ProtozoerProtozosykdommer

PBM233 – Mikrobiologi 10.02.2005Siri Mjaaland

Protozoer

• Encellete, bevegelige eukaryote mikroorganismer

• Mangler cellevegg

• Fargeløse

Protozoer

• Fylogenetisk diverse• Finnes i mange variasjoner i ferskvann og

saltvann habitater• Stort antall er parasittiske i andre dyr

(inkludert menneske)• De fleste livnærer seg ved fagocytose

Protozoer• Bevegelighet / motilitet - benyttes for taksonomisk inndeling

1) Mastigophora - flagellbevegelser (flagellater)Eks.: Trypanosoma (sovesyke), Giardia, Trichomonas

2) Sarcodina - amøboide bevegelserEks.: Amoeba (amøbedysenteri)

3) Ciliophora - ciliære-bevegelserEks.: Paramecium (dysenteri)

4) Apicomplexans - ikke-motil gruppeEks.: Plasmodium (malaria)

Flagellater (Mastigophora)

• Beveger seg via flageller

• Mange frittlevende

• Flere parasittiske / patogene

En flagellat - Dunaliella

Flagellater (Mastigophora)

• Trypanosoma

• Giardia

• Leishmania

• Trichomonas

Trypanosoma• Flagellat• Infeksjon via tse-tse fluer

• T. gambiense: invaderer blod og lymfe - nekrose

• T. brucei rhodiense: invaderer CNS – Afrikansk sovesyke

• Behandling?

Blodutstryk: Trypanosoma gambiense

Trypanosoma brucei rhodiense

Antigen variasjon i trypanosomer – unnslipper immunrespons

Framtidige medikamenter• Trypanosomider utnytter en unik thiol – trypanotion

• opprettholder reduserende forhold intracellulært• sentral rolle i antioksidant forsvaret – (tilsvarende glutation i mammalske celler)

• Trypantion - opprettholdes i redusert tilstand ved trypanotion reduktase (TR)

• et enzym med ulikt substrat spesifisitet i forhold til glutation reduktase

• TR er essensielt for parasitten – og hovedmål for medikamentutvikling

– Økonomisk utbytte for å utvikle medisin mot leishmaniasis og trypanosomiasis er meget lavt

Giardia

• Flagellat• Diarésykdom• Skyldes ofte kontaminert

drikkevann• Er ofte klor-resistente

• Behandling: metronidazol(Flagyl®)

Giardia

a) mobil trophozoit

b) cyste

Trichomonas

• Flagellat• Kjønnssykdom• Anaerob flagellat• Rammer kvinner• Vanlig – ca. 200 mill

tilfeller i verden pr. år• Inneholder hydrogenosom i stedet for

mitokondrier

• Behandling: metronidazol(Flagyl®)

Trichomonas vaginalis

Sarcodina - Amøber

• Amøbedysenteri: diarésykdom –100.000 dødsfall pr. år

• Skyldes ofte kontaminert drikkevann

• Behandling:metronidazol(Flagyl®)

Amoeba

Virkemekanisme for metronidazol (Flagyl®)

reduksjon

metronidazol

Amøber

Giardia

Trichomonas

Anaerobe bakterier

reaktive metabolitter

OH

DNA-skade

CH3O2NN

N

Ciliophora - Ciliater

• Bare et fåtall er parasittiske på dyr

Paramecium

Apicomplexaner (sporozoer)• Stor gruppe obligate parasitter

• Mangler bevegelige, voksne stadier

• Næringsstoffer absorberes i løselig form via ytre vegg (som prokaryoter og sopp)

• Produserer sporozoitter –involvert i overføring til ny vert

• Eks.: ”malaria-parasitten”:plasmodium

Plasmodium vivax, vokser i humane blodceller

Malaria - plasmodium

• Hvert år smittes 300 millioner mennesker av malaria

• Minst 1 million dør• 90 % av de som dør: Afrika sør for Sahara,

de fleste barn• Ved siden av HIV/AIDS og tuberkolose:

største trussel mot utvikling i u-land

Malaria

• Afrika: særlig utbredt sør for Sahara (1000 ganger større risk å bli bitt enn i de andre verdensdeler)

• Vanlig også i tropiske regioner av Kina, India, Sørøst-Asia, sør- og sentral Amerika

Plasmodium-arter• P. falciparum klorokin-resistent• P. malariae• P. vivax• P. Ovale

• 4 malaria-arter kan infisere mennesker

• Bare 2 av dem forårsaker død og alvorlig morbiditet (falciparum og vivax)

• Nesten all alvorlig morbiditet grunnet falciparum malaria skjer i barn under 10 år – og særlig alvorlig i barn under 5 år

• Beskyttelse av disse barna er et hovedmål for vaksineutvikling

Plasmodium falciparum

• Malaria: parasittinfeksjon overført til mennesker via bitt fra infiserte Anopheles hunn-mygg

