sections. This new intermediate stage is characterized by a kinetoplast compressing an already elongated nucleus, indicating that metacyclogenesis involves active movements of the flagellar structure relative to the cell body. As transcription occurs more intensely in proliferating epimastigotes than in metacyclics, we also examined the presence of RNA polymerase II and measured transcriptional activity during the differentiation process. Both the presence of the enzyme and transcriptional activity remain unchanged during all steps of metacyclogenesis. RNA polymerase II levels and transcriptional activity only decrease after metacyclics are formed. We suggest that transcription is required during the epimastigote-to-metacyclic trypomastigote differentiation process, until the kinetoplast and flagellum reach the posterior position of the parasites in the infective form.

A diferenciação de formas epimastigotas (proliferativas) do Trypanosoma cruzi, parasita protozoário causador da doença de Chagas, em formas metacíclicas tripomastigotas (infectivas e não proliferativas), pode ser reproduzida em laboratório incubando-se as células em um meio quimicamente definido que imita a urina do inseto vetor deste parasita. Os epimastigotas têm um núcleo esférico, o flagelo se projeta da metade do corpo do protozoário e o cinetoplasto (organela que possui o DNA mitocondrial) possui formato de disco. Os tripomastigotas metacíclicos têm um núcleo alongado com o flagelo emergindo da extremidade posterior da célula associado ao cinetoplasto esférico. Neste trabalho descrevemos as mudanças morfológicas que ocorrem durante essa transformação e caracterizamos uma nova forma intermediária do parasita usando reconstrução tridimensional de cortes seriados, visualizados por microscopia eletrônica de transmissão. Essa nova forma intermediária é caracterizada pela compressão do cinetoplasto contra o núcleo alongado, indicando que a metaciclogênese envolve movimentos ativos do cinetoplasto associado à estrutura flagelar em relação ao corpo celular. Como tripomastigotas metacíclicos transcrevem menos que as formas epimastigotas proliferativas, verificamos a presença da RNA polimerase II e medimos a atividade transcricional durante o processo de diferenciação. A presença da enzima e a atividade transcricional permanecem inalteradas durante todas as etapas da metaciclogênese, desaparecendo apenas quando as formas metacíclicas são formadas. Sugerimos que a diferenciação requer uma atividade transcricional, necessária para uma intensa remodelação da célula, que acontece até o cinetoplasto e o flagelo atingirem uma posição posterior do corpo do tripomastigota metacíclico.

Behavior of Leishmania major metacyclic promastigotes during the course of infection and immune response development in resistant versus susceptible hosts

Little is known on the epitopes derived from metacyclic promastigotes of Leishmania that are important on the regulation or destruction of the parasite, as targets of immune attack in the vertebrate host. In this study we investigated an alternative method to obtain metacyclic promasigotes of Leishmania major, as evaluated by the course of infection and delayed-type hipersensitivity (DTH) in resistant versus susceptible inbred mice. Non-infective (procyclic) promastigotes of L. major recently transformed from tissue amastigotes were attached to a negatively charged glass-wool column, whereas metacyclic promastigotes were not bound to columns and could be easily recovered. Optimal chromatography conditions were validated through statistical analyses. Parasite average yield from glass wool columns and promastigote viability were estimated by light microscopy. Metacyclic promastigotes yielded 43.5% to 57.5%. Different patterns of cutaneous lesions were obtained in BALB/c (susceptible) and C57BL/6 (resistant) mice, the former with highly infective lesions induced by metacyclic promastigotes. DTH responses proved to be higher in groups of C57BL/6 mice which were infected with metacyclic promastigotes. These results indicate that the new method could be integrated with the investigation of metacyclogenesis of Leishmania in vivo.

