Appunti esame Parassitologia molecolare

Parassitologia molecolare

Studieremo due grosse categorie di organismi che sono gli elminti (vermi), quindi organismi eucarioti pluricellulari, e i protozoi, ossia organismi eucarioti unicellulari. Questa è già una prima categoria abbastanza importante dal punto di vista delle malattie infettive. Infatti, le malattie infettive sono causate da diversi organismi, di cui alcuni sono considerati non propriamente neanche viventi, come possono essere i prioni, ma anche gli stessi virus e poi ovviamente da altri organismi come i funghi e i procarioti (ossia tutti i batteri).

Noi in questo corso ci occuperemo di parassiti e in particolare di parassiti di interesse sanitario umano. La parassitologia è un settore scientifico disciplinare che abbraccia soprattutto le parassitosi animali. Quindi, ci occuperemo quasi esclusivamente di patogeni dell’uomo. Concentriamo la nostra attenzione su queste mappe epidemiologiche fatte alterando la dimensione dei paesi sulla base della quantità di determinate malattie e in questo caso di malaria, HIV e tubercolosi.

Queste sono le tre principali malattie infettive riconosciute storicamente negli ultimi 30 anni dall’OMS come le principali emergenze sanitarie al mondo nell’ambito delle malattie infettive. L’arrivo del COVID ha stravolto queste mappe e poi lo vedremo. Però, la storia della parassitologia è legata alla storia delle malattie infettive che colpiscono principalmente paesi del terzo mondo. Quasi tutti i parassiti e patogeni di cui parleremo in questo corso sono parassiti e patogeni che colpiscono regioni tropicali e subtropicali del pianeta e paesi in via di sviluppo.

In questi grafici vediamo che le malattie infettive rappresentano il maggior danno di salute pubblica nei paesi dell’Africa, mentre rappresentano una piccolissima fetta (ovviamente prima del COVID) in Europa dove, come sappiamo, la maggior parte dei problemi di salute del mondo occidentale e dei paesi sviluppati sono legati a malattie cardiovascolari e ai tumori. In altri paesi del mondo questa cosa non funziona così e questo tipo di malattie sono in realtà una percentuale piccola. A livello globale vediamo che comunque le malattie infettive mantengono una rilevante importanza. Tutto questo chiaramente è cambiato da quando è arrivato il COVID.

L'impatto delle malattie infettive

L’impatto delle malattie infettive è cambiato con l’arrivo di SARS-Cov-2 ma non è cambiato dappertutto. Quello che racconteremo in questo corso è qualcosa che non ha subito particolari cambiamenti dall’arrivo di questa infezione. Infatti, come vediamo dalla seguente immagine, l’impatto del COVID rispetto alla tubercolosi, alla malaria e all’HIV è scarso in Africa. In Africa il COVID non ha cambiato la vita delle persone come invece è successo da noi. Un altro concetto molto importante in parassitologia è quello dei DALYs ossia disability-adjusted life years.

Questo è un parametro epidemiologico estremamente importante in ambito parassitologico che non misura la mortalità ma che misura i danni a breve, a medio e a lungo termine dati da un’infezione. Questo è fondamentale in parassitologia perché, come vedremo, uno degli aspetti cruciali della parassitologia è che i parassiti tendono a coevolvere con l’ospite e non hanno nessun interesse a creare un danno letale all’ospite, quanto meno nel breve termine, ma si evolvono da un punto di vista molecolare, cellulare, fisiologico per cercare di mantenere in vita l’ospite il più possibile, e questo comporta infezioni persistenti, lunghissime, soprattutto nei parassiti che hanno un maggiore adattamento alla vita parassitaria, una maggiore coevoluzione più solida dal punto di vista della vita parassitaria con l’uomo e porta a dei danni che non sono letali ma sono costanti.

Per esempio, quasi tutti i bambini nei paesi africani hanno i vermi nell’intestino e ci convivono e questi vermi spesso sono asintomatici ma possono generare del malessere, impedendo ai bambini di andare a scuola, per cui questi vermi danno un impatto sugli anni di vita persi (si tratta di un parametro molto considerato in parassitologia).

Coevoluzione dei parassiti con l'ospite

Parlando di coevoluzione dei parassiti con l’ospite cominciamo a parlare di evoluzione del parassitismo. Si comincia cioè a parlare di interazione tra parassita e tra l’ambiente che per un parassita è rappresentato dall’ospite umano ma anche da altri organismi, perché come vedremo i cicli biologici dei parassiti non finiscono quasi mai con l’uomo. Quindi, il primo concetto importante è quello della coevoluzione tra parassita e ambiente e tra parassita e uomo e nell’uomo l’interazione più importante è quella con il sistema immunitario.

