Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine

Bibliographic Details
Main Author: Baptista, Vitória Cunha
Publication Date: 2024
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/93560
Summary: Programa doutoral em Engenharia Biomédica
id RCAP_9292ab8c51e40fd924e240c5c4f9217c
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/93560
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository_id_str https://opendoar.ac.uk/repository/7160
spelling Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicineDiagnósticoEspectrofotometria óticaHemozoínaMaláriaVia de destoxificação do hemeDiagnosisHaem detoxication pathwayHemozoinMalariaOptical spectrophotometryEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaPrograma doutoral em Engenharia BiomédicaApesar de esforços significativos para controlar e eliminar a malária, o diagnóstico ainda falha em detetar baixos níveis de infeção e em chegar a todos os indivíduos infetados. Além disso, a eficácia do tratamento é comprometida pela capacidade do Plasmodium falciparum em desenvolver resistência, exacerbada pela falta de novos fármacos. Neste contexto, o nosso objetivo é melhorar a compreensão da biologia celular do parasita para apoiar o desenvolvimento de ferramentas de diagnóstico inovadoras e a descoberta de novos alvos terapêuticos, com um foco particular na hemozoína. A hemozoína, um subproduto natural do catabolismo da hemoglobina e da desintoxicação do heme pelo parasita, formada ao longo do ciclo de desenvolvimento nos glóbulos vermelhos do hospedeiro (IDC), é essencial para o parasita. A quantidade de hemozoína aumenta com a progressão da doença, tornando-a um alvo único para diagnóstico e tratamento. Visando o diagnóstico, exploramos o potencial da espectrofotometria de absorbância e refletância para distinguir glóbulos vermelhos saudáveis ou sangue total e aqueles infetados com P. falciparum (iRBCs). A absorbância mostrou resultados promissores para a quantificação da parasitémia e a distinção entre diferentes estadios do parasita, com um limite de deteção de 12 parasitas/µL e 7 parasitas/µL de iRBCs e sangue total, respetivamente. Após a caracterização ótica, procedemos ao desenho de filtros óticos baseados em filmes finos e um sistema de deteção em chip, compreendendo fotodetectores, para leitura dos sinais espectrofotométricos, permitindo a deteção de baixos níveis de infeção. Adicionalmente, o tratamento da malária baseia-se no uso de medicamentos antimaláricos que alvejam a formação de hemozoína, cuja cascata não é conhecida. Nesta tese, utilizamos um ensaio de fracionamento celular para identificar o momento preciso em que os medicamentos antimaláricos perturbam a dinâmica típica das espécies de heme ao longo do IDC. De forma a compreender a via de formação da hemozoína e reconhecendo o papel crucial da dinâmica do pH na sua formação, desenhamos um biossensor de pH intracelular e desenvolvemos uma linha recombinante de P. falciparum a sobre-expressar lipocalina, uma proteína candidata envolvida na desintoxicação do heme dentro do parasita. Os resultados obtidos justificam estudos adicionais para caracterizar a lipocalina e o seu papel no IDC do P. falciparum. Em suma, o estudo da via de formação da hemozoína para diagnóstico e para desvendar as complexidades da patogénese e tratamento da malária possui relevância inegável no controlo e eliminação da doença.Despite significant efforts to control and eliminate malaria, diagnosis still fails to detect low levels of infection and to reach all infected individuals. Furthermore, efficacy of treatment is compromised by the capacity of Plasmodium falciparum to develop resistance, further exacerbated by the lack of new drugs. Herein, we aimed at improving the understanding of the parasite’s cell biology to support the development of innovative diagnostic tools and the discovery of novel drug targets, with a particular focus on hemozoin. Hemozoin, a natural by-product of haemoglobin catabolism and haem detoxification by the parasite within host red blood cells (RBCs) throughout the intraerythrocytic developmental cycle (IDC), is essential for the parasite. Its content increases as the disease progresses, rendering it a unique target for malaria diagnosis and treatment. Aiming diagnosis, we exploited the potential of absorbance and reflectance spectrophotometry to distinguish between healthy RBCs or whole blood and those infected with P. falciparum (iRBCs). Absorbance showed promising results for parasitaemia quantification and distinction between parasite stage, with a limit of detection of 12 parasites/µL and 7 parasites/µL of iRBCs and whole blood, respectively. Following the optical characterization, we proceeded to the design