Epidemiology of Plasmodium malariae in Gabon and Cameroon

Abstract

Hintergrund Malaria ist mit 250 Millionen Fällen jährlich eine der tödlichsten Infektionskrankheiten der Welt. Die Bemühungen zur Ausrottung des Malaria- Parasiten, die bisher hauptsächlich auf die Arten mit der höchsten Morbidität und Mortalität, P. falciparum und P. vivax, konzentriert waren, geraten seit einigen Jahren ins Stocken. Die Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte zeigen jedoch, wie wichtig die Erforschung weiterer Malariaerreger ist. Einer dieser Erreger, Plasmodium malariae, verursacht meist chronische Infektionen und war bislang kaum Gegenstand von Untersuchungen. In einem umfassenden Studienpaket untersucht nun die COMAL-Studie die bisher unerkannte Krankheitslast, die durch Plasmodium malariae Infektionen entsteht. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Epidemiologie dieses Parasiten in Gabun und Kamerun und analysiert mögliche Interaktionen von P. malariae und P. falciparum bei Mischinfektionen.

Methoden Im Rahmen des COMAL-Arbeitspakets 1 wurden in Gabun und Kamerun haushaltsbezogene Querschnittsstudien durchgeführt, sowohl in der Trocken- als auch in der Regenzeit. Bei diesen Erhebungen wurden venöses Blut, Stechmücken und anthropometrische Daten von 1.584 klinisch beschwerdefreien Personen gesammelt. Nach der Probeentnahme wurden alle Blutproben mikroskopisch untersucht, um mögliche Plasmodium-Infektionen zu identifizieren. Im Institut für Tropenmedizin in Tübingen wurde die RNA aus den in PaxGene®-Röhrchen abgenommenen Blutproben mit Hilfe eines auf Magnetkügelchen basierenden Verfahrens extrahiert. Mit dem Eluat wurde eine Single-Plex-qRT-PCR durchgeführt, um P. falciparum und P. malariae in den Proben mit einer Sensitivität von 5-10 Parasiten pro mL nachzuweisen. 1.557 Proben wurden in die finale Analyse aufgenommen.

Ergebnisse In dieser Studie konnten drei wesentliche Erkenntnisse über Plasmodium malariae herausgearbeitet werden. Das erste und wichtigste Ergebnis sind neue Erkenntnisse zur epidemiologischen Situation von P. malariae in Gabun und Kamerun. Mit der Methode der hochsensitiven qPCR ergaben sich deutlich höhere Prävalenzraten des Parasiten als durch Mikroskopie. Dies weist auf die Präsenz einer großen Anzahl chronischer Infektionen mit geringer und submikroskopischer Parasitämie hin. In Gabun wurden unter den Studienteilnehmern 8 % P. malariae-Monoinfektionen und 30 % P. falciparum- P. malariae-Koinfektionen festgestellt. 47 % wiesen eine P. falciparum- Monoinfektion auf, und nur 16 % der Proben wurden negativ getestet. In Kamerun wurden 4 % aller Proben als P. malariae-Monoinfektionen und 48 % als P. falciparum - P. malariae-Koinfektionen identifiziert. Fast die Hälfte aller Proben, 45 %, erwiesen sich als P. falciparum-Monoinfektion, und nur 4 % der Proben waren in der qPCR negativ. In beiden Ländern war die Plasmodium- Prävalenz bei Jugendlichen im Alter von 12-19 Jahren am höchsten. In Gabun traten zudem P. malariae-Monoinfektionen signifikant häufiger bei über 60- Jährigen auf. Insgesamt war die epidemiologische Situation in den beiden Ländern unterschiedlich: In Kamerun wies die untersuchte Bevölkerung eine höhere Prävalenz von Malaria-Infektionen auf. Diese waren häufiger mikroskopisch nachweisbar, blieben jedoch subklinisch und wiesen eine deutliche Korrelation zwischen Alter und Ct-Werten auf. Dies deutet auf eine mit dem Alter zunehmende erworbene Immunität hin. In Gabun war die Prävalenz etwas niedriger als in Kamerun, mit mehr submikroskopischen Infektionen und einem geringeren Einfluss des Alters auf die festgestellten Ct-Werte. Das zweite wichtige Ergebnis dieser Studie ist die Auswirkung von Plasmodium malariae-Infektionen auf den Hämoglobinwert bei Kindern und Jugendlichen. Die Hämoglobinwerte bei Kindern, die mit P. malariae infiziert waren, waren im Vergleich zu Kindern, die nicht mit P. malariae infiziert waren, statistisch signifikant reduziert. Dies verleiht dem bisher wenig untersuchten Parasiten Plasmodium malariae eine neue klinische Bedeutung. Drittens wurden bei Mischinfektionen mit den beiden Parasiten im Vergleich zu Monoinfektionen höhere mediane P. malariae Ct-Werte festgestellt. Dies deutet auf eine geringere Parasitämie bei Mischinfektionen hin und könnte ein Hinweis auf eine mögliche Interaktion zwischen P. malariae und P. falciparum sein.

