Serial 'deep-sampling' PCR of fragmented DNA reveals the wide range of<i>Trypanosoma cruzi</i>burden among chronically infected hosts and allows accurate monitoring of parasite load following treatment
Creators
- 1. University of Georgia
- 2. The University of Texas MD Anderson Cancer Center
- 3. Texas A&M University
Description
Abstract Infection with the protozoan parasite Trypanosoma cruzi is generally well-controlled by host immune responses, but appears to be rarely eliminated. The resulting persistent, low-level infection results in cumulative tissue damage with the greatest impact generally in the heart in the form of chagasic cardiomyopathy. The relative success in immune control of T. cruzi infection usually averts acute phase death but has the negative consequence that the low-level presence of T. cruzi in hosts is challenging to detect unequivocally. Thus, it is difficult to identify those who are actively infected and, as well, problematic to gauge the impact of treatment, particularly in the evaluation of the relative efficacy of new drugs. In this study we employ DNA fragmentation and high numbers of replicate PCR reaction ('deep-sampling') and to extend the quantitative range of detecting T. cruzi in blood by at least 3 orders of magnitude relative to current protocols. When combined with sampling blood at multiple time points, deep sampling of fragmented DNA allowed for detection of T. cruzi in all infected hosts in multiple host species. In addition, we provide evidence for a number of characteristics not previously rigorously quantified in the population of hosts with naturally acquired T. cruzi infection, including, a > 6-log variation between chronically infected individuals in the stable parasite levels, a continuing decline in parasite load during the second and third years of infection in some hosts, and the potential for parasite load to change dramatically when health conditions change. Although requiring strict adherence to contamination-prevention protocols and significant resources, deep-sampling PCR provides an important new tool for assessing new therapies and for addressing long-standing questions in T. cruzi infection and Chagas disease. Author Summary Infection by the protozoan Trypanosoma cruzi normally results in a life-long, but low-level parasitization of muscle tissues, often leading to chagasic heart disease. A major challenge in the Chagas disease field has been the difficulty in detecting and quantifying parasite load in infected hosts. In this study we show that collection of serial blood samples and performance of sometimes high numbers of replicate PCR reactions on fragmented blood DNA, allows detection and quantification of relative parasite load in non-human primates, dogs, and humans with naturally acquired T. cruzi infection. This 'deep-sampling' approach reveals a mostly stable, 100,000-fold or greater difference in parasite load among chronically infected hosts and can detect alterations in parasite levels due to changes in health status or following therapeutic treatment in individual hosts, thus providing a powerful tool for assessing treatment outcomes in T. cruzi infection, including for evaluation of new therapeutics. Additionally, the ability to accurately and sensitively monitor parasite load in hosts provides the means to address highly contentious issues in the Chagas field, including the relative role of parasites and hosts in establishing the persistent parasite burden and the relationship between parasite burden and the presence and severity of clinical disease.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
