Preview

PDF, English - main document Download (14MB) | Terms of use

Abstract

Malaria is a mosquito-borne disease caused by Plasmodium parasites and transmitted by female mosquitoes of the genus Anopheles. The majority of deaths occurs in the African continent and in 2019 Plasmodium falciparum killed nearly 400,000 people. In many areas of the globe, dry season periods limit Anopheles mosquito availability reducing malaria transmission to virtually zero. In Mali, during the 5- to 6-month dry season P. falciparum persists in a fraction of the human population in clinically silent infections that serve as reservoir to restart transmission when mosquitoes return in the ensuing wet season. However, the mechanism by which P. falciparum bridges rainy seasons without promoting malaria symptoms or being cleared by host immunity remained elusive. In this work, we used samples from a village in Mali where individuals are exposed to an alternating six-month dry and rainy season. We show that P. falciparum persists in the blood of asymptomatic individuals during the dry season at low parasite densities and very seldom causing disease. By comparing immune system markers in individuals that carried or not infections during the dry season, we found that asymptomatic infections only minimally affect the host immune response during this period. We compared the transcription profile in parasites collected at the end of the dry season or during the first clinical malaria case in the ensuing transmission season and we found that the parasites segregated by season, where parasites from the dry season have a transcription profile reflecting a longer circulation within each 48-hour intra-erythrocytic cycle when compared to malaria causing P. falciparum. In agreement with a different transcriptional profile that indicates a longer circulation of P. falciparum in the dry season, we found more developed parasites in the dry season by microscopy and flow cytometry in comparison with parasites isolated from malaria patients in the transmission season. And we further show that circulation of older parasites in the dry season increases splenic clearance, promoting the low parasite densities found in the dry season. All together we describe how seasonally altering the competence of adhesion to the endothelium by parasites, which is a hallmark of P. falciparum malaria, affects parasitaemia growth and disease presentation. To understand how P. falciparum achieves this less adhesive phenotype during the dry season, we investigated if parasites could respond to seasonal serologic factors. We cultured P. falciparum parasites in the presence of plasmas from different times of the year anddetermined parasite development, replication and host cell remodelling in vitro, which could seasonally favour asymptomatic infections. We did not observe any differences in parasite development, replication, or host cell remodelling when parasites were grown in different season plasmas. Although the in vitro experiments we were able to do could not disprove the existence of a sensing mechanism of the season by P. falciparum, because it may be that we were unable to provide the condition exactly replicating what occurs in vivo, it seems unlikely since we also observed older parasites in circulation in asymptomatic infections during transmission season. This all suggesting that the longer circulation phenotype observed is not unique to the dry season, but likely linked to low parasitaemias that remain below the clinical radar. Finally, we questioned when the P. falciparum dry season asymptomatic infections were transmitted during the preceding transmission season. We followed retrospectively children that were infected at the end of one dry season until when they had first become parasite positive in the preceding transmission season, capturing fortnightly longitudinal data on parasite density fluctuations, and measuring the parasite genetic diversity by ama1 amplicon sequencing. We found that clonal infections that reached the end of the dry season had been mainly transmitted towards the end of the rainy season, while clones transmitted early in the transmission season were unlikely to persist until the end of the dry season. These data suggest that infection length is tailored to bridge the length of the dry season, and favours a model where early transmitted infections that are not treated will present a “dry season” phenotype still during the transmission season (as observed in asymptomatic infections during the transmission season), while later transmitted infections are more likely reach the end of the dry season and resume transmission as the wet season ensues. The results from this work begin to elucidate on the mechanisms that allow P. falciparum to survive the dry season, bridging two transmission seasons. The knowledge acquired in this work about the complex interaction between P. falciparum, the human host and the environment, might inform strategies that will aid to the ultimate goal of malaria eradication by targeting the silent reservoirs of P. falciparum.

Translation of abstract (German)

