El cerebro humano está formado por una compleja red de células nerviosas que utilizan diversas señales para comunicarse entre ellas. La propagación de señales tiene lugar en la sinapsis química en donde el neurotransmisor liberado por la neurona presináptica interacciona con un receptor postsináptico específico. Los canales iónicos activados por ligandos (LGIC) median respuestas rápidas en dichas sinapsis. El rol vital de los mismos es convertir una señal química en un impulso eléctrico. Para generar una respuesta adecuada los LGIC deben ser capaces de activarse en presencia del neurotransmisor y cerrarse en su ausencia. Estos receptores están involucrados en el aprendizaje, la memoria, el movimiento y en enfermedades genéticas, y son blancos de numerosos fármacos. Los receptores pentaméricos Cys-loop son LGIC que intervienen en sinapsis químicas rápidas. La duración, amplitud y frecuencia de una respuesta sináptica es gobernada por la cinética de apertura, cierre y desensibilización del canal. Los mecanismos moleculares de estos procesos no se conocen todavía. Los receptores poseen un dominio extracelular, unidor del neurotransmisor, y una región transmembranal, formadora del poro iónico. Uno de los objetivos de este trabajo de Tesis fue dilucidar el rol funcional de la interfase entre ambos dominios. Con este fin utilizamos receptores homopentaméricos con interfases con secuencias de 7 y 5-HT3A en los diferentes loops que las componen y evaluamos los tiempos de apertura y desensibilización de los receptores formados. Esta estrategia nos permitió determinar la contribución de cada loop y las consecuencias funcionales de la interacción entre ellos. Determinamos que la interacción entre los distintos loops de la interfase permite el acoplamiento de la unión del agonista con la apertura del poro iónico y gobierna la cinética de apertura y desensibilización de los receptores Cys-loop, controlando de esta manera la duración de la respuesta sináptica y el período refractario. Los nematodos parásitos tienen importancia médica y veterinaria ya que afectan la salud del hombre y del animal. Los fármacos antihelmínticos son esenciales para controlar los nematodos parásitos. Los agentes levamisol, pirantel, morantel y oxantel, ejercen su acción actuando sobre los nAChRs de los helmintos. En los últimos años se ha demostrado que la acción de estos fármacos depende del subtipo de receptor nACh. Exploramos las bases estructurales de dichas diferencias estudiando cómo estos agentes activan a los receptores nACh muscular y 7 de mamífero utilizando la técnica electrofisiológica de Patch-clamp. Encontramos que todas estas drogas son agonistas débiles del receptor nACh muscular adulto de mamífero. Por el contrario, pirantel y morantel cambian su comportamiento a agonistas completos y más potentes que la ACh en el receptor 7. Determinamos que la posición 57, localizada en el lado complementario del sitio de unión de agonistas, es responsable de la diferente activación de los receptores nACh muscular y 7 por morantel y pirantel. Esta posición no altera la activación de ACh o de los fármacos oxantel y levamisol. El conocimiento de la activación de los nAChRs por antihelmínticos contribuirá al diseño de terapias más selectivas contra los parásitos y a comprender como éstos desarrollan resistencia a estos fármacos. / The human brain is a vast and complicated network, where billions of nerve cells use signals to communicate with each other. At chemical synapses, neurotransmitters are released from the presynaptic cell. They interact with ligand-gated ion channels (LGIC) at the postsynaptic cell that convert signals from chemical to electrical in less than one millisecond. The channels close as the neurotransmitter dissociates to terminate the synaptic event. These receptors are involved in learning, memory, movement and disease processes, and are targets for clinically relevant drugs. The pentameric Cys-loop receptors are LGIC involved in fast chemical synapsis. Following the neurotransmitter release and binding to Cys-loop receptors, the post-synaptic response is governed by the kinetics of channel activation, deactivation and desensitization. The molecular mechanisms of these processes are still unknown. Cys-loop receptors have an extracellular domain, which contains the agonist binding sites, and a transmembrane domain where the ion pore is located. One of the goals of this Thesis was to determine the functional role of the interfacial region between extracellular and transmembrane domains. We generated homomeric chimeric receptors carrying sequences of 7 or 5-HT3A at the different loops of the interface and evaluated the open channel lifetime and rate of desensitization. This strategy allowed us to determine the functional contribution of each loop and the consecuences of structural mismatching among them. We concluded that the network of loops at the binding-pore interface of homomeric receptors is essential for coupling agonist binding to channel opening and also for dictating the kinetics of gating and desensitization. Thus, this region controls the duration of the refractory period and the synaptic response. Parasitic nematodes are of medical and veterinary importance, affecting human and animal health. Anthelmintic drugs are essential to control nematode parasites. These agents, such as levamisol, pyrantel, morantel and oxantel, exert their action at nAChRs in nerve and muscle of nematodes. In the last years, it has been demonstrated that the actions of these drugs depend on nAChR subtypes. To understand the structural basis of the differential activation of anthelmintics among nAChR subtypes, we studied the activation of mammalian muscle and 7 nAChRs by these agents at the single-channel and macroscopic-current levels. We showed that anthelminitic agents are low efficacious agonists of mammalian muscle AChRs. By contrast, morantel and pyrantel are high-efficacious and more potent agonists than ACh of 7 receptor. Also, we determined that position 57, located at the complementary face of the binding site, is a main determinant of the differential activation of mammalian muscle and 7 nAChRs by morantel and pyrantel. This position is not involved in ACh, oxantel or levamisol activation. These results provide new information for further progress in drug design and help to understand how parasites develop resistance to these drugs.

Caenorhabditis elegans es un nematodo de vida libre utilizado como organismo modelo en diferentes disciplinas de la ciencia. Su tamaño reducido, plan corporal anatómicamente simple, ciclo de vida corto y amplio repertorio de comportamientos, lo han transformado en un organismo muy útil en investigación. Además, emerge como un modelo de interés en la industria farmacéutica para realizar ensayos in vivo rápidos y económicos, y para la detección de compuestos con actividad biológica. C. elegans comparte características fisiológicas y farmacológicas con nematodos parásitos y además es sensible a la mayoría de las drogas antiparasitarias que se utilizan en el hombre y en los animales. Dado que es difícil trabajar con nematodos parásitos en el laboratorio, C. elegans ha emergido como un excelente modelo de nematodo parásito y ha contribuido al conocimiento de los mecanismos de acción de diversos fármacos. C. elegans cuenta con la mayor familia de receptores Cys-loop. En sus músculos, posee tres receptores Cys-loop principales: dos receptores nicotínicos (nAChRs), el L-AChR y el N-AChR, y el receptor de GABA, UNC-49. Los nAChRs median la contracción de los músculos de la pared del cuerpo mientras que los receptores de GABA median la relajación muscular, permitiendo el movimiento sinusoidal típico del nematodo. Estos receptores son los blancos moleculares de drogas antihelmínticas. El levamisol, actuando como agonista del L-AChR, genera contracción sostenida de los músculos y finalmente la parálisis espástica del nematodo. La piperazina, actuando como agonista de los receptores de GABA, genera relajación muscular y parálisis flácida. Otros receptores Cys-loop presentes en el nematodo también son blancos de fármacos antihelmínticos. El receptor de glutamato permeable a cloruro (GluCl) presente en neuronas y células musculares es el blanco molecular de la ivermectina (IVM), uno de los antiparasitarios más utilizados a nivel mundial. En cuanto a los receptores Cys-loop, C. elegans no es más diferente a los nematodos parásitos de lo que cada especie individual de parásito lo es de otra. Esto se evidencia en la amplia diversidad de subunidades que generan receptores Cys-loop con diferente composición y propiedades farmacológicas en los nematodos y cuyas bases moleculares no se comprenden completamente. En esta Tesis se utilizó a C. elegans como modelo de nematodo parásito. Se estudiaron las propiedades antihelmínticas y los blancos de acción de diferentes compuestos químicos a través de ensayos de comportamiento. Para determinar sus mecanismos de acción se realizaron registros electrofisiológicos de corrientes unitarias y macroscópicas sobre receptores presentes en células musculares de C. elegans o expresados heterologamente en células de mamífero. En el Capítulo 1 se estudió el befenio, un antihelmíntico colinérgico cuyo modo de acción no se conocía completamente. Mediante ensayos de comportamiento se determinó que befenio genera parálisis espástica en nematodos salvajes adultos jóvenes. Utilizando cepas mutantes se determinó que el L-AChR es el blanco molecular involucrado en la actividad paralizante de befenio. Estos resultados sugieren que no existiría un receptor específico para befenio en los músculos de C. elegans. Cuando befenio fue combinado con levamisol el efecto paralizante fue aditivo. Esto es de importancia ya que la combinación de drogas es una buena estrategia para reducir la resistencia en nematodos parásitos. A nivel molecular, mediante registros de canal único, se determinó que befenio activa el L-AChR de C. elegans tanto en larvas L1 como L2, y a mayores concentraciones, actúa como un bloqueador de canal abierto de dicho receptor. Los estudios de docking molecular mostraron que befenio se une al sitio de unión ortostérico del agonista y forma las interacciones cation-π requeridas para la activación del receptor. Estos resultados podrían explicar la alta eficacia para activar el L-AChR. La selectividad de befenio por el nAChR muscular de mamífero fue estudiada mediante registros de canal único y de corrientes macroscópicas. Se determinó que befenio activa el nAChR pero actúa como un agonista muy débil y un bloqueador de canal potente. Según estudios de docking molecular, befenio generaría las interacciones necesarias para la activación solamente en uno de los dos sitios ortostéricos del receptor. Esto explicaría su baja eficacia en receptores de mamífero con respecto a los receptores de nematodos. Cepas mutantes