A novel in vitro model for mature Toxoplasma gondii tissue cysts allows functional characterization of bradyzoite biology
Creators: name: Christiansen, Céline
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: Reife Bradyzoiten
subject: in vitro Kultivierung
subject: Metabolom
subject: Phänotypische Heterogenität
subject: Mature Bradyzoites
subject: in vitro system
subject: Metabolome
subject: Phenotypic Heterogeneity
subject: 570 Biologie

description: Toxoplasma gondii bildet im Nerven- und Muskelgewebe seines Zwischenwirts persistente enzystierte Bradyzoiten, die Immunreaktionen und medizinischen Behandlungen entgehen. Der experimentelle Zugang zu reifen Zysten ist auf ex vivo Modelle beschränkt und die Bradyzoiten-Biologie unzureichend erforscht. Das Metabolom oder Wirtszell-Bradyzoiten-Interaktionen und Persistenzmechanismen sind mit aktuellen in vitro und in vivo Modellen schwer zu adressieren. Um dies zu ermöglichen, war es das Ziel dieser Arbeit ein in vitro Modell zur Generierung reifer T. gondii Zysten zu etablieren und zu charakterisieren. Dieses System wurde verwendet, um (1) das Metabolom von reifen enzystierten Bradyzoiten im Vergleich zu Tachyzoiten zu charakterisieren, (2) Wirtszell-Bradyzoiten-Interaktionen zu untersuchen und (3) einen Zellteilungsmarker für Bradyzoiten zu etablieren. Bradyzoiten wurden in ausdifferenzierten menschlichen Myotuben generiert und zeigten typische ultrastrukturelle Charakteristika und Antigenexpression. Die Bradyzoiten zeigten auch funktionelle Merkmale wie Resistenz gegen Pepsin, Temperatur und Antiparasitika, die von der Reifungszeit abhängig waren. Der metabolische Fingerabdruck von Bradyzoiten wurde mit Tachyzoiten mit Hilfe einer ungezielten HILIC-UHPLC / MS-basierten Metabolomik-Plattform verglichen. Während die Hemmung der Aconitase durch Natriumfluoracetat letal in Tachyzoiten wirkte, tolerierten Bradyzoiten eine längere Hemmung des Enzyms. Stabile isotopenmetabolische Markierung und pharmakologische Modulation des Wirt Lipidstoffwechsels wiesen auf eine entscheidende Rolle der Wirts Carnitinester für den Fettsäureimport und die Entgiftung der antimikrobiellen Linolsäure hin. Um einen Zellteilungsmarker auf Einzelzellebene zu entwickeln, wurden Klick-Chemie nachweisbare Nukleosidanaloga auf Toxizität in beiden Stadien und ihr jeweiliges Inkorporationsprofil untersucht. Drei der Analoga wurden ohne toxische Wirkungen in die DNA von beiden Stadien eingebaut.
description: Toxoplasma gondii forms persistent encysted bradyzoites inside neuronal and muscle tissue of its intermediate host, which resist immune responses and medical treatments. Experimental access to mature tissue cysts is limited to ex vivo models and the biology of bradyzoites remains understudied. Aspects like the metabolome or bradyzoite-host-interactions and mechanisms of persistence are difficult to address using current in vitro and in vivo models. To overcome these restrictions, the aim of this thesis was the establishment and characterization of an in vitro model for the generation of matured T. gondii tissue cysts. This system then should be used to (1) characterize the metabolome of matured encysted bradyzoites in comparison with tachyzoites, (2) interrogate bradyzoite-host-interactions and (3) establish a cell division marker for bradyzoites that allows studying bradyzoite heterogeneity. Encysted bradyzoites were grown in terminally differentiated human myotubes and showed typical ultrastructural hallmarks and antigen expression. These bradyzoites contained functional hallmarks like resistance to pepsin, temperature and commonly used antiparasitics that were dependent on maturation time. The metabolic fingerprint of bradyzoites was compared to tachyzoites using an untargeted HILIC-UHPLC / MS based metabolomics platform. While tachyzoites succumbed to inhibition of their aconitase by sodium fluoroacetate, bradyzoites tolerated prolonged inhibition of this enzyme. Further, stable isotope-metabolic labeling and pharmacological modulation of host lipid metabolism indicated a critical role of host carnitine esters for fatty acid import and for the detoxification of antimicrobial linoleic acid. To develop a single cell-resolved cell division marker, we screened click chemistry-detectable nucleoside analogues for toxicity on both stages and their respective incorporation profile. Three compounds labelled both bradyzoite and tachyzoite nuclei without toxic effects.