Transmisión de Anaplasma marginale por garrapatas
Tick Transmission of Anaplasma marginale
Kelly A. Braytona
a Programs in Vector-borne Disease and Genomics, Department of Veterinary Microbiology and Pathology, School for Global Animal Health, Washington State University, Pullman, WA 99164-7040, USA. kbrayton@vetmed.wsu.edu.
]]> RESUMEN
Anaplasma marginale, patógeno de distribución mundial, es transmitido por garrapatas Ixódidas. Comprender su complejo desarrollo dentro de la garrapata vector, permitirá la predicción de brotes y ofrecerá oportunidades para controlar su transmisión. En este trabajo se revisa su ciclo básico de desarrollo junto con los estudios recientes acerca de las diferencias de transmisión entre cepas, que delinean aspectos de la interacción patógeno - vector. Bacterias, virus o protozoarios transmitidos por artrópodos causan enfermedades severas, tanto en humanos como en animales. Las enfermedades infecciosas transmitidas por garrapatas, entre las que incluimos a la Anaplasmosis (A. marginale), babesiosis (Babesía bígemína, B. bovís, B. dívergens) y Theileriosis (Theileria annulata, T. parva), se encuentran entre las más importantes en el ámbito mundial, con pérdidas cercanas a los siete mil millones de dólares anualmente; y, a pesar de su impacto, permanecen escasamente bajo control, basado primordialmente en la aplicación de acaricidas, para interrumpir su transmisión. La aparición de garrapatas resistentes a múltiples sustancias acaricidas, representa una amenaza en este tipo de control y, como resultado, hay un resurgimiento de la investigación para el desarrollo de nuevas estrategias para su control. Nuevas opciones para prevenir la transmisión de patógenos de animales por garrapatas, será el resultado de entender las interacciones garrapata-patógeno; proceso que culmina con el desarrollo de la infección y transmisión exitosa. En todos los casos de patógenos transmitidos por garrapatas, el desarrollo de la infección se realiza coordinamente a los momentos de adhesión y alimentación del vector sobre el animal. Esto sucede por la interdependencia en la señalización entre el patógeno y el vector al alimentarse y, por ello, será susceptible de intervención.
Palabras clave: Anaplasma marginale, Transmisión, Garrapatas.
ABSTRACT
Anaplasma marginale is a globally prevalent pathogen of cattle transmitted by Ixodid ticks. Understanding the complex development of A. marginale in the tick vector will allow for better prediction of disease outbreaks and will afford opportunities for control of disease transmission. The basic developmental cycle of A. marginale in the tick is reviewed here along with recent studies exploiting differences in transmission between strains to delineate aspects of the interaction between the pathogen and the vector. Bacterial, protozoan, and viral pathogens transmitted by arthropod vectors result in severe disease in animals and humans. Despite their impact, these infections remain poorly controlled with primary reliance on acaricides to block tick transmission. The rapid emergence of tick resistance to multiple acaricides threatens this control and has resulted in a resurgence of research to develop novel strategies for control. Novel approaches to preventing tick-borne transmission of livestock pathogens will result from understanding the interaction between the pathogen and the tick, a process that culminates with development of infectivity and successful transmission. In all of the tick-transmitted pathogens, development of pathogen infectivity is coordinated with attachment and feeding of the tick upon the animal. This is clearly dependent upon signaling between the feeding vector and the pathogen and thus susceptible to intervention.
Key words: Anaplasma marginale, Transmission, Ticks.