de C. elegans que carecen de la subunidad LEV-8 podrían contener LAChRs formados por la subunidad ACR-8 en su reemplazo. Estos L-AChRs imitan un receptor de nematodo parásito, como el receptor de H. contortus, cuya subunidad ACR-8 podría mediar la actividad de befenio. Mediante ensayos de comportamiento con la cepa mutante se determinó que la subunidad ACR-8 no es requerida para el efecto paralizante de befenio en C. elegans. A nivel de canal único, los receptores que carecen de la subunidad LEV-8 también fueron activados por befenio y dicha droga, al igual que ACh, indujo una rápida desensibilización del receptor. En el Capítulo 2 se estudiaron tres terpenoides, carvacrol, timol y eugenol, presentes en plantas. Mediante ensayos de comportamiento utilizando nematodos salvajes, se determinó que los terpenoides paralizan rápidamente a C. elegans. El orden de potencia de parálisis fue: carvacrol>timol>eugenol. Las larvas fueron más sensibles que los nematodos adultos jóvenes. Además, los compuestos inhibieron irreversiblemente la eclosión de los huevos con el mismo orden de potencia. Estos hallazgos indican que los terpenoides producen efectos antihelmínticos a corto y largo plazo. Se evaluaron tres combinaciones de drogas: timol/levamisol, timol/piperazina y timol/ivermectina. El efecto paralizante de la combinación timol/levamisol fue sinérgico y dicha combinación también fue efectiva en la inhibición de la eclosión de huevos. Mediante ensayos de comportamiento con nematodos mutantes se determinó que los L-AChRs y los receptores de GABA son los blancos moleculares de los terpenoides. Los registros de corrientes macroscópicas revelaron que los compuestos no son capaces de activar los receptores, pero inhiben las corrientes evocadas por los agonistas. En registros de canal único, los terpenoides disminuyeron la actividad de L-AChRs generada por ACh y levamisol, redujeron la frecuencia de aperturas del L-AChR e indujeron un componente de estado cerrado más prolongado. Sin embargo, no afectaron las propiedades del canal como la conductancia y la duración de apertura. El análisis global indicó que los terpenoides ejercen su efecto antihelmíntico actuando como antagonistas no competitivos del L-AChR. En el Capítulo 3 se estudió la doxepinona, considerada una estructura química privilegiada. Mediante ensayos de comportamiento se demostró que la doxepinona ejerce su acción paralizante sobre nematodos salvajes adultos jóvenes actuando a través el GluCl, el blanco molecular de la IVM. Este compuesto sintético generó parálisis estacionaria en nematodos salvajes. La IVM actúa sobre GluCls presentes en la faringe del nematodo e inhibe el bombeo faríngeo. Doxepinona también redujo la velocidad de bombeo faríngeo en nematodos salvajes y el efecto fue mediado por los GluCls. Mediante registros de corrientes macroscópicas se caracterizaron las corrientes del receptor heteromérico GluCl α 1/GluClß de C. elegans evocadas por el agonista glutamato. Se determinó que la doxepinona no es un agonista de dicho receptor ya que no es capaz de activarlo. Mediante diferentes protocolos de aplicación de drogas, se determinó que la doxepinona actúa como un inhibidor alostérico de los GluCls. Se propuso a la inhibición del GluCl como un nuevo mecanismo antihelmíntico. En resumen, en esta Tesis Doctoral, utilizando a C. elegans como modelo de nematodo parásito, se identificaron los sitios y se descifraron los mecanismos de acción molecular de diferentes compuestos químicos, con actividad antihelmíntica. / Caenorhabditis elegans is a free-living nematode used as a model organism in different science disciplines. Its reduced size, anatomically simple body plan, short life cycle and broad repertoire of behaviours have turned it in a useful organism for research. It also emerges as an interesting model in the pharmaceutical industry for fast and cheap in vivo assays and for the detection of compounds with biological activity. C. elegans shares pharmacological and physiological characteristics with parasitic nematodes and is sensitive to most antiparasitic drugs used in humans and animals. Given that parasitic nematodes are difficult to work with in the laboratory, C. elegans has emerged as an excellent parasitic model and has contributed to the understanding of mechanisms of action of anthelmintic drugs. C. elegans has the largest Cys-loop receptor family. In its muscle, it has three main Cysloop receptors: two nicotinic receptors (nAChRs), L-AChR and N-AChR, and the UNC-49 GABA receptor. nAChRs mediate body wall muscle contraction while GABA receptors mediate muscle relaxation, thus allowing the typical sinusoidal movement of the nematode. These receptors are the molecular targets of anthelmintic drugs. Levamisole, acting as an L-AChR agonist, generates sustained muscle contraction which ends in spastic paralysis of the nematode. Piperazine, by acting as an agonist of GABA receptors, generates muscle relaxation and flaccid paralysis. Other Cys-loop receptors in the nematode are also targets of anthelmintic drugs. The glutamate-activated chloride channel (GluCl) present in neurons and muscle cells is the molecular target of ivermectin (IVM), which is one of the most used antiparasitic drug worldwide. Considering Cys-loop receptors, C. elegans is no more dissimilar to parasitic nematodes than each individual species of parasite is to another. This results from the wide subunit diversity that generates Cys-loop receptors with different compositions and pharmacological properties among nematodes; the molecular basis of this diversity remains not fully understood. In this Thesis, C. elegans was used as parasitic nematode model. The anthelmintic properties and molecular targets of different chemical compounds were studied through behavioural assays. To determine their mechanisms of action, electrophysiological recordings, single-channel and macroscopic current recordings, were carried out in C. elegans muscle cells or in mammalian cells heterologously expressing the receptor under study. In Chapter 1 bephenium was studied. It is a cholinergic anthelmintic drug whose mechanism of action was not fully understood. Through behavioural assays it was determined that bephenium generates spastic paralysis in young adult wild-type worms. By using different mutant strains, it was determined that L-AChR is the molecular target involved in the paralyzing activity of bephenium. The results suggested that there may not be a specific receptor for bephenium in C. elegans muscle. When bephenium was combined with levamisole, the paralyzing effects were additive; which is of significance since drug combination is a good strategy to reduce resistance in parasitic nematodes. At the molecular level, through single channel recordings, it was determined that bephenium activates L-AChR in larvae L1 and L2 C. elegans. At higher concentrations, it acted as an L-AChR open channel blocker. Molecular docking studies showed that bephenium binds to the orthostetic agonist binding site and forms the cation-π interactions required for receptor activation. This result may explain the high efficacy for L-AChR activation. Bephenium selectivity for the mammalian muscle nAChR was studied through singlechannel and macroscopic current recordings. Bephenium activated nAChRs, but it acted as a very weak agonist and a potent channel blocker. According to the molecular docking studies, bephenium would generate the necessary interactions for activation only in one of the two orthosteric sites of the receptor. This may explain the low efficacy in the mammalian receptor with respect to nematode receptors. C. elegans mutant strains that lack LEV-8 subunit may have L-AChRs containing the spare ACR-8 subunit in its replacement. These L-AChRs may mimic those in certain nematode parasites, like the H. contortus receptor, for which it was suggested that its ACR-8 subunit may mediate bephenium activity. Through behavioural assays in the mutant strain, it was determined that the ACR-8 subunit is not required for the paralyzing effects of bephenium on C. elegans. At the single channel level, the receptors that lack LEV-8 subunit were similarly activated by bephenium. Bephenium, like ACh, induced fast receptor desensitization. In the Chapter 2 terpenoids present in plants (carvacrol, thymol and eugenol) were studied. Through behavioural assays in wild-type nematodes, it was determined that terpenoids produced fast paralysis of the worms. The paralyzing potency order was: carvacrol > thymol > eugenol. The larvae were more sensitive than young adults. Also, the compounds irreversibly inhibited egg hatching with the same potency order. These findings indicate that terpenoids generate short- and long-term anthelmintic effects. Three drug combinations were evaluated: thymol/levamisole, thymol/piperazine and thymol/ivermectin. The paralyzing effect of thymol/levamisole combination was synergic, and this combination was effective in the inhibition of egg hatching too. Through behavioural assays in mutant nematodes, it was determined that L-AChRs and GABA receptors are the molecular targets of the terpenoids. The macroscopic current recordings revealed that the compounds could not activate the receptors but inhibited the currents evoked by the agonists. In single channel recordings, terpenoids reduced L-AChR activity generated by ACh and levamisole, reduced the frequency of L-AChR openings and induced a longer closed state component. However, terpenoids did not affect channel properties, such as conductance and open duration. The global analysis indicated that, terpenoids exert their anthelmintic effect, acting as L-AChR non-competitive antagonists. In the Chapter 3, doxepinone was studied. Doxepinone is considered a privileged chemical structure. Through behavioural assays, it was demonstrated that doxepinone exert the paralyzing action in wild-type young adult worms acting through GluCls, which are the molecular targets of IVM. The synthetic compound generated stationary paralysis on wild-type worms. IVM acts on nematode pharyngeal GluCls and inhibits pharyngeal pumping. Doxepinone also reduced the pharyngeal pumping rate in wild-type worms and the effect was mediated by GluCls. Through macroscopic current recordings, the responses of GluCl α1/GluClß receptors of C. elegans evoked by the agonist glutamate were characterized. It was determined that doxepinone is not a GluCl agonist because it is not capable of activating the receptor. Through different drug application protocols, it was determined that doxepinone acts as an allosteric inhibitor of GluCls. The inhibition of GluCls was proposed as a new anthelmintic mechanism. In summary, in this Doctoral Thesis, using C. elegans as a model of parasitic nematode, the target sites and mechanisms of action of different chemical compounds with anthelmintic activity were deciphered.