Infatti, l’equilibrio tra l’infezione parassitaria e la risposta del sistema immunitario è ciò che determina di fatto il ciclo biologico del parassita e il danno di salute all’uomo. In questo senso il parassita può evolvere abbastanza rapidamente. Quindi, noi abbiamo diversi esempi di parassiti che nel corso della storia evolutiva dell’uomo sono arrivati abbastanza recentemente nell’uomo e si stanno adattando. Uno di questi esempi è proprio Plasmodium falciparum, che è uno dei più letali patogeni e la sua letalità non è una letalità altissima se si paragona ai virus e ai batteri ma è molto alta se si paragona agli altri parassiti perché la sua è un’evoluzione recente, ossia è un parassita che è saltato abbastanza recentemente nella storia evolutiva dell’uomo dalle scimmie all’uomo e quindi il suo adattamento non è ancora completo e causa molti decessi perché è diffuso in diverse regioni del mondo.

Come abbiamo detto, la parassitologia è una materia che si è basata per anni sull’indagine citologica e istologica microscopica dei parassiti. I parassiti sono studiati dai tempi antichi e vedremo diversi esempi di parassiti che erano gli unici patogeni che potevano essere riconosciuti nell’antichità perché erano visibili a occhio nudo quando non c’erano strumenti per poter ingrandire. La parassitologia molecolare ha avuto un grossissimo impatto negli ultimi 30 anni dall’avvento delle tecniche di biologia molecolare e dalla possibilità di rendere modelli alcuni dei parassiti.

Questo proprio perché si è visto dagli anni 80-90’ in poi che lo studio dei parassiti era importante non soltanto per studiare parassiti che magari non hanno impatto sulla salute pubblica dei paesi occidentali e quindi ricevono meno fondi, ma perché sono interazioni tra organismi eucarioti e spesso presentano delle caratteristiche uniche, non hanno altri patogeni e non ci sono neanche in situazioni fisiologiche di modelli animali già noti. Quindi, ci sono stati molti sforzi negli ultimi anni per creare dei modelli biologici per lo studio soprattutto di Plasmodium falciparum ma anche di Trypanosoma brucei e Toxoplasma gondii.

Toxoplasma è uno dei parassiti che interessa molto anche il mondo occidentale perché è presente in tutto il mondo. Questi modelli uniti all’avvento del sequenziamento dei genomi hanno consentito un grosso impulso allo studio di queste malattie sia per disegnare farmaci e vaccini sia per studiare i meccanismi biologici alla base. La malaria nel 2000 faceva un numero di vittime uguale a quello che è stato il COVID nel 2020. Quindi, è una malattia molto grave e crea un danno pazzesco in tantissimi paesi del mondo.

Dagli anni 2000 sono stati investiti tantissimi soldi per cercare di limitare quanto meno il danno che la malaria causava ai paesi soprattutto africani e c’è stato un grosso successo, soprattutto grazie alla distribuzione di tende impregnate di insetticida, che ha consentito di ridurre l’impatto della mortalità da malaria da 2 milioni a circa 500 mila. Adesso la malaria si è stabilizzata su questa cifra, quindi circa 500 mila morti all’anno di malaria. Capiamo dunque che c’è un grosso interesse nella produzione di vaccini e di nuovi farmaci non solo per le popolazioni residenti ma anche per chi per lavoro o per turismo deve andare in paesi dove la malaria è endemica.

La malaria è la parassitosi più grave da un punto di vista di impatto sanitario ma ci sono anche altre malattie che necessitano di farmaci, terapie non solo per i paesi in via di sviluppo ma anche per i paesi occidentali. Quindi, c’è un investimento crescente economico per cercare di affrontare queste malattie e gli strumenti molecolari sono fondamentali. Pochi mesi fa è stato approvato dall’OMS il primo vaccino per la malaria che ha una copertura del 40% di non insorgenza della malaria grave.

Categorie di parassiti

Ci sono tre grosse categorie di parassiti: i protozoi, i metazoi (elminti) e gli artropodi. Gli artropodi sono ectoparassiti, quasi tutti, cioè sono parassiti che non entrano direttamente completamente nel nostro corpo e possono svolgere un ruolo di parassiti in quanto per esempio artropodi ematofagi, come la zanzara che è un parassita dell’uomo in quanto per sopravvivere ha bisogno di sangue umano. Dunque, per definizione zanzare, zecche, pulci, pidocchi sono ectoparassiti.

