Evaluierung des Nachweises von Schistosoma mansoni DNA mittels Real-Time PCR in verschiedenen humanen Proben sowie den Zwischenwirtschnecken in einer Hochprävalenzregion am Viktoriasee in Tansania

Autor: Fuß, Antje
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
DOI: 10.25972/OPUS-21506
Popis: Die Schistosomiasis ist nach wie vor eine der häufigsten parasitären Erkrankungen der Welt und verursacht erhebliche gesundheitliche und wirtschaftliche Folgen, insbesondere in ärmeren, ländlichen Regionen. Durch Immunreaktionen auf die im Wirt abgelegten Eier des Parasiten können sich chronische Verlaufsformen manifestieren. Dabei kann es zu irreversiblen Schäden kommen. Um dies zu verhindern sind eine frühe und sichere Diagnose sowie eine Behandlung mit Praziquantel (PZQ) unabdingbar. Zudem spielt der zuverlässige Nachweis der Schistosomiasis eine Schlüsselrolle bei der Überwachung, Prävention und Kontrolle der Erkrankung. In epidemiologischen Studien findet am häufigsten die mikroskopische Kato-Katz (KK)-Methode zum Nachweis von Schistosoma mansoni Eiern im Stuhl Anwendung. Dieses Verfahren ist äußerst spezifisch und bietet die Möglichkeit der Quantifizierung, wodurch die Intensität der vorliegenden Infektion bestimmt werden kann. Die Sensitivität der Testmethode ist jedoch nur moderat, insbesondere bei einer niedrigen Infektionsintensität. Zudem kann eine Infektion erst nach der Präpatenzzeit nachgewiesen werden. Der ebenfalls häufig eingesetzte urinbasierte Point-of-Care Circulating Cathodic Antigen (POC-CCA)-Test weist zwar eine höhere Sensitivität aber geringere Spezifität als das KK-Verfahren auf. Als hochsensitive und sehr spezifische Methode zur Diagnose der Schistosomiasis hat sich der Nachweis von Schistosoma-spezifischer DNA mittels Real-Time PCR herausgestellt. Allerdings wird für die Durchführung dieser Technik ein gut ausgestattetes Labor benötigt, das sich in der Regel nicht in unmittelbarer Nähe zum Patienten im Feld befindet. Daher ist es besonders wichtig, über praktikable und schnelle Konservierungsmethoden zu verfügen, die bevor die Extraktion und Amplifikation der DNA stattfindet, einen einfachen Transport und eine einfache Lagerung des Probenmaterials ermöglichen. Das Ziel des ersten Teils der vorliegenden Arbeit war, die Sensitivität und Spezifität der klassischerweise verwendeten KK-Methode und des POC-CCA-Tests mit der Real-Time PCR- Methode unter Verwendung von Stuhlproben, Urinproben, Serumproben sowie auf Filterpapier getrocknete Blutproben (dried blood spots – DBSs) zu vergleichen. Zudem wurde die Anwendbarkeit der Real-Time PCR aus Serum- und Urinproben zur Therapiekontrolle überprüft. Die dazu notwendigen Studien wurden alle in der Region Mwanza in Tansania durchgeführt, welche als hochendemisch für S. mansoni gilt. Für die Untersuchungen zur stuhlbasierten Real-Time PCR wurden als Studienteilnehmer Schulkinder gewählt. Aufgrund der erforderlichen Blutabnahme wurden die anderen Teilstudien nur mit erwachsenen Probanden durchgeführt. Unter Verwendung der KK-Methode als Goldstandard erzielten die Real-Time PCR aus Stuhlproben und der POC-CCA-Test sehr hohe Sensitivitäten von 99,5% bzw. 89,7%, jedoch nur geringe Spezifitäten von 29,55% und 22,73%. Die KK-Methode weist bekanntermaßen nur eine geringe bis moderate Sensitivität auf und ist daher nicht gut als Referenz geeignet. Deshalb wurde zusätzlich eine latente Klassenanalyse angewandt, um die tatsächlich Erkrankten zu ermitteln und anhand dieser die diagnostische Güte der verwendeten Tests zu bestimmen. Hier zeigte der POC-CCA-Test die höchste Sensitivität (99,5%) sowie eine Spezifität von 63,4%. Der Real-Time PCR-Test hatte eine Sensitivität von 98,7% und die höchste Spezifität (81,2%). Die Spezifität der KK-Technik betrug 72,8%, die Sensitivität war signifikant niedriger (89,7%) als bei den anderen beiden Methoden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass der POC-CCA-Schnelltest empfindlicher ist als die KK-Methode und zum Screening von S. mansoni-Infektionen eingesetzt werden kann. Die Stuhl-PCR war zwar ebenfalls hochsensitiv und zeigte unter den drei getesteten Diagnoseverfahren die höchste Spezifität, aber aufgrund der höheren Kosten und der komplizierten Anwendung sollte für epidemiologische Untersuchungen in Hochprävalenzregionen der POC-CCA-Test bevorzugt werden. Bei unklaren