Protective effect of red blood cell pyruvate kinase deficiency against malaria – is there a role for the host cell membrane?

Abstract

A malária é uma doença infeciosa causada por parasitas unicelulares do género Plasmodium. Representa um grave problema de saúde pública, associado a altas taxas de mortalidade e agravado pela rápida emergência de resistências a inseticidas e a fármacos, pelo que é essencial insistir na procura de novas abordagens e ferramentas para combater a malária. Os parasitas da malária coexistem com os humanos há milhares de anos, e existe uma relação muito forte entre o hospedeiro e o parasita. Observa-se frequentemente uma pressão seletiva sobre alterações do eritrócito associadas a resistência contra a malária. A possibilidade de reproduzir mecanismos de proteção naturais através de terapias dirigidas ao hospedeiro é promissora. A deficiência em piruvato cinase (PKD) é uma enzimopatia hereditária associada a uma redução da suscetibilidade à malária. O mecanismo da proteção ainda não é conhecido, mas em casos de PKD há alterações metabólicas, nomeadamente um declínio nos níveis de ATP do eritrócito e um aumento na concentração do intermediário glicolítico 2,3- bifosfoglicerato (2,3-BPG, metabolito endógeno). Estudos preliminares mostraram que a adição extracelular in vitro do composto 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG, composto sintético equivalente ao 2,3-BPG) a culturas de P. falciparum leva à redução dos níveis de invasão, indicando um efeito sobre o parasita ou sobre a célula hospedeira. O objetivo desta tese foi estudar o efeito do composto 2,3-DPG em eritrócitos humanos, pela caracterização e análise das propriedades morfológicas, biomecânicas e do potencial elétrico das membranas de células infetadas e não infetadas e avaliar se a capacidade do parasita para sair de uma célula, ou de invadir uma nova célula seriam comprometidas na presença do composto. Os resultados obtidos mostram que o 2,3-DPG causa alterações na membrana do eritrócito, que não parecem interferir com a capacidade do parasita para sair ou infetar novas células alteradas. A análise preliminar de esquizontes maduros indica que a maturação dos parasitas pode ser comprometida na presença de 2,3-DPG.

Malaria is an infectious disease caused by unicellular parasites of the Plasmodium genus. It represents a serious public health concern, associated with high mortality rates and aggravated by the rapid emergence of insecticide and drug resistance worldwide, making it essential to maintain the search for new approaches and tools to fight this disease. Malaria parasites have coexisted with humans for thousands of years, so that there is a strong relationship between the host and the parasite. A selective pressure over human erythrocyte alterations linked to resistance against malaria infection is frequently observed. The possibility to reproduce natural protection mechanisms through host directed therapies is promising. Pyruvate kinase deficiency (PKD) is an hereditary enzymopathy associated to reduced malaria susceptibility. Its mechanism of protection is not yet understood, but in PKD cases there are metabolic abnormalities, such as a decrease in erythrocyte ATP levels and an increase in the concentration of the glycolytic intermediary 2,3-bifosfoglycerate (2,3-BPG, endogenous metabolite produced in red blood cell glycolysis). Preliminary studies show that the in vitro extracellular addition of the compound 2,3- difosfoglycerate (2,3-DPG, synthetic compound equivalent to 2,3-BPG) to P. falciparum cultures leads to the reduction of invasion levels, which indicates that there is an effect either on the parasite or on the host cell. The aim of this thesis was to study the effect of 2,3-DPG on the membranes of human erythrocytes (RBCs) by characterizing and analysing morphological, biomechanical and membrane zeta potential properties in both infected and non-infected cells, and to evaluate if the parasite’s capacity to either egress or invade an RBC were impaired in the presence of the compound. Results obtained show that 2,3-DPG causes alterations to the RBC membrane, but these do not appear to interfere with the parasite’s ability to either egress or reinfect an altered cell. A preliminary analysis of late-stage infected schizonts indicates that parasite maturation may be impaired in the presence of 2,3-DPG.