El presente estudio usó al cerdo como modelo animal para el tratamiento de la cisticercosis humana. Específicamente, se quiso estudiar el efecto combinado de Albendazol (ALB), Praziquantel (PZQ) y Prednisona (PDN) sobre la fase larvaria de la Taenia solium. Para tal fin se utilizaron 36 porcinos infectados naturalmente con quistes de T. solium cuya infección se verificó con la prueba de la lengua y el ensayo de EITB. Los animales fueron distribuidos de forma homogénea en 6 grupos: El grupo 0 (Control), el grupo 1 (ALB+PZQ+PDN), el grupo 2 (ALB+PDN), el grupo 3 (PZQ), el grupo 4 (1/2ALB+PZQ+PDN) y el grupo 5 (ALB+PZQ+2PDN). El ALB fue administrado a 15 mg/kg cada 12 horas por 7 días, el PZQ a 75 mg/kg dividido en 3 tomas de 25 mg/kg cada 2 horas por un solo día y PDN a 0.5 mg/kg cada 24 horas por 5 días. Los cerdos fueron sacrificados entre la 9na y 10ma semana. La eficacia de las drogas fue evaluada mediante la prueba de evaginación de quistes extraídos de músculos, lengua y corazón. Se registraron los efectos adversos examinando clínicamente a los animales cada día. El estudio encontró mayor eficacia para los grupos que incluyeron al ALB en sus esquemas de tratamiento (87.00% - 100%) en comparación al grupo que utilizó sólo PZQ y al grupo control (35.5% - 47.00%). Sin embargo, no se halló diferencia estadísticamente significativa entre los grupos que incluyeron ALB en sus esquemas de tratamiento, por tanto, el efecto combinado de ALB y PZQ no mostró mayores ventajas frente al esquema clásico de ALB y PDN. Se encontró efectos adversos en todos los esquemas de tratamiento a excepción del grupo 4 en que se administró ½ dosis de ALB. / --- The present study used the pig as an animal model in the treatment of the human cysticercosis. Specifically, we studied the combined effect of Albendazole (ALB), Praziquantel (PZQ) and Prednisone (PDN) on the larval stage of Taenia solium. For such reason, 36 pigs naturally infected with cysts of T. Solium were used, whose infection was verified with the tongue test and EITB test. The animals were distributed of homogenous form in 6 groups: the group 0 (control), group 1 (ALB + PZQ +PDN), group 2 (ALB + PDN), group 3 (PZQ), group 4 (1/2 ALB +PZQ +PDN) and group 5 (ALB + PZQ + PDN). ALB was administered at 15 mg/kg every 12 hours for 7 days, PQZ at 75 mg/kg divided in 3 times at 25 mg/kg every two hours for a single day, and PDN at 0,5 mg/kg every 24 hours for 5 days. Pigs were killed between the weeks ninth and tenth. The efficacy of the drugs was evaluated by means of the test of evagination of cysts extracted of muscles, tongue and heart.We registered the adverse side effects by clinical evaluation of the animals every day. The study determined greater effectiveness for the groups that included to the ALB in their schemes of treatment (87.00% - 100%) in comparison the group that only used PQZ and to the control group (35.5% - 47.00%). However, was not statistically significant difference between the groups that included ALB in their schemes of treatment, therefore, the combined effect of ALB and PQZ did not show greater advantages as opposed to the classic scheme of ALB and PDN. Visible adverse side effects were noted in all the schemes of treatment with exception of the group 4 in which 1/2 doses of ALB was administered.

El presente estudio usó al cerdo como modelo animal para el tratamiento de la cisticercosis humana. Específicamente, se quiso estudiar el efecto combinado de Albendazol (ALB), Praziquantel (PZQ) y Prednisona (PDN) sobre la fase larvaria de la Taenia solium. Para tal fin se utilizaron 36 porcinos infectados naturalmente con quistes de T. solium cuya infección se verificó con la prueba de la lengua y el ensayo de EITB. Los animales fueron distribuidos de forma homogénea en 6 grupos: El grupo 0 (Control), el grupo 1 (ALB+PZQ+PDN), el grupo 2 (ALB+PDN), el grupo 3 (PZQ), el grupo 4 (1/2ALB+PZQ+PDN) y el grupo 5 (ALB+PZQ+2PDN). El ALB fue administrado a 15 mg/kg cada 12 horas por 7 días, el PZQ a 75 mg/kg dividido en 3 tomas de 25 mg/kg cada 2 horas por un solo día y PDN a 0.5 mg/kg cada 24 horas por 5 días. Los cerdos fueron sacrificados entre la 9na y 10ma semana. La eficacia de las drogas fue evaluada mediante la prueba de evaginación de quistes extraídos de músculos, lengua y corazón. Se registraron los efectos adversos examinando clínicamente a los animales cada día. El estudio encontró mayor eficacia para los grupos que incluyeron al ALB en sus esquemas de tratamiento (87.00% - 100%) en comparación al grupo que utilizó sólo PZQ y al grupo control (35.5% - 47.00%). Sin embargo, no se halló diferencia estadísticamente significativa entre los grupos que incluyeron ALB en sus esquemas de tratamiento, por tanto, el efecto combinado de ALB y PZQ no mostró mayores ventajas frente al esquema clásico de ALB y PDN. Se encontró efectos adversos en todos los esquemas de tratamiento a excepción del grupo 4 en que se administró ½ dosis de ALB. / The present study used the pig as an animal model in the treatment of the human cysticercosis. Specifically, we studied the combined effect of Albendazole (ALB), Praziquantel (PZQ) and Prednisone (PDN) on the larval stage of Taenia solium. For such reason, 36 pigs naturally infected with cysts of T. Solium were used, whose infection was verified with the tongue test and EITB test. The animals were distributed of homogenous form in 6 groups: the group 0 (control), group 1 (ALB + PZQ +PDN), group 2 (ALB + PDN), group 3 (PZQ), group 4 (1/2 ALB +PZQ +PDN) and group 5 (ALB + PZQ + PDN). ALB was administered at 15 mg/kg every 12 hours for 7 days, PQZ at 75 mg/kg divided in 3 times at 25 mg/kg every two hours for a single day, and PDN at 0,5 mg/kg every 24 hours for 5 days. Pigs were killed between the weeks ninth and tenth. The efficacy of the drugs was evaluated by means of the test of evagination of cysts extracted of muscles, tongue and heart.We registered the adverse side effects by clinical evaluation of the animals every day. The study determined greater effectiveness for the groups that included to the ALB in their schemes of treatment (87.00% - 100%) in comparison the group that only used PQZ and to the control group (35.5% - 47.00%). However, was not statistically significant difference between the groups that included ALB in their schemes of treatment, therefore, the combined effect of ALB and PQZ did not show greater advantages as opposed to the classic scheme of ALB and PDN. Visible adverse side effects were noted in all the schemes of treatment with exception of the group 4 in which 1/2 doses of ALB was administered.

