Summary

Een<em> In Vitro</em> Model voor het meten van immuunrespons op Malaria in de context van HIV Co-infectie

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-infectie, infectie met meerdere gelijktijdige infecties, is de norm in de natuurlijke omgeving. Co-infectie kan een grote impact hebben op de ziekte pathologie en op de klinische behandeling van iedere infectie. In de context van co-infectie, vaccins en werkzaamheid van het geneesmiddel, alsmede diagnostische tests kunnen negatief beïnvloed (besproken in 1). Ondanks het belang, de meeste pathogeen onderzoek beschouwt eenmalig infecties.

Malaria en HIV-1 (HIV) zijn belangrijke oorzaken van morbiditeit en mortaliteit wereldwijd. Gebieden van malaria en HIV endemiciteit delen een brede geografische overlap, waardoor miljoenen mensen het risico lopen van co-infectie en dus een risico op meer ernstige klinische ziekte 2-10. De twee ziekten negatief interageren. Bij HIV-geïnfecteerde individuen, hogere HIV virale lading en tijdelijke dalingen in CD4 + T-cel aantallen te zien tijdens een malaria infectie, terwijlmalariaparasiet lasten en risico's van de klinische en ernstige malaria zijn hoger in co-geïnfecteerde individuen 2,3,5,7,8,10. De mechanismen die HIV verhoogt malaria ernst worden niet volledig begrepen en garandeert verder onderzoek.

Hier beschrijven we een werkwijze waarmee malaria en HIV-infectie kan worden bestudeerd in vitro. Specifiek, maakt deze werkwijze voor de behandeling van malaria-specifieke immuunresponsen in de context van HIV-infectie. Onze protocol beschrijft een veelzijdige co-kweeksysteem met vers geïsoleerde perifere mononucleaire cellen (PBMCs) geïsoleerd uit chronisch HIV geïnfecteerde donoren en in vitro gekweekte P. falciparum geparasiteerde erytrocyten (PfRBC). Het effect van HIV antiretrovirale therapie volgende reacties kunnen worden onderzocht met behulp prospectief PBMC uit HIV (+) donors en na de behandeling.

We hebben dit systeem gebruikt om de impact van HIV-infectie te onderzoekenmalaria-specifieke aangeboren immuunrespons 11,12 en konden vaststellen dat malaria-specifieke IFNy en TNF responsen geremd in NK-cellen, NKT-cellen, γδ T-cellen van HIV (+) donoren pre- en post-HIV antiretrovirale therapie . Bovendien, waren we in staat om dit systeem te gebruiken om te bepalen dat monocytische functies ook worden aangetast bij HIV (+) donoren, maar herstellen na HIV antiretrovirale therapie.

Protocol

Dit protocol vereist de werving van donoren voor serum en RBC te worden gebruikt voor parasiet cultuur en HIV (+) en de niet-geïnfecteerde donoren PBMC isolatie. Institutional Review Boards moeten alle studies keuren en alle donoren moeten geïnformeerde toestemming voorafgaand aan de bloedafname te bieden. LET OP: Het werken met menselijke bloedmonsters en menselijke malariaparasieten nodig voorzorgsmaatregelen. Draag altijd een laboratoriumjas, handschoenen, en werken in een level 2 biove…

Representative Results

De grafieken tonen de niveaus van IFNy productie van NKT-cellen (figuur 2), via CD56 + CD3 + γδ- poorten van de NKT-cellen populatie te verkrijgen (data niet getoond). De cellen werden gedurende 72 uren voorafgaand aan kleuring. Eenmaal gekleurd, 100.000 CD3 + cellen werden verkregen op de flowcytometer om groot genoeg populaties van NK, NKT en γδ cellen (cellen van belang) te verkrijgen. Een minimum van 5600 NKT-cellen worden op elke grafiek. TNF-productie wordt verkregen op dezelfde wijze (gegeven…

Discussion

Ons protocol is geoptimaliseerd om zo realistisch studie HIV-malaria co-infectie in vitro. Eerst verse menselijke RBCs en serum zijn vereist voor malariaparasiet cultuur. Dit is essentieel voor een gezonde populatie van malariaparasieten verkrijgen. Parasiet lysaten kan niet worden vervangen voor levende parasieten als cytokine productie is veel sneller en intenser bij het ​​gebruik van live-P. falciparum geïnfecteerde RBC (PfRBC) 17,18. Bovendien activeren van celtypen zoals NK-cellen,…

Disclosures

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

References

  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).
check_url/kr/52969?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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