العدوى بالطفيلي الأولي المثقبيات الكروزية يتم التحكم فيها بشكل جيد بشكل عام من خلال الاستجابات المناعية للمضيف، ولكن يبدو أنه نادراً ما يتم القضاء عليها. تؤدي العدوى المستمرة منخفضة المستوى الناتجة إلى تلف الأنسجة التراكمي مع أكبر تأثير بشكل عام في القلب في شكل اعتلال عضلة القلب الشاغاسي. عادة ما يؤدي النجاح النسبي في التحكم المناعي في عدوى T. cruzi إلى تجنب الموت في المرحلة الحادة ولكن له نتيجة سلبية تتمثل في أن وجود مستوى منخفض من T. cruzi في المضيفين يصعب اكتشافه بشكل لا لبس فيه. وبالتالي، من الصعب تحديد المصابين بالعدوى بنشاط، وكذلك قياس تأثير العلاج، لا سيما في تقييم الفعالية النسبية للأدوية الجديدة. في هذه الدراسة، نستخدم تجزئة الحمض النووي وأعدادًا كبيرة من تفاعل تفاعل البوليميراز المتسلسل المتكرر (" أخذ العينات العميقة ") وتوسيع النطاق الكمي للكشف عن T. cruzi في الدم بثلاث مرات على الأقل من حيث الحجم بالنسبة للبروتوكولات الحالية. عند الجمع بين أخذ عينات الدم في نقاط زمنية متعددة، سمحت العينات العميقة من الحمض النووي المجزأ بالكشف عن T. cruzi في جميع المضيفين المصابين في أنواع مضيفة متعددة. بالإضافة إلى ذلك، نقدم أدلة على عدد من الخصائص التي لم يتم تحديدها مسبقًا بشكل صارم في عدد المضيفين الذين يعانون من عدوى T. cruzi المكتسبة بشكل طبيعي، بما في ذلك تباين > 6 سجلات بين الأفراد المصابين بشكل مزمن في مستويات الطفيليات المستقرة، والانخفاض المستمر في حمل الطفيليات خلال السنتين الثانية والثالثة من العدوى في بعض المضيفين، وإمكانية تغير حمل الطفيليات بشكل كبير عندما تتغير الظروف الصحية. على الرغم من أنه يتطلب التزامًا صارمًا ببروتوكولات الوقاية من التلوث وموارد كبيرة، إلا أن أخذ العينات العميقة من تفاعل البوليميراز المتسلسل يوفر أداة جديدة مهمة لتقييم العلاجات الجديدة ومعالجة الأسئلة طويلة الأمد في عدوى T. cruzi ومرض شاغاس. عادة ما تؤدي العدوى التي تصيب المثقبيات الكروزية الأولية إلى تطفل طويل الأمد ولكن منخفض المستوى للأنسجة العضلية، مما يؤدي غالبًا إلى مرض القلب الشاغازي. كان التحدي الرئيسي في مجال مرض شاغاس هو صعوبة اكتشاف وقياس حمل الطفيليات في المضيفين المصابين. في هذه الدراسة، نظهر أن جمع عينات الدم المتسلسلة وأداء عدد كبير في بعض الأحيان من تفاعلات تفاعل البوليميراز المتسلسل المتماثلة على الحمض النووي للدم المجزأ، يسمح بالكشف عن الحمل الطفيلي النسبي وتحديده في الرئيسيات غير البشرية والكلاب والبشر المصابين بعدوى T. cruzi المكتسبة بشكل طبيعي. يكشف نهج "أخذ العينات العميقة" هذا عن اختلاف مستقر في الغالب يبلغ 100000 ضعف أو أكبر في حمل الطفيليات بين المضيفين المصابين بالعدوى المزمنة ويمكنه اكتشاف التغيرات في مستويات الطفيليات بسبب التغيرات في الحالة الصحية أو بعد العلاج العلاجي في المضيفين الفرديين، وبالتالي توفير أداة قوية لتقييم نتائج العلاج في عدوى T. cruzi، بما في ذلك تقييم العلاجات الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، توفر القدرة على مراقبة حمل الطفيليات بدقة وحساسية في المضيفين وسيلة لمعالجة القضايا المثيرة للجدل في مجال شاغاس، بما في ذلك الدور النسبي للطفيليات والمضيفين في تحديد عبء الطفيليات المستمر والعلاقة بين عبء الطفيليات ووجود وشدة المرض السريري.Translated Description (French)
Résumé L'infection par le parasite protozoaire Trypanosoma cruzi est généralement bien contrôlée par les réponses immunitaires de l'hôte, mais semble rarement éliminée. L'infection persistante et de faible niveau qui en résulte entraîne des lésions tissulaires cumulatives avec le plus grand impact généralement dans le cœur sous la forme d'une cardiomyopathie chagasique. Le succès relatif du contrôle immunitaire de l'infection à T. cruzi évite généralement la mort en phase aiguë, mais a pour conséquence négative que la présence à faible niveau de T. cruzi chez les hôtes est difficile à détecter sans équivoque. Ainsi, il est difficile d'identifier les personnes activement infectées et, également, problématique d'évaluer l'impact du traitement, en particulier dans l'évaluation de l'efficacité relative des nouveaux médicaments. Dans cette étude, nous utilisons la fragmentation de l'ADN et un nombre élevé de réactions de PCR répétées (« échantillonnage profond ») et pour étendre la plage quantitative de détection de T. cruzi dans le sang d'au moins 3 ordres de grandeur par rapport aux protocoles actuels. Lorsqu'il est combiné à un échantillonnage de sang à plusieurs moments, un échantillonnage en profondeur de l'ADN fragmenté a permis de détecter T. cruzi chez tous les hôtes infectés chez plusieurs espèces hôtes. En outre, nous fournissons des preuves d'un certain nombre de caractéristiques qui n'avaient pas été rigoureusement quantifiées auparavant dans la population d'hôtes atteints d'une infection à T. cruzi acquise naturellement, notamment une variation > 6 log entre les individus infectés de manière chronique dans