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In this study different molecular techniques are contrasted (RAPD's, allozyme, sequencing mtDNA, sequencing ribosomal spacers) and appropriate analytical methods (allelic and infinite-sites approaches; inbreeding and coalescent models) used for estimating population genetic parameters in parasites. A range of population genetic questions at different scales were chosen to emphasise the importance of tailoring techniques and analytical methods to the particular question being investigated. The realisation that each question formulated has a particular scale means the appropriate technique and markers must be useful at that scale to attempt to answer the question. The useful scale of a technique depends several factors including the region of DNA examined, the density of sampling of the technique, and the mode of evolution of the markers. Each technique will produce a useful range of variability. Below the lower limit there is no variation, above the upper limit the variation is too high to produce useful comparisons. Parasites are of interest for many reasons, primarily because they can cause disease and thus impact on their host's population dynamics. They are often closely associated with their hosts and may undergo co-evolution, as well as causing an ongoing immunological "arms race" with their hosts. The parasitic mode of live is found throughout nearly all taxonomic groupings and thus classical models of population genetics based on sexual, diploid vertebrates do not fit well with the entire diversity of parasite groups. Genetic diversity within and among populations of Echinococcus granulosus was examined contrasting a RAPD dataset with an allozyme dataset. Two models of variation in Echinococcus have been proposed, those of Smyth and Rausch, and the expected genetic structure from each was compared to the observed genetic structure. The premise of Smyth’s model, predominant self-fertilisation, was supported, but the resultant pattern of genetic variation followed Rausch’s model. RAPD data, being dominant, present challenges to analysis. An approach to overcome this dominance problem and allow standard allelic frequency analysis is described using the selfing rate estimated from allozyme data. The RAPD data were also analysed using both band-sharing and nucleotide diversity approaches. A population genetic study of Ostertagia ostertagi in the USA was extended to two different scales: within an Australian state and between the USA and Australian continents. Three alternative explanations for the observed discrepancy between genetic structure and differentiation in an important biological trait, hypobiosis, were explored. A number of programs and analyses were compared including coalescent geneflow estimates. Variation among multiple copies of two spacer regions of rDNA was examined within individuals of Ostertagia ostertagi. Both the intergenic spacer and internal transcribed spacer 1 regions were found to include repeat regions, with different numbers of repeats creating length differences in clones from the same worm. Multi-copy genes present extra challenges in analysis to ensure that only homologous copies are being compared. Many studies fail to look for variation within populations or within individuals. The two major conclusions from these examples are that: 1). The study of variation necessarily involves an implicit scale, and markers must be chosen that are appropriate to the question being explored. 2). Using several methods of analysis of genetic data allows contrasts to be made, and if different methods produce similar results gives much more confidence in the conclusions drawn. Incongruence in results leads to new questions and reexamination of the assumptions of each analysis.