Pouco se conhece sobre os epítopos derivados de promastigotas metacíclicos de Leishmania que são importantes para a regulação ou destruição do parasita, como alvos de ação imunológica no hospedeiro vertebrado. Neste estudo, nós investigamos um método alternativo para obter promastigotas metacíclicos de Leishmania major, pela avaliação do curso da infecção e reação de hipersensibilidade do tipo retardado (HTR) em hospedeiros resistentes e susceptíveis. Promastigotas não-infectantes (procíclicos) de L. major, recentemente isolados de amastigotas, foram selecionados pela adesão a colunas de lã de vidro negativamente carregadas, enquanto que promastigotas metacíclicos não se aderem à coluna e podem ser recuperados com facilidade. Condições ótimas de cromatografia foram validadas por análise estatística. O rendimento médio de parasitas obtidos após separação em colunas de lã de vidro e a viabilidade dos promastigotas foram estimados por microscopia óptica. Os promastigotas metacíclicos tiveram um rendimento médio de 43,5% a 57,5%. Camundongos BALB/c (susceptíveis) e camundongos C57BL/6 (resistentes) apresentaram padrões distintos de lesões cutâneas, os primeiros com lesões mais agressivas, induzidas por promastigotas metacíclicos. As respostas à reação de HTR foram maiores nos grupos de camundongos C57BL/6, submetidos à infecção com promastigotas metacíclicos. Estes resultados indicam que o novo método poderia ser integrado aos protocolos existentes para estudar a metaciclogênese de parasitas do gênero Leishmania in vivo.

Behavior of Leishmania major metacyclic promastigotes during the course of infection and immune response development in resistant versus susceptible hosts

Little is known on the epitopes derived from metacyclic promastigotes of Leishmania that are important on the regulation or destruction of the parasite, as targets of immune attack in the vertebrate host. In this study we investigated an alternative method to obtain metacyclic promasigotes of Leishmania major, as evaluated by the course of infection and delayed-type hipersensitivity (DTH) in resistant versus susceptible inbred mice. Non-infective (procyclic) promastigotes of L. major recently transformed from tissue amastigotes were attached to a negatively charged glass-wool column, whereas metacyclic promastigotes were not bound to columns and could be easily recovered. Optimal chromatography conditions were validated through statistical analyses. Parasite average yield from glass wool columns and promastigote viability were estimated by light microscopy. Metacyclic promastigotes yielded 43.5% to 57.5%. Different patterns of cutaneous lesions were obtained in BALB/c (susceptible) and C57BL/6 (resistant) mice, the former with highly infective lesions induced by metacyclic promastigotes. DTH responses proved to be higher in groups of C57BL/6 mice which were infected with metacyclic promastigotes. These results indicate that the new method could be integrated with the investigation of metacyclogenesis of Leishmania in vivo.

Pouco se conhece sobre os epítopos derivados de promastigotas metacíclicos de Leishmania que são importantes para a regulação ou destruição do parasita, como alvos de ação imunológica no hospedeiro vertebrado. Neste estudo, nós investigamos um método alternativo para obter promastigotas metacíclicos de Leishmania major, pela avaliação do curso da infecção e reação de hipersensibilidade do tipo retardado (HTR) em hospedeiros resistentes e susceptíveis. Promastigotas não-infectantes (procíclicos) de L. major, recentemente isolados de amastigotas, foram selecionados pela adesão a colunas de lã de vidro negativamente carregadas, enquanto que promastigotas metacíclicos não se aderem à coluna e podem ser recuperados com facilidade. Condições ótimas de cromatografia foram validadas por análise estatística. O rendimento médio de parasitas obtidos após separação em colunas de lã de vidro e a viabilidade dos promastigotas foram estimados por microscopia óptica. Os promastigotas metacíclicos tiveram um rendimento médio de 43,5% a 57,5%. Camundongos BALB/c (susceptíveis) e camundongos C57BL/6 (resistentes) apresentaram padrões distintos de lesões cutâneas, os primeiros com lesões mais agressivas, induzidas por promastigotas metacíclicos. As respostas à reação de HTR foram maiores nos grupos de camundongos C57BL/6, submetidos à infecção com promastigotas metacíclicos. Estes resultados indicam que o novo método poderia ser integrado aos protocolos existentes para estudar a metaciclogênese de parasitas do gênero Leishmania in vivo.

Metaciclogênese do Trypanosoma cruzi como parâmetro de interação do parasita com o triatomíneo vetor / The metacyclogenesis of Trypanosoma cruzi as a parameter of parasite interaction with the triatomid vector

Triatoma infestans infectados por três amostras do Trypanosoma cruzi permitiram observar: 1) variabilidade numérica de metacíclicos obtidos de cada amostra após diferentes períodos de infecção; 2) diferenças na perda da infecção de acordo com a amostra infectante e 3) a relação entre o número de parasitas ingeridos e metacíclicos obtidos posteriormente.

Infection of Triatoma infestans with three different strains of Trypanosoma cruzi permited to observe: 1) numerical variability of metacyclics obtained after different times; 2) the differences of loss of infection according to each strain; 3) the relationship between ingested parasites and later obtained metacyclics.