Résistance de Plasmodium falciparum aux dérivés de l’artémisinine : caractérisation et épidémiologie en Amazonie

Resistance of Plasmodium falciparum to artemisinin derivatives : characterization and epidemiology in Amazonia

• Auteur / Autrice : Luana Mathieu
• Direction : Magalie Pierre Demar, Lise Musset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 04/03/2021
• Etablissement(s) : Guyane
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Diversités, santé et développement en Amazonie (Cayenne)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Benoît-Vical
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Ariey, Jérôme Clain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Ariey, Sandrine Houzé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux antipaludiques

Plasmodium falciparum

Mots clés libres

Plasmodium falciparum

Pfk13

Résistance

Artémisinines

Amazonie

Plateau des Guyanes

Amérique du sud

Plasmodium falciparum

Resistance

Artemisinins

The Amazon rainforest

French Guiana

South America

Résumé

Le paludisme est une maladie parasitaire qui sévit dans la zone intertropicale et cause des milliers de morts chaque année. Depuis près de vingt ans, les traitements recommandés pour traiter Plasmodium falciparum, l’espèce la plus virulente, sont les associations thérapeutiques à base de dérivés d’artémisinine (ACTs). Ces traitements ont permis une importante diminution de la morbidité et de la mortalité liée à cette maladie. Cependant, en 2008, des parasites résistants aux artémisinines ont été détectés à l’ouest du Cambodge. Ils se sont depuis propagés à l’ensemble des pays de l’Asie du sud-est et laissent craindre aujourd’hui une dispersion à l’ensemble des zones d’endémie.Tout comme l’Asie du sud-est, l’Amazonie est une zone propice à l’émergence de la résistance aux antipaludiques. Il y a quelques années, des parasites porteurs de la mutation C580Y au niveau du gène kelch 13 (pfk13) et des patients toujours positifs trois jours après le début du traitement par ACT, ont été identifiés au Guyana et au Suriname. Ces deux critères caractérisant la résistance aux artémisinines suggéraient que l’émergence avait commencé dans la région amazonienne, et plus précisément sur le plateau des Guyanes. L’objectif de ce travail de thèse était donc de la caractériser d’un point de vue génotypique et épidémiologique.Dans un premier temps, la circulation de parasites mutants pfk13 C580Y a été confirmée au Guyana en 2016 et 2017 (1,6%, 14/854). L’analyse de leur génome a permis de caractériser ce nouveau foyer de résistance, indépendant de ceux d’Asie du sud-est, qui se transmet pour l’instant de manière clonale. L’insertion des mutations C580Y et R539T par recombinaison homologue dans le génome de parasites de Guyane a ensuite confirmé le lien entre ces mutations et la résistance à la dihydroartémisinine (DHA) in vitro. En effet, de leur présence résultait des taux de survie de 13,7 à 33,0% contre 0,5 à 0,6% chez les parasites non modifiés, pfk13 sauvage. Ainsi, l’intérêt du gène pfk13 comme marqueur de la résistance dans la région amazonienne a été prouvé. Les tests de compétition de croissance réalisés avec les lignées isogéniques ont montré que ces mutations impactaient la croissance parasitaire avec des taux de croissance réduits de 0,6 à 1,3% par cycle de développement. Cet impact variait en fonction du fond génétique et pourrait expliquer pourquoi les parasites mutants C580Y ne se sont pas propagés davantage. Ensuite, pour évaluer l’épidémiologie moléculaire de ce gène dans la région, plus de 4000 échantillons de la région amazonienne ont été analysés. Un faible polymorphisme du gène pfk13 a été observé. Au delà de la mutation C580Y au Guyana, cinq polymorphismes différents ont été identifiés. Parmi ceux-ci, K189T était particulièrement fréquent (49,1%, 575/1171). L’objectif a ensuite été d’évaluer le risque de dispersion des mutants depuis le Guyana. Pour ce faire, les mouvements de parasites entre les différentes zones géographiques ont été analysés en se basant sur les mouvements de patients infectés. Deux importantes voies de migration ont été identifiées, toutes deux centrées sur le plateau des Guyanes. Ainsi, si les mutations devaient être davantage sélectionnées, ces mouvements induiraient un risque élevé de dispersion de la résistance. Enfin, la mise en place de pressions médicamenteuses séquentielles par la DHA sur différents isolats de Guyane a montré une acquisition rapide de la résistance par certains parasites. Ainsi, des génomes semblent plus favorables que d’autres à la sélection de la résistance.Ces travaux ont ainsi permis de confirmer la présence de parasites résistants aux artémisinines sur le plateau des Guyanes, aujourd’hui circonscrits au Guyana. Leur impact sur l’efficacité thérapeutique in vivo reste encore à démontrer mais est probablement limité du fait d’une bonne efficacité de la molécule partenaire des artémisinines, la luméfantrine.

