Metabolic Profiling of Ascaris suum Larvae and Macrophages Exposed to Artemisinin Derivatives, and Humoral and Peripheral Blood Transcriptomic Responses to Larval Ascariasis

Abstract

Background: Ascariasis predominantly affects low- and middle-income populations, driven by inadequate sanitation and poverty, and is frequently accompanied by coinfections. The parasite undergoes a hepato-tracheal migration, evading the host immune system while triggering Th2-dominated cellular and humoral immune response with anti-inflammatory mechanisms that support parasite survival and modulate host immunity. In tropical areas, STH infections often overlap with malaria, which is treated using artemisinin-based combined therapies, known for their potent antimalarial effects. While ARTs' anthelmintic properties have been studied for trematodes and cestodes, their effects on gastrointestinal nematodes like A. lumbricoides remain underexplored. ARTs have also demonstrated immunomodulatory effects, including shifting macrophage phenotypes from anti-inflammatory (M2) to pro-inflammatory (M1). This study aimed to understand ARTs' potential in modulating Ascaris infections and their impact on mitochondrial metabolism by exploring the effects of ART therapy on Ascaris larvae and IL-4-polarized macrophages. It further investigated the humoral and peripheral blood transcriptomic responses to larval ascariasis and examined how coinfection with Salmonella impacts these responses.

Aims: 1) To determine the metabolic profile of A. suum egg-stage larvae and explore the influence of ARTs on the identified metabolic profile 2) To ascertain whether ARTs influence macrophage polarization 3) To investigate the systemic antibody response against Ascaris larval and adult somatic antigen, and adult excretory/secretory antigen at 5wpi 4) To investigate the systemic and local humoral response in larval ascariasis (2wpi) and assess whether a secondary bacterial infection impacts the identified anti-Ascaris humoral response. 5) To investigate the transcriptional profile of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) of Ascaris infected pigs at 2wpi and assess whether a secondary bacterial infection impacts the identified expression profile.

Results: This study identified metabolically distinct regions in Ascaris larvae that remained unchanged following ART exposure, despite a reduction in larval viability after 48 hours. The larvae's mitochondria remained functional at both 24 and 48-hour time points. In contrast ART treatment induced a metabolic shift in resting (M0) and IL-4-polarized (M2-like) macrophages towards high anaerobic glycolysis with a reduction in PDH activity and overall metabolic activity. At 5wpi, adult ES exhibited stronger antibody immunodetection of IgM, IgG, IgA and IgG subclasses whereas somatic adult and larval antigens did not. Ascaris infection induced seroconversion as early as 2wpi with both Ascaris single- and co-infected pigs displaying high levels of Ascaris-specific antibodies in the serum, bile and BAL fluid. Of note, mixed systemic IgG1/IgG2 was observed while IgA production was prominent in intestinal mLNs. Relative to Ascaris single-infected pigs, sIgA levels of coinfected pigs displayed no association with eosinophils in the BAL and further displayed lower levels of IgA producing B cells in the ileal mLNs. Ascaris infection had no detectable effect on the peripheral blood transcriptome, which, surprisingly, remained unchanged even in the presence of Salmonella coinfection. Conversely, coinfection dampened transcriptomic responses associated with AP-1-mediated inflammatory monocyte activation against Salmonella.

Conclusions: This study highlights the metabolic compartmentalization within Ascaris larvae, with the pharyngeal region exhibiting high oxidative metabolism and DUOX activity, likely supporting neuronal activity, cuticle maintenance, and defense mechanisms. ARTs, particularly artesunate and artemether, influenced larval viability by inducing oxidative stress rather than direct metabolic disruption. In macrophages, artesunate shifted M2-like cells toward glycolysis, mimicking pro-inflammatory M1 polarization, which may impact immune regulation during Ascaris infections. These findings provide new insights into host-parasite interactions and the immunometabolic effects of ARTs, warranting further in vivo studies to assess their broader implications. Additionally, this work demonstrates a mixed Th1/Th2 systemic humoral response and an active mucosal immunity, marked by IgA and eosinophil activity, suggesting an early defense mechanism against larval migration. Nonetheless, these local humoral responses were impacted by Salmonella infection. Furthermore, genes involved in AP-1-mediated inflammation were suppressed in co-infected pigs, potentially contributing to the dampened anti-Salmonella monocytic response.

Hintergrund: Die Ascariasis betrifft vor allem Bevölkerungsgruppen mit niedrigem und mittlerem Einkommen, was auf unzureichende sanitäre Einrichtungen und Armut zurückzuführen ist, und wird häufig von Koinfektionen begleitet. Der Parasit wandert von der Leber in die Luftröhre und entzieht sich so dem Immunsystem des Wirts, während er eine Th2-dominierte zelluläre und humorale Immunantwort mit entzündungshemmenden Mechanismen auslöst, die das Überleben des Parasiten unterstützen und die Immunität des Wirts modulieren. In tropischen Gebieten überschneiden sich STH-Infektionen häufig mit Malaria, die mit Artemisinin-basierten Kombinationstherapien behandelt wird, die für ihre starke antimalariatische Wirkung bekannt sind. Während die anthelmintischen Eigenschaften von ARTs bei Trematoden und Zestoden untersucht wurden, ist ihre Wirkung auf gastrointestinale Nematoden wie A. lumbricoides noch nicht ausreichend erforscht. ARTs haben auch immunmodulatorische Wirkungen gezeigt, einschließlich der Verschiebung von Makrophagen-Phänotypen von entzündungshemmend (M2) zu entzündungsfördernd (M1). Ziel dieser Studie war es, das Potenzial von ARTs bei der Modulation von Ascaris-Infektionen und ihre Auswirkungen auf den mitochondrialen Stoffwechsel zu verstehen, indem die Auswirkungen einer ART-Therapie auf Ascaris-Larven und IL-4-polarisierte Makrophagen untersucht wurden. Darüber hinaus wurden die humoralen und transkriptomischen Reaktionen des peripheren Blutes auf Ascaris-Larven untersucht und geprüft, wie sich eine Koinfektion mit Salmonellen auf diese Reaktionen auswirkt.