El sistema nervioso consiste en una red muy compleja de billones de neuronas que se comunican entre sí. Las sinapsis químicas son primordiales para la comunicación neuronal rápida y eficiente, y están mediadas por la liberación de neurotransmisores a la hendidura sináptica para unirse a sus receptores específicos ubicados en otras células o neuronas postsinápticas. Entre los receptores de neurotransmisores se encuentran los receptores Cys-loop, que pertenecen a la superfamilia de canales pentaméricos activados por ligando (pLGIC). Son proteínas integrales de membrana que convierten la señal química en una respuesta eléctrica al permitir el paso de iones de un lado a otro de la membrana. Estos receptores se constituyen por 3 regiones fundamentales, el dominio extracelular, donde se encuentra el sitio de unión del neurotransmisor o sitio ortostérico; el dominio transmembrana, que conforma el poro del canal y contiene los sitios de unión para diferentes moduladores alostéricos; y el dominio intracelular que posee sitios de modulación y aminoácidos determinantes de la conductancia del canal. En vertebrados, esta familia de receptores está formada por los receptores nicotínicos de acetilcolina y el receptor de serotonina tipo 3 (5-HT3), los cuales son permeables a cationes, y por los receptores de ácido γ-aminobutírico tipo A (GABAA) y receptores de glicina, permeables a aniones. El repertorio de receptores Cys-loop en invertebrados es más variado y extenso, incluyendo entre ellos un canal aniónico activado por serotonina, denominado MOD-1. Los receptores Cys-loop son ampliamente estudiados por ser blancos moleculares terapéuticos en una extensa variedad de patologías. Es por ello por lo que ampliar el conocimiento de la función y modulación de estos receptores permitirá generar mejores estrategias farmacológicas. En esta Tesis Doctoral se realizaron estudios de la función y modulación de los receptores Cys-loop activados por serotonina humano, 5-HT3, y de Caenorhabditis elegans, MOD-1, para la búsqueda de nuevos fármacos y la generación de estrategias de reposicionamiento de medicamentos de uso clínico. En el Capítulo 1 se estudió la funcionalidad molecular del receptor 5-HT3A humano. Se logró descifrar las diferencias entre la activación ortostérica y la activación y modulación alostérica por terpenoides, utilizando la valiosa técnica de patch-clamp. Se definieron las bases mecanísticas de la activación de 5-HT3A por los agonistas ortostéricos serotonina y triptamina, y de la activación alostérica por los terpenoides timol y carvacrol. Se demostró que triptamina es un agonista de muy baja eficacia y potencia. Mediante registros de whole-cell, se demostró que los terpenoides potencian las corrientes evocadas por serotonina, pero también poseen capacidad para evocar alostéricamente respuestas macroscópicas, con mayor potencia y eficacia que triptamina, aunque de forma más lenta que serotonina. Mediante registros de canal único, se evidenció que dichos compuestos activan al receptor 5-HT3 como agonistas muy eficaces dado que generan episodios de activación más prolongados que serotonina. Nuestro estudio mostró la primera caracterización a nivel de canal único de la activación de 5-HT3A humano por ligandos alostéricos, de creciente interés como herramientas terapéuticas. En el Capítulo 2 se halló un nuevo blanco promisorio para la terapia antihelmíntica, estudiando ampliamente al receptor MOD-1 de C. elegans. Este nematodo es un buen modelo parasitario ya que comparte las características funcionales y farmacológicas con los nematodos parasitarios. Además C. elegans es sensible a la mayoría de los fármacos antiparasitarios que están dirigidos a los receptores Cys-loop de los parásitos. Dado que MOD-1 está ausente en vertebrados, se encuentra limitado al filo, y está presente en nematodos parasíticos, emerge como un blanco farmacológico promisorio. En este capítulo se revelaron las diferencias en la selectividad agonista y en los sitios ago-PAM entre MOD-1 y el receptor de serotonina humano 5-HT3. Se encontró que la triptamina, un agonista muy parcial de 5-HT3A, es un agonista eficaz de MOD-1, y se demostró además que posee una acción antihelmíntica. Por otro lado, se realizó un testeo de una variedad de compuestos en búsqueda de nuevos moduladores de MOD- 1. Se demostró, mediante estudios electrofisiológicos, que muscimol y piperazina (PZE) son antagonistas no competitivos de MOD-1. Mediante ensayos de comportamiento en gusanos se confirmó el efecto de PZE sobre MOD-1, hallando de esta manera un nuevo blanco molecular para este fármaco de uso antiparasitario. Estos estudios ampliaron el conocimiento de receptores Cys-loop de nematodos para el descubrimiento de nuevos compuestos con actividad nematicida. Por lo tanto, se concluye que, derivados de triptamina y PZE podrían ser explorados como nuevos compuestos con potencial actividad antiparasitaria. En el Capítulo 3, se comenzó a plantear estrategias para reposicionar medicamentos de uso clínico, para lograr superar las desventajas de generar un fármaco de novo, acortando los tiempos y recursos necesarios para realizar los estudios farmacológicos, famacocinéticos y de toxicidad requeridos para la producción de nuevos fármacos dirigidos a tratar patologías en las que los receptores estudiados en esta Tesis están involucrados. Con tal fin, se exploró el efecto de fármacos de uso comercial derivados de triptamina y PZE, debido a lo postulado en el capítulo 2, y se encontró que sumatriptan, un fármaco comercializado para tratar la migraña, sería un buen candidato para reposicionar para la terapia antiparasitaria. Además, PZE podría reutilizarse como modulador alostérico negativo de los receptores 5-HT3A humano abordando patologías en las que este receptor está involucrado, tales como náuseas y vómitos relacionados a la quimioterapia, radioterapia y anestesia, así como para mitigar los síntomas del síndrome de intestino irritable y para patologías del sistema nervioso como depresión, ansiedad y esquizofrenia, entre otras en las que este receptor está involucrado. En resumen, aprovechando la potencialidad que brindan los registros de canal único y de corrientes macroscópicas en el estudio de las bases moleculares del funcionamiento y modulación de estos receptores Cys-loop, se logró hallar un nuevo blanco antiparasitario, descifrar por primera vez las diferencias de activación ortostérica y alostérica del receptor 5-HT3A humano por timol y carvacrol, y generar estrategias de reposicionamiento de fármacos de uso clínico mediante la modulación alostérica de estos receptores tanto en C. elegans como en humano. Estos estudios amplían el conocimiento de la función y modulación de los receptores Cys-loop, generando una base para abordar patologías que involucran a estos receptores y para el desarrollo de nuevos y más selectivos fármacos. / The nervous system consists of a highly complex network of billions of neurons that communicate with each other. Chemical synapses are key to the rapid and efficient neuronal communication and are mediated by the release of neurotransmitters into the synaptic cleft to bind to their specific receptors located either on other cells or postsynaptic neurons. Among the neurotransmitter receptors are the Cys-loop receptors, which belong to the superfamily of ligand-gated pentameric channels (pLGIC). They are integral membrane proteins that convert the chemical signal into an electrical response by allowing ions to pass from one side of the membrane to the other. These receptors are made up of 3 fundamental regions: the extracellular domain, where the neurotransmitter binding site or orthosteric site is located; the transmembrane domain, which forms the channel pore and contains the binding sites for different allosteric modulators; and the intracellular domain which contains modulation sites and amino acids that determine channel conductance. In vertebrates, this family of receptors consists of the nicotinic acetylcholine receptors and the serotonin receptor type 3 (5- HT3), both of which are permeable to cations, and the receptors for γ-aminobutyric acid type A (GABAA) and glycine receptors, permeable to anions. The repertoire of Cys-loop receptors in invertebrates is more varied and extensive, including among them, a serotonin-activated anion channel called MOD-1. Cys-loop receptors have been extensively studied as they are therapeutic molecular targets in a wide variety of pathologies. Expanding our knowledge on the function and modulation of these receptors will therefore contribute to generating better pharmacological strategies for the treatment of these disorders. In this Ph. D. thesis studies were carried out on the function and modulation of the Cys-loop receptors activated by human serotonin, 5-HT3, and of Caenorhabditis elegans, MOD-1, for the search for new drugs and the generation of repositioning strategies for drugs for clinical use. In Chapter 1 the molecular functionality of the human 5-HT3A receptor was studied. It was possible to decipher the differences between orthosteric activation and allosteric activation and modulation by terpenoids, using the valuable patch-clamp technique. The mechanistic bases of 5-HT3A activation by the orthosteric agonists serotonin and tryptamine, and allosteric activation by the terpenoids thymol and carvacrol, were defined. It is revealed that tryptamine is an agonist with very low efficacy and potency. Using whole-cell recordings, they show that terpenoids not only potentiate the currents evoked by serotonin but also have the ability to allosterically evoke macroscopic responses, with greater power and