Submitted by Alessandra Portugal (alessandradf@ioc.fiocruz.br) on 2013-09-17T12:00:44Z No. of bitstreams: 1 TESE-ELSR.pdf: 8566121 bytes, checksum: 9b14e91fc47ab442c01443be29b2de9e (MD5) / Made available in DSpace on 2013-09-17T12:00:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TESE-ELSR.pdf: 8566121 bytes, checksum: 9b14e91fc47ab442c01443be29b2de9e (MD5) Previous issue date: 2011-09-29 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil / Echinococcus granulosus, o menor cestóide, é distribuído por todo o mundo. Este parasito, sob a forma de larva, é responsável pela equinococose cística (EC) ou hidatidose, uma das zoonoses de maior importância médica e veterinária que ocasiona grandes perdas econômicas nas regiões pecuárias e agrícolas. E. granulosus é caracterizado por apresentar uma alta variabilidade intra-específica que é associada com hospedeiros intermediários diferentes. Dez variantes intra-específicas ou genótipos distintos (G1-G10) foram definidos com base na diversidade genética. A identificação de variantes ou genótipos circulantes em diferentes hospedeiros das regiões endêmicas da EC é epidemiologicamente importante, porque diferentes características biológicas entre as variantes individuais podem influenciar no padrão de ciclo de vida, especificidade do hospedeiro, o tempo de desenvolvimento, antigenicidade, dinâmica de transmissão, sensibilidade a agentes quimioterápicos e patogênese, com implicações importantes para a epidemiologia, diagnóstico, tratamento e controle de endemia. A região andina do Peru, que inclui as áreas de Puno, Junín, Arequipa, Cusco, Huanacavelica e Ayacucho, tem uma alta prevalência de EC. Para determinar as variantes ou genótipos de E. granulosus circulantes em hospedeiros intermediários das regiões endêmicas do Peru, foram coletadas amostras de cistos hidáticos de bovinos (44), ovinos (41) e humanos (14). Cistos hidáticos de alpaca (4) de Puno e porcos (8) de Ayacucho também foram incluídos neste estudo. DNA de todos os isolados (protoscólices e/ou camadas germinativas) de E. granulosus foram extraídos e usados para amplificar duas regiões de genes mitocondriais que codificam o citocromo C oxidase subunidade 1 (CO1) e NADH desidrogenase subunidade 1 (ND1). Produtos de PCR CO1 (450bp) e ND1 (550bp e 800bp) foram sequenciados e as sequências comparadas com as referências para E. granulosus encontrados na base de dados do GenBank. Análises filogenéticas também foram desenvolvidas. Sequências parciais do gene CO1 (375bp) e ND1 (483bp e 747bp) mostraram que todos os isolados de bovinos, ovinos, alpaca e 4/8 isolados de porcos correspondem ao genótipo G1 (linhagem da ovelha comum). Três isolados de ovelhas de Ayacucho mostraram polimorfismo de apenas um nucleotídeo indicando a presença de uma microvariante do genótipo G1 de E. granulosus, a G14. Quatro de oito sequências isoladas de porco de Ayacucho mostraram identidade com o genótipo G7 (linhagem suína) de E. granulosus. As análises filogenéticas das sequências dos genes CO1 e ND1 mostraram árvores semelhantes para ambos os genes, onde há um grupo albergando a maioria das sequências com o genótipo G1 e outro de quatro sequências isoladas de porco com o genótipo G7. Além disso, um grupo particular de três sequências isoladas de ovelhas provenientes de Ayacucho é agrupado com a microvariante G14. Os resultados obtidos neste estudo mostram a predominância do genótipo G1, em bovinos, ovinos, alpacas, porcos e seres humanos nas regiões endêmicas do Peru. A microvariante G14 foi identificada pela primeira vez na América do Sul. Dois genótipos G1 e G7 podem infectar porcos de Ayacucho. Os dados mostrados devem ser considerados para que as medidas de prevenção e controle da EC sejam verdadeiramente eficazes nessas regiões. / Echinococcus granulosus is a small cestode distributed worldwide and its larval stage is responsible for cystic echinococcosis (CE) or hydatidosis, a zoonosis of great medical and veterinary importance due to considerable economic losses of livestock in agricultural regions. E. granulosus is characterized by a high intraspecific variability that is associated with different intermediate hosts. Ten distinct genetic variants (G1-G10) have been defined based on molecular analysis. The identification of the genotypes circulating in different hosts from endemic regions of CE is epidemiologically important since each individual variant has different biological characteristics that can influence the life cycle pattern, host specificity, development rate, antigenicity, transmission dynamics, sensitivity to chemotherapeutic agents and pathology. These characteristics have important implications for the diagnosis, treatment and control of CE in endemic regions. The Andean region of Peru, which includes the areas of Puno, Junín, Arequipa, Cusco, Huanacavelica and Ayacucho, has a high prevalence of CE. To determine the genotypes of the E. granulosus circulating through intermediate hosts within these endemic regions of Peru, samples of hydatid cysts were collected from cattle (44), sheep (41) and humans (14). Hydatid cyst of alpaca (4) from Puno and pigs (8) from Ayacucho also were included in this study. DNA was extracted from the protoscolex and/or germinal layers in all of the isolates and used as a template to amplify regions