Die Erreger der Malaria, Parasiten des Genus Plasmodium, werden durch weibliche Anopheles Moskitos übertragen. In 2019 verlief eine Infektion mit Plasmodium falciparum für nahezu 400 000 Menschen tödlich, die Mehrheit davon auf dem afrikanischen Kontinent. In weiten Teilen der Erde, wird die Verfügbarkeit des Anopheles Vektors stark durch jahreszeitliche Trockenzeiten eingeschränkt, während dieser Perioden fällt Malariatransmission auf beinahe Null. In Mali, während der 5-6-monatigen, jährlichen Trockenzeit, persistiert P. falciparum in einem Teil der Bevölkerung als eine klinisch stille, asymptomatische Infektion. Diese Infektionen dienen als Reservoir für einen erneuten Transmissionsstart, wenn mit Beginn der folgenden Regenzeit Moskitos zurückkehren. Die Mechanismen, die dem Parasiten erlauben, die Trockenzeit zu überbrücken, ohne Symptome auszulösen, und gleichzeitig Beseitigung durch die Wirtsimmunität zu vermeiden, sind jedoch nicht bekannt. In dieser Arbeit haben wir Proben aus einem Dorf in Mali untersucht, in dem sich eine je sechsmonatige Regen- und Trockenzeit abwechseln. Wir zeigen, dass P. falciparum im Blut von asymptomatischen Individuen über die Trockenzeit persistiert, Infektionen in diesem Zeitraum wiesen eine geringe Parasitendichte auf und waren nur selten krankheitsauslösend. Durch den Vergleich von Immunmarkern in P. falciparum-infizierten und nicht infizierten Individuen während der Trockenzeit, ermittelten wir, dass asymptomatische Infektionen nur minimal die Immunantwort des Wirts über diese Zeitspanne beeinflussen. Außerdem verglichen wir das Transkriptionsprofil von Malariaparasiten, die entweder am Ende der Trockenzeit oder während der ersten Malariaepisode der folgenden Regenzeit isoliert wurden, wir fanden eine Segregation der Parasiten nach Jahreszeit, wobei Parasiten aus der Trockenzeit ein Transkriptionsprofil aufwiesen, das eine längere Zirkulation innerhalb jedes 48- stündigen intra-erythrozytischen Zyklus widerspiegelt, verglichen mit Malaria verursachenden P. falciparum. Übereinstimmend mit einem Transkriptionsprofil, dass auf eine längere Zirkulation von P. falciparum während der Trockenzeit hindeutet, fanden wir mit Hilfe von Mikroskopie und FACS spätere Entwicklungsstadien des Parasiten in der Trockenzeit verglichen mit Parasiten, die von Malariapatienten in der Regenzeit isoliert wurden. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Zirkulation älterer Parasiten in der Trockenzeit die erhöhte Entfernung infizierter Erythrozyten durch die Milz zur Folge hat, was zu den niedrigen Parasitendichten, wie sie in der Trockenzeit beobachtet werden, beitragen könnte. Alles in allem beschreiben wir, wie eine saisonale Veränderung der Kompetenz zur Endotheladhäsion des Parasiten – ein wichtiges Merkmal der P. falciparum Malaria – eine Veränderung in Parasitendichte und Krankheitsbild herbeiführen kann. Um zu verstehen, wie P. falciparum diesen weniger adhäsiven Phänotyp während der Trockenzeit annimmt, untersuchten wir, ob Parasiten auf saisonale serologische Faktoren reagieren können. Dafür setzten wir P. falciparum Blutkulturen mit Blutplasma von über das Jahr verteilten Zeitpunkten an und ermittelten Parasitenentwicklung, Replikation, sowie Wirtszellremodellierung in vitro; Veränderungen in diesen Bereichen könnten asymptomatischen Infektionen in der Trockenzeit erklären. Hinsichtlich Parasitenentwicklung, Replikation, sowie Wirtszellremodellierung wurde kein Effekt des Wachstums in verschiedenen Plasmen beobachtet.Wir können die Existenz einer Art jahreszeitspezifischen Sensors des Parasiten nicht endgültig widerlegen, es bleibt die Möglichkeit, dass unsere in vitro Konditionen nicht exakt die Situation in vivo wiederspiegelten, dennoch erscheint uns diese eher als unwahrscheinlich, da wir auch in asymptomatischen Infektionen in der Regenzeit ältere Parasiten in Zirkulation beobachteten. Dies weist darauf hin, dass der hier beschriebene Phänotyp der längeren Zirkulation der Parasiten möglicherweise nicht spezifisch für die Trockenzeit ist, sondern stattdessen allgemein mit niedrigen, subklinischen Parasitämien zusammenhängen könnte. Schließlich fragten wir uns, wann in der vorangegangenen Regenzeit asymptomatische Infektionen der Trockenzeit übertragen wurden. Wir folgten retrospektiv Kindern, die am Ende der Trockenzeit eine Infektion aufwiesen, zurück bis zum Zeitpunkt ihres ersten positiven Tests in der Regenzeit. Wir erhoben zweiwöchentlich longitudinale Daten über Fluktuationen in der Parasitendichte und maßen die genetische Diversität durch ama1-Amplikonsequenzierung. Klone, die am Ende der Trockenzeit nachgewiesen wurden, waren vor allem gegen Ende der Regenzeit übertragen worden, während Klone, deren Übertragung früh in der Regenzeit stattfand, selten bis zum Ende der Trockenzeit persistierten. Diese Daten legen nahe, dass die Infektionslänge auf das Überbrücken der Trockenzeit zugeschnitten ist, und unterstützen ein Modell des Infektionsverlaufs, in dem unbehandelte, früh übertragene Infektionen einen „Trockenzeitphänotyp“ schon während der Regenzeit vorweisen (wie auch in asymptomatischen Infektionen in der Regenzeit beobachtet wird), während später übertragene Infektionen mit höherer Wahrscheinlichkeit das Ende der Trockenzeit erreichen und erneut übertragen werden können.