efficiency than tryptamine, although more slowly than serotonin. Using single channel recordings, these compounds were shown to activate the 5-HT3A receptor as highly effective agonists, since they generate longer episodes of activation than serotonin. Our study showed the first characterization at the single channel level of the activation of human 5-HT3A by allosteric ligands, of increasing interest as therapeutic tools. In Chapter 2, a promising new target for anthelmintic therapy was found by extensively studying the MOD-1 receptor of C. elegans. This nematode is a good parasitic model since it shares functional and pharmacological characteristics with parasitic nematodes. In addition, C. elegans is sensitive to most antiparasitic drugs that are directed at the Cys-loop receptors of the parasites. Since MOD-1 is absent in vertebrates, limited to the phylum, and present in parasitic nematodes, it emerges as a promising drug target. In this chapter we revealed the differences in agonist selectivity and ago-PAM sites between MOD-1 and the human serotonin 5-HT3 receptor. Tryptamine, a very partial agonist of 5-HT3A, was found to be an effective agonist of MOD-1, and was further shown to have an anthelmintic action. On the other hand, we carried out a test of a variety of compounds in search of new modulators of MOD-1. We demonstrated by means of electrophysiological studies that muscimol and piperazine (PZE) are non- competitive antagonists of MOD-1. Also, through behavioral tests in worms, we confirmed the effect of PZE on MOD-1, thus finding a new molecular target for this drug for antiparasitic use. These studies have considerably expanded the knowledge of nematode Cys-loop receptors for the discovery of new compounds with nematicidal activity. We conclude that tryptamine and PZE derivatives could be explored as new compounds with potential antiparasitic activity. In Chapter 3, we began to propose strategies to reposition drugs for clinical use in order to overcome the disadvantages of generating a new drug, shortening the time and resources necessary to perform the pharmacological, pharmacokinetic, and toxicity studies required for the production of new drugs aimed at treating pathologies in which the receptors studied in this Ph. D. thesis are involved. To this end, the effect of drugs in commercial use derived from tryptamine and PZE was explored based on the results collected in Chapter 2. It was found that sumatriptan, a drug marketed to treat migraine, appears to be a good candidate to reposition for antiparasitic therapy. In addition, PZE could be reused as a negative allosteric modulator of human 5-HT3A receptors, addressing pathologies in which this receptor is involved, such as nausea and vomiting related to chemotherapy, radiotherapy, and anesthesia, as well as to alleviate the symptoms of irritable bowel syndrome and for pathologies of the nervous system, such as depression, anxiety and schizophrenia, among others in which this receptor is involved. Summing up, taking advantage of the potential offered by single channel recordings and macroscopic currents in the study of the molecular bases of the functioning and modulation of the Cys-loop receptors explored in this Ph. D. thesis, it was possible to: i) find a new antiparasitic target, ii) to decipher for the first time the differences of orthosteric and allosteric activation of the human 5-HT3A receptor by thymol and carvacrol, and iii) to generate drug repositioning strategies for clinical use through allosteric modulation of these receptors in both C. elegans and humans. These studies broaden the knowledge of the function and modulation of Cys- loop receptors, generating a basis for addressing pathologies that involve these receptors as well as for developing new and more selective drugs.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Se comparan los tratamientos antihelmínticos de albendazolpraziquantel y oxfendazol-praziquantel en ratas albinas holtzman infestadas experimentalmente como modelo de neurocisticercosis humana. Para ello, se administraron combinaciones de albendazol-praziquantel, así como, oxfendazolpraziquantel en ratas con neurocisticercosis que mediante cortes histológicos del cerebro de rata se determinó el nivel de daño del quiste y los cambios histopatológicos asociados. Se observó que el tratamiento con albendazolpraziquantel obtuvo un 32% de quistes dañados, mientras el oxfendazolpraziquantel presentó 48%, con un ratio de medias de daño del quiste de 7.03 y 9.21 respectivamente. El infiltrado inflamatorio presentó abundantes macrófagos activados, pocos plasmocitos, además de escasos granulocitos y linfocitos T. Otro cambio histopatológico encontrado fue el cambio espongiótico, caracterizado como pérdida de neuropilo en forma de vacuolas de diferente tamaño. El estudio sugiere que el oxfendazol resulta más eficaz que el albendazol para obtener quistes dañados, los cuales presentaron mayor inflamación y cambio espongiótico del parénquima cerebral que quistes no dañados. / Tesis

Caenorhabditis elegans es un nematodo de vida libre utilizado para responder interrogantes biológicos generales desde hace aproximadamente 60 años. Su fácil manipulación genética, el conocimiento del conectoma completo y la sencillez para estudiar su comportamiento, lo convierten en un excelente modelo para abordar preguntas neurobiológicas fundamentales y realizar ensayos farmacológicos. En esta tesis doctoral, empleamos al nematodo C. elegans como modelo para el estudio de la modulación neuronal de conductas asociadas a la alimentación y para la búsqueda de compuestos con potencial terapéutico. Una adecuada alimentación es esencial para la supervivencia de los animales. El sistema nervioso modula la actividad motora en función de la disponibilidad de alimento en el medio ambiente y del estado nutricional interno. Cuando los animales han experimentado un ayuno prolongado y encuentran comida nuevamente, permanecen en un área pequeña para explotar al máximo la nueva fuente de nutrientes. El estímulo de comida tanto en ratones como en invertebrados produce la liberación de serotonina (5-HT). En C. elegans, la 5-HT modula comportamientos relacionados principalmente con la presencia de alimento: aumenta el bombeo faríngeo y la deposición de huevos y suprime la locomoción. Cuando C. elegans ha permanecido en ausencia de comida por un largo período y retorna al alimento, exhibe un drástico descenso de la velocidad e incrementa el bombeo faríngeo para favorecer la ingesta de comida. Se sabe que la abrupta reducción de la locomoción en el encuentro con el alimento depende de la liberación de 5-HT desde dos neuronas serotoninérgicas denominadas NSM y ADF. Por otro lado, la tiramina (TA) y octopamina (OA), análogos de noradrenalina y adrenalina en invertebrados, respectivamente, son capaces de ejercer efectos opuestos a la 5-HT reduciendo el bombeo faríngeo y la puesta de huevos. A su vez, así como la 5-HT modula comportamientos que favorecen la alimentación en presencia de comida, la OA, por el contrario, regula conductas que son importantes durante el ayuno, como por ejemplo el aumento de la locomoción para facilitar la búsqueda de alimento. Sin embargo, las acciones ejercidas por la TA con respecto a la alimentación y locomoción aún no son del todo claras. A pesar de que existen evidencias de los efectos antagónicos entre las vías serotoninérgicas y tira/octopaminérgicas, los mecanismos y significancia de esta interacción aún no se conocen con exactitud. Es así que, mediante técnicas de biología molecular, microscopia, ensayos comportamentales y farmacológicos, nos propusimos estudiar el rol de estas aminas biogénicas en la conducta de alimentación en C. elegans. Mediante ensayos de comportamiento, observamos que mutantes nulos tdc-1, deficientes de la síntesis de TA, aun estando bien alimentados, son hipersensibles a la disminución de la locomoción en el encuentro con el alimento (lo cual se asemeja al comportamiento de animales hambreados). Esto sugiere que la 5-HT y TA ejercen efectos antagónicos en este comportamiento. Mediante ensayos de imágenes de calcio in vivo, observamos que la actividad del par de neuronas tiraminérgicas (llamadas RIM) disminuye en ausencia de alimento y aumenta paulatinamente en el regreso al mismo. Además, el agregado exógeno de TA durante el ayuno rescata parcialmente la gran desaceleración de la locomoción en la realimentación. Estos resultados en conjunto, nos permiten hipotetizar que la inhibición de la actividad de la neurona tiraminérgica durante el ayuno favorece la exacerbación de los efectos dependientes de la señal serotoninérgica en la realimentación. Finalmente, intentamos caracterizar los mecanismos moleculares involucrados en esta intermodulación. Al evaluar la actividad de las neuronas serotoninérgicas NSM y ADF en animales deficientes de TA, determinamos que la falta de TA exacerba la señal serotoninérgica en la vuelta al alimento. Esto sugiere que la TA inhibe la actividad de las neuronas serotoninérgicas apoyando nuestra hipótesis de que la disminución de la actividad tiraminérgica en el ayuno es necesaria para la exacerbada liberación de 5-HT en la realimentación. Además, de los cuatro receptores tiraminérgicos conocidos (tres GPCRs TYRA-2, TYRA-3 y SER-2 y un canal de cloruro LGC-55), encontramos que tres de ellos están implicados en la modulación de la locomoción a través de un circuito paralelo río abajo de las neuronas serotoninérgicas: los receptores TYRA-2 y TYRA-3 estimulan la locomoción, mientras que SER-2 la disminuye. En resumen, nuestros resultados sugieren que la inhibición de las neuronas