Einfluss von Polymorphismen der Toll-Like-Rezeptoren 4 und 9 auf die Malaria in der Schwangerschaft und die schwere Malaria in Ghana

Abstract

Die Malaria ist nach wie vor eines der größten globalen Probleme. Risikogruppen für die potentiell tödliche Infektion mit dem Erreger Plasmodium falciparum sind Kleinkinder und Erstgebärende, die südlich der Sahara leben. Jedes Jahr erkranken 350-500 Millionen Menschen und ca. 1 Million versterben. Dennoch verläuft die Erkrankung in Endemiegebieten, nach Erlangen einer Semiimmunität, häufig asymptomatisch. Welche Faktoren dazu führen, dass einige Menschen an schwerer Malaria erkranken, wird nur unzureichend verstanden. Bei Erstgebärenden führt die Malaria zu mütterlicher Anämie, intrauteriner Wachstumsretardierung, Frühgeburtlichkeit, niedrigem Geburtsgewicht und zu einer erhöhten Säuglingssterblichkeit. Das erhöhte Risiko Erstgebärender für eine P.-falciparum-Infektion ist primär auf relativ immunfremde, plazentaadhärente Stämme zurückzuführen. Wie bei Kleinkindern steht in diesem Falle das angeborene Immunsystem im Vordergrund. Wichtige Vermittler einer proinflammatorischen Antwort im angeborenen Immunsystem sind die Pathogen- erkennenden Toll-Like-Rezeptoren (TLR). Für die Malaria sind TLR 2, 4 und 9 von Bedeutung. TLR2 und TLR4 erkennen das P. falciparum Glykosylphosphatidylinositols (GPI), TLR9 die parasitäre DNA. Häufige TLR Polymorphismen erhöhen das Risiko für inflammatorische und Infektionskrankheiten. Die Bedeutung von TLR4- und TLR9-Polymorphismen für Risiko und Manifestation der Malaria bei der Erstgebärenden ist bislang unbekannt. Gleiches gilt für bei Afrikanern beschriebenen, seltenen TLR4-Polymorphismen hinsichtlich der schweren Malaria im Kindesalter. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Auswirkungen der häufigen TLR4- und TLR9-Polymorphismen auf Risiko und Manifestation der Malaria in der ersten Schwangerschaft zu untersuchen. Zudem sollte geklärt werden, ob auch seltene TLR4-Polymorphismen in Ghana die schwere Malaria im Kindesalter beeinflussen. Dafür sollte zusätzlich die TIR-Domäne des TLR4 auf noch unbekannte Polymorphismen untersucht werden. Proben von 304 Erstgebärenden (46% mit plazentarer Parasitämie) aus einem Hochendemiegebiet in Ghana wurden dafür mittels Schmelzkurvenanalyse auf häufige TLR4 und TLR9 Polymorphismen untersucht. Eine zweite Studiengruppe bestand aus 300 Kindern aus Nordghana (100 Patienten mit schwerer Malaria, 100 asymptomatisch Infizierte, 100 gesunde Kontrollen). Bei diesen wurden mittels Schmelzkurvenanalyse und Restriktionsverdau seltene TLR4 Polymorphismen untersucht. Zudem wurde die TLR4-TIR-Domäne sequenziert, um noch unbekannten Polymorphismen zu identifizieren. Anschließend wurde geprüft, ob diese Polymorphismen Auswirkungen auf das Risiko und die Manifestation der Malaria haben. Bei den Erstgebärenden lagen TLR4-Polymorphismen in >20% und TLR9-Polymophismen in >50% vor. Die Polymorphismen beeinflussten das Risiko einer plazentare Malaria oder die Parasitendichte nicht. Bei bestehender Infektion verstärkten TLR4-D299G und TLR9-T-1468C allerdings die Manifestation. Infizierte Erstgebärende mit TLR4-D299G oder TLR9-T-1486C wiesen ein 6-fach erhöhtes Risiko für niedriges Geburtsgewicht bei termingerechten Kindern auf. TLR4-D299G war zudem mit einem 5-fach erhöhtem Risiko für eine mütterliche Anämie assoziiert. Bei den Kindern wiesen jeweils ca. 9 % die TLR4-Varianten E474K bzw. Q510H auf. Zusammenhänge mit Risiko und Manifestation der schweren Malaria konnten nicht beobachtet werden. Bei zwei Kindern mit schwerer Malaria wurden bislang unbekannte TLR4-Polymorphismen identifiziert (M659T, R804P). Die hier vorgelegten Ergebnisse zur stärker ausgeprägten Manifestation einer P. falciparum-Infektion bei Gebärenden mit einem häufigen TLR4-Polymorphismus unterstützen vorliegende Befunde bei Kleinkindern. Erstmals wurde die vergleichbare Bedeutung des TLR9-Promoterpolymorphismus T-1486C bei der Malaria gezeigt. Beide Befunde legen die Vermutung nahe, dass TLR- Polymorphismen zu einer modifizierten Aktivierung des angeborenen Immunsystems durch P. falciparum oder GPI führen. Dies könnte zu einer reduzierten Aktivierung der proinflammatorischen Signalkaskade am Anfang der P. falciparum-Infektion und zu einer insuffizienten Immunantwort während des Fortschreitens und der Etablierung der Erkrankung führen. Diese Arbeit bestätigte die erhöhte Prävalenz der TLR4-Defizienzvariante D299G in Malariagebieten. Dies kann von Bedeutung für die derzeit laufende klinische Erprobung der RTS,S Malariavakkzine in Endemiegebieten sein, da dabei ein TLR4-Agonist als Adjuvans genutzt wird. Inwiefern die in Afrika häufige TLR4-Defizienz für die Anwendung des Impfstoffes von Relevanz ist, müssen zukünftige Studien zeigen. Letztendlich bleibt unklar, warum die untersuchten und hinsichtlich der Malaria nachteiligen Polymorphismen in den Endemiegebieten mit hohen Prävalenzen vorliegen. Zuvor wurde beobachtet, dass Patienten mit schwerer Malaria und TLR4-D299G tendenziell eine reduzierte Letalität aufweisen. Die daraus abgeleitete Hypothese besagt, dass TLR4-D299G zwar das Risiko schwerer Malaria erhöht, aber gleichzeitig einen fatalen Ausgang verhindert und sich deshalb evolutionsbiologisch gehalten hat. Der TLR4-Signalweg sollte in dieser Hinsicht weiter untersucht werden. Es sollte auch Gegenstand weiterer Forschung sein, ob die Polymorphismen Vor- oder Nachteile gegenüber anderen Infektionskrankheiten, wie z.B. der Tuberkulose, vermitteln, da Variationen im TLR-Signalweg auch hier von Bedeutung sind.