• Minst 8 ulike Anopheles myggarter

Malaria - livssyklus• Infiserte hunnmygg injiserer malaria sporozoitter ved bitt

• Disse fraktes til leveren – infiserer raskt hepatocytter (gir ikke symptomer)

• Sporozoittene gjennomgår radikale forandringer – multipliserer kraftig de neste 4-5 dagene

• Titusener ukjønnet stadium (merozoitter) frigjøres fra infiserte leverceller –som raskt invaderer røde blodlegemer

• Denne sykliske og raske økning i parasitt-mengde forårsaker klinisk sykdom -malaria

Malaria – livssyklus (forts.:)• I fravær av immunitet eller behandling kan død inntreffe innen timer

etter symptomutvikling

• Dersom ikke død – og infeksjon fortsetter – kan enkelte parasitter differensiere til en form som er infeksiøs for myggen – tillater dermed at livssyklus fortsetter

• Malaria tar liv ved å infisere og ødelegge blodceller (anemi), og ved å tette igjen kapillærene som fører blod til hjernen (cerebral malaria) eller andre vitale organer

Gametocytter

Sporozoitter

Sporozoitter (lever)

Merozoitter (RBC)

Gametocytter Trofozoitter

INSEKT

MENNESKE

Nye blodceller

LIVSSYKLUS -Plasmodium

Exoerythrocytt

stadiet

Erythrocytt stadiet

Malaria-infiserte røde blodlegemer

1 sporozoitt utvikler seg til 20.000merozoitter i hepatiske celler

Merozoittene frigjør seg fra hepatisk celle – inn i blodstrømmen –invaderer RBC

Asexuell erytrocytt-syklus:meroizittene modnes i RBC fra ringer (trofozoitter) til shizonter i løpet av 48-72 timer (varierer avhav malaria-art)

Merozoitter frigjøres – invaderer nye RBC

Enkelte RBC parasitter differensierer til gametocytter, som infiserer mygg. Befruktning skjer i myggens midttarm – innen 24 t transformeres zygoter til ookineter, som penetrerer midttarm, danner oocytter, som blir til sporozoitter

trofozoitt (ring-from) shizont gametocytt

Plasmodium - livssyklus

Sigdcelle anemi• Sigdcelle anemi:

– recessiv genetisk misdannelse– punktmutasjon i genet som koder for

hemoglobin β-kjeden– Reduserer oksygenbindende affinitet

av hemoglobin

• Vanlig forekommende i områder av Afrika med høy insidens av falciparum-malaria

• Malariaparasitten vokser dårlig i RBC fra enten homozygote sigdcelle pasienter eller friske heterozygote bærere

• Malaria har derfor opprettholdt høy frekvens av sigdcelle-mutasjonen i disse regionene

Malaria - seleksjonspress• Pga enorm utbredelse av malaria – sterkt seleksjonspress på humane

populasjoner i disse områdene

– A) Sigdcelle-anemi

– B) G6PD mangel (glukose-6-fosfat-dehydrogenase; intracellulær antioksydant )

– C) Thalassemia – gruppe genetiske abnormaliteter som påvirker hemoglobin produksjon og effektivitet: statistisk og georafisk assosiert med økt resistens mot malaria – økt nivå av intracellulære antioksydanter (vanlig i Middelhavsland)

– D) MHC klasse I og II genotype – selekterte MHC gener (vanligere i Vest-Afrika; delvis ukjent i andre befolkningsgrupper) – mer resistente mot malaria pga god immunrespons

Malaria – begrensing av sykdom

1) Begrense mygg• eliminere stillestående vann der myggen formerer seg • benytte insektisider (utviklet insektisid-resistens)

2) Begrense eksponering • Myggnett (evt. innsatt med insektisider)

3) Profylakse - bruk av anti-malaria medisin• Særlig nyttig for reisende – som eksponeres i avgrenset periode• Utvikling av resistens over lengre tids bruk – begrenser mulighet til å behandle ved

sykdom – enda vanskeligere å kontrollere sykdommen

4) Vaksinering

Profylakse

• Primærprofylakse / kausal profylakse:• Pre-erytrocyttisk fase (varer opptil 1 uke fra stikk)

– Eks.: atovakvon-proguanil

• Suppresjonsprofylakse• Hemmer formering av parasittene i erytrocytt-fasen:

schizonticider (må fortsette i 4 uker etter mulig smitteeksponering)

– Eks.: klorokin, meflokin

Utvikling av multiresistens

• Uklok bruk av antimalaria medisin i siste århundrede:• storskala-bruk

• alltid som monoterapier

• introdusert etter hverandre

• brukt videre, tiltross for uakseptable nivåer av resistens

• Overdreven tillit til både kinolin-forbindelser (kinin, klorokin, amodiakin, meflokin, primakin) og antifolat-medikamenter(sulfonamider, pyrimetan, proguanil og klorproguanil) – med påfølgende oppmuntring til kryss-resistens mellom disse forbindelsene

