Plasmodium falciparum multidrug resistance protein 1 (PfMRP1) role in artemether-lumefantrine resistance

Abstract

Plasmodium falciparum is a protozoan parasite responsible for the majority of human malaria associated mortality, particularly in sub-Saharan Africa. To control malaria, chemotherapy is a fundamental tool in the treatment and prophylaxy of P. falciparum infections. Nowadays antimalarial resistance is widespread for the majority of treatments deployed against P. falciparum. Only the artemisinin-based combination therapies (ACTs) remain effective, from which the combination artemether-lumefantrine (AL) is the most widely used. Although ACTs remain effective, resistance is also developing being of fundamental importance to understand the molecular mechanisms underlying resistance. Membrane transporter proteins have been associated with resistance phenotypes, and this dissertation aims to explore the role of the plasma membrane transporter P. falciparum multidrug resistance protein 1 (PfMRP1) with special emphasis to the AL treatment. To explore the role of PfMRP1 in AL therapy, the theme was approached in two venues: in vivo, where the transcriptional response and polymorphisms prevalence in the PfMRP1 gene (pfmrp1) were evaluated upon clinical trials with AL therapy; and in vitro, where the impact of the pfmrp1 was studied by controlling the genetic background of the parasite applying different genome editing strategies. In vivo the transcriptional data shows that the pfmrp1 is induce d in the first hours after treatment and a novel single nucleotide polymorphism (SNP) was identified on the pfmrp1. Applying different genome editing strategies, in vitro, PfMRP1 overexpression, knockout and allelic exchange of the most prevalent SNPs were attempted making use of the Bxb1 integrase system, zinc finger nucleases and CRISPR/Cas9 system. Despite advancements achieved with these strategies further work is necessary to accomplish a solid conclusion on the role of PfMRP1 in antimalarial drug resistance. Understanding the different mechanisms related with antimalarial drug resistance in P. falciparum is fundamental for the management of the current and future antimalarial therapies. Overall, the dissertation provides advancements in the comprehension of the PfMRP1 role in antimalarial resistance, in particular to the current main ACT, the AL therapy.

Plasmodium falciparum é o parasita protozoário responsável pela maioria da mortalidade associada à malária, particularmente na África subsariana. A quimioterapia é fundamental no tratamento e profilaxia da infeção provocada por P. falciparum para o controlo da malária. Atualmente, resistência é prevalente para a maioria dos tratamentos utilizados contra o P. falciparum. Unicamente as terapias de combinação baseadas em artemisinina (ACTs) permanecem eficazes, de entre as quais a combinação arteméterlumefantrina (AL) é a mais utilizada. Embora estas terapias permaneçam eficazes resistência está a desenvolver sendo fundamental compreender os mecanismos moleculares que levam a estes fenómenos de resistência. Proteínas transportadoras de membrana tem sido associados aosfenótipos de resistência, e esta dissertação tem como objetivo explorar o papel do transportador da membrana citoplasmática a proteína de resistência a múltiplos fármacos do Plasmodium falciparum 1 (PfMRP1) na resistência a AL. De modo a compreender o papel do PfMRP1 na resistência a AL, o tema foi abordado de duas maneiras: in vivo, onde a resposta transcricional e a prevalência de polimorfismos no pfmrp1 foram analizadas em amostras clínicas provenientes de ensaios clínicos de arteméter-lumefantrina; e in vitro, onde o impacto do pfmrp1 foi estudado controlando o fundo genético do parasita aplicando diferentes estratégias de modificação do genoma. In vivo, a análise transcricional revelou que o gene que codifica o PfMRP1 (pfmrp1) é induzido nas primeiras horas após o tratamento e um novo polimorfismo de um único nucleótido (SNP) foi identificado no pfmrp1. Aplicando diferentes estratégias de modificação do genoma, a sobreexpressão, o nocaute e a troca alélica dos SNPs mais prevalentes do PfMRP1 foram exploradas utilizado o sistema da integrase Bxb1, nucleases de dedo de zinco e o sistema CRISPR/Cas9. Apesar de avanços alcançados com estas estratégias ainda é necessário um maior aprofundamento para alcançar uma conclusão sólida sobre o papel do PfMRP1 na resistência a fármacos. Compreender o papel dos diferentes mecanismos relacionados com a resistência a antimaláricos em P. falciparum é fundamental para a gestão das terapias antimaláricas. De modo geral, a dissertação proporciona avanços na compreensão do papel do PfMRP1 na resistência a antimalários, em particular para a principal ACT a terapia com AL.