Genetic host factors play a substantial role in susceptibility to and severity of malaria, which continues to cause at least one million deaths per year. The bereaved are small children and pregnant women living in sub-Sahara Africa. Recently, members of the toll-like receptor (TLR) family have been shown to be involved in recognition of Plasmodium falciparum: TLR-2 and TLR-4 induces signalling via the glycosylphosphatidylinositol anchor, whereas TLR-9 is binding the P. falciparum- DNA. Binding of microbial ligands to the respective TLRs triggers the release of proinflammatory cytokines via the TLR_IL-1 receptor (TIR) domain and may contribute to the host response in malaria, including cytokine induction and fever. In sub-Saharan Africa, P. falciparum infection during pregnancy is a major cause of maternal anemia, preterm delivery, intrauterine growth retardation (IUGR), low birth weight (LBW), and, consequently, infant mortality. In addition severe Malaria causes around 881.000 death in small children every year. We examined in 304 primiparous Ghanaian women, whether common TLR4 and TLR9 polymorphisms influence susceptibility to and manifestation of malaria during pregnancy. In 300 Ghanaian children we examined whether rare TLR4 polymorphisms are common in Ghana an whether they influence susceptibility to and manifestation of severe malaria. In addition we sequenced the TIR-Domain to find new polymorphisms and examined whether they influence susceptibility to and manifestation of malaria in the children. The TLR variants did not affect P. falciparum prevalence or parasite density. However, in P. falciparum–infected women, both the TLR4 Asp299Gly and the TLR9 T-1486C polymorphisms increased the risk of low birth weight in term infants 6-fold, and, additionally, TLR4 Asp299Gly increased the risk of maternal anemia 5-fold; pretermdelivery was not associated with these TLR variants. The rare TLR4 polymorphisms had an prevalence of 9% but no influence on susceptibility to and manifestation of malaria. We found two rare previously undescribed mutation (TLR4-M659T und TLR4-R804P) These findings suggest that TLR4 and TLR9 play a role in the manifestation of malaria during pregnancy. In conclusion, common TLR polymorphisms are associated with an increased risk of morbidity in primiparous women with P. falciparum infection and small children. Various drugs can modulate signalling via the TLRs. Considering the option of influencing the manifestation of malaria in pregnancy and the unacceptably high infant mortality in sub-Saharan Africa, both the function of the TLRs in severe malaria and the histopathological placental damage in P. falciparum–infected women with TLR polymorphisms warrant further investigation.