of two mitochondrial genes that encode cytochrome C oxidase subunit 1 (CO1) and NADH dehydrogenase subunit 1 (ND1). PCR products of CO1 (450bp) and ND1 (550bp and 800bp) were sequenced and the sequences compared with the reference sequences of E. granulosus deposited in the GenBank data base. Phylogenetic analysis were also developed. Partial sequences of the CO1 gene (375bp) and ND1 gene (483 bp and 747 bp) showed that all isolates from cattle, sheep, alpaca and 4/8 isolated from pigs correspond to the G1 genotype (common sheep strain). Three isolates of sheep from Ayacucho showed a single nucleotide polymorphism indicating the presence of a microvariant of the G1 genotype of E. granulosus, the G14. Four of eight sequences of pig isolates from Ayacucho showed identity with the G7 genotype (pig strain) of E. granulosus. Phylogenetic analysis of the sequences of the genes CO1 and ND1 showed trees similar for both genes, where there is a grouping of most of the sequences with the G1 genotype and the other four sequences isolated from pigs with genotype G7. In addition, a particular group of sequences isolated from three sheep from Ayacucho is grouped with the G14 microvariante. The results obtained in this study show a predominance for the G1 genotype in cattle, sheep, alpacas, pigs and humans within endemic regions of Peru, the first identification of the microvariante G14 in South America and demonstrate that the genotypes G1 and G7 can infect pigs. The data shown should be considered for the development and implementation of effective programs in endemic regions of Peru for the control and prevention of EC.

Echinococcus granulosus é um parasito cestódeo e o agente etiológico da hidatidose cística. O desenvolvimento dos vermes adultos a partir dos protoscoleces é, provavelmente, desencadeada por diferentes estímulos que são impostos pelos hospedeiros, os quais provocam mudanças moleculares e morfológicas no parasito. No entanto, os mecanismos responsáveis por essas variações não estão totalmente esclarecidos. Para encontrar genes e proteínas possivelmente envolvidos com as alterações fenotípicas observadas durante o desenvolvimento estrobilar de E. granulosus, relatamos aqui o perfil transcritômico e a detecção de proteínas recémsintetizadas após a indução in vitro de protoescólices ao desenvolvimento estrobilar. Os protoescólices foram tratados com pepsina e mantidos em meio bifásico contendo taurocolato para induzir ao desenvolvimento estrobilar. Azidohomoalanina, aminoácido análogo de metionina, foi adicionado para a incorporação metabólica nas proteínas recém-sintetizadas, que foram visualizadas por microscopia confocal e identificadas por espectrometria de massas Paralelamente, o RNA total foi isolado utilizando o reagente TRIzol e as bibliotecas geradas foram sequenciadas na plataforma Illumina MiSeq. Nós identificamos 23 proteínas detectadas exclusivamente na presença de estímulos para o desenvolvimento estrobilar (SSD) e 28 na ausência desses estímulos (NSD). Também encontramos 75 proteínas diferencialmente expressas entre as duas condições (34 em SSD e 41 em NSD). Na análise dos dados de RNAseq, 818 genes foram identificados como diferencialmente expressos pelo software GFOLD. De forma geral, genes e proteínas com funções moleculares de transdução de sinal, metabolismo e modificações de proteínas foram observadas com a progressão do desenvolvimento estrobilar. Assim, este estudo fornece informações sobre genes e proteínas que podem ter um papel chave para o desenvolvimento do parasito, além de serem alvo de estudos futuros. / Echinococcus granulosus is a cestode parasite and the etiological agent of the cystic hydatid disease. The development of the adult worms from protoscoleces is probably triggered by different stimuli imposed by the hosts, which lead to molecular and morphological changes. However, the mechanisms underlying these variations remain largely unclear. In order to find genes and proteins possibly involved with the phenotypic changes during the strobilar development, we reported here the transcriptomic profile and the detection of newly synthesized proteins after protoscoleces in vitro induction to strobilar development. Protoscoleces were treated with pepsin and maintained in biphasic medium containing taurocholate to induce the strobilar development. The methionine analogue azidohomoalanine was added for metabolic incorporation in the newly synthesized proteins that were visualized by confocal microscopy and identified by mass spectrometry.In parallel, total RNA from parasite material was isolated using TRIzol reagent and the generated libraries were sequenced on Illumina MiSeq platform. We identified 23 proteins present only after stimuli for strobilar development (SSD) and 28 in absence of these stimuli (NSD). We also found 75 differentially expressed proteins (34 SSD and 41 NSD). In the RNA-seq analysis, 818 differentially expressed genes were identified by the GFOLD software. Gene transcripts and proteins with molecular functions of signal transduction, metabolism and protein modifications were observed with progression of development. This study provides insights on searching for the key genes and proteins that may be important for the correct parasite development and be target for further studies.