Il ruolo degli ectoparassiti non è tanto importante in quanto sono ectoparassiti ma è importante in quanto possono essere vettori di altri patogeni. L’altra categoria di parassiti di interesse sanitario è rappresentata dai protozoi, di cui noi studieremo principalmente tre classi ossia i flagellati, gli sporozoi, le amebe e molto meno i ciliati (che sono importanti nella parassitologia veterinaria ma molto meno in quella umana). Per quanto riguarda i vermi metazoi studieremo le due classi principali di vermi d’interesse sanitario che sono i vermi tondi ossia i nematodi parenti di C. elegans e i vermi piatti come cestodi (tenie) e trematodi (schistosoma).

Definizioni generali di parassitismo

Ora diamo un po’ di definizioni generali di parassitismo. Il parassitismo è un’interazione tra due organismi, è una relazione ecologica che affonda le basi ovviamente in interazioni molecolari che sono quelle che poi noi studiamo in questo corso e che si manifestano in scambi metabolici, dipendenze più o meno strette metaboliche di un organismo dall’altro. Chiaramente il parassitismo non è una simbiosi perché la simbiosi per definizione è uno scambio equo di ruolo biologico tra due organismi.

Ma non è neanche una patogenicità totale poiché i parassiti sfruttano cercando di non debilitare troppo l’ospite in quanto se lo debilitano troppo non possono più sfruttarlo. L’inizio della vita parassitaria è in realtà un’associazione molto debole tra gli organismi. Infatti, quasi sempre si parte con la foresi, cioè organismi sfruttano altri organismi per essere trasportati da una parte all’altra e questo vale soprattutto per i vermi metazoi.

Poi da questo trasporto cominciano a trarre dei vantaggi. Quando questo trasporto comincia a fruttare le risorse dell’organismo ospite si va più propriamente verso il parassitismo. Ci sono diversi gradi di dipendenza metabolica. Infatti, studiando i diversi parassiti vedremo che alcuni hanno un impatto molto maggiore, altri molto minore sulla salute, sulla vita metabolica, alcuni hanno delle infezioni croniche, durano 40 anni e stanno nel nostro organismo senza che noi ce ne rendiamo conto, alcuni hanno un impatto molto più violento in un lasso di tempo più basso.

Possiamo distinguere ectoparassiti, cioè quelli che vivono sulla superficie esterna dell’ospite come i pidocchi. Questi possono utilizzare componenti che vengono dall’ospite (le zanzare sono ectoparassiti e hanno bisogno di sangue umano per deporre le uova). Poi abbiamo gli ecto/endo-parassiti. Si tratta di parassiti che hanno cominciato ad affrontare una vita più interna come l’acaro della scabbia che scava delle gallerie nel sottocute e vive sempre all’interno del derma, non va mai nel circolo sanguigno però comincia ad essere non proprio ectoparassita ma ecto/endo-parassita.

Gli endoparassiti sono quelli che vivono proprio all’interno dell’ospite quindi all’interno degli organi o proprio all’interno delle cellule degli ospiti. Gli endoparassiti sono parassiti obbligati. I parassiti obbligati non possono fare a meno dell’ospite per sopravvivere e questo può essere vero per una parte del ciclo vitale e non per tutto il ciclo vitale. Quindi, a volte l’obbligatorietà è limitata ad una fase molto ridotta del ciclo vitale.

I parassiti facoltativi normalmente conducono una vita libera ma quando se ne presenta l’occasione possono diventare parassiti di uno o più ospiti. I parassiti temporanei sono in contatto con l’ospite generalmente solo per il tempo necessario per nutrirsi o per riprodursi. Questo tempo può essere molto breve o anche molto prolungato (parassiti temporanei stazionari). Questi parassiti sono obbligati prima o poi ad abbandonare l’ospite, ad esempio per deporre le uova sul terreno.

I parassiti permanenti hanno un rapporto profondo con l’ospite, infatti non possono esserne separati neanche per tempi relativamente brevi. Questo vale per i protozoi ma anche per le tenie che vivono solo ed esclusivamente nell’intestino umano.