tiraminérgicas durante el ayuno es clave para el comportamiento de los animales en la realimentación. Considerando las similitudes que existen en las conductas de alimentación y a la conservación de los componentes neuronales implicados en su regulación en el reino animal, nuestros resultados podrían colaborar al entendimiento del rol de estas señales no sólo en invertebrados sino también en otros animales. Hemos mencionado además que C. elegans es un excelente modelo para realizar ensayos farmacológicos. Aprovechando esta ventaja y la cercanía evolutiva entre C. elegans y otras especies de nematodos parásitos, realizamos una búsqueda de compuestos con potencial actividad antihelmíntica. Las infecciones producidas por nematodos parásitos generan una sustancial morbilidad en billones de personas y pérdidas considerables del ganado y agricultura. Dado a las deficientes políticas de salud pública y a las malas condiciones de calidad de vida e higiene, estas infecciones afectan principalmente a los países más empobrecidos. A su vez, la aparición de parásitos resistentes en el ganado se ha convertido en una preocupación global y es una complicación emergente en las helmintiasis humanas. A pesar de esto, la industria farmacéutica ha relegado el desarrollo de nuevos antihelmínticos en las últimas décadas. Por lo expuesto, la investigación de moléculas con nuevos mecanismos de acción antihelmínticos es una necesidad urgente. La dificultad para realizar ensayos con parásitos en el laboratorio, la cercanía filogenética con las demás especies dentro del filo nematoda y su fácil manipulación genética convierten al nematodo de vida libre C. elegans en un modelo eficiente para el estudio de moléculas con potencial antihelmíntico. En el segundo capítulo de esta tesis realizamos un cribado de moléculas derivadas del imidazol en C. elegans con el objetivo de identificar nuevos compuestos con acción terapéutica, específicamente con potencialidad antihelmíntica. Encontramos un compuesto, el Diisopropil-fenil imidazol (DII), que produce letalidad selectiva en nematodos adultos, siendo inocuo para células humanas en cultivo HEK-293 y larvas de D. melanogaster. Al presentar un efecto nematicida específico, decidimos estudiar en mayor profundidad su modo de acción. Evaluando la resistencia a la droga de cepas mutadas en genes que codifican para blancos moleculares de antihelmínticos conocidos, encontramos que el DII actúa a través de la subunidad no- UNC-29 de un receptor ionotrópico colinérgico muscular (AChR). UNC-29, junto con las subunidades UNC-38, UNC-63, LEV-1 y LEV-8, ha sido tradicionalmente considerada como parte del AChR de tipo L sensible a la droga antihelmíntica Levamisol (L-AChR). Las drogas, como el levamisol, que actúan como agonistas de receptores ionotrópicos colinérgicos generan la despolarización rápida de la célula muscular y parálisis del gusano. Observamos que el DII no genera estos efectos tradicionales de los agonistas nicotínicos y tampoco desplaza la curva dosis-respuesta del levamisol, como lo haría un antagonista del L-AChR. Además, determinamos que los mutantes deficientes de las demás subunidades que conforman el L-AChR clásico, son sensibles al DII. Estos resultados en conjunto sugieren que el DII actúa a través de un AChR muscular, que contiene la subunidad UNC-29, distinto al L-AChR clásico. Existen suficientes evidencias que avalan la presencia de múltiples clases de AChRs musculares con composiciones de subunidades diferentes distribuidas en el cuerpo del animal. Esto apoya nuestra hipótesis de que el blanco molecular del DII en gusanos adultos podría ser un AChR aún no identificado. En general, las larvas de parásitos son más resistentes a los antihelmínticos clásicos como el levamisol. Sin embargo, determinamos que el DII es letal para las larvas y que existe otro blanco molecular distinto a UNC-29 implicado en este mecanismo. Esto presenta una ventaja terapéutica, ya que antihelmínticos que actúan a través de más de un mecanismo de acción otorgan una terapia más efectiva y retrasan la expansión de resistencias. Creemos que el DII constituye el puntapié inicial para el desarrollo de un compuesto con potencialidad terapéutica. El hecho de que el DII presente actividad nematicida específica y que actúe a través de un blanco molecular diferente al de los antihelmínticos clásicos, sienta las bases para la dilucidación completa de su mecanismo de acción, así como la evaluación de su efectividad en nematodos parásitos. En conclusión, en este trabajo de tesis explotamos la potencialidad del nematodo C. elegans con dos objetivos bien diferentes: 1) en el capítulo I nos centramos en intentar de contribuir con el entendimiento de un interrogante biológico fundamental: ¿cómo los circuitos neuronales producen comportamientos específicos que responden a las necesidades metabólicas del organismo?, y 2) en el capítulo II, con un perfil más aplicado, nos propusimos identificar nuevas moléculas con potencialidad antihelmíntica, que en el futuro puedan ser consideradas posibles terapias antiparasitarias. / Caenorhabditis elegans is a free-living nematode that has been used for approximately 60 years to answer to general biological questions. Its easy genetic manipulation, the knowledge of its entire connectome and the simplicity to study its behavior, make it an excellent model for addressing fundamental neurobiological questions and carry out pharmacological assays. In this Ph. D. thesis, we used the nematode C. elegans as a model to study the neural modulation of feeding behaviors and to search for compounds with therapeutic potential. An adequate feeding is essential for animal survival. The nervous system modulates motor activity depending on the availability of food in the environment and the nutritional internal state. When animals have experienced a long fasting period and find food again, they stay in a small area to fully exploit the new source of nutrients. The food stimulus both in mice and invertebrates produces serotonin (5-HT) release. In C. elegans, 5-HT modulates behaviors primarily related to the presence of food: it enhances pharyngeal pumping and egg-laying and suppresses locomotion. When C. elegans has been in absence of food for a long period of time and returns to food, the worm exhibits a drastic decrease in speed and stimulates pharyngeal pumping to promote food intake. It is known that the abrupt decrease in locomotion upon food encounter depends on 5-HT release from two serotoninergic neurons called NSM and ADF. On the other hand, tyramine (TA) and octopamine (OA), norepinephrine and epinephrine analogs in invertebrates, respectively, have the potential of exerting opposite effects to 5-HT, reducing pharyngeal pumping and egg-laying. Moreover, just as 5-HT modulates behaviors that promote feeding in the presence of food, OA, on the contrary, regulates behaviors that are important during starvation, like increasing locomotion to ease the foraging for food. Nevertheless, TA feeding-and-locomotion-related behaviors are still not entirely clear. Even though there is evidence of the serotoninergic and tyra/octopaminergic antagonistic effects, the mechanisms and relevance of this interaction are not yet known exactly. Thus, using molecular biology technics, microscopy, behavioral and pharmacological assays, we decided to study the role of these biogenic amines in food-related behaviors in C. elegans. Performing behavioral assays, we observed that tdc-1 null mutants, deficient in TA synthesis, even though well-fed, are hypersensitive to the decrease in locomotion upon food encounter (which resembles the behavior of starved animals). This suggests that 5-HT and TA exert antagonistic effects on this behavior. By calcium imaging in vivo assays, we observed that the activity of the pair of tyraminergic neurons (called RIM) decreases in absence of food and increases gradually when animals return to food. Furthermore, the addition of exogenous TA during starvation partially rescues the enhanced slowdown of locomotion in refeeding. Taken together, these results allow us to hypothesize that the inhibition of the tyraminergic neuron activity during starvation favors the exacerbation of serotonergic signal-dependent effects on refeeding. Finally, we tried to characterize the molecular mechanisms involved in this intermodulation. When evaluating the activity of the serotoninergic neurons NSM and ADF in TA-deficient animals, we determined that the lack of TA exacerbates the serotoninergic signal on the return to food. This suggests that TA inhibits the activity of serotoninergic neurons supporting our hypothesis that the reduction in tyraminergic activity during starvation is necessary for the exacerbated release of 5-HT upon refeeding. In addition, of the four known tyramine receptors (three GPCRs TYRA-2, TYRA-3 and SER-2 and a chloride channel LGC-55), we found that three of them are involved in the modulation of locomotion through a parallel circuit downstream of serotonergic neurons, namely TYRA-2 and TYRA-3 receptors stimulate locomotion, while SER-2 decreases it. Summing up, our results suggest that the inhibition of tyraminergic neurons during starvation is key for animals’ behavior upon refeeding. Taking into account the similarities in feeding behaviors and the conservation of neuronal components involved in their regulation in the animal kingdom, our results could contribute to the understanding of the role of these signals not only in invertebrates but also in other animals. We have also claimed that C. elegans is an excellent model to carry out pharmacological assays. Thus, taking advantage of this and