les niveaux de parasites stables, une baisse continue de la charge parasitaire au cours des deuxième et troisième années d'infection chez certains hôtes et le potentiel de la charge parasitaire à changer radicalement lorsque les conditions de santé changent. Bien qu'elle exige le strict respect des protocoles de prévention de la contamination et des ressources importantes, la PCR à échantillonnage profond constitue un nouvel outil important pour évaluer les nouvelles thérapies et répondre aux questions de longue date sur l'infection à T. cruzi et la maladie de Chagas. Résumé de l'auteur L'infection par le protozoaire Trypanosoma cruzi entraîne normalement une parasitation des tissus musculaires tout au long de la vie, mais de faible niveau, entraînant souvent une maladie cardiaque chagasique. Un défi majeur dans le domaine de la maladie de Chagas a été la difficulté à détecter et à quantifier la charge parasitaire chez les hôtes infectés. Dans cette étude, nous montrons que la collecte d'échantillons de sang en série et la performance d'un nombre parfois élevé de réactions de PCR répétées sur un ADN sanguin fragmenté, permettent la détection et la quantification de la charge parasitaire relative chez les primates non humains, les chiens et les humains atteints d'une infection naturellement acquise à T. cruzi. Cette approche d'« échantillonnage approfondi » révèle une différence généralement stable, 100 000 fois ou plus dans la charge parasitaire chez les hôtes infectés de manière chronique et peut détecter des altérations des niveaux de parasites dues à des changements dans l'état de santé ou à la suite d'un traitement thérapeutique chez des hôtes individuels, fournissant ainsi un outil puissant pour évaluer les résultats du traitement de l'infection à T. cruzi, y compris pour l'évaluation de nouveaux traitements. De plus, la capacité à surveiller avec précision et sensibilité la charge parasitaire chez les hôtes fournit les moyens de résoudre les problèmes très controversés dans le domaine de Chagas, y compris le rôle relatif des parasites et des hôtes dans l'établissement de la charge parasitaire persistante et la relation entre la charge parasitaire et la présence et la gravité de la maladie clinique.Translated Description (Spanish)
Resumen La infección con el parásito protozoario Trypanosoma cruzi generalmente está bien controlada por las respuestas inmunitarias del huésped, pero parece que rara vez se elimina. La infección persistente y de bajo nivel resultante da como resultado un daño tisular acumulativo con el mayor impacto generalmente en el corazón en forma de miocardiopatía chagásica. El éxito relativo en el control inmune de la infección por T. cruzi generalmente evita la muerte en fase aguda, pero tiene la consecuencia negativa de que la presencia de bajo nivel de T. cruzi en los huéspedes es difícil de detectar de manera inequívoca. Por lo tanto, es difícil identificar a aquellos que están infectados activamente y, también, es problemático medir el impacto del tratamiento, particularmente en la evaluación de la eficacia relativa de los nuevos medicamentos. En este estudio empleamos la fragmentación del ADN y un alto número de reacciones de PCR replicadas ('muestreo profundo') y para extender el rango cuantitativo de detección de T. cruzi en sangre en al menos 3 órdenes de magnitud en relación con los protocolos actuales. Cuando se combinó con el muestreo de sangre en múltiples puntos temporales, el muestreo profundo de ADN fragmentado permitió la detección de T. cruzi en todos los huéspedes infectados en múltiples especies de huéspedes. Además, proporcionamos evidencia de una serie de características no cuantificadas rigurosamente previamente en la población de huéspedes con infección por T. cruzi adquirida de forma natural, incluida una variación de > 6 log entre individuos infectados crónicamente en los niveles estables de parásitos, una disminución continua de la carga de parásitos durante el segundo y tercer año de infección en algunos huéspedes, y la posibilidad de que la carga de