فحص التغذية الغشائية القياسية للكشف عن عدوى المتصورة المنجلية في نواقل البعوض الأنوفيليس
Summary
يعتبر فحص التغذية الغشائية القياسي (SMFA) المعيار الذهبي لتقييم وتحديد المركبات المحتملة المضادة للملاريا. يستخدم نظام التغذية الاصطناعي هذا لإصابة البعوض لمواصلة تقييم آثار هذه المركبات على شدة وانتشار طفيلي المتصورة المنجلية .
Abstract
ولا تزال الملاريا واحدة من أكثر الأمراض تدميرا في جميع أنحاء العالم، وحتى الآن، لا تزال المنطقة الأفريقية مسؤولة عن 94٪ من جميع الحالات في جميع أنحاء العالم. يتطلب هذا المرض الطفيلي طفيليا أوليا ، وناقلا لبعوض الأنوفيليس ، ومضيف فقاري. يضم جنس Anopheles أكثر من 500 نوع ، منها 60 نوعا تعرف باسم ناقلات الطفيلي. يتكون جنس طفيليات المتصورة من 250 نوعا ، ويشارك 48 منها في انتقال الأمراض. وعلاوة على ذلك، ساهم طفيلي المتصورة المنجلية في تحقيق ما يقدر بنحو 99.7 في المائة من حالات الملاريا في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى في السنوات الأخيرة.
تشكل الخلايا المشيمة جزءا من المرحلة الجنسية للطفيلي ويتم تناولها من قبل أنثى البعوض عند التغذية على مضيف بشري مصاب. يتم تعزيز مزيد من التطوير للطفيلي داخل البعوض من خلال الظروف البيئية المواتية في منتصف الأمعاء من البعوض. هنا ، يحدث اندماج الأمشاج الأنثوية والذكورية ، وتنشأ ookinetes المتحركة. تدخل الأوكينيت إلى ظهارة الأمعاء الوسطى للبعوض ، وتشكل البوكينيت الناضجة البويضات ، والتي بدورها تنتج بوغية متحركة. تهاجر هذه الأبواغ إلى الغدد اللعابية للبعوض ويتم حقنها عندما تأخذ البعوضة وجبة دم.
لأغراض اكتشاف الأدوية ، أصيب البعوض بشكل مصطنع بالدم المصاب بالخلايا المشيمية في فحص التغذية الغشائية القياسية (SMFA). للكشف عن العدوى داخل البعوض و / أو لتقييم فعالية المركبات المضادة للملاريا ، تمت إزالة الأمعاء الوسطى من إناث البعوض بعد العدوى وكانت ملطخة بالزئبق. تم استخدام هذه الطريقة لتعزيز الكشف البصري عن البويضات تحت المجهر لتحديد دقيق لانتشار البويضات وكثافتها.
Introduction
ولا تزال الملاريا، المعروفة بأنها واحدة من أكثر الأمراض تدميرا في جميع أنحاء العالم، تشكل تهديدا كبيرا للعديد من البلدان – وخاصة تلك الموجودة في المنطقة الأفريقية – وتساهم في حوالي 95٪ من الحالات في جميع أنحاء العالم1. يحدث هذا المرض بسبب طفيلي أولي ، ويمكن أن يسبب هؤلاء الجناة ، إلى جانب ناقل البعوض Anopheles ، ضررا كبيرا للمضيف البشري2. وبشكل أكثر تحديدا، فإن الأنواع المنجلية من جنس طفيليات المتصورة مسؤولة عن ما يقدر بنحو 99٪ من حالات الملاريا في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى1. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إلقاء اللوم على العديد من نواقل البعوض الرئيسية في الأنوفيليس (بما في ذلك An. gambiae Giles، وAn. arabiensis Patton، وAn. coluzzii Coetzee & Wilkerson sp.n.، وAn. funestus Giles) في أكثر من 95٪ من انتقال الطفيليات على مستوى العالم 3,4,5,6,7,8 . ومن أجل إثبات الرفقة المثالية لنقل الطفيليات، ينبغي أن يكون ناقل البعوض عرضة للطفيلي وأن يكون قادرا على نقله9. علاوة على ذلك ، يجب على كل من الناقل والطفيلي التغلب على الحواجز المادية لتشكيل مزيج معدي مثالي – يجب أن يكون ناقل البعوض قادرا على الحفاظ على تطور الطفيلي ، ويجب أن يكون لدى الطفيلي القدرة على التغلب على آليات الدفاع الخاصة بالمضيف 10,11.