the evolutionary closeness between C. elegans and other parasitic nematode species, we conducted a search for compounds with potential anthelmintic activity. Parasitic nematode infections generate substantial morbidity in billions of people and considerable losses to livestock and agriculture. Due to deficient public health policies and low quality of life and hygiene conditions, these infections mainly affect the poorest countries. Moreover, the appearance of resistant parasites in livestock has become a global concern and is an emerging complication in human helminth infections. In spite of this, the pharmaceutical industry has relegated the development of new anthelmintics in the last decades. Therefore, the investigation of molecules with new anthelmintic mechanisms of action is an urgent need. The difficulty in testing parasites in the laboratory, the phylogenetic relationship with other species within the phylum Nematoda and the ease of its genetic manipulation, make the free-living nematode C. elegans an efficient model for the study of molecules with anthelmintic potential. In the second chapter of this Ph. D. thesis, we screened imidazole-derived molecules in C. elegans with the aim to identify new compounds with therapeutic action, specifically with anthelmintic potential. We found one compound, Diisopropylphenyl-imidazole (DII), that produces selective lethality in adult nematodes, being innocuous for cultured human HEK-293 cells and D. melanogaster larvae. As this compound has a specific nematicidal effect, we decided to study its mode of action in greater depth. By the assessment of drug resistance of strains mutated in genes encoding known anthelmintic molecular targets, we found that DII acts through a non- UNC-29 subunit of a muscle cholinergic ionotropic receptor (AChR). UNC-29, along with the UNC-38, UNC-63, LEV-1 and LEV-8 subunits, has traditionally been considered as part of the L-type AChR, sensitive to the anthelmintic drug Levamisole. Drugs, such as levamisole, which act as ionotropic cholinergic receptor agonists, generate rapid depolarization of the muscle cell and worm paralysis. We observed that DII does not generate these well-known effects of nicotinic agonists and does not shift the dose-response levamisole curve either, as a L-AChR antagonist would do. Furthermore, we determined that mutants deficient in the other subunits that form the classic L-AChR are sensitive to DII. Altogether, these results suggest that DII acts through a muscle AChR, which contains the UNC-29 subunit, different from the classic L-AChR. There is sufficient evidence to support the presence of multiple classes of muscle AChRs with different subunit compositions distributed throughout the body of the animal. This supports our hypothesis that de DII molecular target could be a still unidentified AChR. In general, parasite larvae are more resistant to classic anthelmintics like levamisole. Nonetheless, we determined that DII is lethal to larvae and that there is another molecular target other than UNC-29 involved in this mechanism. This has a therapeutic advantage since anthelmintics that act through more than one mode of action provide a more effective therapy and delay the expansion of resistance. We believe that DII constitutes the starting point for the development of a compound with therapeutic potential. The fact that DII has specific nematicidal activity and that acts through a different classic anthelmintic molecular target lays the groundwork for the complete elucidation of its mechanism of action, as well as the evaluation of its effectiveness in parasitic nematodes. In conclusion, in this thesis work we exploited the potentiality of the nematode C. elegans with two very different objectives: 1) in chapter I, we focused on trying to contribute to the understanding of a fundamental biological question, namely how neural circuits produce specific behaviors that respond to the organism metabolic needs?, and 2) in chapter II, with a more applied view, we proposed to identify new molecules with anthelmintic potential that could in the future be considered as possible antiparasitic therapies.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:21:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6279.pdf: 1318446 bytes, checksum: 3ea93c315d61578a7b50605db41ae915 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / Among the sheep parasites, Haemonchus contortus is the most prevalent and pathogenic nematode in tropical areas, causing huge economic losses. Alterations in the gene encoding the membrane P-glycoprotein (PgP) have been associated with multidrug resistance. The goal of this study was to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) on the PgP gene in H. contortus by comparing two isolates with different status of anthelmintic resistance. For this purpose, two ewes were experimentally infected, one with a susceptible H. contortus isolate (McMaster, Australia) and the other with a multidrug-resistant isolate (Embrapa2010, Brazil). Feces from infected animals were submitted to coproculture in order to obtain larvae and, after the slaughter of the ewes, adults H. contortus were collected from abomasum and individually submitted to DNA extraction. For the evaluation of potential molecular markers of geographic isolation, larvae originating from coprocultures of two other Brazilian isolates (Bahia and Pernambuco), with no determined resistance status, were also submitted to DNA extraction. After PCR amplification of DNA extracted from adults H. contortus, a fragment of the PgP gene was sequenced and six SNPs (position described in relation to the sequence of contig 004690 from the Wellcome Trust Sanger Institute) were identified : 508 (A> G in exon), 580 (G> A), 601 (G> C), 800 (G> A), 845 (G> T), and 878 (G> T), the last five in introns. The Fisher's exact test, applying the Bonferroni correction, revealed a significant association (P<0.01) between 508, 580, 601, 845 and 878 SNPs and the state of resistance to anthelmintics. Among these SNPs, 601 and 878 are in linkage disequilibrium and form the CC haplotype associated (P < 0.05) to resistance and the GG haplotype associated to susceptibility. Considering that there is considerable genetic differentiation between different continental areas in H. contortus, the frequencies of the SNPs were compared between the Brazilian isolates and the susceptible Australian one. It was found that the SNPs 580 and 845 may be associated with geographic isolation. We conclude that the 508, 601 and 878 SNPs in the P-glycoprotein gene can be molecular markers for multiple resistance to anthelmintics, and that the 580 and 845 SNPs can be candidate markers of geographical isolation in H. contortus. We developed software for Risk Analysis Development of Parasitic Resistance to Anthelmintics in Sheep (SARA) which will provide information that may guide the rational use of anthelmintics. / Among the sheep parasites, Haemonchus contortus is the most prevalent and pathogenic nematode in tropical areas, causing huge economic losses. Alterations in the gene encoding the membrane P-glycoprotein (PgP) have been associated with multidrug resistance. The goal of this study was to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) on the PgP gene in H. contortus by comparing two isolates with different status of anthelmintic resistance. For this purpose, two ewes were experimentally infected, one with a susceptible H. contortus isolate (McMaster, Australia) and the other with a multidrug-resistant isolate (Embrapa2010, Brazil). Feces from infected animals were submitted to coproculture in order to obtain larvae and, after the slaughter of the ewes, adults H. contortus were collected from abomasum and individually submitted to DNA extraction. For the evaluation of potential molecular markers of geographic isolation, larvae originating from coprocultures of two other Brazilian isolates (Bahia and Pernambuco), with no determined resistance status, were also submitted to DNA extraction. After PCR amplification of DNA extracted from adults H. contortus, a fragment of the PgP gene was sequenced and six SNPs (position described in relation to the sequence of contig 004690 from the Wellcome Trust Sanger Institute) were identified : 508 (A> G in exon), 580 (G> A), 601 (G> C), 800 (G> A), 845 (G> T), and 878 (G> T), the last five in introns. The Fisher's exact test, applying the Bonferroni correction, revealed a significant association (P<0.01) between 508, 580, 601, 845 and 878 SNPs and the state of resistance to anthelmintics. Among these SNPs, 601 and 878 are in linkage disequilibrium and form the CC haplotype associated (P < 0.05) to resistance and the GG haplotype associated to susceptibility. Considering that there is considerable genetic differentiation between different continental areas in H. contortus, the frequencies of the SNPs were compared between the Brazilian isolates and the susceptible Australian one. It was found that the SNPs 580 and 845 may be associated with geographic isolation. We conclude that the 508, 601 and 878 SNPs in the P-glycoprotein gene can be molecular markers for multiple resistance to anthelmintics, and that the 580 and 845 SNPs can be candidate markers of geographical isolation in H. contortus. We developed software for Risk Analysis Development of Parasitic Resistance to Anthelmintics in Sheep (SARA) which will provide information that may guide the rational use of anthelmintics. / Entre os parasitas de ovinos, Haemonchus contortus é o nematoide mais prevalente e patogênico em áreas tropicais, causando grandes perdas econômicas. As alterações