Diagnosen kann die Real-Time PCR-Methode als Bestätigungstest Anwendung finden. In der Teilstudie zur serum- und urinbasierten Real-Time PCR in einer endemischen Region vor und nach der Behandlung mit PZQ wurden folgende Ergebnisse erzielt: Unter Verwendung einer kombinierten Referenz aus den Ergebnissen des parasitologischen KK-Tests und / oder der serumbasierten PCR konnte zu Studienbeginn eine Prävalenz von S. mansoni von 77,1% ermittelt werden. In Bezug auf die Sensitivität zeigte der DNA-Nachweis aus Serum (96,3%) und der POC-CCA-Assay (77,8%) die höchsten Ergebnisse. Die urinbasierte Real-Time PCR zeigte die geringste Empfindlichkeit (33,3%). Durch die Behandlung mit Praziquantel wurde eine signifikante Reduktion der S. mansoni Prävalenz erreicht. Zwanzig Wochen nach Therapie konnte durch die KK-Methode keine, mit dem POC-CCA-Test 33,3% und mit der serumbasierten Real-Time PCR 58,3% Infektionen festgestellt werden. Die Analyse der mittels der serumbasierten PCR bestimmten mittleren Ct-Werte im zeitlichen Verlauf zeigte, dass dieser eine Woche nach der Behandlung signifikant abnahm (von 30,3 auf 28) und 20 Wochen später über den Basiswert (34,9) anstieg. Der Ct-Wert ist umgekehrt proportional zur DNA-Ausgangsmenge, die in die PCR eingesetzt wurde. Dies deutet darauf hin, dass kurz nach der Therapie ein DNA-Anstieg zu verzeichnen war und 20 Wochen später weniger DNA als zu Beginn der Studie nachweisbar war. Dieser DNA-Verlauf lässt verschiedene Interpretationsmöglichkeiten zu. Die Daten zeigen jedoch, dass die serumbasierte Real-Time PCR eine ausgezeichnete diagnostische Genauigkeit aufweist. Da die nachgewiesene DNA jedoch keine Rückschlüsse auf das Parasitenstadium zulässt und es sich hierbei auch um DNA aus im Gewebe verbliebenen Eiern oder Reinfektionen handeln könnte, ist diese Methode in Hochprävalenz- Regionen nicht zur Therapiekontrolle geeignet. Die Verwendung von Urin zum DNA-Nachweis erzielte keine vielversprechenden Ergebnisse. Die Sensitivität der Real-Time PCR aus DBSs war ebenfalls sehr gering (45,4%) und kann ohne weitere ausführliche Testung hinsichtlich Lagertemperatur, Lagerdauer, verschiedener Filterpapierarten und Extraktionsmethoden nicht empfohlen werden. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse dieser Studien, dass sowohl die stuhl- als auch die serumbasierte Real-Time PCR bei der Erkennung und Bewertung der Infektionsprävalenz, einem wichtigen Aspekt epidemiologischer Studien, deutlich empfindlicher ist als das mikroskopische KK-Verfahren. Aufgrund des hohen Kosten- und Personalaufwandes und der Notwendigkeit eines gut ausgestatteten Labors wird sich diese Methode aber nicht zum Screening in hochendemischen Ländern durchsetzen. Sie kann jedoch einen Mehrwert bei der Diagnose der Schistosomiasis bieten, vor allem bei frühen oder leichten Infektionen. Zudem kann diese hochsensitive und spezifische Methode als Bestätigungstest bei unklaren Diagnosen herangezogen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden malakologische Untersuchungen zur Identifizierung potenzieller Übertragungsorte für die Schistosomiasis rund um die im Viktoriasee gelegene Insel Ijinga durchgeführt. Diese Analysen fanden innerhalb eines Pilotprojektes zur Eliminierung der Erkrankung auf der Insel Ijinga statt, wobei ein intensiviertes Behandlungsprotokoll, welches die gesamte Inselbevölkerung einschloss, Anwendung fand. Die Kontrolle der Praziquanteleffektivität nach mehreren Behandlungsrunden bringt eine Reihe diagnostischer Herausforderungen mit sich. Hier könnte die Beurteilung der Schistosoma-Infektion in den Zwischenwirtschnecken vor und nach der Therapie als Indikator für den Erfolg der Maßnahme dienen. Zu diesem Zweck erfolgte zunächst eine Baseline-Untersuchung, bei der Schnecken an Uferregionen gesammelt wurden, an denen die Inselbewohner häufigen Wasserkontakt hatten. Die Schnecken wurden anhand morphologischer Merkmale identifiziert und mithilfe der Real-Time PCR-Methode auf Infektionen mit S. mansoni untersucht. Insgesamt wurden 35,4% (279/788) S. mansoni- positive Zwischenwirtschnecken (Biomphalaria) detektiert. Dies verdeutlicht, dass an den meisten Wasserkontaktstellen um die Insel Ijinga ein potentielles Risiko für die Übertragung der Schistosomiasis besteht. Die mithilfe der KK-Methode ermittelte Gesamtprävalenz von S. mansoni in der humanen Bevölkerung betrug 68,9%. Nachdem die Bewohner der Insel viermal mit PZQ behandelt wurden, zeigte sich in der kontinuierlich überwachten Sentinelgruppe eine Reduktion der Prävalenz auf 28,7%. Zu diesem Zeitpunkt wurde ebenfalls die Analyse der Schnecken wiederholt und es konnten 16,8% (57/350) Schnecken mit einer S. mansoni Infektion nachgewiesen werden. Die Reduktion der Infektionshäufigkeit in den Schnecken vor und nach der viermaligen Behandlung der Bevölkerung war signifikant (χ² = 74.335, p < 0,001). Dies deutet darauf hin, dass die intermediären Wirtsschnecken zur Überwachung von Kontrollmaßnahmen verwendet werden können.
