Sviluppo del fegato di Plasmodium falciparum

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4631 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo del parassita Plasmodium falciparum (Pf) nel fegato rappresenta la fase iniziale del ciclo di vita nell'ospite umano dopo una puntura di zanzara infetta da Pf. Sebbene si tratti di una fase interessante per l'interruzione del ciclo vitale, la comprensione dell'interazione parassita-epatocita è inadeguata a causa delle limitazioni dei modelli in vitro esistenti. Esploriamo l'idoneità degli organoidi epatociti (HepOrgs) per lo sviluppo di Pf e mostriamo che queste cellule hanno consentito l'invasione, la differenziazione e la maturazione dei parassiti di diversi ceppi di Pf. Il sequenziamento dell'RNA messaggero a cellula singola (scRNAseq) delle cellule HepOrg infette da Pf ha identificato 80 trascrizioni di Pf sovraregolate il 5 giorno dopo l'infezione. Si riscontrano cambiamenti nel profilo trascrizionale che coinvolgono vie metaboliche distinte negli epatociti con trascrizioni del recettore scavenger B1 (SR-B1) altamente sovraregolate. Un nuovo coinvolgimento funzionale nella maturazione schizonte è confermato negli epatociti primari freschi. Pertanto, HepOrg fornisce una solida base per un modello in vitro versatile per gli stadi epatici Pf che accoglie studi biologici di base e uno sviluppo clinico accelerato di nuovi strumenti per il controllo della malaria.

La malaria è una delle principali malattie infettive a livello mondiale, responsabile di un carico di malattie ampio e crescente, in particolare nell’Africa sub-sahariana, con 247 milioni di casi e 619.000 decessi nel 20211. Sebbene diverse specie di Plasmodium possano colpire gli esseri umani, la maggior parte del carico di malattie è causato da Plasmodium falciparum (Pf). La malaria viene contratta da un piccolo numero di parassiti Pf (sporozoiti) che infettano il fegato, iniettati nella pelle dell'ospite umano da una zanzara femmina infetta durante un pasto di sangue. Al massimo entro poche ore, alcuni di questi sporozoiti raggiungono il fegato attraverso il flusso sanguigno per invadere gli epatociti. Dopo un periodo clinicamente silenzioso di sette giorni di replicazione e differenziazione intracellulare, ogni sporozoite può dare origine a circa 10.000 parassiti figli infettivi del sangue (merozoiti). Questi merozoiti vengono rilasciati dagli epatociti rotti nel flusso sanguigno dove iniziano il loro ciclo di 48 ore di replicazione asessuata nei globuli rossi circolanti, responsabile della malattia clinica.

Dato il basso numero di sporozoiti iniettati, questa fase iniziale dell’infezione dell’ospite umano rappresenta uno stadio relativamente vulnerabile e critico nel ciclo di vita del parassita prima che si generino grandi carichi di parassiti durante la malaria allo stadio sanguigno. Pertanto, la disponibilità di farmaci e/o vaccini altamente efficaci mirati a questi stadi del parassita-fegato rappresenterebbe una grande risorsa per il controllo e l’eliminazione della malaria. Un importante fattore che contribuisce è la mancanza di comprensione della biologia di base dell’interazione dinamica tra lo sviluppo di parassiti negli epatociti invasi. Questo può essere affrontato al meglio utilizzando un’indagine imparziale del trascrittoma/proteoma dell’ospite e del parassita durante un processo di infezione. Uno dei principali ostacoli è l'assenza di colture rappresentative di cellule epatiche in vitro che comprendano il pieno sviluppo di Pf. Sono stati utilizzati epatociti umani primari crioconservati, ma presentano un'ammissibilità variabile e bassa e forniscono materiale insufficiente per tale analisi2. In alternativa, l’accesso e la disponibilità di epatociti umani primari appena isolati sono limitati. Gli epatociti di entrambe le fonti possono essere mantenuti in coltura solo per un numero limitato di giorni. Infine, l'uso di linee cellulari epatiche tra cui HC-04 è per lo più limitato all'esame dei primi eventi di interazione parassita-epatocita (cioè attraversamento e invasione), sebbene sia stato riportato il pieno sviluppo3.

Gli organoidi sono strutture tridimensionali derivate da cellule staminali o tessuti primari e ricapitolano gli aspetti architettonici e funzionali chiave dell'organo/tessuto oggetto di indagine. Quando derivate da cellule staminali adulte, queste strutture in vitro possono essere espanse per lunghi periodi di tempo4. Recentemente abbiamo stabilito un protocollo per coltivare organoidi da epatociti umani5. Questi organoidi possono essere formati da singoli epatociti e fatti crescere per più mesi, pur mantenendo caratteristiche chiave morfologiche, funzionali e di espressione genetica. I profili trascrizionali degli organoidi assomigliano a quelli degli epatociti proliferanti dopo epatectomia parziale. Gli organoidi degli epatociti umani (HepOrg) proliferano ampiamente dopo l'attecchimento nei topi. Abbiamo osservato una correlazione inversa tra l'età del donatore e la durata della fase di espansione esponenziale. Infatti, gli epatociti fetali producono linee organoidi che possono essere espanse indefinitamente, pur somigliando molto agli epatociti primari (HuHeps)6.