Schlussfolgerung Diese Studie verdeutlicht die große Zahl subklinischer und submikroskopischer P. malariae-Infektionen in Gabun und Kamerun. Plasmodium malariae, ein Erreger der Hämoglobinwerte bei Kindern signifikant reduziert, stellt in den betroffenen Ländern eine größere Belastung dar als bisher angenommen. Es ist an der Zeit, Plasmodium malariae zum Gegenstand weiterer Studien zu machen. Um wirkungsvollere Strategien zur Eliminierung von Malaria zu entwickeln, ist es von größter Bedeutung diesen Erreger, seine Biologie und seine Vektoren eingehender zu untersuchen. Darüber hinaus stellt die große Zahl subklinischer chronischer Infektionen mit P. malariae und P. falciparum auch ein enormes Übertragungsreservoir für Malaria dar, das bei künftigen Eliminierungsstrategien berücksichtigt werden sollte.

Background Malaria remains one of the deadliest infectious diseases in the world causing 250 million cases annually. Elimination efforts, focusing mostly on the species with highest morbidity and mortality, P. falciparum and P. vivax, have been stalling for some years. Scientific evidence of the last decades points to the importance of the other human malaria pathogens. One of these pathogens, Plasmodium malariae, causes mostly chronic infections and has not been studied intensively so far. The COMAL study is a comprehensive study package aiming at investigating the cryptic burden of Plasmodium malariae. This dissertation focuses on elucidating the epidemiology and the burden of this parasite in Gabon and Cameroon and sheds light on possible interactions of P. malariae and P. falciparum in mixed infections.

Methods As a part of the COMAL work package 1 household based cross-sectional studies were conducted in Gabon and Cameroon, in both dry and rainy seasons. During these surveys, venous blood, mosquitoes and anthropometric data were collected from 1,584 clinically asymptomatic individuals. After sampling, microscopy was performed on all blood samples to identify possible patent Plasmodium infections. At the Institute of Tropical Medicine in Tübingen, RNA was extracted from the blood collected into PaxGene® tubes using a magnetic-beads-based approach. On the eluate a singleplex qRT-PCR was run, to detect P. falciparum and P. malariae in the samples at a sensitivity of 5-10 parasites per mL. 1,557 samples were included into the final analysis.

Results This study has three main findings concerning Plasmodium malariae. The first and most important finding is the new knowledge acquired about the epidemiological characteristics of P. malariae in Gabon and Cameroon. Highly sensitive qPCR revealed much higher prevalence rates than were detected by light microscopy, indicating the presence of a large number of chronic infections with low-level submicroscopic parasitemia. In blood samples from Gabon this study found 8% P. malariae mono-infections and 30% P. falciparum – P. malariae co-infections. 47% of individuals showed a P. falciparum mono- infection, and only 16% of samples were tested negative. In Cameroon, 4% of all samples were identified as P. malariae mono-infections and 48% as P. falciparum – P. malariae co-infections. Almost half of all samples, 45%, were shown to be P. falciparum mono-infections, and only 4% of the samples were found to be negative. In both countries Plasmodium prevalence was highest in adolescents aged 12-19 years. In Gabon, P. malariae mono-infections occurred significantly more often in individuals older than 60 years. Overall, the epidemiological situations in the two countries differed from one another: in Cameroon the sampled population was found to have a higher prevalence of malaria infections with more microscopically detectable yet subclinical infections and a clear correlation of age with Ct values, pointing towards rising levels of acquired immunity with age. In Gabon the prevalence was slightly lower than in Cameroon, with more submicroscopic infections and less impact of age on Ct values. The second main finding of this study is the impact of Plasmodium malariae infections on hemoglobin levels in children and adolescents. Indeed, hemoglobin levels in children infected with P. malariae were significantly reduced compared to children not infected with P. malariae, adding a clinical significance to the previously unknown high burden of Plasmodium malariae. Thirdly, in mixed infections of the two parasites, higher median P. malariae Ct values were found as compared to mono-infections. This indicates a lower parasitemia in mixed infections and might point towards a possible interaction between P. malariae and P. falciparum.

Conclusion This study reveals the large amount of subclinical and submicroscopic P. malariae infections in Gabon and Cameroon. With a relevant impact on hemoglobin levels in children, this pathogen has thus proven that it constitutes a high burden in affected countries that has to be taken seriously. It is time to stop neglecting and to start studying Plasmodium malariae more intensively. For any success in the elimination efforts against malaria it is of utmost importance to further study this pathogen, its biology and its vectors. Finally, the overall large amount of subclinical chronic infections of both P. malariae and P. falciparum constitutes an enormous reservoir of transmission for malaria and needs to be taken into account for future elimination strategies.