Echinococcus granulosus é um parasito cestódeo e o agente etiológico da hidatidose cística. O desenvolvimento dos vermes adultos a partir dos protoscoleces é, provavelmente, desencadeada por diferentes estímulos que são impostos pelos hospedeiros, os quais provocam mudanças moleculares e morfológicas no parasito. No entanto, os mecanismos responsáveis por essas variações não estão totalmente esclarecidos. Para encontrar genes e proteínas possivelmente envolvidos com as alterações fenotípicas observadas durante o desenvolvimento estrobilar de E. granulosus, relatamos aqui o perfil transcritômico e a detecção de proteínas recémsintetizadas após a indução in vitro de protoescólices ao desenvolvimento estrobilar. Os protoescólices foram tratados com pepsina e mantidos em meio bifásico contendo taurocolato para induzir ao desenvolvimento estrobilar. Azidohomoalanina, aminoácido análogo de metionina, foi adicionado para a incorporação metabólica nas proteínas recém-sintetizadas, que foram visualizadas por microscopia confocal e identificadas por espectrometria de massas Paralelamente, o RNA total foi isolado utilizando o reagente TRIzol e as bibliotecas geradas foram sequenciadas na plataforma Illumina MiSeq. Nós identificamos 23 proteínas detectadas exclusivamente na presença de estímulos para o desenvolvimento estrobilar (SSD) e 28 na ausência desses estímulos (NSD). Também encontramos 75 proteínas diferencialmente expressas entre as duas condições (34 em SSD e 41 em NSD). Na análise dos dados de RNAseq, 818 genes foram identificados como diferencialmente expressos pelo software GFOLD. De forma geral, genes e proteínas com funções moleculares de transdução de sinal, metabolismo e modificações de proteínas foram observadas com a progressão do desenvolvimento estrobilar. Assim, este estudo fornece informações sobre genes e proteínas que podem ter um papel chave para o desenvolvimento do parasito, além de serem alvo de estudos futuros. / Echinococcus granulosus is a cestode parasite and the etiological agent of the cystic hydatid disease. The development of the adult worms from protoscoleces is probably triggered by different stimuli imposed by the hosts, which lead to molecular and morphological changes. However, the mechanisms underlying these variations remain largely unclear. In order to find genes and proteins possibly involved with the phenotypic changes during the strobilar development, we reported here the transcriptomic profile and the detection of newly synthesized proteins after protoscoleces in vitro induction to strobilar development. Protoscoleces were treated with pepsin and maintained in biphasic medium containing taurocholate to induce the strobilar development. The methionine analogue azidohomoalanine was added for metabolic incorporation in the newly synthesized proteins that were visualized by confocal microscopy and identified by mass spectrometry.In parallel, total RNA from parasite material was isolated using TRIzol reagent and the generated libraries were sequenced on Illumina MiSeq platform. We identified 23 proteins present only after stimuli for strobilar development (SSD) and 28 in absence of these stimuli (NSD). We also found 75 differentially expressed proteins (34 SSD and 41 NSD). In the RNA-seq analysis, 818 differentially expressed genes were identified by the GFOLD software. Gene transcripts and proteins with molecular functions of signal transduction, metabolism and protein modifications were observed with progression of development. This study provides insights on searching for the key genes and proteins that may be important for the correct parasite development and be target for further studies.

