Background: Despite the control efforts, ascariasis remains a major public health concern. The introduction of regular preventive chemotherapy (PC) in endemic regions has led to a shift from high- to low-intensity Ascaris infections. These infections cannot be reliably detected by the standard diagnostic methods and thus act as reservoirs for sustained transmission. Furthermore, although the detrimental impacts of high-intensity Ascaris infections on nutrition, immunity, growth, and intellectual capacity are well established, both the short- and long-term impacts of low-intensity infections remain unknown. Additionally, Ascaris coexist in a dynamic interplay with the gut bacteria which are also linked to immune function and host metabolism. These interactions highlight the need to comprehensively examine Ascaris infections beyond their direct pathological effects, considering their broader impact on nutrition, microbiome and immune homeostasis. To address these gaps, we aimed to investigate the integrated effects of low-intensity Ascaris infections on nutrition, immunity and microbiome in schoolchildren living in an endemic setting. Additionally, by using the domestic pig as a human-relevant animal model, we aimed to gain preliminary insights into the natural killer (NK) cells functional disruptions triggered by a low-dose Ascaris infection and its potential to alter host susceptibility to Salmonella. Specifically, we aimed to: 1. Assess the diagnostic performance of copromicroscopy, multiplex-qPCR, and serology in the detection of low-intensity Ascaris infections. 2. Investigate the immune alterations associated with low-intensity Ascaris infections. 3. Determine the nutritional consequences of low-intensity Ascaris infections. 4. Analyze the gut microbiota composition and its associations with low-intensity Ascaris infection, immune responses, and nutritional status. 5. Evaluate how low-dose Ascaris infection modulates NK cell function in domestic pigs as a human-relevant model, to inform mechanisms relevant to human health outcomes during common coinfections in Ascaris-endemic human populations. Results: To precisely detect low-intensity Ascaris infections, we developed and optimized a multiplex-qPCR assay, which exhibited superior sensitivity compared to conventional microscopic techniques. Additionally, we identified IgG1 and IgG4 antibodies against adult Ascaris excretory-secretory products as potential accurate serological markers for current Ascaris infections and exposure, owing to their high accuracy and sensitivity, respectively. We observed a high prevalence of low-intensity Ascaris infections among schoolchildren four months following the administration of STH PC. The children's diet was predominantly carbohydrate-based with a low intake of protein-rich foods. Notably, we identified a relatively high prevalence of protein-energy malnutrition, reflected in low albumin levels, stunting and thinness, particularly among boys. Low-intensity Ascaris infections were negatively associated with zbfa (thinness) and zhfa (stunting) as well as ferritin levels. We show that Ascaris infection is associated with systemic memory CD4 responses, characterised by enhanced gut-homing capacity and a mixed Th1/Th2/Th17 cytokine profile and a mixed IgM/IgG/IgA/IgE antibody response. Notably, Ascaris-specific mucosal IgA1 responses correlated with Oscillospiraceae, Dorea formicigenerans, and Prevotella species which are all short-chain fatty acid-producing gut bacteria taxa known for their immunomodulatory properties. These microbial taxa were also linked to ferritin levels. Furthermore, we demonstrate that a low-dose Ascaris infection significantly impairs NK cells cytokine production and cytotoxicity both in the lungs and in the systemic circulation by altering transcription factors balance and upregulating inhibitory receptors. Conclusion: This study highlights the adverse effects of low-intensity Ascaris infections on nutrition, growth, and immunity. Low-intensity Ascaris infections may also modulate the gut microbiome indirectly by altering ferritin levels and mucosal immunity to foster specific microbial shifts. The profound suppression of NK cell functions by a low-dose Ascaris infection and during Ascaris-Salmonella coinfection indicate that Ascaris infection increases host susceptibility to coinfections and potentially influences disease outcomes. Our findings underscore the urgent need for highly sensitive diagnostic tools such as qPCR and serological markers to accurately ascertain the true burden of Ascaris infections. Future research should prioritize longitudinal human and parallel pig studies to understand the long-term impacts of low-intensity Ascaris infections and their broader implications for coinfections and disease outcomes in children to inform evidence-based interventions.