INTRODUCCIÓN
Enfermedades infecciosas transmitidas por garrapatas, incluida la anaplasmosis (A. marginale), babesiosis (Babesia bigemina, B. bovis, B. dívergens), y teileriosis (Theileria annulata, T. parva), son algunas de las enfermedades animales más importantes a nivel mundial con costos económicos anuales estimados en$7 mil millones(1,2). A. marginale es una rickettsia patógena intraeritrocítica trasmitida por garrapatas, y ocasiona la infección transmitida por garrapatas más frecuente del ganado en el mundo y dentro de los EE.UU.(3-5), donde se cree que la anaplasmosis es responsable de al menos 50100,000 muertes de ganado por año, con pérdidas económicas que van desde 30 hasta 60 millones de dólares en 1997(6,7). En México, la prevalencia de A. marginale alcanza> 50% en las zonas endémicas(8,9). Después de la transmisión, A. marginale invade y se replica en los eritrocitos maduros y, durante la fase aguda de la enfermedad, la rickettsemia intraeritrocítica aumenta dramáticamente a niveles de 109 A. marginale por mililitro de sangre. Esto se traduce en anemia hemolítica severa y una tasa de fatalidad del 36 %(10,11). Los animales que sobreviven a la enfermedad aguda, permanecen infectados persistentemente con ciclos con niveles fluctuantes de 102 - 107 organismos por mililitro(12,13). Esta persistencia, que refleja la variación antigénica de las proteínas inmunodominantes de membrana externa(14-20), es fundamental para la continua transmisión, ya que el paso transovárico de A. marginale dentro de la garrapata vector no ocurre(21). En consecuencia, la transmisión depende de animales infectados que son reservorios como fuente de la infección hacia las garrapatas. Es importante destacar que este ganado con infección persistente sirve como reservorio eficiente para la transmisión por garrapatas(22-25).
]]> Biología de la infección de la garrapata por A. marginaleSe ha demostrado que A. marginale es transmitida por garrapatas ixódidas, incluyendo Dermacentor andersoni y D. variabilis en los EE.UU., y siendo quizá Rhipicephalus (Boophilus) microplus, el vector más importante en las regiones tropicales y subtropicales del mundo(26-29). Después de la ingestión de la sangre en el lumen del intestino medio de la garrapata, A. marginale invade y coloniza el epitelio del intestino medio mediante un proceso que es mediado por receptores en el que participa la proteína de superficie MSP1a o por un proceso de fagocitosis más generalizada(30-34).
Dentro de las células epiteliales del intestino medio de la garrapata, A. marginale se replica dentro de vacuolas intracelulares para formar colonias de hasta varios cientos de células de microorganismos, equivalentes a 106 organismos por intestino(35-37). Ver Figura 1. Después de esta replicación inicial en el epitelio del intestino medio, A. marginale entra en la hemolinfa y posteriormente invade las células epiteliales de la development of infectivity in the salivary gland. glándula salival(30,31,38).
El desarrollo de la infectividad requiere una replicación final de hasta 106 organismos por glándula salival y, la fijación y el inicio de la alimentación seguida por la inoculación de A. marginale con la saliva en el huésped susceptible(30,31,35,38). Por lo tanto, la transmisión de A. marginale requiere invasión y replicación eficiente en los tejidos de la garrapata, que culmina en el desarrollo de la infecciosidad de la glándula salival.
Estudios recientes de nuestro grupo se han centrado en la eficiencia de transmisión de las distintas cepas de A. marginale. La cepa St. Maries se utiliza como la cepa prototipo de alta transmisibilidad, sin embargo otras cepas altamente transmisibles incluyen la cepas, Puerto Rico, Virginia y EMø(25,26,29,39-43). Varias cepas han sido clasificados como "no transmisibles", incluyendo la cepa Florida, Mississippi, y la cepa vacunal de Israel, ya que en estudios anteriores no se pudo demostrar la transmisión con las garrapatas estudiadas(25,36,44-46). Actualmente estamos explotando esta diferencia fenotípica en transmisibilidad cepa bien documentada para diseccionar la relación patógeno-vector en un esfuerzo por entender mejor el proceso de transmisión y estos estudios se detallan a continuación.