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / La equinococosis, en una enfermedad zoonótica que se presenta en la mayoría de los continentes, desarrollándose especialmente en países con producción ganadera. Las características del ciclo vital de E. granulosus predispone a que el ser humano se vea afectado por éste desarrollando uno o varios quistes hidatídicos, pudiendo llevarlo incluso a la muerte. En la Región Metropolitana, la comuna de Melipilla se encuentra en segundo lugar en cuanto a la tasa de egresos hospitalarios de hidatidosis comprendida entre los años 2001 y 2008. El objetivo de este estudio fue determinar la prevalencia de equinococosis en perros pertenecientes a predios asesorados por el Programa de Desarrollo Local (PRODESAL) en el área rural del sector sur de la comuna de Melipilla, Región Metropolitana, Chile, en el año 2012. Se utilizaron muestras de heces frescas de perros pertenecientes a 64 usuarios con producción ganadera asesorados por PRODESAL distribuidos en 7 localidades de la comuna de Melipilla. Las muestras fueron procesadas por la técnica de reacción de polimerasa en cadena (PCR) en el laboratorio clínico “CAMPVS” ubicado en Santiago. De 234 perros muestreados, 17 de ellos (7,2%) resultaron positivos a la presencia de E. granulosus, por lo contrario en 217 perros (92,8%) no se identificó la presencia de dicho parásito. Además, de un total de 7 localidades muestreadas, en 4 de ellas se identificó presencia de E. granulosus en perros. También, se comprobó que no existe relación entre la presencia del parásito y el sexo (p>0,05) ni edad (p>0,05). Es importante contar con esta información para poder establecer programas de prevención y control de esta parasitosis en la población canina de la comuna de Melipilla y así, disminuir el número de animales y personas afectadas por ella

Echinococcus granulosus é um parasito cestódeo e o agente etiológico da hidatidose cística. O desenvolvimento dos vermes adultos a partir dos protoscoleces é, provavelmente, desencadeada por diferentes estímulos que são impostos pelos hospedeiros, os quais provocam mudanças moleculares e morfológicas no parasito. No entanto, os mecanismos responsáveis por essas variações não estão totalmente esclarecidos. Para encontrar genes e proteínas possivelmente envolvidos com as alterações fenotípicas observadas durante o desenvolvimento estrobilar de E. granulosus, relatamos aqui o perfil transcritômico e a detecção de proteínas recémsintetizadas após a indução in vitro de protoescólices ao desenvolvimento estrobilar. Os protoescólices foram tratados com pepsina e mantidos em meio bifásico contendo taurocolato para induzir ao desenvolvimento estrobilar. Azidohomoalanina, aminoácido análogo de metionina, foi adicionado para a incorporação metabólica nas proteínas recém-sintetizadas, que foram visualizadas por microscopia confocal e identificadas por espectrometria de massas Paralelamente, o RNA total foi isolado utilizando o reagente TRIzol e as bibliotecas geradas foram sequenciadas na plataforma Illumina MiSeq. Nós identificamos 23 proteínas detectadas exclusivamente na presença de estímulos para o desenvolvimento estrobilar (SSD) e 28 na ausência desses estímulos (NSD). Também encontramos 75 proteínas diferencialmente expressas entre as duas condições (34 em SSD e 41 em NSD). Na análise dos dados de RNAseq, 818 genes foram identificados como diferencialmente expressos pelo software GFOLD. De forma geral, genes e proteínas com funções moleculares de transdução de sinal, metabolismo e modificações de proteínas foram observadas com a progressão do desenvolvimento estrobilar. Assim, este estudo fornece informações sobre genes e proteínas que podem ter um papel chave para o desenvolvimento do parasito, além de serem alvo de estudos futuros. / Echinococcus granulosus is a cestode parasite and the etiological agent of the cystic hydatid disease. The development of the adult worms from protoscoleces is probably triggered by different stimuli imposed by the hosts, which lead to molecular and morphological changes. However, the mechanisms underlying these variations remain largely unclear. In order to find genes and proteins possibly involved with the phenotypic changes during the strobilar development, we reported here the transcriptomic profile and the detection of newly synthesized proteins after protoscoleces in vitro induction to strobilar development. Protoscoleces were treated with pepsin and maintained in biphasic medium containing taurocholate to induce the strobilar development. The methionine analogue azidohomoalanine was added for metabolic incorporation in the newly synthesized proteins that were visualized by confocal microscopy and identified by mass spectrometry.In parallel, total RNA from parasite material was isolated using TRIzol reagent and the generated libraries were sequenced on Illumina MiSeq platform. We identified 23 proteins present only after stimuli for strobilar development (SSD) and 28 in absence of these stimuli (NSD). We also found 75 differentially expressed proteins (34 SSD and 41 NSD). In the RNA-seq analysis, 818 differentially expressed genes were identified by the GFOLD software. Gene transcripts and proteins with molecular functions of signal transduction, metabolism and protein modifications were observed with progression of development. This study provides insights on searching for the key genes and proteins that may be important for the correct parasite development and be target for further studies.