Klorokin-resistens

• Klorokin-resistent P. Falciparium har amplifisert et gen som koder for en ABC-transporter – som pumper ut klorokin

ABC transporter = ATP-bindende casette

Nytt medikament: artemisinin• Basert på kinesisk urtemedisin – alternativ til kinin og

doxycyclin (sulfa), ekstrakt fra planten Artemisia annua• Kjemiske derivater (artemether, artesunat): • RBx-11160

– Billig å produsere– Mer effektiv– Enkel i bruk– Virker mot alle malariaparasitter

• Gitt i kombinasjon med et annet medikament – vanskeligere å utvikle resistens

• Virkningsmekanisme? Parasittens matvakuole – som fordøyer hemaglobin: binding av haem til medisin leder til dannelse av proteinalkylerende radikaler

ACT = Artemisinin-based Combination Therapies

• Produserer rask terapeutisk respons (både reduksjon av parasitt-biomasse og oppheving av symptomer)

• Er aktive mot multiresistens P.Falsiparum• Tåles godt av pasientene• Reduserer gametocytt-mengde – reduserer overføring av malaria

Antimalariamidler -virkemekanismer

• Klorokin, meflokin

• Atovaquon

• Proguanil

• Pyrimetamin,Sulfadoxin (SP)

• Hemmer parasittens evne til å detoksifisere hemoglobin (erythrocyttisk fase)

• Hemmer elektrontransportkjeden i parasittens mitokondrier (alternativ til klorokin)

• Opphever membranpotensialet i parasittens mitokondrier (pre-erythrocyttisk fase)

• Hemmer dannelse av folatmetabolitter som brukes i DNA-syntese (Fansidar; brukes lite: økende resistens-problematikk)

Klorokin-resistente områder: Meflokin + Proguanil

Malaria - vaksinestrategi

• Målstyring mot de ledd i parasitt-livssyklus der organismen er spesielt mottakelig for vertens immunsystem

Malariavaksine - utfordringer• 1) Parasittens størrelse og genetisk kompleksitet (mer enn 6000

gener): hvilke antigen-determinanter er viktigst?

• 2) Parasitten forandrer seg gjennom ulike livsstadier – (både i mygg og menneske)

• 3) Parasitten utviklet motstrategier for unngå vertsreaksjoner

• 4) Multiple malariainfeksjoner – ikke bare ulike arter, men også ulike stammer

Malariavaksine - framtid1) Sporozoitt modell:

• Bestrålte sporozoitter ble overført via myggbitt til frivillige – oppnådde beskyttelse mot påfølgende infeksjoner

2) Naturlig beskyttelse• Gradvis utvikling av naturlig beskyttelse mot alvorlig sykdom hos mennesker som bor i

malaria endemiske områder og eksponeres for gjentatte infeksjoner

3) Passiv overføring av immunitet – effektivt!

• DVS.: utvikling av beskyttende immunresponser er mulig!!

• Hvilke deler av immunrespons kreves?• Hvilke antigen kan trigge en slik beskyttende respons?

Malariavaksine –humoral respons

• Malaria-Ag: ekstremt polymorfe, både innen og blantparasittpopulasjoner: parasittens unnslippelses-strategi

• Men: alle inneholder konserverte regioner, som ikkevarierer mye mellom ulike alleler

• B-celle epitoper fra disse regioner – rettet enten mot sporozoitt/hepatiske stadier, eller erytrocytt-stadier

Malariavaksine – cellulær respons

• Sporozoitt-Ag (CSP-1) har også epitoper som stim. T-celle responser

• Fundamentalt for pre-erythrocytt immunitet – danner basis for vaksine som er under utprøving i Vest-Afrika (RTS,S)

• Spesifikke T-responser mot merozoitt-Ag er også beskrevet

Kandidater til vaksinekomponenter

•Ideelt: kombinasjon av B-og T-celle epitoper:

•T-celle epitoper fra CSP + deler av MSP-1, MSP-2 og RESA proteiner

• stimulerer både cellulær og humoral respons (er under utprøving i Papua New Guinea

Idealvaksine• Sikker• Lett å produsere• Lett å administrere• Når gitt til spebarn – gi livslang immunitet mot alle former av sykdommen

• Oppnåes sjeldent• De fleste vaksiner forhindrer ikke infeksjon, men øker sjansen for

immunsystemet til å begrense infeksjonen• Vaksinen stimulerer Ab og T-respons – som kan reagere raskt på infeksjon –

forhindre at inntrengeren forårsaker alvorlig klinisk sykdom• Mange vaksine-utviklere jobber med å begrense parasittens evne til å infisere

stort antall røde blodlegemer – dette ville ikke forhindre sykdom, men begrense sykdommen og hjelpe til med å forhindre malaria-død