Malaria is a parasitic disease from the intertropical areas responsible for thousands of deaths each year. For the past 20 years, the recommended treatments to treat Plasmodium falciparum, the most virulent species, are artemisinin-based combination therapies (ACTs). These treatments led to a significant reduction of the mortality and morbidity associated to this disease. However, in 2008, artemisinin-resistant parasites were detected in Western Cambodia before spreading across Southeast Asia. They now raise fears to disperse in all endemic area.As Southeast Asia, Amazonia is a hotpsot for selection of parasites resistant to antimalarial drugs. A few years ago, parasites carrying the C580Y mutation in the kelch 13 gene (pfk13) and patients still positive three days after their treatment initiation with ACT were identified in Guyana and Suriname. These two criteria, characterizing artemisinin resistance, suggested that the emergence had started in the Amazon region, and more precisely in the Guiana Shield. In this context, this work aimed to characterize artemisinin resistance from a genotypic and epidemiological point of view.First, the presence of pfk13 C580Y mutant parasites (1.6%, 14/854) in Guyana between 2016 and 2017 has been confirmed. Whole genome analysis allowed to characterize this new clonal focus for resistance which has been selected independently from those of Southeast Asia. Insertion of pfk13 C580Y and R539T mutations by homologous recombination in parasites from French Guiana validated the link with in vitro resistance to dihydroartemisinin (DHA). Indeed, their presence resulted in survival rates of 13.7 to 33.0% compared to 0.5 to 0.6% in wild-type parasites. Thus, the interest of the pfk13 gene as a resistance marker in the Amazon region has been proven. Growth competition assays performed with these isogenic lines evaluated a decrease of the growth rate about -0.6 to -1.3% per generation of mutants. This impact varied according to the genetic background and could explain why the C580Y mutants did not spread further. Then, to define the molecular epidemiology of this pfk13 gene in the Amazon region, more than 4,000 samples were analyzed. A low level of polymorphism was observed. Beside the C580Y mutation in Guyana, fiveother different polymorphisms have been identified. Among these, K189T was the more prevalent (49.1%, 575/1171). Then, the objective was to assess the risk of mutant spreading from Guyana. To do this, we analyzed the movements of parasites between different geographical areas according to the migration of infected patients. Two significant migration patterns have been identified between countries of the Amazon region, focused on the Guiana Shield. Therefore, these movements would generate a high risk for resistance dispersion if the mutants would be further selected. Finally, theimplementation of drug pressures with DHA-pulses on different isolates from French Guiana showed a rapid acquisition of resistance for some of the strains. Thus, some genomes seem to favor the selection of resistant parasites. This part of the project is still in progress and should provide a better understanding of the resistance selection / evolution process.This work confirmed the presence of artemisinin-resistant parasites on the Guiana Shield, only in Guyana for the moment. Their impact on in vivo therapeutic efficacy of ACT remain to be evaluate but it will be probably limited owing to the high efficiency of the partner drug, lumefantrine. However, monitoring resistance must be maintained and even strengthened, as well as the access to reliable diagnosis and efficient treatment in remote areas. In fact, once resistance will be effectively transmitted, human population movements would disperse it promptly.