Published August 28, 2019 | Version v1
Publication Open

Pairwise growth competitions identify relative fitness relationships among artemisinin resistant Plasmodium falciparum field isolates

  • 1. University of Notre Dame
  • 2. Texas Biomedical Research Institute
  • 3. Mahidol Oxford Tropical Medicine Research Unit
  • 4. Shoklo Malaria Research Unit
  • 5. Mahidol University

Description

Competitive outcomes between co-infecting malaria parasite lines can reveal fitness disparities in blood stage growth. Blood stage fitness costs often accompany the evolution of drug resistance, with the expectation that relatively fitter parasites will be more likely to spread in populations. With the recent emergence of artemisinin resistance, it is important to understand the relative competitive fitness of the metabolically active asexual blood stage parasites. Genetically distinct drug resistant parasite clones with independently evolved sets of mutations are likely to vary in asexual proliferation rate, contributing to their chance of transmission to the mosquito vector. An optimized in vitro 96-well plate-based protocol was used to quantitatively measure-head-to-head competitive fitness during blood stage development between seven genetically distinct field isolates from a hotspot of emerging artemisinin resistance and the laboratory strain, NF54. These field isolates were isolated from patients in Southeast Asia carrying different alleles of kelch13 and included both artemisinin-sensitive and artemisinin-resistant isolates. Fluorescent labeled microsatellite markers were used to track the relative densities of each parasite throughout the co-growth period of 14–60 days. All-on-all competitions were conducted for the panel of eight parasite lines (28 pairwise competitions) to determine their quantitative competitive fitness relationships. Twenty-eight pairwise competitive growth outcomes allowed for an unambiguous ranking among a set of seven genetically distinct parasite lines isolated from patients in Southeast Asia displaying a range of both kelch13 alleles and clinical clearance times and a laboratory strain, NF54. This comprehensive series of assays established the growth relationships among the eight parasite lines. Interestingly, a clinically artemisinin resistant parasite line that carries the wild-type form of kelch13 outcompeted all other parasites in this study. Furthermore, a kelch13 mutant line (E252Q) was competitively more fit without drug than lines with other resistance-associated kelch13 alleles, including the C580Y allele that has expanded to high frequencies under drug pressure in Southeast Asian resistant populations. This optimized competitive growth assay can be employed for assessment of relative growth as an index of fitness during the asexual blood stage growth between natural lines carrying different genetic variants associated with artemisinin resistance. Improved understanding of the fitness costs of different parasites proliferating in human blood and the role different resistance mutations play in the context of specific genetic backgrounds will contribute to an understanding of the potential for specific mutations to spread in populations, with the potential to inform targeted strategies for malaria therapy.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يمكن أن تكشف النتائج التنافسية بين خطوط طفيليات الملاريا المصابة عن تفاوتات في اللياقة البدنية في نمو مرحلة الدم. غالبًا ما تصاحب تكاليف اللياقة البدنية لمرحلة الدم تطور مقاومة الأدوية، مع توقع أن الطفيليات الأكثر لياقة نسبيًا ستكون أكثر عرضة للانتشار بين السكان. مع ظهور مقاومة الأرتيميسينين مؤخرًا، من المهم فهم اللياقة التنافسية النسبية لطفيليات مرحلة الدم اللاجنسي النشطة في التمثيل الغذائي. من المرجح أن تختلف استنساخ الطفيليات المقاومة للأدوية المتميزة وراثيًا مع مجموعات من الطفرات المتطورة بشكل مستقل في معدل الانتشار اللاجنسي، مما يساهم في فرص انتقالها إلى ناقل البعوض. تم استخدام بروتوكول محسن قائم على الصفيحة في المختبر 96 لقياس اللياقة التنافسية بشكل كمي أثناء تطور مرحلة الدم بين سبعة مجالات متميزة وراثيًا معزولة عن نقطة ساخنة لمقاومة الأرتيميسينين الناشئة وسلالة المختبر، NF54. تم عزل هذه العزلات الميدانية عن المرضى في جنوب شرق آسيا الذين يحملون أليلات مختلفة من الكلخ 13 وشملت كل من العزلات الحساسة للأرتيميسينين والمقاومة للأرتيميسينين. تم استخدام علامات الأقمار الصناعية الدقيقة الموسومة بالفلورسنت لتتبع الكثافة النسبية لكل طفيلي طوال فترة النمو المشترك التي تتراوح بين 14 و 60 يومًا. تم إجراء مسابقات شاملة للوحة من ثمانية خطوط طفيليات (28 مسابقة زوجية) لتحديد علاقات اللياقة التنافسية الكمية. سمحت ثمانية وعشرون نتيجة للنمو التنافسي الزوجي بترتيب لا لبس فيه بين مجموعة من سبعة خطوط طفيليات متميزة وراثيًا معزولة عن المرضى في جنوب شرق آسيا تعرض مجموعة من أليلات kelch13 وأوقات التخليص السريري وسلالة مختبرية، NF54. أنشأت هذه السلسلة الشاملة من الاختبارات علاقات النمو بين خطوط الطفيليات الثمانية. ومن المثير للاهتمام، أن خط الطفيليات المقاوم للأرتيميسينين سريريًا والذي يحمل الشكل البري للكيلش 13 تفوق على جميع الطفيليات الأخرى في هذه الدراسة. علاوة على ذلك، كان خط الطفرة kelch13 (E252Q) أكثر ملاءمة من الناحية التنافسية بدون عقار من الخطوط مع أليلات kelch13 الأخرى المرتبطة بالمقاومة، بما في ذلك أليل C580Y الذي توسع إلى ترددات عالية تحت ضغط الدواء في السكان المقاومين في جنوب شرق آسيا. يمكن استخدام اختبار النمو التنافسي الأمثل هذا لتقييم النمو النسبي كمؤشر للياقة البدنية أثناء نمو مرحلة الدم اللاجنسي بين الخطوط الطبيعية التي تحمل متغيرات وراثية مختلفة مرتبطة بمقاومة الأرتيميسينين. سيساهم تحسين فهم تكاليف اللياقة البدنية للطفيليات المختلفة التي تنتشر في دم الإنسان والدور الذي تلعبه طفرات المقاومة المختلفة في سياق خلفيات وراثية محددة في فهم إمكانية انتشار طفرات محددة في السكان، مع إمكانية توجيه الاستراتيجيات المستهدفة لعلاج الملاريا.