A biologia molecular e celular tem acumulado um elevado número de fatos experimentais, como seqüências genômicas e propriedades de proteínas. Entretanto, isso não é suficiente para a compreensão dos sistemas biológicos e nem para explicar as intrincadas interações dinâmicas entre a expressão gênica e o desenvolvimento anatômico. É preciso fazer uso de métodos e ferramentas que permitam caracterizar e analisar a complexidade das interações entre o genótipo e o fenótipo, de forma a confrontar as alterações na anatomia com os padrões espaço-temporais da expressão gênica. Neste contexto, o presente trabalho propõe métodos computacionais que, a partir de imagens contendo informações anatômicas e/ou de expressão gênica, em duas e três dimensões, identificam diferentes propriedades geométricas de amostras biológicas, com a finalidade de caracterizar e analisar a relação entre anatomia e expressão gênica. O desenvolvimento desses métodos inclui o uso intensivo de técnicas de processamento de imagens e visualização computacional. Em particular, quatro propriedades geométricas são descritas: o gradiente, a simetria, a distância e a organização espacial. Para ilustrar o potencial dos métodos propostos, são usadas diversas espécies e são analisadas diferentes questões biológicas, aqui listadas: caracterização morfológica e da expressão gênica durante a cardiogênese em embriões de Zebrafish (Danio rerio); caracterização morfológica do desenvolvimento do parasita Echinococcus granulosus; e análise dos danos morfológicos em retinas de traíras (Hoplias malabaricus) causados por intoxicação mercurial. Os resultados obtidos nessas análises permitiram descrever e inferir importantes propriedades do desenvolvimento, da morfologia e dos padrões de expressão gênica desses sistemas biológicos. Com isso, é mostrado que o uso de métodos computacionais capazes de identificar e analisar, a partir de imagens, padrões espaciais de expressão gênica e sua relação com o desenvolvimento morfológico, está se tornando cada vez mais importante para o estudo do desenvolvimento, por fornecerem informações valiosas a respeito da função biológica e das interações entre os genes. / The areas of cell and molecular biology have accumulated a large number of experimental facts, such as genomic sequences and protein structure. However, this is not sufficient to the understanding of biological systems, even to explain the intricate dynamical interactions between gene expression and anatomical development. In order to characterize and analyze the complexity of the interactions between the genotypes and phenotypes, it is necessary to make use of methods and tools that allow the confrontation between spatio-temporal gene expression and changes in developing anatomy. In this context, the present work proposes a set of computational methods that, based on images containing anatomical and/or gene expression information in two and three dimensions, allow the identification of different geometrical properties in biological samples, so as to characterize and analyze the relationship between anatomy and gene expression. The development of these methods includes intensive use of techniques from image processing and computer visualization. In particular, four geometrical properties are described here: gradient, symmetry, distance and spatial organization. The potential of the proposed methods is illustrated in the analysis of various problems, involving different biological issues and species, including: gene expression and morphological characterization of the heart development in Zebrafish (Danio rerio); morphological characterization of the development of the parasite Echinococcus granulosus; and the analysis of the morphological damage in the retina of the fish Hoplias malabaricus caused by mercurial intoxication. The results obtained in these analyses allowed to infer and describe important proprieties with respect to development, morphology and gene expression patterns of these biological systems. Overall, it is shown that the use of computational methods to identify and analyze, from 2D and 3D images, the spatial patterns of gene expression and its relationship with the morphological development, is becoming an increasingly important tool for the study of the development, providing valuable information about the biological function and interactions among genes.