Ziele: 1) Bestimmung des Stoffwechselprofils von Ascaris suum-Larven im Ei-Stadium und Untersuchung des Einflusses von ARTs auf das ermittelte Stoffwechselprofil 2) Feststellung, ob ARTs die Makrophagen Polarisierung beeinflussen 3) Untersuchung der systemischen Antikörperreaktion gegen somatische Antigene von Ascaris-Larven und -Adulten sowie gegen exkretorische/sekretorische Antigene von Erwachsenen bei 5wpi 4) Untersuchung der systemischen und lokalen humoralen Reaktion bei larvaler Ascariasis (2wpi) und Beurteilung, ob eine bakterielle Sekundärinfektion die identifizierte humorale Anti-Ascaris-Reaktion beeinflußt. 5) Untersuchung des Transkriptionsprofils peripherer mononukleärer Blutzellen (PBMC) von mit Ascaris infizierten Schweinen im Alter von 2wpi und Beurteilung, ob eine bakterielle Sekundärinfektion das ermittelte Expressionsprofil beeinflußt.

Ergebnisse: In dieser Studie wurden in Ascaris-Larven metabolisch unterschiedliche Regionen identifiziert, die nach ART-Exposition unverändert blieben, obwohl die Lebensfähigkeit der Larven nach 48 Stunden abnahm. Die Mitochondrien der Larven blieben sowohl zum 24- als auch zum 48-Stunden-Zeitpunkt funktionsfähig. Im Gegensatz dazu induzierte die ART-Behandlung eine metabolische Verschiebung in ruhenden (M0) und IL-4-polarisierten (M2-like) Makrophagen hin zu einer hohen anaeroben Glykolyse mit einer Verringerung der PDH-Aktivität und der gesamten metabolischen Aktivität. Bei 5wpi zeigten erwachsene ES einen stärkeren Antikörper-Immunnachweis von IgM-, IgG-, IgA- und IgG-Unterklassen, somatische adulte und larvale Antigene dagegen nicht. Eine Ascaris-Infektion löste bereits nach 2 Wochen eine Serokonversion aus, wobei sowohl Ascaris-einzel- als auch Ascaris-ko-infizierte Schweine hohe Werte an Ascaris-spezifischen Antikörpern im Serum, in der Galle und in der BAL-Flüssigkeit aufwiesen. Bemerkenswert ist, dass ein gemischtes systemisches IgG1/IgG2 beobachtet wurde, während die IgA-Produktion in den mLN des Darms besonders ausgeprägt war. Im Vergleich zu den mit Ascaris allein infizierten Schweinen wiesen die sIgA-Werte der koinfizierten Schweine keinen Zusammenhang mit den Eosinophilen in der BAL-Flüssigkeit auf und zeigten außerdem geringere Werte an IgA-produzierenden B-Zellen in den ilealen mLN. Die Ascaris-Infektion hatte keine nachweisbaren Auswirkungen auf das Transkriptom des peripheren Blutes, das überraschenderweise auch bei Vorliegen einer Salmonellen-Koinfektion unverändert blieb. Umgekehrt dämpfte die Koinfektion die transkriptomischen Reaktionen, die mit der AP-1-vermittelten entzündlichen Monozytenaktivierung gegen Salmonellen verbunden sind.

Schlußfolgerungen: Diese Studie unterstreicht die metabolische Kompartimentierung innerhalb der Ascaris-Larven, wobei die Pharyngealregion einen hohen oxidativen Stoffwechsel und eine hohe DUOX-Aktivität aufweist, die wahrscheinlich die neuronale Aktivität, die Aufrechterhaltung der Kutikula und die Abwehrmechanismen unterstützen. ARTs, insbesondere Artesunat und Artemether, beeinflussten die Lebensfähigkeit der Larven eher durch die Induktion von oxidativem Stress als durch eine direkte Störung des Stoffwechsels. In Makrophagen verlagerte Artesunat M2-ähnliche Zellen in Richtung Glykolyse und ahmte damit eine entzündungsfördernde M1-Polarisierung nach, was sich auf die Immunregulation während Ascaris-Infektionen auswirken könnte. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Interaktionen zwischen Wirt und Parasit und die immunometabolischen Auswirkungen von ARTs, was weitere In-vivo-Studien zur Bewertung ihrer breiteren Auswirkungen rechtfertigt. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit eine gemischte systemische humorale Th1/Th2-Antwort und eine aktive Schleimhautimmunität, die durch IgA- und Eosinophilenaktivität gekennzeichnet ist, was auf einen frühen Abwehrmechanismus gegen die Larvenmigration hindeutet. Diese lokalen humoralen Reaktionen wurden jedoch durch die Salmonelleninfektion beeinträchtigt. Darüber hinaus wurden Gene, die an der AP-1-vermittelten Entzündung beteiligt sind, bei koinfizierten Schweinen unterdrückt, was möglicherweise zu der gedämpften monozytären Anti-Salmonellen-Reaktion beiträgt.