Translated Description (French)

Les résultats concurrentiels entre les lignées de parasites du paludisme co-infectantes peuvent révéler des disparités de forme physique dans la croissance du stade sanguin. Les coûts de remise en forme au stade sanguin accompagnent souvent l'évolution de la résistance aux médicaments, avec l'espoir que les parasites relativement plus en forme seront plus susceptibles de se propager dans les populations. Avec l'émergence récente de la résistance à l'artémisinine, il est important de comprendre l'aptitude compétitive relative des parasites métaboliquement actifs au stade asexué du sang. Les clones de parasites résistants aux médicaments génétiquement distincts avec des ensembles de mutations évolués indépendamment sont susceptibles de varier dans le taux de prolifération asexuée, contribuant à leur chance de transmission au moustique vecteur. Un protocole optimisé in vitro à base de plaques à 96 puits a été utilisé pour mesurer quantitativement l'aptitude à la compétition tête-à-tête au cours du développement du stade sanguin entre sept isolats de champ génétiquement distincts provenant d'un point chaud de résistance émergente à l'artémisinine et la souche de laboratoire, NF54. Ces isolats de terrain ont été isolés de patients en Asie du Sud-Est porteurs de différents allèles de kelch13 et comprenaient à la fois des isolats sensibles à l'artémisinine et des isolats résistants à l'artémisinine. Des marqueurs microsatellites marqués fluorescents ont été utilisés pour suivre les densités relatives de chaque parasite tout au long de la période de co-croissance de 14 à 60 jours. Des compétitions globales ont été menées pour le panel de huit lignées de parasites (28 compétitions par paires) afin de déterminer leurs relations quantitatives de remise en forme compétitive. Vingt-huit résultats de croissance compétitifs par paires ont permis un classement sans ambiguïté parmi un ensemble de sept lignées parasitaires génétiquement distinctes isolées de patients en Asie du Sud-Est présentant une gamme d'allèles de kelch13 et de temps de clairance clinique et une souche de laboratoire, NF54. Cette série complète d'essais a établi les relations de croissance entre les huit lignées de parasites. Fait intéressant, une lignée parasitaire cliniquement résistante à l'artémisinine qui porte la forme sauvage de varech13 a devancé tous les autres parasites de cette étude. De plus, une lignée mutante de kelch13 (E252Q) était compétitivement plus apte sans médicament que les lignées avec d'autres allèles de kelch13 associés à la résistance, y compris l'allèle C580Y qui s'est étendu à des fréquences élevées sous la pression du médicament dans les populations résistantes de l'Asie du Sud-Est. Ce test de croissance compétitif optimisé peut être utilisé pour évaluer la croissance relative en tant qu'indice de condition physique au cours de la croissance au stade asexué du sang entre les lignées naturelles portant différentes variantes génétiques associées à la résistance à l'artémisinine. Une meilleure compréhension des coûts de mise en forme de différents parasites proliférant dans le sang humain et du rôle que jouent les différentes mutations de résistance dans le contexte de contextes génétiques spécifiques contribuera à une compréhension du potentiel de propagation de mutations spécifiques dans les populations, avec le potentiel d'éclairer des stratégies ciblées pour le traitement du paludisme.

