Host and parasite factors influencing clinical malaria in African children

Abstract

In recent years, there has been a considerable reduction in malaria morbidity and mortality in endemic regions, following the implementation of artemisinin-based combination therapies (ACTs) as a first line treatment. Nevertheless, malaria yet remains a major public health problem in sub-Saharan Africa. The clinical course of malaria is essentially influenced by both parasite and host genetic factors. This dissertation aims to investigate possible host and parasite genes that may largely influence the malaria susceptibility and treatment outcome, respectively. In the first chapter of my thesis, I have described a simple and rapid method for extraction of nuclear DNA from parasites and established a loop mediated isothermal amplification (LAMP) methodology to detect malarial parasites. This methodology is robust with a turnover time of 45 minutes from nucleic acids isolation to visual readout of results, with a limit of detection to as low as one Plasmodium falciparum parasite/μL. In the second chapter of my thesis, I have investigated the human FOXO3A genetic variant which is known to modulate immune responses. The possible associations of the studied FOXO3A gene variant rs12212067 T>G were determined in a cohort of individuals with clinical malaria phenotypes. The investigated FOXO3A gene variant was associated with the severity of malaria. In the third chapter of my dissertation, I evaluated the association of parasite gene polymorphisms with therapeutic efficacy of parental artesunate administered to African children either as a three or a five dose regimen. The investigations led to the findings that three dose intramuscular regimen was not inferior to the conventional five dose regimen. In addition, the analysis revealed that the PfMDR1 N86Y polymorphism is associated with delayed parasite clearance irrespective of treatment regimen. In the fourth chapter, I investigated the glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) deficiency, a genetic disorder that is demonstrated to confer partial protection from malaria. The investigations led to the conclusion that severe G6PD deficiency was associated with a lower hemoglobin concentrations and there was no association with parasite densities. Taken together, the dissertation provides added value on different host and parasite factors that could influence clinical malaria and therapeutic efficacy of antimalarial drug artesunate.

Seit einigen Jahren gibt es eine deutliche Abnahme sowohl in der Mortalität als auch in der Morbidität von Malaria in endemischen Gebieten. Dies ist der Einführung den Artemisinin-basierten Kombinationstherapien (ACTs) zu verdanken. Dennoch gehört Malaria nach wie vor zu einem der größten Gesundheitsprobleme in Afrika, vor allem südlich der Sahara. Das klinische Bild der Malaria wird sowohl vom Parasiten als auch von genetischen Faktoren des Wirtes stark beeinflusst. Aus diesem Grund setzt sich die vorliegende Arbeit mit möglichen Wirts- und Parasitengenen, die die Malariaanfälligkeit und das Behandlungsergebnis erheblich beeinflussen, auseinander. Im ersten Kapitel meiner Arbeit beschreibe ich eine einfache und schnelle Methode zur Extraktion nuklearer DNA aus Parasiten und habe eine Schleifen-vermittelte isothermale Amplifikations (loop mediated isothermal amplification (LAMP)) Methode etabliert, um Malariaparasiten zu detektieren. Diese Methode ist robust und schnell. Innerhalb von 45 Minuten werden aus Nukleinsäuren visuelle Ergebnisse - mit einem sehr niedrigen Detektionslimit von nur einem Plasmodium falciparum Parasiten/μL. Im zweiten Kapitel meiner Arbeit habe ich den humanen FOXO3A Varianten, der in der Lage ist das Immunsystem zu modulieren, genetisch untersucht. Die mögliche Verbindung des untersuchten FOXO3A Genvarianten rs12212067 T>G wurde in Personen mit klinischer Malaria ermittelt. Der untersuchte FOXO3A Genvariant konnte mit der Schwere der Malaria in Zusammenhang gebracht werden. Im dritten Kapitel meiner Arbeit bewertete ich den Zusammenhang zwischen Parasiten Genpolymorphismen mit der therapeutischen Wirksamkeit von Artesunate, welches Afrikanischen Kindern entweder in einer dreifachen Dosis oder in einer fünffachen Dosis verabreicht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass eine dreifach Dosis, die intramuskulär verabreicht wird, nicht schlechter ist als die konventionelle fünffache Dosis. Darüber hinaus zeigten die Analysen, dass der PfMDR1 N86Y Polymorphismus mit einer verspäteten Parasitenbeseitigung einhergeht, unabhängig von dem Behandlungsschema. Im vierten Kapitel untersuchte ich den Glukose-6-Phosphate Dehydrogenase (G6PD) Mangel, eine genetische Funktionsstörung, die zu einem partiellen Schutz gegen Malaria beiträgt. Anhand der Ergebnisse kann festgehalten werden, dass schwerer G6PD Mangel mit einer geringeren Hämoglobinkonzentration einhergeht und keine Verbindung zur Parasitendichte besteht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit unterschiedliche Wirts- und Parasitenfaktoren beleuchtet, die sowohl die klinische Malaria als auch die therapeutische Wirksamkeit des antimalaria Medikamentes Artesunate beeinflussen könnten.