Surveillance of artemisinin and partner drug efficacy in uncomplicated Plasmodium falciparum malaria in Coastal Kenya

Abstract

Background: Malaria remains one of the major causes of morbidity and mortality worldwide. Artemisinin-based combination therapies are used as first-line treatment in all endemic countries for uncomplicated P. falciparum malaria. artemether-lumefantrine was introduced as first-line treatment in Kenya in 2006. Since the first report of artemisinin-resistant P. falciparum malaria in 2009 on the Thai-Cambodian border, concerns about declining responsiveness to artemisinins have also been expressed in Kenya, stressing the need for continued drug-surveillance studies. Methods: In a single-armed trial children between the ages of 6 months and 10 years with microscopically detected P. falciparum malaria were treated with a 7-day artesunate monotherapy regimen (2 mg / kg per body weight per day as a single dose) and followed up for 42 days. Data on parasite clearance parameters was used in order to either substantiate or refute the previously reported decline in artemisinin responses. Additionally, susceptibility to lumefantrine and piperaquine, the two most commonly prescribed artemisinin-based combination therapy partner drugs in Kenya, was tested ex vivo via Histidine-rich protein 2 Enzyme-linked-immunosorbent-assay. To distinguish between reinfection and recrudescence, Merozoite-surface-protein 2 -genotyping was carried out. Results: 175 patients were recruited between April and December 2011. Mean overall parasite clearance times were 30.5 hours and median slope half life was 2.4 hours, with a median clearance rate constant of 0.29 / hour. The highest reduction in parasites took place between hour 6 and hour 12 after initiation of treatment (parasite reduction ratio increased from 0.03 / hour to 0.15 / hour). Ex vivo drug susceptibility showed geometric means of 3.8 nM and 4.2 nM for dihydroartemisinin and artesunate, respectively. Geometric mean IC50 for lumefantrine and piperaquine were 12.1 nM and 8.0 nM, respectively. An indication for cross-resistance between artemisinins and mefloquine was found (r2 = 0.41 and 0.38 p < 0.0001 for each value). Out of a total of 56 (33 %) total recurrent parasitaemia cases, 32 (19 %) happened within 28 days after initiation of treatment. Eight patients had PCR-confirmed recrudescence (5 %), 5 of those (3 %) within 28 days. Tested recurrence samples did almost exceptionally not differ significantly from baseline values regarding their IC50 (0.02 ≤ p ≥ 0.96). Conclusion: For now overall artemisinin susceptibility in Kenya remains high, clinically as well as when testing ex vivo. In order to prevent resistance and to respond adequately in the case of it, new drugs and combinations have to be studied. PPQ proved to be highly efficient ex vivo. This suggests a high importance as alternative to the first-line combination therapy in Kenya. All together it is inevitable to further continue close drug surveillance. High drug pressure is present due to the frequent use of artemether-lumefantrine in Kenya and mutations that could affect drug susceptibility arise spontaneously. By closely monitoring drug effectiveness, a decline in response of P. falciparum towards artemisinins can be detected and contained early.

Hintergrund: Malaria stellt weltweit noch immer eine wesentliche Ursache für Morbidität und Mortalität dar. Kombinationstherapien mit Artemisinin-Derivaten sind seit einigen Jahren in allen endemischen Gebieten als Goldstandard etabliert. Artemether-Lumefantrin bildet in Kenia seit 2006 den Grundstein der Therapie. Seit dem ersten Report über Artemisinin-resistente P. falciparum Malaria an der thailändisch-kambodschanischen Grenze im Jahr 2009 wird auch aus Kenia über abnehmende Sensibilität gegenüber Artemisinin berichtet. Daraus resultiert die Dringlichkeit weiterer Studien zur Medikamentensensitvität von P. falciparum in diesem Land. Methoden: In einer einarmigen Studie wurden im Kinder zwischen 6 Monaten und 10 Jahren mit mikroskopisch verifizierter P. falciparum Malaria mit einer 7-tägigen Artesunat Monotherapie (2 mg / kg Körpergewicht) behandelt und über einen 42-tägigen Zeitraum beobachtet. Parasiten Eliminations-Parameter und ex vivo Medikamentensensitivität dienten als Indikatoren um eine zuvor publizierte abnehmende Wirksamkeit von Artemisinin in Kenia zu verifizieren oder zu widerlegen. Die ex vivo Medikamentensensitivität wurde anhand eines antikörperbasierten Nachweisverfahrens von Histidin-reichem-Protein 2 bestimmt. Zusätzlich wurden die ex vivo Sensitivitäten von Lumefantrin und Piperaquin, den beiden am häufgsten genutzten Kombinationspartnern der Artemisinine, getestet. Um zwischen einer Rekrudeszenz und einer Reinfektion zu unterscheiden, wurde eine Genotypisierung anhand des Merozoiten-Oberflächen-Proteins 2 durchgeführt. Resultate: 175 Patienten wurden zwischen April und Dezember 2011 rekrutiert. Die mittlere Parasiten Eliminations-Zeit betrug 30,5 Stunden, mediane Steigungs-Halbzeit 2,37 Stunden. Die höchste Parasitenreduktion fand zwischen 6 und 12 Stunden nach der ersten Medikamenteneinnahme statt (Anstieg der Rate von 0.03 / Stunde auf 0.15 / Stunde). Die ex vivo- Inhibitionskonzentration betrug im geometrischen Mittel 3,8 nM gegenüber Dihydroartemisinin und 4,2 nM gegenüber Artesunat. Gegenüber Lumefantrin und Piperaquin wurden Werte von 12,1 nM und 8,0 nM bestimmt. Statistisch gab es durch Errechnung des Determinationskoeffizienten r2 Hinweise auf Kreuzresistenz zwischen den Artemisinen und Mefloquin (r2 = 0.41 und 0.38, p jeweils < 0.0001). Von insgesamt 56 (33 %) wiederkehrenden Parasitämie- Fällen traten 32 (19 %) innerhalb von 28 Tagen nach Beginn der Therapie mit Artesunat auf. 8 Patienten hatten PCR- bestätigte Rekrudeszenz (5 %), 5 davon (3 %) innerhalb von 28 Tagen nach Therapiebeginn. Die Inhibitionskonzentrationen bei wiederkehrender Parasitämie unterschieden sich nahezu ausschließlich nicht signifikant von denen vor Behandlungsbeginn (0.02 ≤ p ≥ 0.96). Schlussfolgerung: Die Artemisinin-Wirksamkeit gegenüber P. falciparum in Kenia erweist sich klinisch und auch ex vivo als noch immer hoch. Um Resistenzen zu verhindern und gegebenenfalls rasch und adäquat handeln zu können, sind Untersuchungen neuer Medikamente und Kombinationen unabdingbar. PPQ zeigt eine hohe Effektivität ex vivo und könnte daher eine Alterative zum Goldstandard in Kenia darstellen. Trotzdem ist es unerlässlich weiterhin kontinuierlich Medikamentenwirksamkeitsstudien durchzuführen. Die häufige Verwendung von Artemether-Lumefantrin bedingt einen hohen Selektionsdruck der Parasiten. Zudem treten Mutationen, welche die Medikamentensensitivität beeinflussen können, sehr spontan auf. Durch engmaschige Kontrollen der Medikamentenwirksamkeit lässt sich deren Abnahme früh detektieren und ihre weitere Ausbreitung eindämmen