Translated Description (Spanish)

Los resultados competitivos entre las líneas de parásitos coinfectantes de la malaria pueden revelar disparidades en la aptitud física en el crecimiento de la etapa sanguínea. Los costos de aptitud física en la etapa sanguínea a menudo acompañan la evolución de la resistencia a los medicamentos, con la expectativa de que los parásitos relativamente más aptos tendrán más probabilidades de propagarse en las poblaciones. Con la reciente aparición de resistencia a la artemisinina, es importante comprender la aptitud competitiva relativa de los parásitos asexuales metabólicamente activos en la etapa sanguínea. Es probable que los clones de parásitos resistentes a los medicamentos genéticamente distintos con conjuntos de mutaciones evolucionados de forma independiente varíen en la tasa de proliferación asexual, lo que contribuye a su posibilidad de transmisión al vector mosquito. Se utilizó un protocolo optimizado in vitro basado en placas de 96 pocillos para medir cuantitativamente la aptitud competitiva cara a cara durante el desarrollo de la etapa sanguínea entre siete aislados de campo genéticamente distintos de un punto caliente de resistencia emergente a la artemisinina y la cepa de laboratorio, NF54. Estos aislados de campo se aislaron de pacientes en el sudeste asiático que portaban diferentes alelos de kelch13 e incluían aislados sensibles a la artemisinina y resistentes a la artemisinina. Se utilizaron marcadores de microsatélites marcados con fluorescencia para rastrear las densidades relativas de cada parásito a lo largo del periodo de co-crecimiento de 14–60 días. Se realizaron competiciones integrales para el panel de ocho líneas de parásitos (28 competiciones por parejas) para determinar sus relaciones cuantitativas de aptitud competitiva. Veintiocho resultados de crecimiento competitivo por pares permitieron una clasificación inequívoca entre un conjunto de siete líneas de parásitos genéticamente distintas aisladas de pacientes en el sudeste asiático que muestran un rango de alelos kelch13 y tiempos de eliminación clínica y una cepa de laboratorio, NF54. Esta serie exhaustiva de ensayos estableció las relaciones de crecimiento entre las ocho líneas de parásitos. Curiosamente, una línea de parásitos clínicamente resistente a la artemisinina que porta la forma de tipo salvaje de kelch13 superó a todos los demás parásitos en este estudio. Además, una línea mutante kelch13 (E252Q) era competitivamente más apta sin fármaco que las líneas con otros alelos kelch13 asociados a resistencia, incluido el alelo C580Y que se ha expandido a altas frecuencias bajo presión de fármaco en poblaciones resistentes del sudeste asiático. Este ensayo de crecimiento competitivo optimizado se puede emplear para la evaluación del crecimiento relativo como un índice de aptitud durante el crecimiento de la etapa sanguínea asexual entre líneas naturales que portan diferentes variantes genéticas asociadas con la resistencia a la artemisinina. Una mejor comprensión de los costos de aptitud de los diferentes parásitos que proliferan en la sangre humana y el papel que desempeñan las diferentes mutaciones de resistencia en el contexto de antecedentes genéticos específicos contribuirá a comprender el potencial de propagación de mutaciones específicas en las poblaciones, con el potencial de informar estrategias específicas para la terapia de la malaria.

Files

s12936-019-2934-4.pdf

Files (1.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:cc277ab129f514bdf58d096ff53e58be
1.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحدد مسابقات النمو الزوجي علاقات اللياقة النسبية بين فصائل حقل المتصورة المنجلية المقاومة للأرتيميسينين
Translated title (French)
Les compétitions de croissance par paires identifient les relations d'aptitude relative entre les isolats de terrain de Plasmodium falciparum résistants à l'artémisinine
Translated title (Spanish)
Las competiciones de crecimiento por parejas identifican las relaciones relativas de aptitud física entre los aislados de campo de Plasmodium falciparum resistentes a la artemisinina

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2970652571
DOI
10.1186/s12936-019-2934-4

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1643307576
  • https://openalex.org/W1825227406
  • https://openalex.org/W1900102580
  • https://openalex.org/W1986489773
  • https://openalex.org/W1993347313
  • https://openalex.org/W1995227882
  • https://openalex.org/W2015417822
  • https://openalex.org/W2024791353
  • https://openalex.org/W2026791163
  • https://openalex.org/W2081223995
  • https://openalex.org/W2096139859
  • https://openalex.org/W2101842428
  • https://openalex.org/W2102517059
  • https://openalex.org/W2118944684
  • https://openalex.org/W2124634096
  • https://openalex.org/W2135926190
  • https://openalex.org/W2143091657
  • https://openalex.org/W2144874346
  • https://openalex.org/W2148302479
  • https://openalex.org/W2153722729
  • https://openalex.org/W2162847648
  • https://openalex.org/W2171102256
  • https://openalex.org/W2183893491
  • https://openalex.org/W2273900672
  • https://openalex.org/W2290680954
  • https://openalex.org/W2332702434
  • https://openalex.org/W2425623382
  • https://openalex.org/W2467459717
  • https://openalex.org/W2467614481
  • https://openalex.org/W2536811010
  • https://openalex.org/W2584480708
  • https://openalex.org/W2605901750
  • https://openalex.org/W2608121643
  • https://openalex.org/W2613173822
  • https://openalex.org/W2736535582
  • https://openalex.org/W2765137312
  • https://openalex.org/W2766207587
  • https://openalex.org/W2787540286
  • https://openalex.org/W2789297352
  • https://openalex.org/W2804191972
  • https://openalex.org/W2809036653