When P. falciparum meets the brain microvasculature: a 3D blood-brain barrier model to study cerebral malaria

Abstract

La alteración de la barrera hematoencefálica está relacionada con la malaria cerebral, una complicación de la infección por Plasmodium falciparum asociada con la acumulación del parásito en los vasos sanguíneos cerebrales. Para investigar los mecanismos patogénicos del parásito, hemos desarrollado un modelo microvascular 3D utilizando células primarias en un hidrogel de colágeno, que presenta buenas propiedades de barrera. La exposición a productos secretados durante la rotura del eritrocito infectado causó una respuesta inflamatoria y redujo la expresión de uniones inter-endoteliales. A pesar de que incubaciones cortas con diferentes estadios del parásito causaron mínimos cambios transcripcionales, observamos una disminución en marcadores de uniones estrechas. Por el contrario, la exposición a largo plazo provocó una respuesta dual en células endoteliales. Los experimentos de permeabilidad e inmunofluorescencia confirmaron que en ambos casos se compromete la integridad vascular. Este modelo ofrece información valiosa sobre los mecanismos patogénicos de P. falciparum en los vasos cerebrales.

Blood-brain barrier (BBB) breakdown is one of the main features of cerebral malaria (CM), a severe complication of Plasmodium falciparum infection. Although the pathogenic mechanisms of CM remain unclear, they have been associated to sequestration of P. falciparum-infected erythrocytes (iRBC) in the microvasculature. We developed a 3D microvascular model using primary BBB cells embedded in a pre-patterned collagen hydrogel. Our model demonstrated superior barrier properties compared to others and was used to investigate parasite pathogenic mechanisms. Exposure to parasite egress products triggered an inflammatory response in all the BBB cells, and reduced transcription of endothelial junctional markers. Short-term incubation with P. falciparum-iRBC at different stages caused minimal transcriptional changes, but the downregulation of tight junction protein claudin-5. Conversely, long-term exposure led to a dual endothelial response. Permeability and immunofluorescence experiments confirmed an impairment of barrier integrity. This model offers valuable insights into the mechanisms driving brain microvascular pathogenesis in CM.