of thin-film optical filters and an on-chip detection system, comprising photodetectors, to readout the spectrophotometric signals, enabling detection of low levels of infection. Additionally, malaria treatment relies in the use of chemotherapy, with most antimalarial drugs somehow targeting hemozoin formation, whose orchestration cascade remains elusive. In this thesis, we utilized a cell fractionation assay to pinpoint the precise moment at which antimalarial drugs disrupt the typical haem species dynamics throughout the IDC. Seeking to deepen our understanding of the hemozoin pathway and recognizing the crucial role of pH dynamics in hemozoin crystal formation, we designed a genetically encoded intracellular pH biosensor and generated a P. falciparum recombinant line overexpressing lipocalin, a candidate protein involved in the haem detoxification within the parasite. Results warrants further studies to characterize this protein and its role in the P. falciparum IDC. Overall, our exploitation of the hemozoin pathway for diagnosis and to unravel the complexities of malaria pathogenesis and treatment hold undeniable relevance in this disease control and elimination.The work presented in this thesis was performed at the Center for Microelectromechanical Systems (CMEMS) and at the Life and Health Sciences Research Institute (ICVS), University of Minho. Financial support was provided by the PhD grant SFRH/BD/145427/2019 (https://doi.org/10.54499/SFRH/BD/145427/2019) from the Foundation for Science and Technology (FCT), by National funds, through the FCT projects UIDB/50026/2020 (DOI 10.54499/UIDB/50026/2020), UIDP/50026/2020 (DOI 10.54499/UIDP/50026/2020) and LA/P/0050/2020 (DOI 10.54499/LA/P/0050/2020), and by the project NORTE-01-0145- FEDER-028179, supported by Norte Portugal Regional Operational Programme (NORTE 2020), under the PORTUGAL 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund. Eramus + supported a training internship at Insitut Pasteur, France.Catarino, Susana OliveiraVeiga, Maria IsabelGil, José PedroUniversidade do MinhoBaptista, Vitória Cunha2024-09-102024-09-10T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/93560eng101687109info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-11-09T01:22:20Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/93560Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T19:11:57.490261Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
dc.title.none.fl_str_mv Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
title Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
spellingShingle Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
Baptista, Vitória Cunha
Diagnóstico
Espectrofotometria ótica
Hemozoína
Malária
Via de destoxificação do heme
Diagnosis
Haem detoxication pathway
Hemozoin
Malaria
Optical spectrophotometry
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
title_short Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
title_full Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
title_fullStr Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
title_full_unstemmed Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
title_sort Hemozoin: dissection of its characteristics for non-invasive malaria diagnostics and its biological pathway towards personalized medicine
author Baptista, Vitória Cunha
author_facet Baptista, Vitória Cunha
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Catarino, Susana Oliveira
Veiga, Maria Isabel
Gil, José Pedro
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Baptista, Vitória Cunha
dc.subject.por.fl_str_mv Diagnóstico
Espectrofotometria ótica
Hemozoína
Malária
Via de destoxificação do heme
Diagnosis
Haem detoxication pathway
Hemozoin
Malaria
Optical spectrophotometry
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
topic Diagnóstico
Espectrofotometria ótica
Hemozoína
Malária
Via de destoxificação do heme
Diagnosis
Haem detoxication pathway
Hemozoin
Malaria
Optical spectrophotometry
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
description Programa doutoral em Engenharia Biomédica
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024-09-10
2024-09-10T00:00:00Z
dc.type.driver.fl_str_mv doctoral thesis
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/93560
url https://hdl.handle.net/1822/93560
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv 101687109
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron:RCAAP
instname_str FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
collection Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository.name.fl_str_mv Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
repository.mail.fl_str_mv info@rcaap.pt
_version_ 1833597939780419584

Similar Items