Nieuwe analysetechniek legt intra-gastheerevolutie malariaparasiet bloot

november 2021 Wetenschap Dominique Vrouwenvelder

Amerikaanse onderzoekers hebben een protocol ontwikkeld om genetische diversiteit van malariainfecties in kaart te brengen. Dit was voorheen onmogelijk gezien de intra-gastheer evolutie van de malariaparasieten. Deze nieuwe techniek is gebaseerd op ‘single cell sequencing’ en kan evoluties in het genetisch materiaal herkennen tot op de individuele nucleotide.

De methode van assistent-professor dr. Ian Cheeseman en collega’s maakt het zelfs mogelijk om genetische verwantschap bij lage parasitemie te onderzoeken. Daarnaast kunnen deze nieuwe analyses helpen begrijpen hoe parasieten geneesmiddelenresistentie ontwikkelen en immuunreacties ontwijken. Uiteindelijk kan dit leiden tot nieuwe behandelprincipes.

Evolutie van de Plasmodiumparasiet

Malaria infecteert jaarlijks meer dan 200 miljoen mensen en doodde er meer dan 400.000 in 2019, waarvan de meeste jonge kinderen waren. Van de vijf malariaparasietensoorten die mensen infecteren, zijn er twee het meest voorkomend: Plasmodium falciparum, de dodelijkste variant, en Plasmodium vivax, de belangrijkste veroorzaker van terugkerende malariainfecties.

In tegenstelling tot P. falciparum kan P. vivax in een slapende variant bestaan, die kan reactiveren en een volgende episoden genereren. Dit betekent dat een recidiverende episode van P. vivax-malaria veroorzaakt kan worden door ofwel een terugval van leverresidente hypnozoieten, recrutering uit het bloed of een nieuwe infectie door een muggenbeet.

De uitdaging is dat wanneer P. vivax opduikt, het alleen zeer jonge rode bloedcellen infecteert, waardoor deze parasieten zeldzaam zijn in het bloed. Het analyseren van dergelijke lage infectieniveaus is het microbiologische equivalent van het vinden van een naald in een hooiberg.

Techniek

Er kunnen miljarden individuele parasieten in de bloedbaan van een patiënt zitten en traditionele genetische sequencingtechnieken kunnen nieuwe mutaties niet identificeren. Volgens dr. Cheeseman moet je, om te begrijpen of de parasieten aan elkaar verwant zijn, of ze allemaal afkomstig zijn van één mug of van meerdere muggenbeten en welke nieuwe mutaties zich voordoen in een infectie, de analyse terugbrengen tot op het niveau van het individuele genoom.

Dat laatste is wat hij met zijn team heeft gedaan door middel van ‘single cell sequencing’ (SCS). Die methode is gebaseerd op de theorie dat rode bloedcellen licht magnetisch worden wanneer ze zijn geïnfecteerd met malariaparasieten. De onderzoekers gebruikten een krachtige magneet om de geïnfecteerde rode bloedcellen te scheiden van de niet-geïnfecteerde cellen. De geïnfecteerde cellen werden vervolgens door een flowcytometer gehaald die gebruik maakt van een laser en fluorescerende tags om te detecteren of er inderdaad parasiet-DNA aanwezig is. Cellen met parasiet-DNA worden individueel in testputjes geplaatst en uiteindelijk door een genetische sequencingmachine gehaald om het genoom van elke individuele parasiet te decoderen.

Deze vorm van SCS stelde de wetenschappers in staat het genoom van individuele parasieten nauwkeurig met elkaar te vergelijken om te bepalen hoe verwant ze aan elkaar zijn. Ze kunnen ook diep in de genetische code duiken en enkelvoudige verschillen lokaliseren om te zien wat er gebeurd is sinds de parasiet die patiënt besmette.

Implicaties

De analyse van terugkerende P. vivax-infecties vond dat secundaire infecties vaak gerelateerd zijn aan de primaire infectie en dat genetisch diverse infecties over het algemeen verwante parasieten bevatten. Dit ondersteunt ofwel terugval of recrudescentie, in plaats van muggeninoculatie, als de dominante oorzaak van secundaire infecties.

Waar dr. Cheeseman zelf voornamelijk enthousiast over was, is dat toen het team de sequentiegegevens van een enkele cel vergeleek voor P. vivax en P. falciparum, dezelfde transcriptiegenfamilie de meerderheid van de nieuwe mutaties bevatte voor beide soorten. Ook de twee verschillende malariasoorten die deze onderzoekers hebben bestudeerd, reageerden op dezelfde manier. Dit duidt op convergente evolutie. Soortgelijke processen kunnen vorm geven aan soortgelijke mutatiepatronen in beide soorten, ook al is hun laatste gemeenschappelijke voorouder miljoenen jaren geleden.

Deze nieuwe techniek stelt de wetenschap in staat om monsters te ontleden buiten het bereik van conventionele benaderingen, zoals asymptomatische infecties, die wereldwijd het dominante reservoir van malariainfectie vormen.

Referentie

Dia A, Jett C, Trevino SG, et al. Single-genome sequencing reveals within-host evolution of human malaria parasites. Cell Host Microbe. 2021 Oct 13;29(10):1496-1506.e3. Epub 2021 Sep 6.

Meer informatie over malaria (WHO): klik hier

Meer informatie over de studie en de auteurs: klik hier

X