La transmisión es un fenómeno dosis-dependiente
La cepa vacunal Israel es una cepa de Anaplasma marginale sensu lato subsp. centrale avirulenta utilizada en Israel, Sudáfrica, Australia y América del Sur para reducir la gravedad de la infección con cepas de A. marginale sensu stricto. Estudios recientes de la transmisión de la cepa de Israel con 70 Dermacentor andersoni, 63 Rhipicephalus (Boophilus) annulatus, 49 Rhipicephalus sanguinieus, y 52 Hyalomma excavatum no lograron transmitir la infección(36,41,45). Al examen molecular del intestino medio de garrapatas y de los tejidos de la glándula salival se detectó la cepa vacunal en garrapatas R. sanguineus, aunque los niveles de infección no se cuantificaron(45). El análisis cuantitativo demostró que esta cepa infecta los intestinos y las glándulas salivales de garrapatas Dermacentor andersoni, en niveles comparables a los de la cepa St. Maries, altamente transmisible(36). Esto llevó al análisis del nivel del organismos en la saliva de garrapatas tratadas con dopamina para inducir la salivación, y se demostró que no sólo muchas menos garrapatas secretan el organismo (30 % de las garrapatas infectadas con la cepa Israel, en comparación con el 96 % de garrapatas infectadas con San Maries), y las que lo hicieron secretaban 10 veces menos que las infectadas con la cepa San Maries. Posteriormente, se logró la transmisión exitosa mediante el aumento de la carga de garrapatas a 425 D. andersoni, lo que indica que la baja eficiencia de transmisión de la cepa de la vacuna Israel, es un reflejo de la reducción de la dosis entregada en la saliva(35).
Un efecto dosis-dependiente en la eficiencia de transmisión tiene ramificaciones importantes para nuestra comprensión de la dinámica patógeno-vector. En primer lugar, esto implica que las cepas que han sido clasificadas como no transmisibles por garrapata, de hecho, pueden ser transmisibles en condiciones apropiadas y, como tal debemos alinear nuestro pensamiento en términos de eficiencia de la transmisión en lugar del absoluto "transmisión" vs "no transmisión". En segundo lugar, "las condiciones adecuadas" para una cepa podrían incluir tanto la carga de garrapatas y la compleja interacción de una cepa con una población de garrapatas en particular, como ya se ha demostrado que diferentes poblaciones de garrapatas D. andersoni tienen diferentes susceptibilidades a la infección por A. marginale(37). En Norte América, las cepas con una eficiencia de transmisión alta se verían favorecidas por garrapatas transmisoras de baja carga en el ganado(47). La carga de la garrapata tiende a ser mayor en las regiones más cálidas, con una variación que resulta en episodios de alta carga de garrapatas que pueden permitir la transmisión de cepas de baja eficiencia de transmisión(35,48,49).
Una estrategia genómica comparativa para identificar genes implicados en la transmisión
La cepa de la Florida es una cepa de baja eficiencia de transmisión para la que la transmisión no se ha logrado con las siguientes especies de garrapatas: D. andersoni, D. variabilis, R. (B.) microplus y R. (B.) annulatus en las condiciones ensayadas(25,44,46). El defecto de la cepa de la Florida se produce a nivel del intestino medio: los estudios in vitro sugieren una falla de la proteína de superficie MSP1a, una adhesina, para unirse a las células epiteliales del intestino medio, mientras que en estudios in vivo han demostrado la entrada en el epitelio del intestino medio seguida por su remoción sin una primera ronda de replicación detectable(33,44,46,102). Se desconoce si este defecto representa el único factor determinante de la transmisibilidad (o eficiencia de la transmisión). Para efectuar un análisis más global de los cambios genéticos que podrían ser atribuidos a diferencias de la transmisión codificadas en agentes patógenos, realizamos un estudio genómico comparativo basado en el razonamiento de que la diferencia fenotípica en transmisibilidad está sustentada por una diferencia genotípica entre las cepas. El genoma de la cepa de la Florida se ha secuenciado completamente(50) y la comparación de su genoma completo con el previamente secuenciado de la cepa St. Maries prototípica de alta eficiencia en transmisión, reveló la conservación completa en el contenido de genes, lo que indica que el estado de transmisión no puede ser atribuido a la simple presencia o ausencia de uno o más genes, y la diferencia genotípica subyacente a la diferencia de transmisión se debe a un polimorfismo entre las cepas. El análisis de los polimorfismos genéticos revelaron 9,609 polimorfismos de nucleótido único (SNP's) entre las dos cepas y, un análisis posterior demostró que aproximadamente la mitad de los 950 genes presentes en el genoma tenían por lo menos una mutación no sinónima. Otras cepas (Puerto Rico, Virginia y Mississippi) fueron sometidas a métodos de secuenciación de alta capacidad con al menos 96 % la cobertura del genoma de cada cepa(50). Las comparaciones de las secuencias del genoma de las cepas reveló que A. marginale tiene un perfil de SNP's moderadamente abierto, es decir, la mayoría de los SNP's son exclusivos para cada cepa. Ver ilustración en la Figura 2.