parásitos cambie drásticamente cuando cambien las condiciones de salud. Aunque requiere una estricta adhesión a los protocolos de prevención de la contaminación y recursos significativos, la PCR de muestreo profundo proporciona una nueva herramienta importante para evaluar nuevas terapias y para abordar cuestiones de larga data en la infección por T. cruzi y la enfermedad de Chagas. Resumen del autor La infección por el protozoo Trypanosoma cruzi normalmente resulta en una parasitación de los tejidos musculares de por vida, pero de bajo nivel, que a menudo conduce a la enfermedad cardíaca chagásica. Un desafío importante en el campo de la enfermedad de Chagas ha sido la dificultad para detectar y cuantificar la carga de parásitos en los huéspedes infectados. En este estudio mostramos que la recolección de muestras de sangre en serie y el rendimiento de un número a veces alto de reacciones de PCR replicadas en ADN sanguíneo fragmentado, permite la detección y cuantificación de la carga relativa de parásitos en primates no humanos, perros y humanos con infección por T. cruzi adquirida de forma natural. Este enfoque de " muestreo profundo" revela una diferencia mayormente estable de 100.000 veces o más en la carga de parásitos entre los huéspedes infectados crónicamente y puede detectar alteraciones en los niveles de parásitos debido a cambios en el estado de salud o después del tratamiento terapéutico en huéspedes individuales, proporcionando así una herramienta poderosa para evaluar los resultados del tratamiento en la infección por T. cruzi, incluso para la evaluación de nuevas terapias. Además, la capacidad de monitorear con precisión y sensibilidad la carga parasitaria en los huéspedes proporciona los medios para abordar cuestiones altamente polémicas en el campo de Chagas, incluido el papel relativo de los parásitos y los huéspedes en el establecimiento de la carga parasitaria persistente y la relación entre la carga parasitaria y la presencia y gravedad de la enfermedad clínica.Files
2024.06.10.598182.full.pdf.pdf
Files
(1.1 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:cee7faeb731f66931927513a7bd2adc9
|
1.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يكشف تفاعل البوليميراز المتسلسل "لأخذ العينات العميقة" للحمض النووي المجزأ عن النطاق الواسع لعبء<i> المثقبيات الكروزية</i> بين المضيفين المصابين بالعدوى المزمنة ويسمح بمراقبة دقيقة لحمل الطفيليات بعد العلاج
- Translated title (French)
- La PCR « à échantillonnage profond » en série d'ADN fragmenté révèle la large gamme de charge de<i>Trypanosoma cruzi</i> chez les hôtes infectés de manière chronique et permet un suivi précis de la charge parasitaire après le traitement
- Translated title (Spanish)
- La PCR en serie de 'muestreo profundo' de ADN fragmentado revela la amplia gama de carga de<i>Trypanosoma cruzi</i> entre los huéspedes infectados crónicamente y permite un monitoreo preciso de la carga parasitaria después del tratamiento
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4399492525
- DOI
- 10.1101/2024.06.10.598182
References
- https://openalex.org/W1498982714
- https://openalex.org/W1901605865
- https://openalex.org/W1972868741
- https://openalex.org/W2068012504
- https://openalex.org/W2078557912
- https://openalex.org/W2570050874
- https://openalex.org/W2791325274
- https://openalex.org/W2900850825
- https://openalex.org/W2910544292
- https://openalex.org/W2911615502
- https://openalex.org/W2966407800
- https://openalex.org/W3025997439
- https://openalex.org/W3080669048
- https://openalex.org/W3087131671
- https://openalex.org/W3097226423
- https://openalex.org/W3133564778
- https://openalex.org/W3143958602
- https://openalex.org/W3205266235
- https://openalex.org/W4294636634
- https://openalex.org/W4307698916
- https://openalex.org/W4308955341
- https://openalex.org/W4311285150
- https://openalex.org/W4361267808
- https://openalex.org/W4362600567
- https://openalex.org/W4364353455
- https://openalex.org/W4387575187
- https://openalex.org/W4392963798
- https://openalex.org/W4393199673
- https://openalex.org/W4393954314