Development of effective antifungal strategies based on lactoferrin and autophagy inducers

Abstract

Lactoferrin (Lf) is an iron-binding globular protein that belongs to the transferrin family. This protein is usually encountered in various mammalian secretions with special higher concentration in milk and colostrum. In recent years, Lf has gained great interest due to its multifunctionality and cytotoxic activity against various cell types such as bacteria, fungi, cancer cells, and even viruses. One of the most promising Lf abilities is its powerful antifungal activity against different pathogenic fungi, whose molecular basis is not yet fully elucidated. Studies aiming to deeper understand the mechanisms underlying Lf antifungal capacity will therefore aid in potentiating this effect. Previous reports on Lf yeast killing activity were performed in buffer lacking nutrients. Since these conditions are likely to induce autophagy, we hypothesized that Lf cytotoxicity could be intrinsically associated with this process. Autophagy is a process that allows the transport and degradation of damaged cellular components in the lysosome/vacuole with the purpose of recycling them to be reused as building blocks for other metabolic processes. This thesis aims to elucidate the interplay between Lf and autophagy and to explore the combination of Lf with autophagy inducers as a novel strategy of antifungal treatment. The results showed that Lf cytotoxicity towards yeast cells is significantly enhanced under various autophagy inducing conditions, such as nutrient or nitrogen starvation media. Furthermore, we found that Lf antifungal activity is only impaired in strains lacking specific components of the autophagic machinery, suggesting that it depends on specific components/phases of autophagy. Our data also point to the conclusion that the combination of Lf with specific autophagy inducers, namely rapamycin and tunicamycin, increases Lf cytotoxicity indicating it may be a promising strategy for the treatment of fungal infections. Overall, these results further elucidate the mechanism of action behind Lf antifungal activity and its association with the autophagy process. In the future, it would be interesting to test the most promising combinations of Lf and autophagy inducers against human pathogenic yeast strains and clinical isolates to evaluate their efficiency as an antifungal strategy.

A lactoferrina (Lf) é uma proteína globular com eleveda afinidade a ferro que pertence à família das transferrinas. Esta proteína está presente em várias secreções de mamíferos, especialmente em maior conentração no leite e colostro. Nos últimos anos, a Lf ganhou grande interesse devido à sua multifuncionalidade e atividade citotóxica contra vários tipos de células, como bactérias, fungos, células cancerígenas e vírus. Uma das capacidades mais promissoras de Lf é sua poderosa atividade antifúngica contra diferentes fungos patogénicos, cuja base molecular ainda não está totalmente elucidada. Estudos com o objetivo de melhor compreender os mecanismos subjacentes à capacidade antifúngica de Lf ajudarão, portanto, a potencializar este efeito. Estudos anteriores sobre a capacidade antifúngica da Lf foram realizados em tampão sem nutrientes. Uma vez que estas condições são favoráveis à indução da autofagia, levantámos a hipótese de que a citotoxicidade de Lf poderia estar intrinsecamente associada a este processo. A autofagia é um processo que permite o transporte e degradação de componentes celulares danificados no lisossoma/vacúolo com o objetivo de reciclá-los para serem reutilizados noutros processos metabólicos. Esta tese tem como objetivo elucidar a interação entre Lf e autofagia e explorar a combinação da Lf com indutores de autofagia como uma nova estratégia de terapia antifúngica. Os resultados mostraram que a citotoxicidade de Lf contra células de levedura é significativamente aumentada sob várias condições indutoras de autofagia, como meios sem nutrientes ou azoto. Além disso, verificamos que a atividade antifúngica de Lf é reduzida em estirpes deletadas em componentes específicos da maquinaria autofágica, sugerindo que esta atividade depende de componentes/fases específicas da autofagia e não do processo completo. Os nossos dados também apontam para que a combinação de Lf com indutores específicos de autofagia, nomeadamente rapamicina e tunicamicina, aumenta a citotoxicidade de Lf, indicando que pode ser uma estratégia promissora para o tratamento de infeções fúngicas. No seu conjunto, os resultados obtidos contribuem para a elucidação do mecanismo de ação subjacente à atividade antifúngica da Lf e sua associação com o processo de autofagia. No futuro, seria interessante testar as combinações mais promissoras de Lf e indutores de autofagia contra estirpes de leveduras patogénicas para avaliar a sua eficiência como estratégia de tratamento antifúngico.