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Este hallazgo proporciona dos piezas clave de información: en primer lugar, se reduce a 182 la lista de genes polimórficos candidatos que segregan con el estatus de transmisión, significa también que la secuencia específica de estos genes candidatos que quedan en cepas adicionales proporcionaría un medio para reducir la lista de genes candidatos aún más. En los trabajos en curso, estamos llevando al cabo el análisis de secuencias específicas de genes que contienen polimorfismos no sinónimos, y hasta ahora se tienen 8 genes candidatos con 42 genes aún por analizar. La mayoría de los genes en la lista de candidatos están anotados como hipotéticos, lo que no es sorprendente, ya que se sabe muy poco acerca de las vías involucradas en la transmisión de patógenos. Esto pone de relieve el poder de este enfoque genómico comparativo - que es imparcial en cuanto a la anotación de genes o de la función.
El enfoque de la genómica comparativa genera una lista de candidatos de genes - sin embargo, la prueba real de la participación en la transmisión se basa en el análisis funcional a través de una estrategia de sustitución/knock out de genes específicos. Estas técnicas están en su infancia para organismos intracelulares obligados como A. marginale, sin embargo la transformación de A. marginale se ha logrado recientemente y está siendo desarrollado para el análisis funcional de estos genes candidatos(51).
Análisis específico de Msp1a
Uno de los defectos del enfoque comparativo es que los genes que son repetitivos o que contienen secuencias repetitivas son particularmente difíciles de analizar. Estos genes incluyen msp2, una proteína de superficie inmunodominante que cambia a través de un mecanismo de conversión génica(52), y msp1a, una proteína de superficie que tiene un conjunto de secuencias repetidas, cerca del extremo amino-terminal(53). Por lo tanto, estos genes están siendo analizados por medio de enfoques específicos. Un estudio(46) ha implicado a Msp1a en la transmisión. Aunque no se ha determinado la función específica para esta proteína, la expresión de Msp1a in vitro permite la adhesión de Escherichia coli a las células cultivadas de garrapatas(33). Cuando las moléculas de adhesión de Msp1a de diferentes cepas se comparan, E. coli que expresan la molécula de la cepa Florida tienen una adherencia significativamente menor a células de garrapata que las E. coli que expresan Msp1a cepa Oklahoma que es transmisible por garrapata(46). Dado que la mayor diferencia entre las moléculas Msp1a reside en el número y la secuencia de repeticiones en el extremo amino terminal de la molécula(53), se ha hipotetizado que la región de repeticiones es responsable de la presencia o falta de adhesión hacia las células, y por lo tanto del estatus de transmisión. La cepa de la Florida tiene una estructura de repetidos que codifica por una secuencia A seguida de 7 repeticiones B. Curiosamente, la cepa transmisible Virginia, codifica una A y una repetición de B, lo que sugiere que los repetidos no abrogan la capacidad de ser transmitida. Se han identificado cepas con repetidos de Msp1a idénticos que difieren en la transmisibilidad (Brayton et al., resultados no publicados). Esto indica que la capacidad de transmitirse sea muy probablemente un proceso multifactorial, con los diferentes factores afectados en las diferentes cepas no transmisibles. Podría ser que la cepa de Florida no es transmisible debido a la estructura de repetidos de Msp1a, mientras que la base genética de la falta de transmisión por garrapatas de otras cepas se encuentra dentro de otro gen.
CONCLUSIONES
Los estudios presentados aquí son ejemplos de los conocimientos obtenidos a partir de los análisis de la transmisión de cepas con fenotipos diferentes. Los estudios utilizan diferentes métodos para separar la vía de transmisión y han demostrado que la transmisión consiste en dos etapas distintas - la entrada en la garrapata y la replicación dentro de la garrapata, dos procesos separados que estamos empezando a estudiar. Una vez en la garrapata, la transmisión es un proceso dosis-dependiente. Por último, la transmisión es un proceso multifactorial, con genes diferentes que se ven afectados en las cepas con baja eficiencia de transmisión.
]]> AGRADECIMIENTOS
Investigación original en el laboratorio del autor fue apoyado por el NIH, USDA-ARS, USDA-CSREES y el Wellcome Trust.
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