no gene que codifica a glicoproteína-P de membrana (PgP) foram associadas com a resistência a múltiplas drogas. Assim, o objetivo deste estudo foi identificar polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) no gene PgP em H. contortus por comparação de dois isolados com diferentes status de resistência a anti-helmínticos. Para esse fim, uma ovelha foi infectada experimentalmente com o isolado suscetível (McMaster, Austrália) e outra ovelha com o isolado multirresistente (Embrapa2010, Brasil) de H. contortus. Fezes dos animais infectados foram submetidas à coprocultura para a obtenção de larvas e, após o abate das ovelhas, H. contortus adultos foram colhidos do abomaso e individualmente submetidos à extração de DNA. Para a avaliação de possíveis marcadores moleculares de isolamento geográfico, larvas oriundas de coprocultura de dois outros isolados brasileiros (Bahia e Pernambuco), com status de resistência não determinado, também foram submetidas à extração de DNA. Após amplificação por PCR do DNA extraído de H. contortus adultos, um fragmento do gene PgP foi sequenciado e foram identificados seis SNPs (posição descrita em relação à sequência do contig 004690 do Wellcome Trust Sanger Institute): 508 (A>G, em éxon), 580 (G>A), 601 (G>C), 800 (G>A), 845 (G>T) e 878 (G>T), os cinco últimos em íntrons. O teste exato de Fisher, por meio da correção de Bonferroni, revelou associação significativa (P<0,01) entre os SNPs 508, 580, 601, 845 e 878 e o estado de resistência a anti-helmínticos. Desses SNPs, o 601 e o 878 estão em desequilíbrio de ligação e formam os haplótipos CC, que está associado (P<0,05) à resistência, e GG, à suscetibilidade. Levando em consideração que em H. contortus há considerável diferenciação genética entre áreas continentais distintas, as frequências dos SNPs foram comparadas entre os isolados brasileiros e o isolado suscetível australiano e foi verificado que os SNPs 580 e 845 podem estar associados ao isolamento geográfico. Conclui-se que os SNPs 508, 601 e 878 no gene de glicoproteína-P podem ser marcadores moleculares para a resistência múltipla a anti-helmínticos, e os SNPs 580 e 845 candidatos a marcadores de isolamento geográfico em H. contortus. Nós desenvolvemos um software para Análise de Risco de Desenvolvimento de Resistência Parasitária a Anti- Helmínticos em Ovinos (SARA) que fornecerá informações que poderão orientar a utilização racional de anti-helmínticos. / Entre os parasitas de ovinos, Haemonchus contortus é o nematoide mais prevalente e patogênico em áreas tropicais, causando grandes perdas econômicas. As alterações no gene que codifica a glicoproteína-P de membrana (PgP) foram associadas com a resistência a múltiplas drogas. Assim, o objetivo deste estudo foi identificar polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) no gene PgP em H. contortus por comparação de dois isolados com diferentes status de resistência a anti-helmínticos. Para esse fim, uma ovelha foi infectada experimentalmente com o isolado suscetível (McMaster, Austrália) e outra ovelha com o isolado multirresistente (Embrapa2010, Brasil) de H. contortus. Fezes dos animais infectados foram submetidas à coprocultura para a obtenção de larvas e, após o abate das ovelhas, H. contortus adultos foram colhidos do abomaso e individualmente submetidos à extração de DNA. Para a avaliação de possíveis marcadores moleculares de isolamento geográfico, larvas oriundas de coprocultura de dois outros isolados brasileiros (Bahia e Pernambuco), com status de resistência não determinado, também foram submetidas à extração de DNA. Após amplificação por PCR do DNA extraído de H. contortus adultos, um fragmento do gene PgP foi sequenciado e foram identificados seis SNPs (posição descrita em relação à sequência do contig 004690 do Wellcome Trust Sanger Institute): 508 (A>G, em éxon), 580 (G>A), 601 (G>C), 800 (G>A), 845 (G>T) e 878 (G>T), os cinco últimos em íntrons. O teste exato de Fisher, por meio da correção de Bonferroni, revelou associação significativa (P<0,01) entre os SNPs 508, 580, 601, 845 e 878 e o estado de resistência a anti-helmínticos. Desses SNPs, o 601 e o 878 estão em desequilíbrio de ligação e formam os haplótipos CC, que está associado (P<0,05) à resistência, e GG, à suscetibilidade. Levando em consideração que em H. contortus há considerável diferenciação genética entre áreas continentais distintas, as frequências dos SNPs foram comparadas entre os isolados brasileiros e o isolado suscetível australiano e foi verificado que os SNPs 580 e 845 podem estar associados ao isolamento geográfico. Conclui-se que os SNPs 508, 601 e 878 no gene de glicoproteína-P podem ser marcadores moleculares para a resistência múltipla a anti-helmínticos, e os SNPs 580 e 845 candidatos a marcadores de isolamento geográfico em H. contortus. Nós desenvolvemos um software para Análise de Risco de Desenvolvimento de Resistência Parasitária a Anti- Helmínticos em Ovinos (SARA) que fornecerá informações que poderão orientar a utilização racional de anti-helmínticos.

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Embora o parasitismo intestinal seja amplamente reconhecido como relevante no contexto epidemiológico de diversas comunidades, os estudos sobre o assunto são ainda insuficientes, principalmente no Brasil. Em vista da dificuldade de diagnóstico específico das parasitoses, muitas vezes são realizados tratamentos empíricos com mais de uma droga. O objetivo principal do presente estudo foi avaliar a efetividade e segurança do uso de nitazoxanida no tratamento de poliparasitoses comparado à terapêutica tradicional ofertada pelo serviço público. Além deste objetivo, foi possível investigar a prevalência e os fatores associados às parasitoses intestinais na população de Colônia do Paiol, uma comunidade quilombola, na Zona da Mata, Minas Gerais. Na comunidade analisada, procedeuse um estudo transversal por censo, sendo que dos 425 moradores, 391 (92%) foram avaliados através de questionário estruturado e exame coproparasitológico. Os resultados mostraram uma alta positividade (63,8%), sendo as espécies patogênicas mais freqüentes Ascaris lumbricoides (22,4%) e Trichuris trichiura (17,9%). O poliparasitismo ocorreu em 36,5% dos investigados. O ensaio clínico, controlado, duplo cego, randomizado avaliou 65 indivíduos em dois grupos de tratamento. A taxa de cura foi de 32,4% e 38,7% com a nitazoxanida e com o tratamento convencional, respectivamente, mas esta diferença não foi estatisticamente significativa (p=0,599). A ocorrência de vômito (p= 0,031) esteve associada ao tratamento convencional e de urina esverdeada ao uso de nitazoxanida (p=0,002). Os outros efeitos adversos foram independentes da droga. Houve diferença estatisticamente significativa em relação à cor da pele e a taxa de cura para ambos os tratamentos. A menor eficácia efetividade foi apresentada pelos indivíduos de cor preta. São necessários outros estudos para esclarecer a baixa efetividade nos casos de poliparasitismo, assim como, reavaliar as práticas preventivas e terapêuticas, com o uso de novas drogas e de agentes de largo espectro, podendo a nitazoxanida ser uma droga alternativa neste contexto. Agrega-se às novas possibilidades terapêuticas, a necessidade de políticas públicas que garantam qualidade de vida, através de saneamento básico, educação para saúde e acesso ao sistema público de saúde, minimizando as iniqüidades na sociedade. / Intestinal parasitism is an important public health concern, chiefly in underdeveloped or developing countries. Although widely recognized as a relevant community epidemiological issue, intestinal parasitism has not been sufficiently studied in Brazil. Because specific diagnosis is difficult and generally cumbersome, empiric treatment, sometimes with more than one drug, is frequently employed. The main aim of this study was the assessment of the effectiveness and safety of nitazoxanide for the treatment of intestinal polyparasitism, as compared to traditional therapy provided by the public service. The study also investigated the prevalence of and factors associated with intestinal parasitism in the population of Colônia do Paiol, a quilombola community from the Zona da Mata, Minas Gerais, Brazil. A census-based cross-sectional study used a structured questionnaire and stool examination to assess 391 people (92%) of the 425 inhabitants of the community. The frequency of intestinal parasitism was as high as 63.8%, with predominance of Ascaris lumbricoides (22.4%) and Trichuris trichiura (17.9%). Polyparasitism occurred in 36.5% of those investigated. A double-blind randomized controlled trial assessed 65 individuals in two treatment groups. Cure rates were 32.4% and 38.7% with nitazoxanide and conventional treatment, respectively, but the difference was not statistically significant (p = 0.599). Vomiting (p = 0.031) was associated with conventional treatment and greenish urine with nitazoxanide use (p = 0.002). Other untoward effects were independent of which drug was used. There was a statistically significant difference concerning skin color and cure rates for both treatments. Dark-skinned subjects had lower cure rates. Further studies are necessary to clarify the reasons for the low effectiveness found in these cases of polyparasitism, and to reevaluate preventive and therapeutic approaches with new and broad-spectrum drugs, nitazoxanide being an option in this context. In addition to new therapeutic approaches, there is a clear need to develop public policies that, through the provision of basic sanitation, health education and access to the public health system, assure quality of life and minimize inequity.