Titel: Ascaris-Infektionen geringer Intensität beeinflussen Wachstum, Immunreaktionen, Ferritinspiegel und mikrobielle Homöostase bei Schulkindern und unterdrücken die NK-Zellfunktionalität bei Hausschweinen als für den Menschen relevantes Modell Hintergrund: Trotz aller Kontrollbemühungen bleibt Ascariasis ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit. Die Einführung einer regelmäßigen präventiven Chemotherapie (PC) in endemischen Regionen hat zu einer Verschiebung von hochintensiven zu niedrigintensiven Ascaris-Infektionen geführt. Diese Infektionen können mit den Standarddiagnosemethoden nicht zuverlässig erkannt werden und wirken daher als Reservoir für eine anhaltende Übertragung. Obwohl die schädlichen Auswirkungen hochintensiver Ascaris-Infektionen auf Ernährung, Immunität, Wachstum und geistige Leistungsfähigkeit gut belegt sind, sind die kurz- und langfristigen Auswirkungen niedrigintensiver Infektionen noch unbekannt. Darüber hinaus koexistiert Ascaris in einem dynamischen Wechselspiel mit den Darmbakterien, die ebenfalls mit der Immunfunktion und dem Stoffwechsel des Wirts verbunden sind. Diese Wechselwirkungen unterstreichen die Notwendigkeit, Ascaris-Infektionen über ihre direkten pathologischen Auswirkungen hinaus umfassend zu untersuchen und ihre Auswirkungen auf Ernährung, Mikrobiom und Immunhomöostase zu berücksichtigen. Um diese Lücken zu schließen, war das Ziel dieser Arbeit die integrierten Auswirkungen niedrigintensiver Ascaris-Infektionen auf Ernährung, Immunität und Mikrobiom bei Schulkindern, die in einem endemischen Umfeld leben, zu untersuchen. Darüber hinaus war das Ziel mithilfe des Hausschweins, ein für den Menschen relevantes Tiermodell erste Einblicke in die Funktionsstörungen der natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) zu gewinnen, die durch eine Infektion mit niedrig dosiertem Ascaris ausgelöst werden, und in das Potenzial dieser Störungen, die Anfälligkeit des Wirts gegenüber Salmonellen zu verändern. Insbesondere sollte: 1. die diagnostische Leistungsfähigkeit der Kopromikroskopie, Multiplex-qPCR und Serologie bei der Erkennung von Ascaris-Infektionen mit geringer Intensität bewertet werden. 2. die immunologischen Veränderungen, die mit Ascaris-Infektionen mit geringer Intensität assoziiert sind untersucht werden. 3. die ernährungsbezogenen Folgen von Ascaris-Infektionen mit geringer Intensität bestimmt werden. 4. die Zusammensetzung der Darmmikrobiota und deren Zusammenhang mit Ascaris-Infektionen mit geringer Intensität, Immunreaktionen und dem Ernährungszustand analysiert werden. 5. in einer Ascaris-Infektion mit niedriger Intensität die Funktion der natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) bei Hausschweinen – als humanrelevantem Modell – bewertet werden, um Mechanismen zu identifizieren, die für die Gesundheit des Menschen bei häufig vorkommenden Koinfektionen in Ascaris-endemischen Populationen relevant sind. Ergebnisse: Um Ascaris-Infektionen niedriger Intensität präzise zu erkennen, haben wir einen Multiplex-qPCR-Test entwickelt und optimiert, der im Vergleich zu herkömmlichen mikroskopischen Techniken eine höhere Sensitivität aufweist. Darüber hinaus haben wir IgG1- und IgG4-Antikörper gegen die exkretorisch-sekretorischen Produkte adulter Ascaris als potenzielle serologische Marker für aktuelle Ascaris-Infektionen und -Exposition identifiziert, aufgrund ihrer hohen Genauigkeit bzw. Sensitivität. Vier Monate nach der Verabreichung von STH PC haben wir eine hohe Prävalenz von Ascaris-Infektionen niedriger Intensität bei Schulkindern beobachtet. Die Ernährung der Kinder bestand überwiegend aus Kohlenhydraten mit einer geringen Aufnahme von proteinreichen Lebensmitteln. Besonders haben wir eine relativ hohe Prävalenz von Protein-Energie-Mangelernährung festgestellt, die sich in niedrigen Albuminwerten, Wachstumsverzögerungen und Abmagerungen widerspiegelte, besonders bei Jungen. Ascaris-Infektionen niedriger Intensität waren negativ mit Abmagerung und Wachstumsverzögerungen sowie Ferritinwerten verbunden. Wir zeigen, dass eine Ascaris-Infektion mit einer systemischen Gedächtnis-CD4-Reaktion verbunden ist, die durch eine erhöhte Darm-Homing-Kapazität und ein gemischtes Th1/Th2/Th17-Zytokinprofil sowie eine gemischte IgM/IgG/IgA/IgE-Antikörperreaktion gekennzeichnet ist. Insbesondere korrelierten Ascaris-spezifische Schleimhaut-IgA1-Reaktionen mit den Darmbakterien: Oscillospiraceae-, Dorea formicigenerans- und Prevotella, die alle kurzkettige Fettsäuren produzierende und für ihre immunmodulatorischen Eigenschaften bekannt sind. Diese mikrobiellen Taxa waren auch mit Ferritinspiegeln verbunden. Darüber hinaus zeigen wir, dass eine niedrigdosis Ascaris-Infektion die Zytokinproduktion und Zytotoxizität von NK-Zellen sowohl in der Lunge als auch im systemischen Kreislauf erheblich beeinträchtigt, indem sie das Gleichgewicht der Transkriptionsfaktoren verändert und inhibitorische Rezeptoren hochreguliert. Schlussfolgerung: Diese Studie hebt die negativen Auswirkungen von Ascaris-Infektionen geringer Intensität auf Ernährung, Wachstum und Immunität hervor. Ascaris-Infektionen geringer Intensität können das Darmmikrobiom auch indirekt modulieren, indem sie den Ferritinspiegel und die Schleimhautimmunität verändern, um spezifische mikrobielle Veränderungen zu fördern. Die starke Unterdrückung der NK-Zellfunktionen durch eine Ascaris-Infektion mit geringer Dosis und während einer Ascaris-Salmonella-Koinfektion weist darauf hin, dass eine Ascaris-Infektion die Anfälligkeit des Wirts für Koinfektionen erhöht und möglicherweise den Krankheitsverlauf beeinflusst. Unsere Ergebnisse unterstreichen den dringenden Bedarf einer hochempfindlichen Diagnostik wie qPCR und/oder serologische Marker, um die Belastung durch Ascaris-Infektionen genau zu bestimmen. Zukünftige Forschung sollte longitudinale Studien am Menschen und parallele Studien an Schweinen priorisieren, um die langfristigen Auswirkungen von Ascaris-Infektionen geringer Intensität und ihre umfassenderen Auswirkungen auf Koinfektionen und Krankheitsverläufe bei Kindern zu verstehen und evidenzbasierte Interventionen zu ermöglichen.
