New approaches for leptospirosis studies: contributing to vaccine development

Leptospirosis is a widespread neglected tropical zoonotic disease responsible for at least 873,000 human cases and 49,000 deaths each year globally. The causative agent belongs to the genus Leptospira, a unique and genetically and antigenically diverse group of spirochetes divided into nine pathogenic species, 24 serogroups and more than 250 serovars. Leptospires can infect virtually any mammalian species. Rodents can carry spirochetes in their renal tubules and shed large numbers in their urine, the main source of leptospires for new infections. In susceptible hosts, pathogenic leptospires spread throughout the body, resulting in a febrile icteric illness, followed by renal, hepatic and cardiac failure that can lead to death. Vaccination is the most effective approach for leptospirosis prophylaxis. Bacterins are the only licensed vaccines, and are used worldwide in certain animals, however, human vaccination is approved in only a few countries. The reason for this is that the vaccine induces a serovar specific, short-term immune response that has several adverse side effects. Efforts to develop a new recombinant vaccine with long-term, cross-protective immunity have failed. The lack of knowledge of Leptospira spp. virulence factors and pathogenesis is the main reason for the slow progress in the discovery of protective antigens. This thesis describes several different approaches in leptospirosis studies in an attempt to improve understanding of the disease and its causative agent: The current scenario of leptospirosis vaccine development is comprehensively reviewed. A new L. interrogans virulent strain isolated from a dog presenting with acute leptospirosis was characterized and can be used for experimental infections in animal models, or for understanding virulence mechanisms. A protocol to obtain host-adapted leptospires cultivated within Dialysis Membrane Chambers (DMC) implanted in rat peritoneum was developed. This protocol was applied to the identification, by total RNA sequencing (RNA-seq), of several genes related to the changes that leptospires undergo during adaptation to infection, new virulence determinants and selection of targets for mutagenesis. Finally, an alternative route of infection of hamsters by virulent L. interrogans is described, mimicking the natural transcutaneous entry of leptospires into the host. This methodology could replace the intraperitoneal injection of leptospires. Together, these findings represent substantial progress in the field of leptospirosis, possibly contributing to the future discovery of protective antigens for the development of improved vaccines against leptospirosis.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqA leptospirose é uma doença tropical negligenciada, de caráter zoonótico, responsável por cerca de 873 mil casos humanos e 49 mil mortes em todo o mundo a cada ano. O agente causador pertence ao gênero Leptospira, um grupo antigenicamente e geneticamente diverso de espiroquetas, dividido em nove espécies patogênicas, 24 sorogrupos e mais de 250 sorovares. As leptospiras podem infectar praticamente qualquer espécie de mamífero. Roedores podem carrear leptospiras nos túbulos renais, eliminando-as em grande número através da urina, sendo esta a fonte mais importante para novas infecções. Em hospedeiros suscetíveis, as leptospiras patogênicas se espalham no organismo resultando em uma doença febril com icterícia, seguida de falência renal, hepática e cardíaca, que com frequência leva à morte. A vacinação é a abordagem profilática mais efetiva contra a leptospirose. A bacterina é a única vacina licenciada, sendo usada em todo o mundo para algumas espécies animais, enquanto o uso em humanos é permitido em apenas alguns poucos países. A razão para isso é a resposta imune de curta duração e sorovar-específica induzida por essa vacina, que apresenta ainda, efeitos colaterais adversos. Vários esforços para desenvolver uma vacina recombinante protetora contra diferentes sorovares e com resposta de longa duração, falharam. O pouco conhecimento sobre os fatores de virulência e a patogênese de Leptospira spp. são as principais razões para o lento avanço na descoberta de antígenos protetores. Esta tese apresenta várias abordagens diferentes de estudos em leptospirose na tentativa de acrescentar ao conhecimento acerca da doença e seu agente etiológico: O cenário atual de desenvolvimento de novas vacinas contra a leptospirose é devidamente revisado. Uma nova cepa virulenta de L. interrogans isolada de um cão com leptospirose aguda foi caracterizada e pode ser utilizada em experimentos de infecção em modelo animal, ou, ainda, para o entendimento de mecanismos de virulência. Foi desenvolvido um protocolo para obtenção de leptospiras adaptadas ao hospedeiro, através do cultivo destes organismos dentro de Câmaras de Membrana de Diálise (DMC) implantadas na cavidade peritoneal de ratos. Este protocolo foi utilizado para identificar, a partir do sequenciamento de RNA total (RNA-seq), genes relacionados com as mudanças sofridas pela Leptospira spp. para se adaptar ao hospedeiro durante a infecção, novos fatores de virulência e seleção de alvos para mutagênese. Finalmente, uma via alternativa para infecção de hamsters por L. interrogans virulenta foi descrita, mimetizando a entrada natural pela via transcutânea de leptospiras no hospedeiro. Esta metodologia pode substituir a injeção intraperitoneal de leptospiras. Juntos, estes achados representam um progresso substancial no campo de estudo da leptospirose e possivelmente irão contribuir para a descoberta futura de antígenos protetores para utilização no desenvolvimento de vacinas aperfeiçoadas contra leptospirose