تلعب الخلايا المشيمة ، وهي المرحلة الجنسية لطفيلي P. falciparum ، دورا حاسما في ربط شركاء الناقل والطفيلي12. يحدث التطور الجنسي في الجسم الحي ، ويصف تكوين الخلايا المشيمائية عملية تمايز خلايا الأمشاج الناضجة إلى أمشاج صغيرة ذكورية متحركة وأمشاج كبيرة أنثوية13. عملية أخرى تحدث داخل البعوض هي الجلد – وهي العملية التي تتحول خلالها خلية الأمشاج الذكرية إلى أمشاج وتخرج من خلايا الدم الحمراء التي يتم تناولها أثناء وجبة الدم11. ويقترح كذلك تعزيز عملية الجلد من خلال تغيير إيجابي في بيئة البعوض midgut14. بعد الضرب ، يتم تشكيل zygote عن طريق اندماج الأمشاج الذكور والإناث13. من الزيجوت ، ينشأ أوكينيت متحرك وينتقل من وجبة الدم إلى ظهارة البعوض midgut13. هنا ، ينضج ookinete ، ويتم تشكيل oocyst ، والذي بدوره ينتج sporozoites المتحركة13,15. ثم تهاجر الأبواغ إلى الغدد اللعابية للبعوض ، وعندما يأخذ البعوض وجبة دم من مضيفه ، يتم حقن هذه الأبواغ في مجرى دم المضيف15.
وقد أصبحت تدخلات مكافحة الملاريا، التي تجمع بين استراتيجيات مكافحة النواقل واستخدام الأدوية الفعالة المضادة للملاريا، حاسمة الأهمية في مكافحة هذا المرض15. ومع ارتفاع مقاومة الطفيليات والبعوض، تزداد الحاجة الملحة إلى تحديد مركبات جديدة مضادة للملاريا16. لذلك ، فإن التقييم في الجسم الحي للمركبات المانعة للانتقال مهم16. بعد تطوير مثل هذه الأدوية الفعالة لمنع انتقال العدوى ، تم استخدام SMFA لتقييم ما إذا كانت هذه المركبات تمنع التطور الجنسي للمتصورة المنجلية في بعوضة الأنوفيليس 17،18،19. اكتسب هذا الفحص اعترافا منذ 1970-1980s كمعيار ذهبي لتقييم منع الإرسال20,21. يوفر هذا الفحص بديلا أرخص من الفحوصات الأخرى مثل RT-qPCR ، والتي تتطلب معدات متخصصة. علاوة على ذلك ، ليست هناك حاجة إلى مرضى لتنفيذ التجارب. يتضمن هذا الفحص أيضا توفير الدم الناجم عن الخلايا الأمشاج لإناث البعوض ، والتي يتم تشريحها بعد ذلك لتقييم ما إذا كان تطور البويضة موجودا21. هذا يسمح بتحديد كمية الخلايا المشيمة والكشف عن البويضات المشوهة بسبب المركبات22. لكي يتم تصنيف مركب على أنه فعال ، يجب تقييم معدل الانتشار (نسبة البعوض الذي يؤوي بويضة واحدة على الأقل في الأمعاء الوسطى) وعدد البويضات (الكثافة) في الأمعاء الوسطى للبعوض لتقييم تثبيط العدوى17،21،22.
Protocol
Representative Results
Discussion
ولكي يتم تنفيذ هذا البروتوكول بنجاح، ينبغي إيلاء الاهتمام لكل خطوة، على الرغم من أنها قد تكون عملية شاقة وشاقة. واحدة من أهم الخطوات هي التأكد من أن ثقافة gametocyte ذات نوعية جيدة وأنها تتكون من خلايا الأمشاج الناضجة ، مع نسبة الذكور إلى الإناث الصحيحة ، قبل بدء SMFA23,24<sup class="xr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن ينتفهموا بروفيسور . لين ماري بيركهولتز والدكتورة جانيت ريدر من قسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة وعلم الأحياء الدقيقة ، معهد المكافحة المستدامة للملاريا ، في جامعة بريتوريا ، لزراعة وتزويد ثقافة الخلايا المشيمة. تم الحصول على سلالة الطفيليات من القسم الأخير (وليس جزءا من هذا المنشور). قسم العلوم والابتكار (DSI) والمؤسسة الوطنية للبحوث (NRF) ؛ مبادرة كراسي البحث في جنوب أفريقيا (UID 64763 إلى LK و UID 84627 إلى LMB) ؛ مجتمعات الممارسة NRF (110666 إلى LMB و LK) ؛ كما تم الاعتراف بشراكات الابتكار الصحي الاستراتيجية لمجلس البحوث الطبية في جنوب أفريقيا (SHIP) للحصول على أموال من 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).