Habitat dei parassiti

Quali sono gli habitat dei parassiti? I parassiti stanno abbastanza dappertutto però ci sono delle preferenze. Le preferenze nel corpo umano riguardano principalmente due distretti: il torrente circolatorio e il canale alimentare. Questo concetto si porta dietro un altro concetto fondamentale che è quello di come noi ci prendiamo i parassiti. I parassiti si prendono in vari modi ma soprattutto tramite vettori. Quindi, i vettori prendendo il sangue iniettano nel torrente circolatorio il parassita e questo è il motivo per cui il circolo sanguigno è uno dei distretti più coinvolti dalle infezioni parassitarie.

L’altro distretto è il canale alimentare perché l’altro modo di prendere i parassiti è rappresentato dall’ingestione delle forme di resistenza che i parassiti lasciano nell’ambiente. Ovviamente ci sono anche altri modi di trasmissione ma questi sono quelli più importanti. Molto spesso i parassiti passano tutta la loro vita o nel torrente circolatorio o nel canale alimentare ma spesso possono anche uscire e molto spesso questi che escono rappresentano casi di adattamento ancora non ottimale che portano alle conseguenze peggiori. Quindi, possono essere coinvolti spesso il sistema nervoso centrale e tutti gli altri sistemi come quello escretore, quello riproduttivo e quello respiratorio.

Negli invertebrati i parassiti poi svolgono dei cicli molto importanti su cui noi dedicheremo parecchia attenzione. Infatti, questi cicli consentono di capire il ruolo vettoriale. I vettori non sono solo dei trasportatori, non devono solo trasportare il patogeno da un sangue infetto a un sangue non infetto. All’interno dei vettori avvengono molti eventi biologici che sono spesso alla base del fatto che il parassita possa poi avere una infettività per l’ospite successivo. Anche negli invertebrati sono coinvolti molti tessuti, tra cui l’intestino, il celoma, l’emocele, le ghiandole salivari.

Adattamento alla vita parassitaria

Come detto prima, le due caratteristiche fondamentali dell’adattamento alla vita parassitaria sono legate a interazioni metaboliche volte alla riproduzione e alla nutrizione. I parassiti devono entrare in un organismo, accrescersi, nutrirsi, sfruttare le riserve metaboliche per trovare un modo per far uscire poi la progenie. Quindi, nel corso dell’adattamento alla vita parassitaria si sono evoluti diversi sistemi. Per esempio, in situazioni in cui i parassiti sono numericamente a un basso livello è difficile pensare a una riproduzione sessuata perché è più difficile fare incontrare due parassiti di sesso opposto.

In questo caso si evolve molto più facilmente un sistema di ermafroditismo o di partenogenesi, magari solo in una fase del ciclo poi in un’altra fase viene mantenuta la riproduzione sessuata che è fondamentale per l’incremento della variabilità genetica. Tutti questi eventi variano da parassita a parassita cioè ogni parassita ha evoluto un sistema diverso, originale per superare i problemi che incontra.

Vedremo anche come da un punto di vista molecolare molti parassiti hanno adottato dei sistemi genetico molecolari che permettono di ovviare all’assenza di una riproduzione sessuata pur mantenendo la capacità di variare il proprio genoma in maniera elevatissima per evadere la risposta immunitaria dell’uomo. Dal punto di vista della nutrizione avremo anche altri esempi estremamente interessanti. Basti pensare a Plasmodium falciparum che infetta i globuli rossi ossia la cellula più povera del corpo umano, di fatto è un sacchetto di emoglobina, senza nucleo e con pochissimi metaboliti a parte l’emoglobina.

Questo parassita ha evoluto un sistema per ottenere il grosso dei suoi nutrimenti metabolizzando l’emoglobina umana. Come questo ci sono tantissimi altri esempi di specializzazione biochimica per sfruttare le risorse della cellula che ti ospita. Questa, tra l’altro, è un’altra delle caratteristiche che determinano la specificità parassitaria ovvero la capacità di un parassita di selezionare uno e un solo tipo cellulare da infettare. Molti parassiti non hanno la possibilità di infettare più cellule ma possono infettare solo un citotipo.

Tipi di cicli di vita parassitaria

Esistono diversi tipi di cicli di vita parassitaria. Il ciclo monoxeno è un ciclo diretto cioè un ciclo in cui il parassita ha un solo ospite. Nel caso della parassitologia umana chiaramente si parla dell’uomo. Il parassita passa da un ospite al successivo in genere attraverso una forma di resistenza. Le forme di resistenza sono le uova per i metazoi e le cisti per i protozoi. Il grosso dei parassiti non si ferma a un ospite. Molto spesso i parassiti devono svolgere il loro ciclo biologico...