Schistosomiasis remains one of the most common parasitic infections in the world, causing significant health and economic consequences, particularly in rural areas. Immune reactions to the parasite's eggs deposited in the host can lead to chronic progression. This may result in to irreversible damage. In order to prevent this, an early and reliable diagnosis and a concomitant therapy will be indispensable. In addition, the reliable detection of schistosomiasis plays a key role in monitoring, prevention and control of the disease. In epidemiological studies, the microscopic Kato-Katz (KK) method is most frequently used to detect eggs in stool. This method is highly specific and offers the possibility of quantification, which allows to determine the intensity of the existing infection. However, especially at low infection intensities, the sensitivity of the test method is rather moderate. Furthermore, infections can only be detected after the prepatent period. The also frequently used urine-based Point-of-Care Circulating Cathodic Antigen (POC-CCA) test shows a higher sensitivity but lower specificity than the KK method. The detection of schistosome-specific DNA through Real-Time PCR has proven to be a highly sensitive and very specific method for the diagnosis of schistosomiasis. However, this assay requires a well-equipped laboratory, which is usually not located in the immediate vicinity of the patient in the field. Therefore, it is particularly important to have practical and rapid preservation methods that allow easy transport and storage of the sample material before DNA extraction and amplification takes place. The aim of the first part of this dissertation was to compare the sensitivity and specificity of the classical KK method and the POC-CCA test with the Real-Time PCR method using stool samples, urine samples, serum samples and blood samples dried on filter paper (dried blood spots – DBS). In addition, tests were conducted regarding the applicability of Real-Time PCR from serum and urine samples for therapy control. The necessary studies were all carried out in the Mwanza region of Tanzania, which is considered to be highly endemic for S. mansoni. Schoolchildren were selected as study participants for the studies on stool-based Real-Time PCR. Due to the required blood collection, the other partial studies were conducted with adults only. Using the KK method as gold standard, the Real-Time PCR from stool samples and the POC-CCA test achieved very high sensitivities of 99.5% and 89.7%, respectively, but only low specificities of 29.55% and 22.73%. The KK method is known to have low to moderate sensitivity and is therefore not well suited as a reference. For this reason, a latent class analysis was carried out to determine the true patients and the diagnostic quality of the tests used. The POC-CCA test showed the highest sensitivity (99.5%) and a specificity of 63.4%. The Real-Time PCR test had a sensitivity of 98.7% and the highest specificity (81.2%). The specificity of the KK technique was 72.8%, the sensitivity was significantly lower (89.7%) than with the other two methods. These results show that the POC-CCA rapid test is more sensitive than the KK method and can be used to screen for S. mansoni infections. Although stool PCR is also highly sensitive and shows the highest specificity of the three diagnostic methods tested, the POC-CCA test should be preferred for epidemiological investigations in high prevalence regions on account of the higher costs and complicated application. If the diagnosis is unclear, the Real-Time PCR method can be used as a confirmatory test. The following results were obtained in the partial study regarding