A biologia molecular e celular tem acumulado um elevado número de fatos experimentais, como seqüências genômicas e propriedades de proteínas. Entretanto, isso não é suficiente para a compreensão dos sistemas biológicos e nem para explicar as intrincadas interações dinâmicas entre a expressão gênica e o desenvolvimento anatômico. É preciso fazer uso de métodos e ferramentas que permitam caracterizar e analisar a complexidade das interações entre o genótipo e o fenótipo, de forma a confrontar as alterações na anatomia com os padrões espaço-temporais da expressão gênica. Neste contexto, o presente trabalho propõe métodos computacionais que, a partir de imagens contendo informações anatômicas e/ou de expressão gênica, em duas e três dimensões, identificam diferentes propriedades geométricas de amostras biológicas, com a finalidade de caracterizar e analisar a relação entre anatomia e expressão gênica. O desenvolvimento desses métodos inclui o uso intensivo de técnicas de processamento de imagens e visualização computacional. Em particular, quatro propriedades geométricas são descritas: o gradiente, a simetria, a distância e a organização espacial. Para ilustrar o potencial dos métodos propostos, são usadas diversas espécies e são analisadas diferentes questões biológicas, aqui listadas: caracterização morfológica e da expressão gênica durante a cardiogênese em embriões de Zebrafish (Danio rerio); caracterização morfológica do desenvolvimento do parasita Echinococcus granulosus; e análise dos danos morfológicos em retinas de traíras (Hoplias malabaricus) causados por intoxicação mercurial. Os resultados obtidos nessas análises permitiram descrever e inferir importantes propriedades do desenvolvimento, da morfologia e dos padrões de expressão gênica desses sistemas biológicos. Com isso, é mostrado que o uso de métodos computacionais capazes de identificar e analisar, a partir de imagens, padrões espaciais de expressão gênica e sua relação com o desenvolvimento morfológico, está se tornando cada vez mais importante para o estudo do desenvolvimento, por fornecerem informações valiosas a respeito da função biológica e das interações entre os genes. / The areas of cell and molecular biology have accumulated a large number of experimental facts, such as genomic sequences and protein structure. However, this is not sufficient to the understanding of biological systems, even to explain the intricate dynamical interactions between gene expression and anatomical development. In order to characterize and analyze the complexity of the interactions between the genotypes and phenotypes, it is necessary to make use of methods and tools that allow the confrontation between spatio-temporal gene expression and changes in developing anatomy. In this context, the present work proposes a set of computational methods that, based on images containing anatomical and/or gene expression information in two and three dimensions, allow the identification of different geometrical properties in biological samples, so as to characterize and analyze the relationship between anatomy and gene expression. The development of these methods includes intensive use of techniques from image processing and computer visualization. In particular, four geometrical properties are described here: gradient, symmetry, distance and spatial organization. The potential of the proposed methods is illustrated in the analysis of various problems, involving different biological issues and species, including: gene expression and morphological characterization of the heart development in Zebrafish (Danio rerio); morphological characterization of the development of the parasite Echinococcus granulosus; and the analysis of the morphological damage in the retina of the fish Hoplias malabaricus caused by mercurial intoxication. The results obtained in these analyses allowed to infer and describe important proprieties with respect to development, morphology and gene expression patterns of these biological systems. Overall, it is shown that the use of computational methods to identify and analyze, from 2D and 3D images, the spatial patterns of gene expression and its relationship with the morphological development, is becoming an increasingly important tool for the study of the development, providing valuable information about the biological function and interactions among genes.

