Studies on epidemiology and genetic diversity of Leishmania infantum endemic in the Southern Mediterranean

Abstract

Leishmania infantum is known to cause visceral and cutaneous leishmaniasis around the Mediterranean. The parasite is transmitted to humans and animals by the bite of phlebotomine sand fly. The clinical manifestations are highly diverse, humans and dogs are infected, and the diseases are associated with several epidemiological conditions and risk factors that are not yet fully understood. This study was aimed to investigate the molecular characteristics and genetic heterogeneity of strains of L. infantum in the Southern Mediterranean (SM) in order to understand their role in disease diversity and epidemiology. The molecular epidemiological parameters of VL in Hebron district, Palestine were studied. Seventy-six cases were reported between 1993 and 2007. All cases were in children less than 9 years old. The ITS1-RFLP analysis revealed L. infantum as the causative agent and isoenzyme analysis identified two investigated isolates as zymodeme MON-1. A serological survey of 455 children revealed 8.4% seropositivity for L. infantum. The study identified two groups at high risk for attracting VL: child household members of VL patients and families having dogs and/or other domestic animals. Out of seven Phlebotomus species present, two putative vector species were identified: Phlebotomus syriacus (45%) and Ph. tobbi (10%). A multilocus microsatellite typing (MLMT) approach, based on 14 hypervariable markers, was applied to investigate the population structure and genetic variability of L. infantum strains from the SM. They were isolated from human VL and CL, and from canine VL cases. The strains belonged to both MON-1 and non MON-1 isoenzyme types according to their MLEE profile. Bayesian model-based approach and phylogenetic analysis based on genetic distances were used to analyse the MLMT data. Two main populations were inferred from 44 Israeli and Palestinian strains. These results demonstrate similar disease dynamics in these areas. The re-emergence of VL in central Israel and Palestine is more likely due to increased dog and human contact with sylvatic cycles of parasitic infection rather than to recent introduction from the older foci. Three populations were identified for 55 Algerian and 4 for 27 Tunisian strains, respectively. These populations were consistent with the classification based on isoenzymes, dividing the strains into MON-1 and MON-24/MON-80 groups. Further sub-division into several populations was found for MON-1 strains, largely correlating, albeit not completely, with their geographical distribution. MLMT results did not correlate to host origin as strains from humans and dogs are grouped together. A clear relationship could be demonstrated between the clinical presentation of leishmaniasis and parasite genotype. Moreover, the existence of hybrid strains between the MON-1 and MON-24/MON-80 groups has been shown and verified by analysis of clones of one of these strains. To our knowledge, this is the first report describing relationships between clinical picture and parasite genotype, as well as the existence of hybrids between zymodemes MON-1 and MON-24/MON-80.

Leishmania infantum ist der Erreger viszeraler und kutaner Leishmaniosen im gesamten Mittelmeerraum Der Parasit wird durch den Stich infizierter Sandmücken der Gattung Phlebotomus auf Mensch und Tier übertragen. Die Krankheitsbilder sind sehr verschiedenartig, Menschen und Hunde sind infiziert, und die Erkrankungen werden mit verschiedenen epidemiologischen Bedingungen und Risikofaktoren assoziiert, die noch nicht vollständig geklärt sind. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, molekulare Eigenschaften und die genetische Heterogenität von L. infantum-Stämmen aus dem südlichen Mittelmeerraum (SM) zu untersuchen und zu einem besseren Verständnis ihrer Rolle für die Diversität der Krankheitsbilder und der Epidemiologie der Erkrankung beizutragen.. Im Gebiet Hebron, Palästina, in dem 76 VL-Fälle zwischen 1993 and 2007 dokumentiert wurden, wurden epidemiologische Parameter der VL untersucht. Alle Patienten waren Kinder jünger als 9 Jahre alt. Mit Hilfe der ITS1-RFLP-Methode wurde L. infantum als der Erreger bestätigt und mittels Isoenzymanalyse wurden 2 der Isolate als Zymodem MON-1 identifiziert. Eine serologische Studie von 455 Kindern ergab eine Seropositivität von 8.4% für L. infantum. Zwei Gruppen hatten ein hohes Risiko an VL zu erkranken: Kinder, die entweder im gleichen Haushalt wie VL-Patienten oder in Familien mit Hunden und/oder anderen Haustieren leben. Zwei der im Gebiet Hebron identifizierten Phlebotomus-Arten sind potenzielle Vektoren von L. infantum: Phlebotomus syriacus (45%) und Ph. tobbi (10%). Die Multilocus- Mikrosatelliten-Typisierung (MLMT), basierend auf 14 hypervariablen Markern, wurde für die Untersuchung der Populationsstrukturen und der genetischen Variabilität von L. infantum-Stämmen des Mittelmeerraums angewandt. Die Stämme stammten von humanen VL- und CL-Fällen sowie von erkrankten Hunden. Sie gehörten sowohl zu dem Zymodem MON-1 als auch zu verschiedenen nicht-MON-1 Zymodemen, entsprechend ihrer MLEE-Profile. Eine “Bayesian model- based”-Methode und phylogenetische Analysen der genetischen Distanz wurden für die Auswertung der MLMT-Daten benutzt. Die 44 israelischen und palästinensischen Stämme konnten dabei zwei Hauptpopulationen zugeordnet werden. Die Ergebnisse zeigten eine ähnliche Dynamik der Erkrankung in diesen Gebieten. Die Rückkehr der VL in Zentralisrael und Palästina ist höchstwahrscheinlich eher auf einen intensiveren Kontakt von Hunden und Menschen mit sylvatischen Zyklen der parasitären Infektion als auf einen kürzlichen Import aus älteren Foci zurückzuführen. Drei Populationen wurden für 55 algerische und 4 für 27 tunesische Stämme identifiziert. Die MON-1- und MON-24/MON-80-Stämme wurden, in Übereinstimmung mit der auf Isoenzymmustern basierten Klassifikation, verschiedenen Populationen zugeordnet. Die MON-1-Gruppe war in mehrere Populationen unterteilt, weitestgehend, aber nicht total, in Korrelation mit der geographischen Verbreitung der Stämme. Eine Korrelation zwischen MLMT-Profilen und Wirtshintergrund der Stämme wurde nicht beobachtet, da die Stämme von Menschen und Hunden immer zusammen gruppierten. Die Beziehung zwischen dem klinischen Bild der Leishmaniose und dem Genotyp des Parasiten war aber deutlich. Außerdem wurde die Existenz von Hybrid- Stämmen, zwischen den MON-1- und MON-24/MON-80-Gruppem nachgewiesen und durch die Klonierung eines dieser Stämme verifiziert. Soweit uns bekannt, ist dies der erste Bericht über eine Korrelation zwischen dem klinischen Bild der Leishmaniose und dem parasitären Genotyp sowie über die Existenz von Hybriden zwischen den Zymodemen MON-1 und MON-24/MON-80.