the use of serum and urine-based Real-Time PCR in an endemic region before and after treatment with Praziquantel (PZQ): Using a combined reference of the results of the parasitological KK test and / or the serum-based PCR, a prevalence of S. mansoni of 77.1% could be determined at the beginning of the study. In terms of sensitivity, DNA detection from serum (96.3%) and the POC-CCA assay (77.8%) showed the highest results. Urine-based Real-Time PCR showed the lowest sensitivity (33.3%). Treatment with Praziquantel significantly reduced the prevalence of S. mansoni. Twenty weeks after therapy, no infections could be detected with the KK method, 33.3% with the POC-CCA test and 58.3% with the serum-based Real-Time PCR. Analysis of mean Ct-values determined by serum-based Real-Time PCR over time showed that it decreased significantly (from 30.3 to 28) one week after treatment and increased above the baseline value (34.9) 20 weeks later. The Ct-value is inversely proportional to the initial amount of DNA added to the PCR. This suggests that shortly after therapy there was an increase in DNA and 20 weeks later less DNA was detectable compared to the beginning of the study. This DNA progression offers various interpretation possibilities. However, the data show that serum-based Real-Time PCR has excellent diagnostic accuracy. Yet, since the detected DNA does not allow conclusions to be drawn about the parasite stage and this could also be DNA from eggs remaining in the tissue or reinfections, this method is not suitable for therapy control in high prevalence regions. The use of urine for DNA detection did not yield promising results. The sensitivity of the Real-Time PCR from DBSs was also very low (45.4%) and cannot be recommended without further extensive testing with regard to storage temperature, storage time, different filter paper types and extraction methods. In summary, the results of these studies showed that Real-Time PCR is significantly more sensitive than microscopy in the detection and evaluation of infection prevalence, an important aspect of epidemiological studies. However, due to the high costs and personnel involved and the need for a well-equipped laboratory, this method will not be accepted for screening in high-endemic countries. Yet, it can provide added value in the diagnosis of schistosomiasis, especially in early or light infections. In addition, this highly sensitive and specific method can be used as a confirmatory test for unclear diagnoses. The second part of this dissertation describes malacological investigations to identify potential transmission sites for schistosomiasis around Ijinga Island located on Lake Victoria. These analyses took place as part of a pilot project to eliminate the disease on this island, using an intensified treatment protocol that included the entire island population. The control of Praziquantel effectiveness after several rounds of treatment poses a number of diagnostic challenges. Here, the assessment of the schistosoma infection in the intermediate host snails before and after the therapies could serve as an indicator for the success of the measure. For this purpose, a baseline study was carried out, in which snails were collected from shore regions where the islanders had frequent contact with water. The snails were identified on the basis of morphological characteristics and examined for infections with S. mansoni using the Real-Time PCR method. A total of 35.4% (279/788) S. mansoni positive intermediate host snails (Biomphalaria) were detected. This shows that there is a potential risk of schistosomiasis transmission at most water contact points around Ijinga. The total prevalence of S. mansoni in the human population determined by the KK method was 68.9%. After treating the community with Praziquantel four times, the prevalence of S. mansoni in the continuously monitored sentinel group was reduced to 28.7%. At this time, the analysis of the snails was repeated and 16.8% (57/350) snails with a S. mansoni infection were detected. The reduction in the frequency of infection in the snails before and after the fourfold treatment of the population was significant (χ² = 74,335, p < 0.001). This suggests that the intermediate host snails can be used to monitor control measures.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: