Protection of malaria by haemoglobin S and C: A quantitative understanding of the cytoadhesion behavior

Lanzer, Michael
Dept. of Infectious Diseases – Parasitology

Tanaka, Motomu
Institute of Physical Chemistry (PCI)

Cytoadhesion of P. falciparum-infected erythrocytes in the microvasculature allows the parasite to avoid splenic clearance mechanisms and, thus, to spread the infection in the human host. While beneficial for the parasite, cytoadhesion of parasitized erythrocytes in the microvasculature causes severe disease, including impaired tissue perfusion and systemic microvascular inflammation that can progress to life-threatening complications. Importantly, not every infected person develops these symptoms. Some people are naturally protected due to genetic modifications in their ß-globin chain. How these modifications, such as haemoglobin S (HbS) and haemoglobin C (HbC), protect from severe malaria is largely unknown. There is, however, evidence suggesting that parasitized HbS and HbC erythrocytes display a reduced ability to cytoadhere, while having very little, if any, effect on parasite development.

Here, we will examine the working hypothesis that infected HbS and HbC erythrocytes cytoadhere in the microvasculature to escape from splenic clearance mechanisms, but that this binding is not strong enough to activate the endothelium and trigger the life-threatening downstream inflammatory events. To address this fundamental question, we will combine expertise from biophysics, nanotechnology, immunology, and molecular parasitology and will:

i) study the spatial influence of adhesion molecules on the mechanics of the cytoadhesion process, using functionalized supported membranes as a defined cell surface model system; ii) examine the role of the hydrodynamic environment on cytoadhesion by controlling flow rate and shear forces; iii) investigate the effect of the contact force and the duration of contact on endothelial cell activation; and iv) explore HbSAD mice (expressing a mutant form of the human sickle cell ß-globin chain) infected with the mouse malaria parasite P. berghei as an animal model system. Our approach is designed such that it will not just provide a simple yes or no answer regarding endothelial cell activation, but rather quantitative data on the differential cytoadhesion behaviour of parasitized HbS and HbC erythrocytes at the endothelium. In our collaborative and interdisciplinary approach, we solicit input from other SFB-subprojects, including the Mueller/Grimm project (exploration of the SAD mouse as an animal model system). Our data will be modelled by the Schwarz/Lanzer project. The long-term goal of the project is to provide in depth insights into the mechanisms underpinning protection by HbS and HbC from severe malaria, in an effort to identify novel, by nature-validated strategies for rational intervention.


 

Erythrozyten, die mit dem humanen Malariaerreger Plasmodium falciparum infiziert sind, adhärieren in der Endstrombahn. Hierdurch umgeht der Erreger die Milz, wo er während der Passage aus der Blutzirkulation entfernt werden würde. Im Patienten verursachen die adhärierenden roten Blutzellen schwere Krankheitsverläufe. Unter anderem kommt es in den betroffenen Blutgefäßen zu einer verminderten Perfusion des Gewebes; es tritt Hypoxia auf; und das Endothel wird aktiviert, was letztendlich zu einer systemischen Endzündung der Kapillarwand  mit lebensbedrohenden Folgen für den Patienten führen kann. Jedoch sind einige Patienten vor schweren Krankheitsverläufen geschützt. Insbesondere sind dies Patienten, die ein verändertes ß-Hämoglobingen, wie z.B. das Sichelzellhämoglobin (HbS) oder das Hämoglobin C (HbC), tragen. Wie diese strukturellen Hämoglobinopathien vor schwerer Malaria schützen ist nur teilweise erforscht. Vorarbeiten deuten darauf hin, dass parasitierte HbS and HbC Erythrozyten eine verminderte Fähigkeit zur Adhäsion besitzen, aber nicht oder nur kaum das Parasitenwachstum beeinflussen.

Im vorliegenden Antrag möchten wir die Arbeitshypothese überprüfen, dass infizierte HbS and HbC Erythrozyten in der Endstrombahn adhärieren, um die Milzpassage zu umgehen, jedoch diese Adhäsion nicht stark genug ist, um das Endothel zu aktivieren und die schwerwiegende, lebensbedrohende Endzündungsreaktion auszulösen. Diese Fragestellung möchten wir mit Hilfe von biophysikalischen, immunologischen und parasitologischen Techniken und Vorgehensweisen beantworten. Insbesondere werden wir vergleichend zwischen infizierten Wildtyperythrozyten (HbAA) sowie HbS und HbC Erythrozyten die folgenden Teilaspekte untersuchen:

1)  den Einfluss der Rezeptorgeometrie auf das Adhäsionsverhalten. Hierzu soll die Rezeptordichte auf funktionalisierten, artifiziellen Membranen variiert werden.
2) den Einfluss hydrodynamischer Bedingungen, wie Fließgeschwindigkeit und Wandstress, auf das Adhäsionsverhalten; und
3) den Einfluss der Kontaktkraft und der Kontaktdauer auf die Aktivierung der Endothelzelle.

Weiterhin wollen wir untersuchen, ob P.berghei-infizierte  HbSAD Mäuse, die eine mutierte Form des humanen Sichelzellhämoglobingens exprimieren, sich als Tiermodell für unsere Fragestellungen anbieten. Unsere Vorgehensweise ist nicht nur auf eine Ja- oder Nein-Antwort bezüglich der Aktivierung von Endothelzellen ausgelegt, sondern vielmehr soll der Vorgang der Endothelzellaktivierung durch die verschiedenen Erythrozytenvarianten in quantitativen Parametern vermessen und analysiert werden. Mehrere SFB-Teilprojekte werden aktiv zu unserer Forschung beitragen, unter anderem das Projekt von Mueller/Grimm (Untersuchung des SAD Mausmodells). Unsere Daten werden im Rahmen des Schwarz/LanzerProjekts mathematisch modelliert. Langfristig erhoffen wir uns, dass diese Studien zum Mechanismus wie HbS und HbC vor schwerer Malaria schützen, neue, durch die Natur-validierte Strategien zur Kontrolle der Malaria aufzeigen werden.

Prof. Dr. Michael Lanzer

Prof. Dr. Motomu Tanaka