Cerebral malaria: Plasmodium falciparum effect on human brain microvascular endothelial cells and brain organoids

Abstract

A malária é uma doença infeciosa parasitária e é uma das doenças humanas antigas mais documentada e estudada, causada principalmente pela espécie Plasmodium falciparum. Malária cerebral (MC) é a forma mais grave da doença, e sua etiologia patogénica permanece incerta. Neste trabalho demonstrou-se um perfil de expressão genética específica em células endoteliais microvasculares do cérebro humano (HBMEC) após estimulação com P. falciparum. Adicionalmente, os recetores N-caderina, JAM-A e Integrina αVβ3 foram identificados e associados à ativação parasitária. A estirpe 3D7 de P. falciparum apresentou um impacto mais significativo na ativação endotelial do que outras estirpes. Os resultados mostram uma resposta específica de "tempo para ativação" durante a adesão dos parasitas da malária às HBMEC produzindo uma resposta pró-inflamatória (ativação inicial), com a liberação das citocinas/quimiocinas RANTES, IL-6 e MCP-1, e uma resposta anti-inflamatória (ativação tardia), com liberação de mediadores como PDGF-BB, GM-CSF, TIMP-2 e IL-8. Foi demonstrado que o secretoma de HBMEC-P. falciparum induz desregulação dos genes de organoides cerebrais. A maioria dos genes foram regulados negativamente, sugerindo um desenvolvimento lento dos organoides cerebrais. Adicionalmente, verificaram-se alterações na organização dos microtúbulos, ciliar e extracelular. Citocinas e quimiocinas, tais como TIMP-1, GM-CSF, MCP-1, IL-6 e IL-8, demonstraram um perfil alterado pelos organoides cerebrais. Este sistema biológico pode ser usado para interrogar os fatores parasitológicos, hospedeiro humano e cerebrais que influenciam a malária cerebral, contribuindo para uma melhor compreensão a nível molecular da patogénese, disfunção e lesão cerebral. Portanto, este trabalho demonstrou que os modelos in vitro permitem mimetizar os mecanismos patológicos associados a MC, trazendo novos conhecimentos sobre MC.

Malaria is a parasitic infectious disease and is one of the most documented and studied ancient human diseases, caused mainly by the specie Plasmodium falciparum. Cerebral malaria (CM) is the most severe form of the disease, and its pathogenic etiology remains unclear. In this work, a specific gene expression profile was demonstrated in human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) after stimulation with P. falciparum. Additionally, N-cadherin, JAM-A and Integrin αVβ3 receptors were identified and associated with parasitic activation. P. falciparum strain 3D7 had a more significant impact on endothelial activation than other strains. The results show a specific "time to activation" response during the adhesion of malaria parasites to the HBMEC producing a pro-inflammatory response (initial activation), with the release of the cytokines/chemokines RANTES, IL-6 and MCP-1, and an anti-inflammatory response (late activation), with release of mediators such as PDGF-BB, GM-CSF, TIMP-2 and IL-8. It has been shown that the secretome of HBMEC-P. falciparum induces dysregulation of brain organoid genes. Most genes were downregulated, suggesting a slow development of brain organoids. Additionally, alterations were observed in the organization of microtubules, ciliary and extracellular. Cytokines and chemokines, such as TIMP-1, GM-CSF, MCP-1, IL-6 and IL-8, demonstrated an altered profile by brain organoids. This biological system can be used to interrogate the parasitological factors, human host and brain that influence cerebral malaria, contributing to a better understanding at the molecular level of the pathogenesis, dysfunction, and brain injury. Therefore, this work demonstrated that in vitro models allow to mimic the pathological mechanisms associated with CM, bringing new knowledge about CM.