Einführung Die Prävalenz der alveolären (AE) und zystischen Echinokokkose (CE) in Deutschland nimmt zu, aber die Gesamtzahl der Fälle in den nördlichen und östlichen Bundesländern ist noch immer gering. Betroffene Patienten werden überwiegend in wenigen spezialisierten Zentren in Süddeutschland behandelt, sodass in anderen Regionen Deutschlands bislang nur relativ wenig klinische Erfahrung mit AE und CE vorhanden ist. Ziele Ziel unserer Studie war es, das derzeitige Management von Patienten mit Verdacht auf oder bestätigter Echinokokkose an einem Zentrum der tertiären Versorgungsstufe in einer Niedrigprävalenzregion zu bewerten, um eine Verbesserung des Vorgehens bei Verdacht auf AE/CE bzw. bereits gesicherter Diagnose zu erreichen. Methodik Alle Patienten, die am Universitätsklinikum Leipzig zwischen dem 01.01.2004 und dem 30.09.2018 infektionsserologisch auf Echinokokken untersucht wurden oder die Diagnose „AE“ bzw. „CE“ erhalten hatten, wurden in eine retrospektive Kohortenstudie eingeschlossen. Klinischer Verlauf, bildgebende sowie histopathologische Befunde, Therapiecharakteristika, relevante Begleiterkrankungen und mögliche Risikofaktoren für AE bzw. CE wurden bewertet. Die Datenanalyse umfasste weiter eine zeitlich gestaffelte Prävalenzabschätzung für unser Zentrum sowie Sensitivitäts- und Spezifitätsberechnungen für die durchgeführten serologischen Tests. Ergebnisse Insgesamt wurden 382 Patienten in die Analyse einbezogen. 11 AE- und 7 CE-Fälle wurden identifiziert. Die mittlere Prävalenzrate der AE in dieser Kohorte lag bei 2,9 % und die der CE bei 1,8 %. Bei 4 Patienten war die Diagnose bereits auswärtig gesichert worden und eine gezielte Überweisung zur spezialisierten Behandlung erfolgt. 56 % der Patienten wiesen bekannte Risikofaktoren für CE bzw. AE auf. Mit Ausnahme eines Falls waren alle CE-Fälle Migranten mit ausländischer Herkunft. Die durchgeführten serologischen Tests zeigten für beide Erkrankungen eine Sensitivität von 86 % und eine Spezifität von 91 %. 2 Patienten mit zunächst falsch negativer Diagnose (einer mit AE und einer mit CE) wurden durch ultraschallgestützte Biopsie korrekt diagnostiziert. Alle CE-Fälle und 5 AE-Fälle (45 %) wurden unter Albendazolschutz chirurgisch versorgt. Die restlichen 6 AE-Fälle erhielten eine Langzeitbehandlung mit Albendazol. Es wurden keine Todesfälle infolge Echinokokkose beobachtet. Schlussfolgerungen Sowohl AE als auch CE sind im Großraum Leipzig seltene Erkrankungen, wenngleich ein Anstieg der Fallzahlen an unserem Zentrum zu verzeichnen ist. Aufgrund unterschiedlicher begünstigender Faktoren wie z. B. Zunahme der Migration ist in Zukunftmit einemweiteren Anstieg zu rechnen. Diagnosestellung und Therapiemanagement stellen sowohl für die AE als auch für die CE eine Herausforderung dar und sollten von einem Expertenteam begleitet werden, darunter erfahrene Infektiologen, Bildgebungsspezialisten und versierte hepatobiliäre Chirurgen. Der Aufbau eines deutschen Echinokokkosenetzwerks wäre sinnvoll.